煤層氣洞穴完井技術(shù)

徐云龍， 李亞男， 夏文安， 張曉明

(勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

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煤層氣洞穴完井技術(shù)

徐云龍， 李亞男， 夏文安， 張曉明

(勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

煤層氣洞穴完井技術(shù)既是一種裸眼完井技術(shù)，又是一種增產(chǎn)技術(shù)，在適宜的地層該技術(shù)能夠大大提高近井地帶的滲透率，從而提高煤層氣的采收率。該技術(shù)在美國圣胡安盆地的高滲煤層取得了巨大的成功，但是在其它區(qū)域并沒有像圣胡安盆地那樣效果明顯，究其原因?qū)υ摷夹g(shù)的增產(chǎn)機(jī)理及煤層適應(yīng)性的認(rèn)識還有一定的差距。分析了洞穴完井技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理及洞穴完井的煤層適用條件，對洞穴完井技術(shù)的儲層選擇、井身結(jié)構(gòu)、工藝流程及設(shè)備配套進(jìn)行了詳細(xì)論述，并介紹了國內(nèi)的現(xiàn)場試驗(yàn)情況及取得的一些有益經(jīng)驗(yàn)，為該技術(shù)以后的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

煤層氣；洞穴完井；增產(chǎn)機(jī)理；工藝流程

0 引言

煤層氣裸眼洞穴完井技術(shù)起源于美國，1977年Amoco公司施工的Cahn1井裸眼完井后得到較高的產(chǎn)量，從此以后才有意識對套管下部裸眼井段進(jìn)行擴(kuò)眼完井。1986年Meridian公司開始在圣胡安盆地使用該技術(shù)，通過壓力“激動”使井壁坍塌擴(kuò)大裸眼洞穴，才真正發(fā)展為裸眼洞穴完井技術(shù)。隨后，該技術(shù)在圣胡安盆地得到了推廣應(yīng)用，其產(chǎn)量是水力壓裂產(chǎn)量的3～20倍，而且施工成本比水力壓裂低。目前在圣胡安盆地有三分之一是采用裸眼洞穴完井技術(shù)，這部分井的產(chǎn)氣量占整個盆地產(chǎn)量的76%左右。這說明該技術(shù)在圣胡安盆地是優(yōu)于水力壓裂技術(shù)的，然而在其它區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果并沒有取得象圣胡安盆地那樣的開發(fā)效果，因此，這種增產(chǎn)技術(shù)在特定煤層的適用性還需要進(jìn)一步研究[1-3]。

我國從“八五”開始，也對煤層氣洞穴完井技術(shù)進(jìn)行研究，對該技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理、煤層適用性、井下造穴技術(shù)、設(shè)備配套、數(shù)值模擬進(jìn)行研究以及開展了相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，有好也有壞，受限于對煤層特征和增產(chǎn)機(jī)理認(rèn)識不足，該技術(shù)在國內(nèi)并沒有得到推廣應(yīng)用[4-6]。

1 增產(chǎn)機(jī)理及適用條件

1.1 增產(chǎn)機(jī)理

洞穴完井技術(shù)既是一種裸眼完井技術(shù)，又是一種增產(chǎn)措施。在煤層的裸眼井段，通過人工壓力“激動”、地層自然壓力、水力或機(jī)械擴(kuò)孔等方法使得煤層向井筒內(nèi)坍塌，然后將煤粉循環(huán)出去，形成一個應(yīng)力場重新分布的洞穴，洞穴周圍產(chǎn)生了大量的剪切裂縫，并與地層中原有裂縫溝通，使得近井地帶的滲透率大大提高，這種能夠有效提高煤層氣產(chǎn)量的完井和增產(chǎn)技術(shù)即為洞穴完井技術(shù)。

目前，常用的形成洞穴的方式有3種：人工動力造穴、機(jī)械工具擴(kuò)眼、水射流造穴[7-8]。人工動力造穴是通過空壓機(jī)將大量空氣注入井內(nèi)，經(jīng)過多次快速憋壓和放噴，造成劇烈的井內(nèi)壓力“激動”，最后使煤層崩落形成洞穴。機(jī)械工具擴(kuò)眼是通過控制造穴刀具張開，在鉆具的帶動下旋轉(zhuǎn)，切削煤層形成洞穴。水力射流造穴是運(yùn)用水射流原理，在鉆具下部安裝水力噴射裝置，在煤層進(jìn)行水力切割，形成煤層洞穴。從狹義概念的角度，洞穴完井技術(shù)特指人工動力造穴完井技術(shù)。

人工動力造穴在快速注入空氣和快速泄壓過程中，在井筒周圍形成了3個變動區(qū)(如圖1所示)：洞穴區(qū)、破碎帶和撓性區(qū)[9-10]。

圖1 洞穴完井在井眼周圍形成3個變動區(qū)

(1)洞穴區(qū)：半徑可達(dá)2～3 m。增大了煤層的裸露面積，同時又消除了鉆井過程中對煤層的傷害。

(2)破碎帶：半徑可達(dá)5～6 m。該區(qū)域是洞穴效應(yīng)的延伸，區(qū)域內(nèi)的煤層發(fā)生張性破裂和剪切破裂，形成大量張剪性裂縫，增強(qiáng)了滲流能力。

(3)撓性區(qū)：半徑可達(dá)50～60 m。由于應(yīng)力的釋放作用，在破碎帶以外產(chǎn)生了對煤層的擾動，形成一個滲透性增強(qiáng)區(qū)。

洞穴法完井使得井眼能夠有效地連通了面割理裂縫、端割理裂縫及其它類型的天然裂縫。造穴過程增加了井眼與煤層內(nèi)裂縫的溝通，同時使得洞穴周圍的應(yīng)力場重新分布，形成了指向洞穴的單項(xiàng)載荷，煤層因缺乏支撐而向洞穴移動。煤層移動影響天然裂縫形態(tài)，撓性區(qū)可達(dá)50～60 m，使得有效滲透率不斷增加。

1.2 適用條件

根據(jù)上述人工動力造穴完井技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理及美國圣胡安盆地成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以得到其適用條件。

(1)煤層滲透率高，一般要在10～20 mD。高滲透率是洞穴完井的首要條件，高滲意味著注入空氣能夠順利進(jìn)入地層，彈性能量作用范圍大，同時能夠使煤層中的自然裂縫系統(tǒng)與人造裂縫系統(tǒng)形成良好溝通，煤層中的水和氣能夠順利產(chǎn)出。

(2)地層壓力系數(shù)高，一般地層壓力系數(shù)>1.0。地層壓力高，形成煤層到井眼較大的壓力差，使井眼附近煤層所受壓力超過其破裂極限而發(fā)生破碎。注氣作業(yè)完成后關(guān)井有利于游離氣壓力快速恢復(fù)，快速釋壓，增強(qiáng)了壓力“激動”的效果，同時地層壓力高，有足夠的能量保證水和氣的產(chǎn)出。

(3)煤層厚度大，一般要求在6 m以上。厚度大的煤層不僅能產(chǎn)生較大的洞穴，而且有利于形成較長的誘導(dǎo)裂縫。足夠的煤層厚度減少了裂縫產(chǎn)生的邊界阻礙，也能夠形成更大的滲流面積。

(4)圍巖特征好，不易垮塌。煤層頂?shù)装宸忾]性好，機(jī)械強(qiáng)度高，不易垮塌。

2 工藝流程及設(shè)備配套

2.1 儲層選擇

在確定實(shí)施洞穴完井的儲層時，要盡量滿足其適用條件。在一個含煤盆地中，一定會存在高滲層，尋找可造穴帶成為洞穴完井的關(guān)鍵因素。具體步驟如下。

(1)研究整個盆地的地質(zhì)演化史，并收集已鉆井的生產(chǎn)資料進(jìn)行系統(tǒng)性分析，了解地質(zhì)時期的應(yīng)力及目前的應(yīng)力狀態(tài)；

(2)部署探井，對選擇的區(qū)塊進(jìn)行地層評價，記錄鉆井過程中的所有參數(shù)，通過收集的第一手實(shí)鉆資料，對地層進(jìn)一步評價；

(3)進(jìn)行取心作業(yè)，對巖心及流體性質(zhì)分析解釋，從而確定高滲層儲層發(fā)育段；

(4)進(jìn)行測井、試井作業(yè)，并通過巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，準(zhǔn)確確定高滲儲層發(fā)育段。

2.2 井身結(jié)構(gòu)

采用洞穴完井的煤層氣開發(fā)井一般采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開?311.2 mm表層鉆進(jìn)至基巖20 m后，下入?273.1 mm表層套管，二開鉆進(jìn)至煤層頂，下入?177.8 mm技術(shù)套管，三開?152 mm鉆進(jìn)至煤層底板10 m裸眼完鉆。在煤層造穴完成后，可下入篩管，放置在裸眼煤層及以下井段。井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 洞穴完井井身結(jié)構(gòu)

2.3 工藝流程

三開鉆至煤層底板完鉆后，開始向煤層內(nèi)注入高壓空氣，采取壓力“激動”的方法進(jìn)行造穴，具體步驟如下[11-12]。

(1)試壓。安裝調(diào)試防噴器及地面設(shè)備，并進(jìn)行地面管匯試壓。

(2)排除井內(nèi)積水和巖屑。一邊下鉆具，一邊利用高壓空氣將井內(nèi)的積水排除，當(dāng)下到井底后，充分循環(huán)，確保井眼清潔。

(3)注入空氣。根據(jù)目的層的破裂壓力選擇合理的注氣壓力，下入鉆具組合向井內(nèi)注入高壓空氣，達(dá)到煤層破裂壓裂壓力后，觀察壓力變化。

(4)閉壓階段。在注氣結(jié)束之后關(guān)閉閥門，形成封閉體系，觀測井內(nèi)氣體壓力變化，如果壓力下降過大，重新注氣，關(guān)閉時間長短取決于儲層壓力和滲透率，達(dá)到所需壓力后及時放噴。

(5)壓力釋放。打開閥門迅速放噴，井口返出水、氣、煤屑等，完成一次放噴過程，該過程分6個周期，每周期3～6次。

(6)洗井作業(yè)。每個放噴周期結(jié)束，鉆具旋轉(zhuǎn)下放，利用泡沫產(chǎn)生負(fù)壓，對目的層洞穴內(nèi)的煤粉進(jìn)行反復(fù)清洗，直到井內(nèi)只返出清水。

(7)數(shù)據(jù)檢測。洗井作業(yè)結(jié)束后，關(guān)閉閥門形成封閉系統(tǒng)，觀測記錄井內(nèi)壓力的變化，然后開啟閥門，檢測產(chǎn)出氣體的流量，進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，并根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)來改進(jìn)排采參數(shù)。

2.4 設(shè)備配套

洞穴完井需要配備設(shè)備如下：

(1)帶頂驅(qū)的鉆機(jī)，能夠滿足設(shè)計提升能力及注氣作業(yè)；

(2)空壓機(jī)2臺，滿足注入空氣排量要求及造穴需要；

(3)增壓機(jī)1臺，增加注入空氣的壓力，滿足煤層的破裂壓力要求；

(4)泥漿泵2臺；

(5)井口防噴器系統(tǒng)及高壓管匯；

(6)發(fā)電機(jī)組；

(7)其它設(shè)備，如液動閥門等。

3 國內(nèi)現(xiàn)場試驗(yàn)

洞穴完井技術(shù)起源于美國圣胡安盆地，該地區(qū)煤層滲透率高、煤質(zhì)易碎、地層壓力高及存在游離氣，非常有利于洞穴完井技術(shù)的實(shí)施，獲得了很多高產(chǎn)的氣井。國內(nèi)在某些煤田對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了有益的探索與嘗試，獲得了一些寶貴經(jīng)驗(yàn)[13-17]。

3.1 山西壽陽區(qū)塊

遠(yuǎn)東能源公司在壽陽地區(qū)進(jìn)行了4口井的煤層氣洞穴完井試驗(yàn)，增產(chǎn)效果顯著。壽陽區(qū)塊目的煤層為太原組15號煤層，該煤層含氣量高，一般在10～20 m3/t之間，煤層厚度>3 m，滲透率在1 md以上，頂?shù)装迥噘|(zhì)膠結(jié)，封閉性好，煤層地質(zhì)條件適宜洞穴完井技術(shù)。主要設(shè)備為2臺空氣壓縮機(jī)和1臺增壓機(jī)，滿足注入空氣排量和壓力的要求。通過空壓機(jī)向煤層注入空氣，然后進(jìn)行憋壓和放噴，共進(jìn)行了5次注氣、憋壓和防碰循環(huán)作業(yè)，最高注入壓力為6 MPa。

從試驗(yàn)效果看，該區(qū)塊在造穴前不產(chǎn)氣，洞穴完井后最高產(chǎn)量達(dá)到92 m3/h，3個月后單井產(chǎn)量達(dá)到2000 m3/d，是前期套管射孔完井的1～2倍，效果良好。分析該區(qū)塊成功的原因，主要是煤層厚度大，含氣量高，滲透性好。另外，由于煤層埋藏淺，注入空氣壓力超過煤層的破裂壓力，從而形成了更大范圍的破碎帶，溝通了地層中原始裂縫，提高了井眼周圍的滲透率。

3.2 山西保德區(qū)塊

保德區(qū)塊煤層屬于中低階煤，含氣量不高，埋藏淺，滲透性好，滲透率一般在2.5～8 md，厚度大，一般為10～20 m。施工BD-01試驗(yàn)井的目的是探索洞穴完井在該地區(qū)的適應(yīng)性，為煤層氣下一步開發(fā)提供依據(jù)。該試驗(yàn)井先在煤層進(jìn)行了機(jī)械擴(kuò)孔至500 mm，然后采用人工動力造穴。注氣壓力為12 MPa，進(jìn)行了12個周期的動力造穴，形成了穩(wěn)定的洞穴。因?yàn)樵摰貐^(qū)煤層結(jié)構(gòu)原因，后期排采時井內(nèi)出水量很小，氣量也很小，沒有達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果。

保德南部地區(qū)煤層破裂壓力為12 MPa，而該試驗(yàn)井的地面設(shè)備注氣壓力達(dá)到12 MPa時工作負(fù)荷大，井眼內(nèi)壓力無明顯上升，達(dá)不到煤層破裂壓力要求。另外，該區(qū)塊煤層含氣量為低—中等，也是造成出氣量小的一個原因。

3.3 沈北煤田

沈北煤田也進(jìn)行了洞穴完井試驗(yàn)，但是由于對地層條件和造穴工藝認(rèn)識不足，導(dǎo)致試驗(yàn)效果不理想。沈北煤層為褐煤，灰分含量40%，煤層厚度12 m，滲透率為0.01 md左右，這樣的煤層條件導(dǎo)致空氣注入壓力高，影響范圍小，壓力釋放時，井壁壓力梯度大，易坍塌。煤層頂板為油頁巖，遇水易垮塌，造成井下復(fù)雜。在工程方面，頂板垮塌造成套管變形，工程風(fēng)險加大。煤層埋藏深度923 m，破裂壓力15～16 MPa，而注入空氣最高壓力為12 MPa，達(dá)不到破裂壓力要求，空氣很難進(jìn)入煤層。

從該區(qū)塊試驗(yàn)過程可以得出，不能照搬國外洞穴完井的施工經(jīng)驗(yàn)，一定要對煤層的適應(yīng)性進(jìn)行仔細(xì)深入研究，該地區(qū)雖然煤層較厚，但由于滲透率太低，空氣注入非常困難，難以形成大范圍的波及。

4 結(jié)論

(1)洞穴完井技術(shù)做為煤層氣開發(fā)一種完井方法和增產(chǎn)措施，要求煤層滿足一定的地質(zhì)條件，在應(yīng)用該技術(shù)之前，應(yīng)仔細(xì)研究煤層地質(zhì)條件是否適合該技術(shù)。

(2)實(shí)施洞穴完井技術(shù)，要根據(jù)地質(zhì)條件對工藝流程和設(shè)備配套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低作業(yè)成本。

(3)洞穴完井技術(shù)對滲透率的波及范圍和增產(chǎn)效果還需要進(jìn)一步深入研究。

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CBM Cave Completion Technology

XU Yun-long, LI Ya-nan, XIA Wen-an, ZHANG Xiao-ming

(Shengli Drilling Technology Research Institute, Dongying Shangdong 257017, China)

CBM cave completion technology is not only a kind of open hole completion technology, but also a stimulation technology, which can greatly improve the permeability of the near well zone in the appropriate formation, so as to improve the recovery rate of coal-bed methane. This technology was applied in the high permeability coal seam of San Juan basin in the U.S. with great success, but there is no such obvious effect in other areas. The main reason is that there is certain gap in the understanding of the mechanism of the stimulation technology and reservoir adaptability. In this paper, the stimulation mechanism of the cave completion technology and the applicable conditions of coal seam in cave completion are analyzed; the reservoir selection, well structure, process flow and equipment matching are discussed in detail. The field tests situation and some useful experience obtained in China are introduced, which lay the foundation for the popularization and application of this technology.

coal-bed methane; cave completion; stimulation mechanism; process flow

2016-06-30；

2017-03-04

徐云龍，男，漢族，1975年生，高級工程師，碩士，油氣井工程專業(yè)，主要從事鉆井工藝研究和技術(shù)推廣工作，山東省東營市北一路827號鉆井院鉆井所，xuyunlong.slyt@sinopec.com。

TD842

A

1672-7428(2017)05-0027-04