穿煤柱水平煤層氣井工程開發(fā)與實(shí)踐

李 浩

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200)

1 煤層開采技術(shù)

目前常見的煤層氣開發(fā)技術(shù)體系主要有以下三個(gè)階段：

1.1 鉆井技術(shù)

煤儲(chǔ)層一般具有低孔低滲的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致大量煤層氣在開采過程中流失掉，降低煤層氣開采的產(chǎn)量。如果采用常規(guī)直井開采方式，即使后續(xù)進(jìn)行壓裂作業(yè)，也不能保證水平井產(chǎn)量。因此，根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，逐漸形成了多分支水平井鉆井技術(shù)，欠平衡鉆井技術(shù)，超短半徑水平井鉆井技術(shù)，U型井、L型井鉆井技術(shù)等，將這些技術(shù)應(yīng)用到煤層氣水平井開發(fā)實(shí)踐中，大大增加了氣井與煤層接觸面積，提高了煤層氣井單井產(chǎn)能。

1.2 壓裂增產(chǎn)技術(shù)

煤層壓裂改造作為一種重要的強(qiáng)化增產(chǎn)措施，在國(guó)內(nèi)外煤層氣開采過程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是低壓低滲地區(qū)。煤層壓裂改造的實(shí)際意義在于通過實(shí)施壓裂，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導(dǎo)流能力，擴(kuò)大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產(chǎn)量和采收率。

在水平井開發(fā)過程中，形成了多種增產(chǎn)改造工藝方法，目前主要有以下三大類分段壓裂方式：水力噴射分段壓裂、滑套分段壓裂和泵送橋塞分段壓裂。

1.3 排采選擇與控制

煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理決定了煤層氣井必須進(jìn)行排水降壓，才能達(dá)到產(chǎn)氣的目的。合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關(guān)鍵因素。

1.3.1 泵的選擇

開采煤層氣排水的方法有桿泵、螺桿泵、電潛泵、氣舉、水力噴射泵、泡沫法及優(yōu)選管柱法等。在垂直井中我國(guó)目前主要采用有桿泵、螺桿泵、電潛泵來實(shí)現(xiàn)油管排水，套管采氣。適宜在斜井或水平井(工程井)中的排采設(shè)備主要有電潛泵、電潛螺桿泵、液壓泵和射流泵等。

1.3.2 排采工藝技術(shù)

煤層氣排采工藝技術(shù)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：合理的排采制度和精細(xì)的排采控制。

井底流壓是反映產(chǎn)氣量滲流壓力特征的參數(shù)，煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理決定了只有降低井底流壓至臨界解吸壓力以下，才能有解吸氣體的產(chǎn)出。較低的井底流壓，有利于增加氣的解吸速度和解吸氣體量。制定合理的排采制度和進(jìn)行精細(xì)的排采控制應(yīng)該以井底流壓為依據(jù)。

2 穿煤柱水平井主要研究?jī)?nèi)容

2.1 穿煤柱鉆井技術(shù)

綜合運(yùn)用煤層氣地震勘探技術(shù)和測(cè)井技術(shù)，準(zhǔn)確穿越中間煤層找到目的層。

2.2 水平井鉆井工藝與技術(shù)

1) 水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2) 鉆井施工方式及位置優(yōu)選。根據(jù)實(shí)驗(yàn)地質(zhì)條件，地面鉆井采用三開以上定向鉆井工藝，以導(dǎo)氣裂隙帶為鉆遇目的層，沿運(yùn)輸大巷向切眼位置方向進(jìn)行鉆進(jìn)。

3) 鉆井液設(shè)計(jì)優(yōu)選。根據(jù)鉆遇層地巖性條件，鉆井液的選擇以穩(wěn)定井壁和保證施工安全為主，確保造斜段和水平段不出現(xiàn)垮塌。

4) 鉆井施工中事故處理安全預(yù)案。分析考慮確定鉆井施工過程可能的安全隱患，進(jìn)行事故處理安全預(yù)案設(shè)計(jì)。

2.3 水平井壓裂技術(shù)

煤層壓裂改造作為一種重要的強(qiáng)化增產(chǎn)措施，在國(guó)內(nèi)外煤層氣開采過程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是低壓低滲地區(qū)。煤層壓裂改造的實(shí)際意義在于通過實(shí)施壓裂，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導(dǎo)流能力，擴(kuò)大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產(chǎn)量和采收率。

在水平井開發(fā)過程中，形成了多種增產(chǎn)改造工藝方法，目前主要有以下三大類分段壓裂方式：水力噴射分段壓裂、滑套分段壓裂和泵送橋塞分段壓裂?？紤]實(shí)際情況和以往施工經(jīng)驗(yàn)，該井利用連續(xù)油管帶底封拖動(dòng)工藝實(shí)施水力噴射分段壓裂。

2.4 抽采工藝

1) 確定合適的抽采設(shè)備及配套設(shè)施，通過實(shí)驗(yàn)井抽采效果確定合理的抽采工藝。

2) 確定合適的排采制度。

2.5 成果與推廣

1) 總結(jié)穿煤柱水平井施工工藝，形成一套穿煤柱水平井施工方案。

2) 在合適礦區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3 關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用

3.1 穿煤柱鉆井技術(shù)

通過運(yùn)用煤層氣地震勘探技術(shù)，利用地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征研究煤巖層巖性，將油氣勘探中的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)理論、雙相介質(zhì)理論、各向異性介質(zhì)理論與煤田地震資料的特點(diǎn)相結(jié)合，把地震屬性技術(shù)、方位各向異性技術(shù)、彈性波阻抗反演技術(shù)等作為主要手段，進(jìn)行目的層預(yù)測(cè)；通過裸眼井測(cè)井，劃分地層、判別巖性；解釋煤層深度、厚度及結(jié)構(gòu)；求取目的煤層的固定碳、灰分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；求取其他巖層的砂質(zhì)、泥質(zhì)和水分(孔隙)的體積分?jǐn)?shù)；進(jìn)行目的煤層及其圍巖的含水性、滲透性分析。從而尋找中間煤層應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域，選擇確定著陸點(diǎn)方位。

3.2 鉆井工藝研究

根據(jù)試驗(yàn)地質(zhì)條件和目的煤層15#煤的特點(diǎn)，結(jié)合目前水平井鉆井技術(shù)、設(shè)備及工具能力，采用“單弧剖面”(直-增-穩(wěn))三段制剖面形式。初步確定造斜率不大于7°/30 m，鉆井軌跡在煤層中上部。穿煤柱水平井軌跡剖面圖見圖1。

圖1 穿煤柱水平井軌跡剖面圖

3.3 壓裂工藝研究

工藝方面，連續(xù)油管帶入噴砂射孔槍及座封底部封隔器，利用連續(xù)油管實(shí)施水力噴射射孔，再通過環(huán)空實(shí)施大型的壓裂作業(yè)。逐級(jí)完成座封、射孔、壓裂、解封上提工序，實(shí)施多層段壓裂。圖2、圖3為兩種常用系列底封封隔器。

圖2 Y系列底封封隔器

圖3 K系列底封封隔器

技術(shù)特點(diǎn)：

1) 一趟管柱可成功實(shí)施5段以內(nèi)壓裂改造。

2) 管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工具性能可靠，提高了施工效率和安全性。

3) 壓裂油管排量：2.5 m3/min～ 4.5 m3/min，單只噴砂射孔器過砂能力不小于40 m3。

作業(yè)能力：針對(duì)吐哈油田致密油氣藏、薄互層、水平井分段改造的技術(shù)需求，提高壓裂效果?？赏瓿芍本淮芜B續(xù)改造5段(層)以內(nèi)的壓裂施工。滿足壓裂施工油管排量2.5 m3/min～4.5 m3/min的要求。

4 試驗(yàn)井井位選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)地質(zhì)條件，在沁水盆地某區(qū)塊優(yōu)選井位，地面鉆井采用三開以上定向鉆井工藝，以導(dǎo)氣裂隙帶為鉆遇目的層，沿運(yùn)輸大巷向切眼位置方向進(jìn)行鉆進(jìn)。

穿煤柱L型井位置示意圖如圖4、圖5所示， MZML-01井3#煤見煤點(diǎn)距離巷道482 m，15#煤著陸點(diǎn)距離巷道372 m。

圖4 MZML-01井位布置圖

圖5 MZML-01井與巷道、千米鉆孔位置關(guān)系

5 排采數(shù)據(jù)跟蹤與分析

經(jīng)過歷時(shí)10個(gè)月以上的排采數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)測(cè)與分析(見圖6)，總結(jié)如下：

抽采之初，螺桿泵頻率由最初5 Hz逐步調(diào)整至20 Hz左右，通過排水降壓，井底流壓由1.2 MPa逐步降至1 MPa左右，后期產(chǎn)水量穩(wěn)定在6 m3/d左右，日均產(chǎn)量穩(wěn)定在1.2萬(wàn)m3以上，最高日均量達(dá)到1.56萬(wàn)m3。

圖6 MZML-01井排采曲線

從日均產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)期等排采效果來看，該井已達(dá)到既定目標(biāo)，且運(yùn)行平穩(wěn)，繼續(xù)創(chuàng)造著產(chǎn)量新高，為穿煤柱下組煤水平井抽采積累了寶貴成功經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本次試驗(yàn)初步定在沁水盆地某區(qū)塊，有賴于周邊設(shè)備條件和地質(zhì)條件都比較好，煤層氣勘探開發(fā)較為成熟。試驗(yàn)取得成功后，可持續(xù)優(yōu)化、完善穿煤柱水平井開發(fā)技術(shù)體系，并不斷向周邊、省內(nèi)以至其他省份礦井進(jìn)行推廣。且從煤炭資源開發(fā)進(jìn)程來看，許多礦區(qū)上組煤開發(fā)已接近尾聲，下組煤因埋藏深、儲(chǔ)層壓力大、瓦斯組分同上組煤也呈現(xiàn)較大差異，因此下組煤開采面臨很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。下組煤水平井抽采示范工程的成功，取得的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益不僅有利于煤層氣行業(yè)本身的發(fā)展，對(duì)各礦安全采煤預(yù)抽也提供了堅(jiān)實(shí)保障，從而使得下組煤煤層氣抽采具有更加廣闊的開發(fā)前景。