武威盆地黑山區(qū)塊煤層氣U型井技術(shù)研究

李穎濤，王泉波，楊國旗，馮 洋，韓薛云

（陜西延長石油（集團）有限責任公司延長氣田采氣一廠，陜西 延安 716000）

1 黑山區(qū)塊特征

1.1 地質(zhì)特征

黑山構(gòu)造位于武威盆地營盤凹陷中部，為晚古生代石炭紀煤層，埋藏深度372.77～1405.15m，面積約220km2，平均煤層總厚度13.32 m，含煤系數(shù)平均為7.21%，煤層平均含氣量5 m3/t。位于太原組中部主產(chǎn)煤層4-1煤層，具有以下特征：埋深適中（平均949.36m），利于開采；煤層平均厚度為1.80 m，基本全區(qū)發(fā)育，煤層橫向分布穩(wěn)定，煤層含夾矸0～3層，夾矸厚度0～1.02 m，夾矸巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、含炭泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，為簡單-復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)，通臨井武試1井和武式2井物性剖面分析，該煤層較其他巖段，電阻率，孔隙度和滲透率較高，通過煤巖電鏡掃描分析可知，該區(qū)煤巖以原生礦物為主，次生礦物發(fā)育很少，煤巖巖性致密，有微裂紋和孔洞發(fā)育，有極強的非均質(zhì)性及各項異性。

1.2 煤巖力學(xué)特征

黑山區(qū)塊4-1煤層密度比較低、泊松比離散型較強、彈性模量比較大、抗張強度和抗壓強度高于常規(guī)煤巖，同時具有性脆、易破碎等特點，非常有利于鉆頭進行破巖，表1為煤巖力學(xué)參數(shù)。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)上述4-1煤層力特征可知：4-1煤層厚度比較大、面積非常廣、連續(xù)性比較好，同時儲層煤巖機械強度較高，具有很好的穩(wěn)定性，特別有利于水平鉆井；煤層頂板穩(wěn)定，有利于造斜。因此，該煤層適于采用U型井開發(fā)煤層氣。

2 煤層U型井主要難點分析

U型井技術(shù)，又可稱為水平連通井技術(shù)，兩口不同位置的水平井與水平井、水平井與定向井、水平井與直井或者定向井與定向井，連通在同一目的層，所以綜合了欠平衡鉆井、地質(zhì)導(dǎo)向、兩井連通等多種先進技術(shù)［1-3］，另外，由于煤層具有易碎、易垮塌特點，故要求煤層井壁具有較強的穩(wěn)定性。

2.1 U型井連接及貫通方式的選擇

對接就是貫通兩口井井下流道，通常，按照井眼軌道方式可分為3種：相交、相切和井底相切。圖1為對接水平井對接方式。

圖1 對接水平井對接方式

針對武威地區(qū)使用U型井開發(fā)煤層氣時，兩井應(yīng)選擇相交連接，兩井相交相對于相切和井底相切來說，連接技術(shù)要求更低，經(jīng)濟成本也更低，而且可以達到預(yù)期的連接要求［4-6］。

2.2 水平段最優(yōu)長度的確定

通過文獻查閱能得到水平段單位長度采油指數(shù)JS，的計算模型，但很少考慮到壓降的影響［2-6］，而產(chǎn)量誤差可描述為水平段流體的壓降與油藏壓降之比。本文運用采油指數(shù)這一概念來描述水平井筒中流動，考慮到壓降的影響，進一步將水平井計算模型與流體摩阻的計算結(jié)合起來，推導(dǎo)出煤層氣水平井水平段最優(yōu)長度的計算模型［7］。

如圖2所示為井筒和儲層耦合，Pe為氣藏的外邊界壓力，Pw（x）表示沿水平段井筒方向坐標x處的壓力。

圖2 油氣藏和井筒的耦合

井眼中流動公式可描述為：

由質(zhì)量守恒可以得到：

利用下列邊界條件：

利用邊界條件 qw，x＝L＝0和式子（1），（2）和（3）聯(lián)立得：

其中產(chǎn)能公式：

式中：Kv，Kh分別為垂直、水平滲透率，10-3μm2；μg為氣體黏度，mPa·s；β為各向異性比值，為( Kh/Kv)1/2。

式（5）為水平段最優(yōu)長度計算公式。

該區(qū)塊的基本數(shù)據(jù)，煤層氣相對密度νg＝0.5781，泄氣半徑Re＝500 m，水平井半徑rw＝0.1 m，地層滲透率K＝0.5×10-3μm2，垂直與水平滲透率比值 Kv/Kh＝0.4763，原始地層壓力 Pi＝21 MPa，井底壓力Pwf＝19 MPa，煤層氣粘度μ＝0.02 uPa·s，氣層厚度h＝10m，體積系數(shù)Bg＝4.675×10-3，表皮系數(shù)S＝0。根據(jù)上述計算模型，計算得到水平段長度與產(chǎn)量的關(guān)系圖如2。

從圖2可知，當水平井段增加到一定程度之后，產(chǎn)量隨水平段長度繼續(xù)增加幅度較小，再增加水平段長度，鉆井成本和井下風險都會增大，因此該區(qū)最優(yōu)水平長度為1000 m左右。

圖2 水平段長度與產(chǎn)量關(guān)系圖

3 結(jié)論與建議

1）武威盆地煤層是一種低密度、低滲透率的非常規(guī)儲層；武威盆地煤巖密度較低，泊松比離散性強，力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為彈性模量、抗張強度及抗壓強度較其它煤巖高，黑山區(qū)塊應(yīng)首選U型井。

2）根據(jù)黑山區(qū)塊煤層特征，結(jié)合U型井不同對接方式，在滿足技術(shù)要求條件下，選擇經(jīng)濟成本低的兩井相交的對接方式，并應(yīng)用欠平衡鉆井及地質(zhì)導(dǎo)向等先進技術(shù)［3］。

3）對常規(guī)水平段單位長度采油指數(shù)JS，的計算模型進行改進，考慮了壓降影響，結(jié)合了流體摩阻計算，推導(dǎo)水平段最優(yōu)長度的計算模型，得到U型井主井眼水平段長度優(yōu)化為1000 m。

4）煤層基脆性大、裂縫多、易破碎的特殊性質(zhì)決定井壁失穩(wěn)機理及其復(fù)雜，建議開展巖石力學(xué)詳細實驗，獲取更多準確的巖石力學(xué)參數(shù)，更好的保持井壁穩(wěn)定，減少煤儲層的傷害及煤層坍塌危險［4］。