西山地区煤层气径向水力钻孔技术应用及效果.pdf

煤炭工程 第 52 卷第 6期 COAL ENGINEERING Vo l. 52 , No . 6 doi 10. 11799/c e202006019 西山地区煤层气径向水力钻孔技术应用及效果 乔晋“，李瑞S王森2,刘彦锋2,高超“ 1.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000； 2. 晋煤集团煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城048000； 3. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044； 4.中国地质大学武汉资源学院，湖北武汉430074 摘要煤层气径向水力钻孔是国内近几年发展起来的用于煤层气增产的工艺技术。为了研究 径向水力钻孔技术在煤层气井增产的应用效果，分析了该技术的原理与施工工艺，并对西山地区古 交矿区两口煤层气井开展了径向水力钻孔施工试验。结果表明，径向水力钻井技术可增加煤层的导 通能力，试验井产量获得了明显提升，但效果还不够理想。基于此，分别从地质与工程角度分析了 增产效果不理想的原因。径向钻孔技术在煤层气排采增产改造及水力压裂工艺优化方面具有一定应 用前景，但还需要加大该技术的理论基础研究，优化施工工艺。 关键词煤层气；径向钻孔；增产改造；解堵；西山地区 中图分类号TD325 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0086-05 Application and effect of radial hydraulic drilling for coalbed methane in Xishan area QIAO Jin12, LI Rui3, WANG Sen2, LIU Yan-feng2, GAO Ch ao4 1. Sh anx i Lanyan Coalbed Meth ane Gr oup Co. , Ltd . , Jinc h eng 048000, Ch ina ； 2. State Key Labor ator y of Coal and Coalbed Meth ane Co-mining, Jinc h eng Anth r ac ite Mining Gr oup Co. , Ltd . , Jinc h eng 048000, Ch ina； 3. State Key Labor ator y of Coal Mine Disaster Dynamic and Contr ol, Ch ongqing Univer sity, Ch ongqing 400044, Ch ina； 4. Sc h ool of Ear th Resour c es, Ch ina Univer sity of Geosc ienc es Wuh an , Wuh an 430074, Ch ina Abstract Coalbed meth ane CBM r ad ial h yd r aulic d r illing tec h nology is d eveloped in r ec ent year s in Ch ina to enh anc e CBM pr od uc tion. In or d er to stud y th e applic ation effec t of r ad ial h yd r aulic d r illing in CBM wells, th e pr inc iple and c onstr uc tion tec h nology ar e analyzed, and field tests ar e c ar r ied out in two c oalbed meth ane wells in Gujiao mining ar ea of Xish an ar ea. Th e r esults sh ow th at r ad ial h yd r aulic d r illing tec h nology c an inc r ease th e c ond uc tivity of c oal seam, and th e pr od uc tion of th e tested wells ar e signific antly enh anc ed, but th e r esults ar e not satisfying. On th is basis, r easons for th e unsatisfying pr od uc tion - enh anc ement ar e analyzed fr om th e views of geology and engineer ing, r espec tively. Th ough r ad ial d r illing tec h nology h as a c er tain applic ation pr ospec t in CBM d r ainage enh anc ement and h yd r aulic fr ac tur ing pr oc ess optimization, it is nec essar y to enh anc e th e stud y of basic th eor ies and optimize th e c onstr uc tion pr oc ess. Keywords CBM ； r ad ial d r illing； pr od uc tion enh anc ement； plugging r emoval； Xish an ar ea 随着煤层气井排采时间的逐步增加以及前期不 步递减的困局，为了充分抽采储层剩余煤层气储量, 合理的开发方式，许多地区煤层气井面临着产量逐 提高煤层气井采收率和经济效益，需要开展煤层气 收稿日期2019-10-21 基金项目山西省科技重大专项资助项目20⑻101013-004；国家科技重大专项资助项目2016ZX05043003 , 2016ZX05067001 作者简介乔晋 1985,男，山西晋城人，研究方向煤层气开发理论与技术，E-mail 345034072qq.c om。 通讯作者李瑞1989-,男，河南鹤壁人，硕士生导师，主要从事煤层气藏地质与煤层气开发研究工作，E-mail r uilic ug 163. c omQ 引用格式乔晋，李瑞，王 森，等.西山地区煤层气径向水力钻孔技术应用及效果[J].煤炭工程，2020, 52 6 86-90. 86 2020年第6期煤炭工程 施工技术 井增产措施。径向水力钻孔技术，又称套管内短半 径深穿透径向技术。该技术通过采用小尺寸钻头在 目的煤层对应套管处钻孔，然后使用带喷头的软管 经钻孔进入井壁，借助高压射流的破岩作用在煤层 不同深度和方位钻出多个辐射状径向孔⑷。通过径 向水力钻孔施工，可以增加储层导流裂缝有效长度， 产生新的导流通道，或者对原有产气通道进行解堵， 形成广泛的泄压和渗透率增加区，从而扩大煤层气 有效解吸范围⑷。 近些年来，国内径向水力钻井技术得到了快速 发展，该技术可以实现在极短的曲率半径内外成垂 直转向，避免了常规水平井造斜，定向及井眼控制 的复杂工艺，因此，它使水平井技术在低渗透油气 藏开发中的应用更加灵活⑶。该技术具有施工周期 短、作业成本低、操作简单方便等突出特点“⑸。 1990年该技术首次在加拿大应用，2000年前后，该 技术在国内大庆、辽河等油田试用与推广⑷。2011 年在我国沁水盆地南樊庄区块煤层气井实施了一口 径向水力钻井并进行了压裂施工，初步认为该工艺 适合于在碎裂煤煤体结构中应用，也可推广在原生 结构煤体中应用⑺。近年来，国内外学者对径向钻 井辅助水力压裂技术进行了理论分析与室内实验探 索，认为径向水力钻孔有助于水力压裂裂缝定向扩 展，提高压裂效果［89］O然而，我国煤层气储层地质 条件复杂，构造煤体结构发育，径向水力钻孔技术 在我国煤层气开发中的地质适应性尚不明确，如何 改进径向水力钻孔技术以便与我国煤层气储层作用 地质条件相匹配需要开展深入研究。 西山煤田古交矿区煤层气田已步入开发中后期， 单井产量逐年下降；钻井、修井过程中不同程度地 造成了近井地带污染；非均质、低孔、低渗导致部 分储量难以利用，剩余资源开采难度越来越大。目 前该气田增产增效主要的技术手段为压裂和挤液酸 化解堵，但这些技术存在成本高，并对储层带来不 同程度污染，且随地层非均质等因素导致应用效果 并不理想。因此，寻求老气田增产稳产技术支撑, 对西山地区煤层气井的持续高效开发尤为重要。为 了研究径向钻孔技术在煤层气井的应用效果，作者 分析了该技术的增产原理与施工条件，并分析了山 地区煤层气井径向钻孔技术应用试验效果及影响因 素。论文旨在为我国煤层气径向钻孔技术的应用提 供参考。 1研究区地质概况 西山煤田位于我国华北断块吕梁一太行断块、 五台山块隆的古交掀斜地块，煤田西部边缘为狐偃 山山字型褶皱带［冋。古交掀斜地块以古交为中心， 地块内地层展布南新北老，总体上由东、北、西三 面向内缓倾斜，向SSW倾伏的不对称向斜构造⑴］。 区内断层较多，均属65 - 80高角度正断层，最大 落差达156m,走向以NE-SW为主。自北向南组成 四个断裂带，分别为棱峪断裂带、李家社一王封断 裂带、杜儿坪断裂带和碾底一平地窑断裂带。每个 断裂带多以地垒式产出。各断裂带之间具等间距性 （一般为20km） o断层的广泛分布，破坏了储层煤体 结构，此外，陷落柱的大量分布也会对煤体结构产 生破坏［12-,3］O西山煤田构造如图1所示〔⑷。该区主 要含煤地层为石炭系上统太原组（C3Q和二叠系下统 山西组（Pe）。沁水盆地西北缘西山煤田古交矿区屯 兰工区揭露煤系地层总厚度为163.08m,共见可采 煤层4层，分别为2\ 4\ 8*和9煤。其中，2煤 均厚2.64m,羊煤均厚2.41m, 8*煤均厚2.13m, 9 煤均厚1.84m。2打煤层位于山西组（PQ中上部，煤 层深度为530m左右，煤层呈黑色，具贝壳状或阶梯 状断口，节理裂隙较发育。煤岩组成以亮煤为主、 暗煤次之，煤岩类型属半亮煤。对煤层，位于太原 组（Cst）中部，煤层深度为610m左右，煤层呈黑色, 具贝壳状或阶梯状断口，节理裂隙较发育，煤岩组 87 施工技术煤炭工程2020年第6期 成以亮煤为主、暗煤次之，煤岩类型属半亮煤少）。 2煤层气径向钻孔技术增产原理与方法 2.1工艺流程 煤层气径向钻孔工具包括连续油管、导向器、 万向节、磨铳钻头等。其工作流程主要包括套管开 窗和地层钻进两个过程如图2所示，施工工艺如图3 所示U。该技术增产机理在于通过井筒向储层内不 同深度及方位短半径水力喷射形成30 50mm直径和 100m长度的径向水平孔，深穿透污染带化堵，以尽 可能多地沟通煤层裂隙，扩大平面和剖面煤层渗流 能力，进而恢复或提高单井产气量。 2.3试验方法与施工参数 综合比较该区块煤层气井的煤层厚度、煤层含 气量资料，认为XST-A1井和XST-A2井具有高产 的潜力，只是在排采的过程中，近井地带裂隙闭合, 产气量下降，因此，可通过径向井改造实现通道连 通和对接。 为了考察径向钻孔技术的地质适应性及增产改 造效果，选取古交矿区屯兰工区XST-A1和XST-A2 井，对其才、对煤层共计钻进36个径向孔，其中 XST-A1井2、8*煤均为6个径向孔，XST-A2井 2\对煤均为12个径向孔。试验井径向孔施工参数 见表lo 导向器 （b）径向水平段钻进钻具 扶正器 高压管 套管 水泥环 油管 图2径向钻孔钻具组合 图3径向钻井工艺流程 2.2选井及选层的要求 1） 选井要求。煤层气井没有发现套管变形，施 工前通井至目的层井段以下，落实套管变形及井下 落物情况。 2） 选层要求。煤岩力学性质是煤层一个重要的 参数，它反映了煤体抗压和抗拉强度的大小。强度 越大的煤体，径向施工时煤体坍塌越少，因此，目 标煤层应原生结构煤体较为发育，煤岩力学强度大。 表1煤层气井径向钻孔施工参数 井号层位 井段 /m 厚度 / m 喷孔 位置/m 方位 / 长度 /m 525.64083 525. 6412083 2煤 525. 6424083 525. 34〜527. 832. 49 526. 1460100 526. 14180100 XST-A1 526. 1430083 608. 510100 6051120100 8煤 608. 51240100 60 21 609. 961.75 609. 0160100 609. 01180100 609. 01300100 535. 94080-100 533. 85080-100 535. 9412080 100 533. 8512080 100 535. 9424080-100 2煤 533.8524080-100 533.21-536. 403. 19 535.446080-100 533.856080 100 535.4418080-100 533. 8518080-100 535.4430080-100 XST-A2 533. 8530080 〜100 611.23080-100 610. 43080-100 611.2312080-100 610. 4312080-100 611.2324080-100 8煤 610. 4324080-100 609. 63-611.531.90 610. 856080-100 609. 936080-100 610. 8518080-100 609. 9318080-100 610. 8530080 100 609. 9330080-100 88 2020年第6期煤炭工程施工技术 3试验效果与分析 3.1试验效果 现场施工结果与设计参数相比，各径向孔深度 误差均控制在0. 10m,方位误差均控制在3。范围 内，两口井均达到了方案设计要求。 XST-A1井径向钻孔目的煤层为才与8*煤层。 该井于2012年5月压裂，2012年7月投入运行。该 井历史最高产气量在2000m3/d以上，1000m3/d左 右产气量持续了 220d,随着排采的进行，该井产气 量逐渐降低，实施径向钻井改造之前，该井产气量 为144m7do 2017年10月完成径向钻孔后开井生 产，施工完投产后含水量上升了约20,日产气量 增加到256m3/d ,煤层气增产78。 XST-A2井目的煤层为2“与对煤。该井于2012 年5月压裂，2012年10月投入运行。该井历史最高 产气量在3000m3/d以上，1 OOOmVd左右产气量自 2013年3月开始持续了 413d,随着排采的进行，该 井产气量逐渐降低，实施径向钻井改造之前，该井 产气量为312m3/do 2017年10月完成径向钻孔后开 井生产，含水量增加了 30，但产气量在实施径向 钻井前后没有显著变化。 此外，值得注意的是，XST-A2井附近200m左 右的XST - A3井由日产气量120n//d增加到 246m7d,气井增产1050 3.2分析讨论 XST-A1和XST-A2两口井的含水及产气上升说 明通过径向施工可以增加煤层的导通能力。尽管两 口试验井在实施径向水力钻孔改造后产气量获得了 显著提高甚至翻倍增长，但因改造前产气量基数小， 改造后产气量绝对值并不十分理想，经济效益不够 凸显。分析认为径向喷射施工过程可能形成了一定 通道堵塞。由于套管开孔直径只有22.2mm,即使喷 射地层时反向喷嘴的扩眼作用可形成超过50mm的 井眼，但由于煤岩机械力学性质差，相当部分的煤 屑会沉降在径向孔底部，形成煤屑堵而影响渗流和 返排，导致产气量未达预想效果。力学强度大的煤 体，径向井施工时煤体坍塌少，成孔效果较好，反 之，则成孔效果差。由图1可知，西山地区由于断 层及陷落柱的广泛分布，对煤体破坏严重，显著削 弱了煤岩力学强度，导致在数十米长的径向钻孔施 工后煤体容易发生垮塌和堵塞。此外，没有进行径 向钻孔施工的XST-A3井产气量增加也说明了距离 比较近且同属一个煤层气开发单元的煤层气井通过 径向钻孔施工也能起到导通增产作用。 此外，在径向钻孔作业实践中，发现较深的井 作业难度小，喷射长度大，成功率高；而对于较浅 的井在加配重的情况下成功率也比较低。表1中 XST-A1井2“煤较8*煤埋深浅，径向钻孔长度普遍 小于8*钻孔长度，也说明了该现象。分析认为在目 标层位较深时，入井的连续油管较重，在喷射时对 喷射软管的驱动力比较大，喷嘴带动喷射软管前进 比较容易，使得喷孔成功率更高。综上所述，煤层 气井径向水力钻孔技术的应用应充分结合储层地质 与工程条件。 尽管我国在常规及非常规领域对径向钻井技术 均开展了一些现场应用，但理论基础研究还远远不 足。近年来，国内外虽通过理论分析和试验模拟， 对径向钻进碎岩机理、影响钻进的地质与工况因素 等进行了分析研究[，7，8]O但如若要实现该技术在煤 层气开发领域的突破，还需要加大对径向钻井破岩 机理，井眼轨迹测控，水力参数计算，导流效应， 煤粉返排，地质适用性等方面的理论研究，这样才 能指导径向水力钻井工艺优化，提高现场应用效果。 4结论 1） 通过实施径向水力钻井技术可增加煤层的导 通能力，气井产量获得了明显提升，但效果还不够 理想。 2） 西山地区煤层破坏严重，煤体结构较差，削 弱了煤岩力学强度，导致径向水力钻井过程中成孔 效果差，煤屑难以返排。因此，煤层气井径向水力 钻孔技术的应用应充分结合储层地质与工程条件。 3） 目前对径向水力钻井技术的理论基础研究还 远远不足，如若实现该技术在煤层气开发领域的突 破，还需要加大该技术的理论基础研究。 参考文献 [1] 李根生，黄中伟，李敬彬.水力喷射径向水平井钻井关键技 术研究[J].石油钻探技术,2017 , 45（2） 1-9. 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