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QK-煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析

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QK 煤层气 定向 水平 开采 机理 应用 分析
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    3 本 成 果 受 “ 973” 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 ” (2002 助 。作 者 简 介 :鲜 保 安 , 1966年 生 ,在 读 博 士 研 究 生 ; 1991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 : (102249)北 京 市 昌 平 区 府 学 路 18号 。 电 话 : ( 010) 69213107。 气 定 向 羽 状 水 平 井 开 采 机 理 与 应 用 分 析 3鲜 保 安 1, 2   高 德 利 1   李 安 启 2   赵 庆 波 2   曹 雯 2(1. 石 油 大 学 · 北 京   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 , 2005; 25 (1) : 114~ 116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 。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 〔 1〕 ,这 里 仅 比 较 单 一 水 平 井 、 割 理 的 渗 流 阻 力 。R = μ2π Kh 1 / n )式 中 : 流 阻 力 , 支 水 平 井 长 度 , m; 层 渗 透 率 , 10 - 3μ 层 厚 度 , m;μ 为 流体 粘 度 , s; 给 半 径 , m; 筒 半 径 ,·411·开 发 及 开 采                             天   然   气   工   业                                   2005年 1月    煤 层 气 田 储 量 报 告 ,内 部 资 料 。m; 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 100 m,井 眼 直 径 取 152 理 简 化成 1. 5 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 〔 2〕 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 400~ 600 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~ 10倍 ,采 出 程 度 平 均 高 出 2倍 ,既 提 高 经 济效 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 〔 3〕 ,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 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 ( 为 400 1. 3800 × 41 / 9. 67)其 关 系 曲 线 见 图 2、 3。图 2  分 支 井 产 量 与 分 支 数 关 系 曲 线( 400 m)图 3  分 支 井 产 量 与 分 支 段 长 关 系 曲 线( 400 m)(2)供 给 半 径 ( 为 600 1. 3800 × 41 / 9. 67)其 关 系 曲 线 见 图 4、 5。·511·第 25卷 第 1期                                 天   然   气   工   业                             开 发 及 开 采    通 过 对 比 得 出 以 下 模 拟 结 果 :分 支 数 为 10个(不 含 主 水 平 井 ) ;分 支 段 长 100~ 960 m;分 支 间 距为 300 m (等 间 距 ) ;主 水 平 井 长 1500 m;平 均 单 井 日产 量 为 4 × 104 d;年 生 产 时 间 330 d;年 单 井 产 量为 0. 132 × 108 采 出 程 度 为 59% (占 探 明 储 量 ) ;生 产 年 限 8 a ( 20个 井 组 ) ;投 资 回 收 期 为 5. 1 a;税后 内 部 收 益 率 为 14. 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 。图 4  分 支 井 产 量 与 分 支 数 关 系 曲 线( 600 m)图 5  分 支 井 产 量 与 分 支 段 长 关 系 曲 线( 600 m)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 〔 4〕 ,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 汤玉 . 分 支 水 平 井 产 能 的 计 算 方 法 . 石 油 学 报 , 1998; 19(3) : 89~ 922  杨 广 里 等 力 学 及 应 用 . 1990: 24~ 283  程 林 松 等 分 支 水 平 井 产 能 的 计 算 方 法 . 石 油 学 报 ,1998; 19 (4) : 69~ 724  李 文 阳 等 煤 层 气 勘 探 与 开 发 . 江 苏 徐 州 :中 国 矿 业大 学 出 版 社 , 2003: 331~ 332(收 稿 日 期   2004211218  编 辑   韩 晓 渝 )2004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 1900多 亿 立 方 米 ” 两 大 宏 愿 之 后 ,2004年 12月 26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 2004年 12月 26日 ,两 家 年 累 计 产 气 量 超 过 了 100亿 立 方 米 。 其 中 ,西 南 油 气 田 分 公 司 达 到 了96. 35亿 立 方 米 ,四 川 石 油 管 理 局 达 到 了 3. 68亿 立 方 米 。 中 石 油 集 团 公 司 川 渝 气 区 目 前 已 发 现 了 100多 个 气 田 ,铺 建 的 输 气管 道 已 超 过 了 10000千 米 ,已 拥 有 剩 余 可 采 储 量 2400多 亿 立 方 米 。(蒋 静 萍   摘 自 《 四 川 石 油 报 》 )·611·开 发 及 开 采                             天   然   气   工   业                                   2005年 1月 O N O F D O R )L i Yu i il v. 25, 1, 108— 110, 1 /25 /2005.( 000 - 0976; h In p of it is W p of to or be in of p to to or to of of s p On 2D of is s in to of p an to D i Y u ( , 963.   J 400021) , (023) 67313274  Y O F Y W O R D W L ) , , A i v. 25, 1, 111— 113, 1 /25 /2005. ( 000 - 0976; h p p of at m p s, p t be in p is It is p as is is as in p It is to as p at of of p by p A t it is of of by 3. ic is p 954.   , , 18300) , (0838) 5151542 N O N M O N O F O O R 2 1 )2 , L i 1. 2. &D v. 25, 1, 114—116, 1 /25 /2005. ( 000 - 0976; h of p ts to of p is to in le of m , 2005m of in of in a of of p Q is a It of th of of It is of p of a p of be of of p of p be by op p of p p to ic ic to p ( F a l Ba D M , 966, is   18, d. , 102249 ) , ( 010 ) 69213107   S O F O N O N O N O F O N 1 )ui’ o. L v. 25, 117— 119, 1 /25 /2005. ( 000 - 0976; of of of is of to p of s of s, of of of on p A /S p of of is on p of is M (1, 1)a is of is 8% , as is to p /S M ( 1, 1) is p of to mentioned
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