鄒學(xué)學(xué) 左銀卿 劉 華 周 叡 苗 耀

(中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 062550)

煤層氣水平井開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律研究

鄒學(xué)學(xué) 左銀卿 劉 華 周 叡 苗 耀

(中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 062550)

以沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊多分支水平井開發(fā)實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)煤層氣水平井開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行研究。本文首先分析水平井適應(yīng)的地質(zhì)條件，研究發(fā)現(xiàn)樊莊區(qū)塊拉張區(qū)水平井產(chǎn)氣能力最高，平衡應(yīng)力區(qū)次之，而擠壓區(qū)最差。然后通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為煤層氣水平井單位面積產(chǎn)水指數(shù)、采氣速度兩個(gè)開發(fā)指標(biāo)與產(chǎn)氣量存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，煤層氣產(chǎn)氣較高的水平井單位面積產(chǎn)水指數(shù)一般小于50，且其采氣速度控制在5%左右。

煤層氣 應(yīng)力 連通性 產(chǎn)水指數(shù) 采氣速度

中石油華北油田分公司在沁水盆地開發(fā)煤層氣已十年有余，“十一五”和“十二五”期間已完鉆百余口煤層氣水平井，相比于直井，水平井在控制面積、資源有效利用率及產(chǎn)能方面占有一些優(yōu)勢(shì)，根據(jù)沁水盆地開發(fā)實(shí)際，盡管水平井單井投資水平井高于直井，投資比例為6:1，但單井產(chǎn)量水平井遠(yuǎn)高于直井，產(chǎn)量比例達(dá)到10:1，水平井投資回報(bào)率25%，高于直井15%，可見，水平井是煤層氣開發(fā)的一種高效手段。但是盡管出現(xiàn)部分高產(chǎn)井，但總體產(chǎn)氣能力不高，存在開發(fā)效果差異大等問題，因此有必要煤層氣水平井的開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行深入研究。文章主要從水平井適應(yīng)的地質(zhì)條件和相關(guān)主要開發(fā)指標(biāo)來展開煤層氣水平井開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律分析。

1 煤層氣水平井適應(yīng)的地質(zhì)條件

1.1 應(yīng)力狀況

地質(zhì)條件是煤層氣井生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要包括埋深、臨界解吸壓力、裂縫發(fā)育程度、含氣量、臨儲(chǔ)比、構(gòu)造位置、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)、鏡質(zhì)體反射率等多個(gè)參數(shù)。樊莊區(qū)塊含氣量普遍較高，具備一定物質(zhì)基礎(chǔ)，而對(duì)水平井而言，地應(yīng)力是影響煤體結(jié)構(gòu)及滲透率的主要因素，應(yīng)力狀況對(duì)主分支的影響最為重要，而水平井分支的穩(wěn)定性決定供氣面積，一旦坍塌堵塞，其它參數(shù)優(yōu)越性便不會(huì)體現(xiàn)，因此有必要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)水平井適應(yīng)的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。

根據(jù)樊莊區(qū)塊現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向﹑寺頭大斷層段距大小，初步判斷樊莊北部為應(yīng)力擠壓區(qū)，南部為應(yīng)力釋放區(qū)。寺頭大斷層南部斷距明顯比北部斷距大，北部斷層剖面圖顯示側(cè)向走滑，南部斷層剖面顯示下盤向外推，受到拉張力的作用。結(jié)合樊莊水平井開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，整體來看，拉張區(qū)水平井產(chǎn)氣能力最高，平衡應(yīng)力區(qū)次之，而擠壓區(qū)最差。生產(chǎn)上表現(xiàn)為樊莊南部水平井產(chǎn)氣情況好于樊莊北部。

1.2 主力煤層連通性

煤層生產(chǎn)特點(diǎn)是排水降壓解吸滲流，一般來說，影響煤層氣產(chǎn)能的最主要參數(shù)是煤層氣滲透率和煤層含氣量。其實(shí)煤層氣有效厚度和煤層氣連通性也是重要參數(shù)，在進(jìn)行煤層氣水平井開發(fā)布井和完井時(shí)，應(yīng)考慮這兩個(gè)參數(shù)，特別對(duì)于連通性差的煤儲(chǔ)層顯然是不適合打水平井。

在不同區(qū)域上，煤層連通性差別很大。有的主力煤層厚度可以達(dá)到5m，且連續(xù)性很好，其開發(fā)效果較好；有的在空間上連續(xù)性很差，煤層厚度小且夾雜著泥巖或砂巖，其開發(fā)效果較差。以沁水盆地成莊區(qū)塊4口多分支水平井為例，峰日產(chǎn)量達(dá)到14.41萬m3，其中兩口高累產(chǎn)水平井的單井最高峰產(chǎn)氣量分別達(dá)到5.4×104m3、6.4×104m3,主力煤層厚度5m以上，含氣量20cm3/g以上，且煤儲(chǔ)層不含夾矸，連通性好。

1.3 煤層展布平緩

水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)選煤層展布較平緩區(qū)域，因?yàn)槊簩有∥?gòu)造(褶曲、 斷層)是影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素之一。褶曲構(gòu)造容易導(dǎo)致水平井鉆進(jìn)過程中容易鉆出煤層，若頂?shù)装甯浇鼮檐浢簩?，可引起井壁垮塌堵塞。另一方面小微?gòu)造易使實(shí)鉆軌跡波動(dòng)，水平段井易呈“U” 形，曲折的鉆孔一方面導(dǎo)致水的流動(dòng)沖蝕破壞井壁穩(wěn)定性，同時(shí)煤層水會(huì)在井眼中產(chǎn)生“積水”效應(yīng)導(dǎo)致煤層水不易排出。多分支水平井的井眼穿越小微斷層構(gòu)造時(shí)，容易導(dǎo)致井眼溝通頂?shù)装搴畬?，?dǎo)致產(chǎn)水量劇增，排水降壓困難。

2 煤層氣水平井生產(chǎn)特點(diǎn)

華北油田經(jīng)過前期的引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新，探索和發(fā)展了多種井型水平井鉆完井技術(shù)，目前可以完成多分支水平井、仿樹型、L/U型井篩管完井等多種井型設(shè)計(jì)施工，形成了煤層氣多井型水平井鉆完井多項(xiàng)配套特色技術(shù)。因受不同地質(zhì)、工程和人為因素的影響，水平井呈現(xiàn)不同的產(chǎn)氣效果，樊莊區(qū)塊多分支水平井開采已有一定年限，已表現(xiàn)出一定生產(chǎn)規(guī)律，現(xiàn)在以關(guān)鍵兩個(gè)開發(fā)指標(biāo)來研究煤層氣多分支水平井開發(fā)規(guī)律。

2.1 單位面積產(chǎn)水指數(shù)大小

煤層水平段煤儲(chǔ)層穩(wěn)定生產(chǎn)情況下，產(chǎn)水指數(shù)主要受煤層氣開發(fā)過程中動(dòng)態(tài)滲透率影響，建立多分支水平井單位控制面積產(chǎn)水指數(shù)方程，以定性判斷煤層氣動(dòng)態(tài)滲透率變化。

產(chǎn)水指數(shù)公式：

J=Q/(Δp×t×s)

Q——解吸前累產(chǎn)水量，m3；

Δp——地解壓力差，MPa；

t——解吸時(shí)間, d；

s——水平井控制面積，m2。

一般情況下，單位控制面積產(chǎn)水指數(shù)越大，反映動(dòng)態(tài)滲透率趨于變好方向，但不一定代表煤層氣產(chǎn)量高，因?yàn)槊簩右诇贤〝鄬踊蚝畬?，產(chǎn)出水不一定能夠?qū)γ簩悠鸬浇祲鹤饔?。通過對(duì)樊莊區(qū)塊60口多分支水平井單位有效面積產(chǎn)水指數(shù)與產(chǎn)氣量關(guān)系分析(圖1)，在正常生產(chǎn)高產(chǎn)井中， 產(chǎn)水指數(shù)一般在50以內(nèi)，在樊莊的地層條件下，意味著地層壓力每降低1MPa，正常單位面積產(chǎn)出水量為50m3左右， 低于此值說明煤層動(dòng)態(tài)滲透率變差，在不溝通含水層情況下，高于此值煤層動(dòng)態(tài)滲透率趨于變好。

圖1 樊莊水平井產(chǎn)水指數(shù)與產(chǎn)氣量關(guān)系散點(diǎn)圖

2.2 采氣速度大小

通過對(duì)樊莊水平井各年度投產(chǎn)井年產(chǎn)氣量趨勢(shì)分析，上升型水平井年采氣速度大多控制在5%以內(nèi)，而下降型水平井年年采氣速度大多控制在5%以上。

2008年投產(chǎn)水平井采氣速度多數(shù)控制在5%以內(nèi)，2009年和2011年投產(chǎn)水平井采氣速度大多開始年采氣速度都大于5%，后期均表現(xiàn)下降(圖2)。由此可見，不同開發(fā)單元，有其適應(yīng)的采氣速度，若采氣速度過大，區(qū)內(nèi)水平井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間變短，不利長期穩(wěn)產(chǎn)及提高采收率。

(a)上升型水平井

(b) 下降型水平井

3 煤層氣水平井在井網(wǎng)中作用

煤層氣水平井不僅可以獲得高產(chǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域面積整體降壓。相比于樊莊北部水平井分布零散，樊莊南部煤層氣水平井分布較為集中，形成水平井井網(wǎng)，相比于直井，水平井井網(wǎng)更大程度實(shí)現(xiàn)區(qū)域上面積降壓，經(jīng)過幾年排采后，在水平井間部署2億m3直井加密，解吸時(shí)間平均在10天左右，1年內(nèi)達(dá)產(chǎn)并保持穩(wěn)產(chǎn)，原因在于南部多分支水平井生產(chǎn)較長年限，水平井分支通過大面積的網(wǎng)狀延伸，溝通了煤層中裂縫與割理系統(tǒng)，提供大面積且有效的解吸范圍，使得煤層氣短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)大，提高壓降傳遞效率，極大縮短達(dá)產(chǎn)時(shí)間，提高區(qū)域采收率。有利于后期新投產(chǎn)直井生產(chǎn)，使得新井見氣快、達(dá)產(chǎn)快、產(chǎn)氣量高。

4 結(jié)論

(1)樊莊區(qū)塊拉張區(qū)水平井產(chǎn)氣能力最高，平衡應(yīng)力區(qū)次之，而擠壓區(qū)最差，并且煤層氣井位應(yīng)選擇煤儲(chǔ)層連通性較好區(qū)域。

(2)不同地質(zhì)區(qū)塊，有其適應(yīng)的采氣速度，若采氣速度過大，區(qū)塊水平井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間變短，不利長期穩(wěn)產(chǎn)及提高采收率。

(3)建立多分支水平井單位控制面積產(chǎn)水指數(shù)與產(chǎn)氣量相關(guān)性，可以定性反映煤層氣開發(fā)過程中動(dòng)態(tài)滲透率變化。

(4)在區(qū)塊井網(wǎng)部署上，采取先開發(fā)水平井，壓降范圍大更有效溝通煤層間裂隙，可使區(qū)域整體降壓，然后再部署直井控制余下未動(dòng)用儲(chǔ)量，更有利于快速上產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)。

[1] 倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東，等.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊健，倪元勇，王生維,等.影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素分析[J].石油鉆采工藝，2015，37(5):8-9.

[3] 張衛(wèi)東，魏韋.煤層氣水平井開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國煤層氣，2008，5(4):19-22.

(責(zé)任編輯 王一然)

Research on the Development Laws of CBM Horizontal Well

ZOU Xuexue, ZUO Yinqin, LIU Hua, ZHOU Rui, MIAO Yao

(Exploration and Development Research Insitute of Huabei Oilfield, PetroChina, Hebei 062550)

Based on the development practice of CBM multi-lateral horizontal wells in Fanzhuang Block of Qinshui Basin, the paper studies the development laws of CBM horizontal wells. It analyzes the geologic conditions which adapt to CBM horizontal wells, and figure out that the tension area has the highest gas deliverability, the balanced area follows, and the compressed area is the worst. Through the analysis of production data statistics, it proposes that water productivity index and gas production rate have strong relation with the gas production. Generally, the water productivity index of highly-productive CBM horizontal well is less than 50, and its gas production rate is controlled by around 5%.

Coalbed methane; stress; connectivity; water productivity index; gas production rate

國家重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”(2011ZX25061)

鄒學(xué)學(xué)，男，工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)從事煤層氣開發(fā)研究。