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煤层气水平井开发技术现状及发展趋势

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煤层气 水平 开发 技术 现状 发展趋势
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© 1994   魏   韦(中 国 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院 , 山 东 东 营   257061)摘   要 : 煤 层 气 是 一 种 非 常 规 天 然 气 资 源 , 传 统 的 煤 层 气 开 采 方 式 为 地 面 直 井 排 水 降 压 开 采 , 但这 种 方 式 开 采 煤 层 气 单 井 产 量 低 、 经 济 效 益 比 较 差 。 目 前 针 对 这 种 问 题 煤 层 气 常 用 的 增 产 措 施 为水 平 井 技 术 。 煤 层 气 水 平 井 是 一 种 成 本 不 是 很 高 但 增 产 效 果 非 常 好 的 技 术 , 已 经 越 来 越 多 的 应 用于 煤 层 气 的 开 采 。 文 中 主 要 介 绍 了 煤 层 气 羽 状 分 支 水 平 井 技 术 现 状 和 发 展 趋 势 , 通 过 国 内 外 技 术煤 层 气 水 平 井 技 术 的 介 绍 , 得 出 煤 层 气 水 平 井 技 术 是 一 种 适 合 中 国 煤 层 气 开 发 的 关 键 技 术 , 必 须在 充 分 了 解 煤 储 层 地 质 特 性 的 基 础 上 应 用 水 平 井 。关 键 词 : 煤 层 气   水 平 井   技 术 现 状   发 展 趋 势 57061) is a of is At of to is is a BM of BM at a be BM is to be s it is on of of of of 气 是 一 种 非 常 规 天 然 气 资 源 。 煤 层 气 储 层的 特 性 与 常 规 天 然 气 藏 有 相 似 之 处 , 但 差 别 也 很大 , 因 此 煤 层 气 开 发 与 开 采 技 术 与 常 规 天 然 气 差 别较 大 , 有 其 自 身 的 特 点 。 目 前 开 采 煤 层 气 的 方 法 一般 采 用 抽 排 煤 层 中 的 承 压 水 , 降 低 煤 层 压 力 , 使 煤层 中 吸 附 的 甲 烷 气 释 放 出 来 。 我 国 煤 层 普 遍 存 在 低压 、 低 渗 、 低 吸 附 气 饱 和 度 的 特 性 , 开 采 煤 层 气 单井 产 量 低 、 经 济 效 益 比 较 差 , 为 获 得 经 济 产 量 就 必须 对 煤 层 实 施 增 产 措 施 。 常 用 煤 层 气 的 增 产 措 施 主要 有 裸 眼 洞 穴 完 井 、 直 井 水 力 压 裂 、 水 平 井 技 术作 者 简 介   张 卫 东 , 1968 年 生 , 1990 年 毕 业 于 石 油 大 学 (华 东 ) 钻 井 工 程 专 业 , 在 读 油 气 井 工 程 博 士 研 究 生 , 副 教 授 , 主 要 从 事 水 平井 研 究 工 作 。第 5 卷 第 4 期                                       中 国 煤 层 气                                       11 月                                                                 1994 (超 短 半 径 水 平 井 、 羽 状 分 支 水 平 井 ) 。 煤 层 气 水 平井 是 一 种 成 本 不 是 很 高 但 增 产 效 果 非 常 好 的 技 术 ,已 经 越 来 越 多 的 应 用 于 煤 层 气 的 开 采 。1   发 展 现 状111   国 外 煤 层 气 水 平 井 技 术 发 展 现 状随 着 国 外 煤 层 气 产 业 化 的 发 展 以 及 开 发 领 域 的逐 渐 扩 大 , 开 发 技 术 也 不 断 完 善 和 提 高 , 尤 其 是 美国 , 煤 层 气 开 发 从 最 初 在 圣 胡 安 、 黑 勇 士 盆 地 的 中煤 阶 气 肥 煤 , 逐 步 发 展 到 低 煤 阶 褐 煤 和 高 煤 阶 贫煤 、 无 烟 煤 , 并 针 对 不 同 地 质 条 件 下 煤 层 渗 透 性 、力 学 性 质 、 井 壁 稳 定 性 , 形 成 了 一 套 煤 层 气 开 发 技术 系 列 , 在 煤 层 内 钻 羽 状 分 支 水 平 井 , 每 个 羽 状 分支 井 由 1 口 分 支 水 平 井 , 1 口 洞 穴 排 采 直 井 组 成 ,水 平 井 主 水 平 井 眼 长 1500m 以 上 , 主 水 平 井 眼 两 侧钻 8~ 14 个 分 支 , 分 支 井 眼 长 200~ 800m。 每 个 羽状 井 组 由 4 个 羽 状 分 支 水 平 井 组 成 , 总 进 尺 312 ×104m , 一 个 井 组 控 制 418相 当 于 16 口 直 井 的开 采 面 积 ) 。 该 项 技 术 主 要 适 用 于 中 、 高 煤 阶 低 渗透 含 煤 区 , 通 过 增 加 煤 层 裸 露 面 积 , 沟 通 天 然 割理 、 裂 隙 , 提 高 单 井 产 量 和 采 收 率 , 解 决 低 渗 区 单井 产 量 低 、 经 济 效 益 差 的 问 题 , 高 含 气 薄 煤 层 也 可采 用 这 一 技 术 。澳 大 利 亚 煤 层 气 勘 探 始 于 1976 年 , 20 世 纪 末以 来 , 由 于 充 分 吸 收 美 国 煤 层 气 资 源 评 价 和 勘 探 、测 试 方 面 的 成 功 经 验 , 针 对 本 国 煤 层 含 气 量 高 、 含水 饱 和 度 变 化 大 、 原 地 应 力 高 等 地 质 特 点 , 成 功 开发 和 应 用 了 水 平 井 高 压 水 射 流 改 选 技 术 , 使 鲍 恩 盆地 煤 层 气 勘 探 开 发 取 得 了 重 大 突 破 。 澳 大 利 亚 的 一些 矿 井 已 广 泛 应 用 水 平 钻 孔 、 斜 交 钻 孔 和 地 面 采 空区 垂 直 钻 孔 抽 放 等 技 术 。 1998 年 澳 大 利 亚 煤 层 气产 量 只 有 0156 × 108 2006 年 钻 井 1100 口 , 产 量达 18 × 108 已 进 入 商 业 化 开 发 阶 段 。 近 几 年 澳大 利 亚 已 成 功 地 实 施 了 利 用 中 半 径 水 平 井 技 术 开 发煤 层 气 , 取 得 了 良 好 的 开 发 效 果 和 经 济 效 益 (图1) 。112   中 国 煤 层 气 水 平 井 技 术 发 展 现 状在 我 国 , 2004 年 11 月 28 日 由 奥 瑞 安 能 源 国 际有 限 公 司 设 计 和 组 织 施 工 的 状 分 支 水 平井 正 式 投 入 生 产 并 实 现 了 预 期 工 艺 和 产 能 的 双 重 突破 。 该 井 第 一 次 在 中 国 实 现 了 地 面 煤 层 水 平 多 分 支钻 进 , 煤 层 中 水 平 井 眼 总 进 尺 近 8000m , 实 现 了 煤图 1   澳 大 利 亚 中 半 径 水 平 井 示 意 图层 气 井 的 稳 产 高 产 , 日 产 气 量 达 3000 上 。 继 平 井 之 后 , 在 我 国 山 西 宁 武 和 寿 阳 又 先 后施 工 了 两 口 羽 状 水 平 井 , 特 别 是 中 联 公 司 承 担 的 国家 油 气 资 源 战 略 选 区 与 评 价 项 目 — — — 山 西 省 沁 水 县端 氏 煤 层 气 羽 状 分 支 水 平 井 示 范 工 程 , 分 别 在 沁 南3 #煤 层 和 15 # 煤 层 成 功 实 施 了 4 口 羽 状 分 支 水 平井 , 总 结 形 成 了 一 套 从 设 计 施 工 到 评 价 的 技 术 体系 , 并 通 过 学 习 引 进 消 化 吸 收 , 其 中 两 口 井 利 用 国产 的 关 键 设 备 和 技 术 , 自 主 设 计 和 施 工 完 成 。奥 瑞 安 能 源 国 际 有 限 公 司 设 计 施 工 的 1 2006 年 10 月 18 日 开 钻 。 2006 年 11 月 10日 完 井 , 作 业 天 数 为 23 天 , 本 井 按 照 设 计 布 署 ,顺 利 完 成 了 2 个 主 井 眼 和 8 个 分 支 井 眼 的 施 工 , 钻井 总 进 尺 5558m , 地 质 导 向 总 进 尺 5183m , 其 中 纯煤 层 中 进 尺 5011m , 煤 层 钻 遇 率 96168 % , 井 眼 控制 面 积 约 0155 1H 井 设 计 施 工 中 所 采用 的 技 术 在 中 国 处 于 领 先 地 位 , 具 体 采 用 的 技 术 手段 如 下 :① 直 井 洞 穴 技 术 (图 2)图 2   直 井 洞 穴 技 术 示 意 图机 械 工 具 造 穴 利 用 机 械 切 削 的 原 理 , 用 钻 具 把特 殊 设 计 的 机 械 装 置 送 入 造 穴 井 段 , 然 后 通 过 液 压控 制 方 式 使 造 穴 工 具 的 刀 杆 张 开 , 并 在 钻 具 的 带 动02 中 国 煤 层 气                                         第 4 期© 1994 , 切 削 储 层 , 形 成 满 足 实 际 需 要 的 洞 穴 。 1 井 洞 穴 井 段 为 274~ 279m , 洞 穴 直径 0155m。② 两 井 连 通 技 术 (图 3)图 3   两 井 连 通 技 术 示 意 图采 用 的 主 要 技 术 : 近 钻 头 电 磁 测 距 法(。 须 与 马 达 等 配 合 使 用 ,钻 具 组 合 为 : 钻 头 + 永 磁 短 节 + 马 达 + 无 磁 钻 挺 + 钻 杆 。③ 井 眼 轨 迹 控 制 技 术主 水 平 井 眼 造 斜 段 一 般 使 用 “ 导 向 马 达 +的 常 用 定 向 钻 具 组 合 ; 煤 层 段 的 主 水 平 井眼 及 分 支 井 眼 采 用 头 , 使 用 钻 监 测地 层 自 然 伽 玛 值 和 电 阻 率 值 来 判 断 钻 头 是 否 在 煤 层中 钻 进 。④ 分 支 井 眼 侧 钻 技 术侧 钻 点 选 择 : 侧 钻 点 附 近 的 井 眼 状 况 正 常 , 井径 规 则 , 无 掉 块 、 垮 塌 迹 象 , 钻 具 上 提 下 放 的 摩 阻较 小 ; 在 主 井 眼 中 选 择 井 眼 位 置 靠 近 煤 层 上 部 及 增斜 或 稳 斜 井 段 位 置 侧 钻 。 避 免 主 井 眼 方 位 变 化 与 侧钻 分 支 井 眼 方 位 一 致 。 侧 钻 时 将 工 具 面 角 摆 到 正 负140~ 150° , 首 先 向 左 / 右 下 方 侧 钻 , 形 成 了 一 条 向下 倾 斜 的 曲 线 。 保 持 工 具 面 不 变 进 行 划 槽 , 开 泵 慢慢 上 提 下 放 钻 具 6~ 8m , 下 放 速 度 50~ 70m/ h , 划槽 2~ 3 次 , 以 利 于 侧 钻 成 功 。⑤ 储 层 保 护 及 井 壁 稳 定 控 制 技 术造 斜 点 以 下 地 层 和 煤 层 段 全 部 采 用 井 下 动 力 钻具 。 钻 柱 不 旋 转 , 相 对 而 言 工 作 较 平 稳 , 有 利 于 保持 煤 层 井 壁 稳 定 ; 尽 量 采 用 结 构 简 单 的 钻 具 组 合 以减 小 煤 层 井 壁 碰 撞 和 起 下 钻 时 挂 拉 ; 尽 量 缩 短 煤 层水 平 井 段 钻 井 时 间 , 减 少 钻 井 液 对 煤 层 的 侵 泡 时间 。 尽 可 能 使 井 眼 轨 迹 位 于 相 对 稳 定 的 块 状 煤 体中 。 主 水 平 井 眼 选 择 中 曲 率 半 径 和 “ 直 — 增 — 增 —稳 (水 平 段 )” 的 连 增 复 合 型 剖 面 形 状 ; 造 斜 点 选择 在 岩 性 较 硬 的 砂 岩 段 , 井 深 为 100m , 造 斜 率 为10179° /30m ~ 7121° / 30m ; 由 于 井 深 总 进 尺 为5395m , 6” 井 眼 进 尺 达 到 了 5170m , 因 此 , 选 择 双主 支 。⑥ 充 气 钻 井 液 欠 平 衡 工 艺 (图 4)图 4   从 洞 穴 直 井 注 入 空 气 实 行 欠 平 衡 钻 进该 井 欠 平 衡 作 业 参 数 为 : 二 开 水 平 主 井 眼 与 直井 洞 穴 连 通 后 , 关 洞 穴 直 井 防 喷 器 , 在 洞 穴 直 井 的井 口 连 续 注 气 , 使 其 呈 均 匀 气 泡 分 散 于 从 两 井 的 连通 处 与 水 平 井 段 的 上 返 钻 井 液 中 , 再 从 水 平 井 环 空循 环 返 出 井 口 到 地 面 , 压 缩 空 气 经 旋 转 防 喷 器 和 节流 管 汇 、 液 气 分 离 器 控 制 , 使 液 气 分 离 , 最 后 到 燃烧 池 。 环 空 中 的 气 液 两 相 流 形 成 的 液 柱 压 力 低 于 煤储 层 压 力 , 从 而 实 现 了 羽 状 分 支 水 平 井 环 空 充 气 欠平 衡 钻 井 工 艺 。 钻 进 时 泥 浆 泵 的 排 量 900L/ 洞 穴 直 井 注 气 量 30 井 口 压 力 119 ~211 地 质 导 向 技 术依 据 煤 层 上 、 下 顶 板 泥 岩 或 砂 岩 及 煤 层 中 所 夹的 薄 层 夹 矸 在 自 然 伽 玛 、 上 下 伽 玛 和 电 阻 率 参 数 上的 不 同 特 征 来 实 时 解 释 评 价 所 钻 地 层 是 否 在 煤 中 ,以 及 在 煤 层 中 行 进 的 方 向 (上 行 还 是 下 行 ) , 指 导现 场 钻 井 工 程 师 调 整 轨 迹 。 本 井 钻 井 区 域 中 泥 岩 的自 然 伽 玛 值 为 75~ 210 电 阻 率 80~ 100Ω · m ,煤 层 的 自 然 伽 玛 值 10~ 75 电 阻 率 大 于 100Ω · 过 程 中 应 实 时 修 正 煤 层 底 板 等 高 线 , 修 正 后的 等 值 线 比 钻 前 其 它 任 何 地 质 手 段 获 得 的 等 值 线 精度 都 高 , 因 此 , 它 对 认 识 钻 井 区 域 地 层 特 征 指 导 待钻 井 眼 导 向 具 有 非 常 大 的 帮 助 。 274~ 279m , 洞 穴12第 4 期                             煤 层 气 水 平 井 开 发 技 术 现 状 及 发 展 趋 势© 1994 。2   发 展 趋 势美 国 气 公 司 设 计 的 羽 状 水 平 井 在 煤层 中 的 单 个 侧 钻 分 支 都 超 过 了 500m , 这 就 给 井 下安 全 钻 进 及 各 项 关 键 技 术 提 出 了 更 高 的 要 求 。 国 内可 尝 试 在 水 平 井 的 基 础 上 钻 较 短 的 羽 状 分 支 , 一 方面 , 可 以 增 加 单 井 产 气 量 ; 另 一 方 面 , 可 以 逐 渐 学习 、 掌 握 羽 状 水 平 井 的 相 关 技 术 , 为 煤 层 气 羽 状 水平 井 “ 国 有 化 ” 打 下 基 础 。并 非 所 有 的 煤 储 层 都 适 合 钻 羽 状 分 支 水 平 井 ,所 以 地 质 工 作 的 首 要 任 务 是 选 择 合 适 目 标 煤 层 。 尽可 能 地 规 避 构 造 煤 , 选 择 各 项 异 性 显 著 、 煤 层 厚 度较 大 且 相 对 稳 定 的 煤 层 。 对 目 标 煤 层 的 厚 度 、 埋深 、 煤 岩 、 煤 质 、 煤 层 结 构 及 煤 体 结 构 进 行 深 入 细致 的 分 析 研 究 , 为 工 程 设 计 时 把 钻 头 轨 迹 设 计 在 煤层 中 合 适 位 置 提 出 合 理 化 建 议 。羽 状 分 支 水 平 井 的 部 分 关 键 技 术 国 内 已 具 备 ,应 加 强 分 支 侧 钻 的 轨 迹 控 制 技 术 的 现 场 实 验 及 煤 层井 壁 稳 定 性 技 术 的 研 究 。 两 井 连 通 技 术 属 于 世 界 先进 的 技 术 , 需 要 特 殊 的 仪 器 设 备 , 其 设 备 和 技 术 有待 进 一 步 的 研 究 。煤 储 层 伤 害 是 影 响 煤 层 气 开 发 成 功 率 的 决 定 因素 之 一 , 尤 其 对 中 国 这 种 低 压 、 特 低 渗 透 率 等 特 殊物 性 的 煤 层 而 言 , 钻 井 完 井 作 业 过 程 中 对 煤 层 造 成的 伤 害 比 常 规 储 层 更 为 严 重 。 由 此 可 见 , 中 国 煤 层气 水 平 井 开 发 技 术 的 核 心 是 尽 量 使 所 采 用 的 工 艺 技术 不 伤 害 煤 层 , 欠 平 衡 钻 井 技 术 已 经 越 来 越 多 应 用到 煤 层 气 的 开 发 。近 年 来 , 在 煤 层 气 数 值 模 拟 的 研 究 方 面 国 内 外已 经 作 了 大 量 的 工 作 , 但 数 学 模 型 多 为 传 统 的 垂 直压 裂 井 , 且 一 般 侧 重 于 描 述 储 层 内 流 体 的 运 移 规律 ; 数 值 模 型 也 并 不 完 善 , 特 别 是 在 解 吸 项 的 处 理方 面 仍 需 要 深 入 的 研 究 。 国 外 常 见 的 煤 层 气 数 模 软件 有 美 国 司 开 发 的 D 及 其 新 版 美 国 司 的这 些 软 件 都 可 以 用 于 水 平 井 或 多 分 支 水平 井 生 产 模 拟 , 但 需 要 对 模 拟 边 界 条 件 作 专 门 处理 。 目 前 还 没 有 专 门 描 述 煤 层 气 定 向 羽 状 水 平 井 开采 特 征 的 数 学 模 型 和 适 合 我 国 煤 层 气 定 向 羽 状 水 平井 开 采 的 计 算 机 模 型 。3   结 论中 国 的 煤 层 气 藏 具 有 低 压 、 低 渗 、 低 饱 和 、 煤层 非 均 质 现 象 突 出 等 地 质 特 征 , 决 定 了 中 国 的 煤 层气 开 发 不 能 应 用 常 规 的 地 面 直 井 , 必 须 采 用 适 合 中国 煤 层 气 开 发 的 新 技 术 , 煤 层 气 水 平 井 技 术 就 可 以避 免 常 规 地 面 直 井 的 局 限 性 , 单 井 产 量 高 经 济 效 益好 , 是 中 国 煤 层 气 开 发 的 最 佳 技 术 选 择 。 煤 层 气 多分 支 水 平 井 开 发 技 术 在 我 国 刚 刚 起 步 , 对 其 增 产 机理 和 产 量 模 拟 研 究 还 是 空 白 , 同 时 , 存 在 保 护 煤 层和 保 证 井 下 安 全 钻 井 的 矛 盾 。 目 前 , 在 煤 层 气 数 值模 拟 的 研 究 方 面 , 国 内 外 尚 没 有 专 门 描 述 煤 层 气 定向 羽 状 水 平 井 开 采 特 征 的 数 学 模 型 , 还 需 进 一 步 研究 。参   考   文   献[1 ]   侯 玉 品 , 张 永 利 , 章 梦 涛 . 超 短 半 径 水 平 井 开 采 煤层 气 的 探 讨 [J ]. 矿 山 机 械 , 2005 , 33 (6) : 10 2 ]   江 山 , 王 新 海 , 张 晓 红 , 等 . 定 向 羽 状 分 支 水 平 井开 发 煤 层 气 现 状 及 发 展 趋 势 [J ]. 钻 采 工 艺 , 2004 ,27 (2) : 4 - 6.[3 ]   严 绪 朝 , 郝 鸿 毅 . 国 外 煤 层 气 的 开 发 利 用 状 况 及 其技 术 水 平 [J ]. 石 油 科 技 论 坛 , 2006 , 06 : 24 - 30.[4 ]   刘 贻 军 . 应 用 新 技 术 促 进 煤 层 气 的 开 发 [J ]. 地 址通 报 , 2007 , 26 (5) : 625 - 628.[5 ]   中 联 煤 层 气 有 限 责 任 公 司 . 中 国 煤 层 气 勘 探 开 发 技术 研 究 [M]. 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社 , 2007 : 51[6 ]   张 亚 蒲 . 煤 层 气 羽 状 水 平 井 数 值 模 拟 技 术 在 大 宁 煤层 气 试 验 区 的 应 用 [J ]. 中 国 煤 层 气 , 2005 , 2 (3) :38 - 41(责 任 编 辑   桑 逢 云 )欢 迎 订 阅 , 欢 迎 投 稿22 中 国 煤 层 气                                         第 4 期
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