煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析.pdf

天然气工业 2 0 0 5 年 1 月 煤层气定 向羽状水平井开采机理与应用分析 * 鲜保安 高德利 李安启 赵庆波 曹 雯 1 ． 石油大学 北京2 ． 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 鲜保 安 等． 煤 层 气定 向羽状 水平 井开 采机 理 与应 用分 析． 天 然 气工业 ， 2 0 0 5 ； 2 5 1 1 1 4 ～ 1 1 6 摘 要 定向羽状水平井技术适合于开采低渗透储层 的煤层气， 集钻井、 完井与增产措施于一体。定 向羽状 水平井的主要机理在于多分支井眼在煤层 中形成网状通道， 促进微裂隙的扩展， 又能连通微裂隙和裂缝系统， 提高 单位面积内的气液两相流的导流能力 ， 大幅度提高了井眼波及面积， 降低煤层气和游离水的渗流阻力， 提高 气液两 相流的流动速度 ， 进而提高煤层气产量和采 出程度 。沁水煤层气田是 中国典 型的低渗透 煤层 气藏， 具有煤层 厚度 和深度 适 中、 渗透 率低 、 煤岩 机械 强度 高 、 含 气量 和 饱 和度 高 的 特 点 ， 适 合 于 定 向羽状 水 平 井 技 术条 件 。在 煤 层 气 藏地 质参 数不 变 的情况 下 ， 可 利用 分 支井产 量模 型研 究分 支 数 和分 支 段 长 对 产 能 的影 响 关 系， 分 支 数 和分 支段长 是影响产能的敏感性人为因素， 也是可以通过工程设计优化加以改变的工程参数， 从而尽可能发挥定 向羽状 水平 井的产能潜力。通过经济评价， 利用定 向羽状水平井技术开发沁水煤层气田具有较高的经济效益。 主题词 煤成气 定 向井 水平井 增产措施 产量 模拟 沁水盆地 一 、引 言 我 国煤层 气 资源 非常 丰富 ， 资 源量远 远 超过 美 国 ， 但 目前实 际利用 的煤 层气产量 却是 微乎其 微 ， 其 主要原因有两方面 一是 我 国煤层 大 多数是低孔 、 低 渗、 低压 、 低的流体渗流动能 ； 二是没有开展不同开 发技 术 的系列化 试验 ， 所 以开发 工程技 术一 直没 有 突破 。对于我 国大 多数 的低 渗 透煤 层 ， 常 规 直井 开 发技术永远摆 脱不 了“ 点 ” 的 局 限性 ， 通常 以有 限 的 井筒影响范 围来设计钻井 和完井方 案 以及 储层 改造 措施 。实际上 煤层 气 的产 出更 要考 虑 “ 面” 的影 响 ， 要综 合考 虑整个 气 藏范 围 内微 裂 隙分 布规律 、 储 层 地应力场 、 流 体渗 流动 力 场 的互动 影 响 。定 向羽状 水平井正是利用 面积快速排水降压来提高产量 的。 二、 增产机理及主要优点 1 ． 定 向羽状水 平井的增产机理 1 增大解 吸波及 面积 ， 沟通更 多割理 和裂隙 定向羽状水平井突破了以往微小面积排水降压 和裂缝 内流体 阻力 大 的束缚 ， 通过 多分 支井 眼进 行 了大面 积 的网状 沟通 ， 完全 沟 通 了裂缝 与割理 系统 图 1 ， 使煤层 内气体 的解吸波及范 围大大提高 。 ⑨ a 1 直井供给范围 b 水平片供给范围 c 羽状分支水平井供给范围 图 1 不 同类 型 井煤 层气 的供给 范 围 比较 2 降低区域 内流体 的流动 阻力 分 支 水 平 井 的 地 层 水 渗 流 阻 力 可 按 下 式 计 算“ j ， 这里仅 比较单一水平井 、 割理 的渗流阻力 。 R 一 l 1n 字 儿h 1n } 1 式 中 R为渗 流阻力 ， MP a ； L为分支水平 井长度 ， m； K 为地层 渗透 率 ， 1 0 m ； h为产 层厚度 ， m； 为流 体粘度 ， mP aS 为供 给半径 ， m； r 为井筒半径 ， *本成果受“ 9 7 3 ” 国家重点基础研究发展规划项 目“ 中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究” 2 0 0 2 C B 2 1 1 7 0 0 资助。 作者简介 鲜保安 ， 1 9 6 6年生 ， 在读博士研究生； 1 9 9 1 年毕业于石油大学 华东 开发系钻井工程专业 ； 长期从事石油 、 天然 气、 煤层气钻井 、 完井技术研究及现场试验工作 。地址 1 0 2 2 4 9 北京市 昌平 区府学路 1 8号。电话 0 1 0 6 9 2 1 3 1 0 7 。E - ma l l x b a l f f y h o t ma i l ． c o m 1 1 4 维普资讯 第 2 5 卷第 1 期 天然气工业 m； 为分支水平井井筒数 。 计 算 割理 阻力可将 井 筒半径 换成 割理 半径 ， 当 水平井段 长为 l o o m， 井 眼直径 取 1 5 2 mm， 割 理简 化成 1 ． 5 mm 的圆孔时 ， 经计算 比较 ， 地层 水在割 理 中的摩阻 比在分 支水 平井 的摩 阻高 出 3倍 以上 ， 可 见分支水平井可明显地降低流体在煤层中的摩阻。 3 原始微裂纹 的扩展 由于钻井和试采过程 中抽 吸压力 和激动 压力 的 存 在 ， 诱导 了井眼附近原始微裂纹 的扩 张与扩 展 ， 特 别是当煤层在试采降压后 ， 部分煤层水和游离气排 出， 煤层基岩颗粒会有不 同程 度的收缩 ， 也促 进 了原 始 裂纹 的扩 张与扩 展 ， 这样煤 层 的导流 能力 和产 量 会大 大提高 。原始裂纹的扩展程度 取决 于煤岩 断裂 韧性 和井内压力激动的幅度与频率 。 2 ． 定 向羽状水平井 的主要优点 定向羽状水平井技术特别适合于开采低渗透储 层 的煤层 气 ， 是低 渗透 储层煤 层 气开 采技术 的一 次 革命 性进 展 ， 与 采用射 孔完 井和 水力 压裂增 产 的常 规直井相 比具 有得 天独厚 的优越 性 。定 向羽状 水平 井技术 的优 点主 要有 以下 几 点 ①增 加有 效供 给范 围 。水平钻进 4 0 0 ～6 0 0 m 是 比较容 易的 ， 然而要压 裂这 么长 的裂缝 几乎 是不 可能 的 ， 而且造 就一 条较 长的支撑裂缝要求使用大型的泵注设备 。羽状水平 井在 煤层 中呈 网状 分布 ， 将煤 层 分割 成很 多连续 的 狭 长条带 ， 从 而大 大增 加煤 层 气 的供 给范 围 。② 提 高了导流能 力 。压 裂 的裂缝 无论 长度 多 长 ， 流动 的 阻力都 是相 当大的 ， 而 水平井 内流体 的 流动阻 力相 对于割理 系统要小得 多。分 支井眼 与煤层 割理的相 互交错 ， 煤层割理与裂隙更畅通 ， 就提高了裂隙的导 流能力 。③减 少了对煤 层 的伤害 。常规 直井钻井 完 钻后要固井， 完井后还要进行水力压裂改造 ， 每个环 节都会 对煤 层造 成不 同程度 的伤 害 ， 而且 煤层 伤害 很难恢 复 。采 用定 向羽 状水 平 井钻井 完 井方 法 ， 就 避免了固井和水力压裂作业 ， 这样只要在钻井时设 法降低钻井液对煤层的伤害， 就能满足工程要求。 ④单井产量高 ， 经济效益好。采用定 向羽状水平井 开发技术， 单井成本 比直井高， 但在一个相对较大的 区块开发， 就减少 了钻井数量、 钻前工程、 钻井完井 材料消耗等 ， 综合成本就下降了， 而且产量是常规直 井 的 3 ～1 0倍 ， 采 出程度平均 高出 2倍 ， 既提高经 济 。沁水煤层气田储量报告 ， 内部资料。 效益， 也充分地利用 了资源。⑤有利于环境保护。 钻定 向羽状水平井 的井场 只相对于常 规井 的三分之 一 ，占地 面积很 小 ， 在煤 层侧 钻 水平 井 ， 便 于绕 过 山 地 、 沼泽和重要建筑物 。 三 、 定 向羽状水平井评价 沁水煤层 气 田是 中国典 型的 低渗透 气 田， 具 有 面积大、 地面条件复杂、 煤层厚度适中、 渗透率低 、 煤 岩机械强度高 、 含气量 和饱 和度高 的特点 ， 适 合于定 向羽状水平井技术 。 根据气藏分支水平井产能计算方法 ， 并结合 沁水煤层气田地质条件， 可以做一些简单的模拟评 价 ， 煤层参数。可以不变 ， 只改变分支段 长和分支数 ， 在不 同供给 半径下 ， 可推 导 出该 气 田分支 水平井 产 能公式 。 1 供给半径 r 为 4 0 0 m 时 Q h 1 ． 3 8 其关 系曲线见图 2 、 3 。 4 3 E 2 三 I’ 0 E 可。 一 0I ．9． 67 ’ 7 止 图 2 分支 井产量 与 分支数 关 系 曲线 r h 4 0 0 m 2 一 一 1 8 ⋯- -” 一1 4 一月 一1 0 一 一 一 月 一6 ⋯一月 一 L m 图 3 分 支 井产 量 与分支 段 长关 系 曲线 “ 一 4 0 0 m 2 供给半径 r 为 6 0 0 m时 Q 1 ． 3 8 其关系曲线 见图 4 、 5 。 ．9． 67 ’ 7 止 3 11 5 ∞如∞如∞O 川 三 三 维普资讯 天然气工业 2 0 0 5年1 月 通 过 对 比得 出 以下模 拟 结 果 分支 数 为 1 O个 不含主水平 井 ； 分 支段 长 1 0 0 ～9 6 0 I n ； 分支 间距 为 3 0 0 m 等间距 ； 主水平井长 1 5 0 0 m； 平均单井 日 产量为 4 l O I n 。 ／ d ； 年生产时 间 3 3 0 d； 年单 井 产量 为 0 ． 1 3 2 1 0 I n 。 ； 采 出程度 为 5 9 占探 明储 量 ； 生产年限 8 a 2 O个井组 ； 投资 回收期为 5 ． 1 a ； 税后 内部 收益率为 1 4 ． 8 。从 经济评 价指 标来看 ， 利用 定 向羽状水平井技术开发 沁水煤层气 田具 有较 高的 经济效 益 ， 沁水 煤层 气 田可 以作为 煤层 气商 业开 发 的一个突破 口。 8 6 j 呈4 2 O ．．．．．．．．一 L一 5 5 0 ⋯ 一4 7 5 ⋯ L一 4 0 0 ⋯一 L一 3 2 5 ----- L一 2 5 0 一⋯ ，一1 7 5 n 图 4 分 支 井产量 与 分支 数关 系 曲线 一 6 0 0 m “ m1 图 5 分 支井产 量 与分 支段 长关 系 曲线 r h 一 6 0 0 m ” 一1 8 ” 一1 4 “ 一1 O “一6 ” 一2 四、 结论与建议 1 定 向羽 状 水 平 井 适 合 于低 渗 透 煤 层 气 开 发 ， 能够最大 限度地沟通煤层 中的天然裂缝系统。 主井 眼垂直于面割理方 向， 可提高煤 层气产 量 ， 也 有 利 于提 高钻井速度和井壁稳 定性 。采 用定 向羽状 水 平井 开发技术 ， 综 合效 益要 比常规直井好 。 2 影 响定 向羽状 水 平井 产 能 的 因素较 多 ， 分 支 井数 量 和分支段 长 是影 响产量 的敏 感性 因素 ， 也 是人为可 以控制 的重要参数 。 3 由于 定 向 羽状 水 平 井 技 术 是一 项 新 兴 技 术 ， 兼钻井完井 与增产 技术 于一体“ ， 能大 幅度 提高 低渗 透储层 煤层 气 的产量 和采 出程度 ， 应加强 其增 产 的机理 和产量模 拟 技术 研究 ， 同时要加 强研 究分 支侧钻 的轨迹控 制 和煤层 井壁稳 定技 术 ， 并逐 步开 展这项技术 的现场试 验 。 参 考 文 献 1 李 ． 分支水 平井产 能的计算方 法． 石 油学报 ， 1 9 9 8 ； 1 9 3 8 9 ～ 9 2 2 杨广里等． 断裂力学及应用． 1 9 9 0 2 4 ～2 8 3 程林松等． 气藏分支水平井产能的计算方法． 石油学报， 1 9 9 8 ； 1 9 4 6 9～ 7 2 4 李文阳等． 中国煤层气勘探与开发． 江苏徐州 中国矿业 大学 出 版社 ， 2 0 0 3 3 3 1 ～3 3 2 收稿 日期2 0 0 4 1 卜1 8 编辑韩晓渝 e石＼ e石 ＼ e e石＼ e ＼ e ＼ e石 ＼ e e石 e石 ； 2 0 0 4年中油川渝油气 区年产超百亿 中石油集团公 司的川渝石油人在年内相继实现“ 川气出川” 、 “ 新增天然气 三级储量达 1 9 0 0多亿立方米” 两大宏愿之后 ， 2 0 0 4年 1 2月 2 6日， 西南油气 田分公司、 四川石油管理局又合力在川渝油气区打造出了我国第一个年产量过百亿立方米的天 然气产销基地。据统计 ， 截至 2 0 0 4年 1 2月 2 6日， 两家年累计产气量超过了 1 0 0亿立方米。其中， 西南油气 田分公 司达到了 9 6 ． 3 5亿立方米 ， 四川石油管理局达到了 3 ． 6 8亿立方米 。中石油集团公司川渝气区目前已发现了 1 O O多个气 田， 铺建 的输气 管道已超过 了 1 0 0 0 0千米 ， 已拥有剩余可采储量 2 4 0 0多亿立方米。 1 16 蒋静萍摘 自 四川石油报 维普资讯