曹立虎 張遂安 石惠寧 譚揚軍 谷 溢 劉 巖

（1.中國石油大學(xué)（北京）氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心，北京 102249；3.華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552）

煤層氣多分支水平井可有效溝通煤層割理和裂縫系統(tǒng)，增加泄流面積，降低裂隙內(nèi)氣液流動阻力，提高導(dǎo)流能力［1-3］；采用裸眼完井方式，無需壓裂增產(chǎn)作業(yè)，大大降低了儲層傷害［4-5］，從而提高了單井產(chǎn)能和采出程度。實際生產(chǎn)和數(shù)值模擬結(jié)果都表明煤層氣多分支水平井單井產(chǎn)量是直井的3～10倍，現(xiàn)已發(fā)展成煤層氣開發(fā)的主流技術(shù)［3］。煤層含氣量、井身結(jié)構(gòu)和排采程序等都是影響產(chǎn)能的關(guān)鍵因素［4］，本文分析了影響沁水盆地南部樊莊煤層氣區(qū)塊多分支水平井產(chǎn)能的地質(zhì)和工程因素，通過數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了多分支水平井的井身結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用生產(chǎn)實例進(jìn)行了驗證，為煤層氣多分支水平井高效勘探開發(fā)提供了技術(shù)參考。

1 多分支水平井產(chǎn)能預(yù)測模型

通過煤儲層特征描述，建立研究區(qū)地質(zhì)模型，利用COMET3數(shù)值模擬軟件建立煤層氣多分支水平井產(chǎn)能預(yù)測模型。

1.1 煤儲層特征描述

煤層氣的儲集和開采與常規(guī)氣藏差別很大，因此煤層氣儲層特征的描述也與常規(guī)儲層有很大區(qū)別。從煤層氣勘探開發(fā)的角度出發(fā)，蘇付義［6］將表征煤層氣儲層特征的參數(shù)歸納為：（1）煤層展布特征參數(shù)（厚度、埋深、分布、產(chǎn)狀）；（2）煤巖、煤質(zhì)特征參數(shù)（顯微組分、鏡質(zhì)體反射率、水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、巖石力學(xué)參數(shù)）；（3）儲層物性參數(shù)（孔隙度、滲透率、毛管壓力）；（4）儲層吸附儲集特征參數(shù)（蘭氏體積、蘭氏壓力、擴(kuò)散系數(shù)）；（5）儲層流體特征參數(shù)（水型、氯根含量、氣體組分、氣、水高壓物性）；（6）儲層物理特征參數(shù)（地層壓力、地應(yīng)力、地層溫度）；（7）煤層排采生產(chǎn)參數(shù)（氣產(chǎn)量、產(chǎn)水量、動液面、套壓）。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)模型

利用Petrol軟件，根據(jù)地質(zhì)、鉆井、測井、煤巖測試數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)地址模型，基本參數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)地質(zhì)模型基本參數(shù)設(shè)定

1.3 產(chǎn)能預(yù)測模型

在地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，利用COMET3軟件建立起近水平儲層多分支水平井的模型，模型初始條件參數(shù)的設(shè)定見表2。通過建立傾斜煤層多分支水平井產(chǎn)能的預(yù)測模型，以量化的數(shù)據(jù)分析地層傾角、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)對產(chǎn)能的影響。

表2 數(shù)值模擬初始條件基本參數(shù)設(shè)定

2 多分支水平井產(chǎn)能影響因素

2.1 煤層傾角

以往學(xué)者對儲層厚度、儲層埋深，儲層滲透率和儲層吸附解吸特性等地質(zhì)因素對煤層氣多分支水平井產(chǎn)能的影響進(jìn)行了研究，掌握了一定的規(guī)律［1-5］。本文就煤層傾角對煤層氣多分支水平井產(chǎn)能的影響進(jìn)行了分析。根據(jù)煤層產(chǎn)狀的起伏特征，可以將煤層產(chǎn)狀分為近水平井延展、傾斜地層主支上傾和傾斜地層主支下傾3種情況（圖1）。

圖1 不同煤層傾角下煤層氣多分支水平井示意圖

利用產(chǎn)能預(yù)測模型，對比分析了不同傾角下的煤層氣多分支水平井產(chǎn)能。如圖2所示，煤層以水平面為基準(zhǔn)面，主支下傾為正，上傾為負(fù)。順煤層鉆進(jìn)的多分支水平井，當(dāng)主支走向上傾程度最大（–5°）時產(chǎn)能狀況最好，走向近水平（0°）時其次，走向下傾程度最大（5°）時產(chǎn)能狀況最差。樊莊煤層氣多分支水平井的生產(chǎn)情況也證實了這一點［4］。走向下傾的多分支井，地層產(chǎn)出的水在重力的作用下流向多分支水平井的末端，不能抽出的水在井筒末端影響了煤層氣的解吸；主支上傾的多分支井會使地層產(chǎn)出的水由井筒流向直井位置，地層中的水產(chǎn)出，地層壓力解吸充分，因此產(chǎn)能較好。

2.2 工程因素

2.2.1 儲層保護(hù) 煤層屬于低孔低滲儲層，儲層敏感性強，易受污染，鉆井工程中不匹配的鉆井液體系和不合理的排采制度都會對其造成傷害，嚴(yán)重影響煤層氣井的產(chǎn)量。

圖2 不同煤層傾角下煤層氣多分支水平井產(chǎn)能

（1）不匹配的鉆井液體系。煤層氣多分支水平井鉆進(jìn)時要求使用無固相、低傷害的鉆井液體系，且通常采用欠平衡鉆井，很容易引起井眼垮塌等井下復(fù)雜情況。為此，在樊莊水平井施工中有3口井試驗了增強井壁穩(wěn)定的鉆井液體系，但不可避免地傷害了儲層。目前樊莊45口水平井中，造成儲層傷害的井產(chǎn)量通常不足 1 000 m3/d［4］。

（2）不合理的排采制度。煤層氣排采制度是影響產(chǎn)能的主要因素之一，合理的排采制度可有效保護(hù)儲層，實現(xiàn)煤層氣井的高效開發(fā)?，F(xiàn)場生產(chǎn)表明，“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”三段式的排采制度可避免儲層壓力降低過快，傷害儲層［8-9］。

2.2.2 井身結(jié)構(gòu) 除地質(zhì)因素、儲層保護(hù)等工程因素外，煤層氣多分支水平井井身結(jié)構(gòu)也是影響產(chǎn)能的重要因素［2］。由于煤層地質(zhì)條件為不可控制因素，所以本文對煤層氣多分支水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，主要包括主支走向、主支長度、分支長度、分支間距和分支與主支夾角。

3 多分支水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

單主支多分支水平井是現(xiàn)在使用最為廣泛的井型，也是多主支優(yōu)化的基礎(chǔ)，因此單主支多分支水平井的優(yōu)化對其他井型也具有指導(dǎo)性。本文井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化以產(chǎn)能為指標(biāo)，利用煤層氣多分支水平井產(chǎn)能預(yù)測模型，對比不同井身結(jié)構(gòu)參數(shù)下的產(chǎn)能，結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，獲得最優(yōu)的井身結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖3是進(jìn)行優(yōu)化前的井型。

3.1 主支走向

煤儲層中的流動通道裂隙（割理）的密度、高度、寬度、連通性和方向表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性，因此煤儲層的滲透率表現(xiàn)出明顯的方向性特點。煤層在面割理方向的滲透率要比其他方向高出3～10倍，并且相同類型的割理由于埋深和煤的發(fā)育程度不同，割理密度也不相同［10-11］。這些特征對煤層氣井的井型選取、鉆完井方法和產(chǎn)出造成很大的影響。為了研究滲透率的方向性與主支走向的關(guān)系，分別模擬了主支與主滲透率方向平行、垂直時的情況，由圖4可以看出，煤層氣多分支水平井的產(chǎn)能在主支與主滲透率方向垂直時最高。

圖3 單主支多分支水平井井身參數(shù)

圖4 不同主支走向條件下多分支水平井的產(chǎn)能

3.2 主支長度

保持分支結(jié)構(gòu)不變，分別預(yù)測了主支長度從800增加到1 600 m時的產(chǎn)能，增長幅度為100 m（圖5）。模擬結(jié)果表明，隨著主支長度的增加，多分支水平井的產(chǎn)氣高峰推遲；主支從800 m增加到1 600 m，累積產(chǎn)量增加了34.1%；主支長度在900～1 300 m時增產(chǎn)效果比較明顯。隨著主支長度的增加，井筒和儲層的接觸面積增加，產(chǎn)能提高；但是由于受到邊界影響，產(chǎn)能增加的幅度變小，并且井眼長度增加也會增加井筒摩阻，影響煤層氣產(chǎn)出。隨著主支長度的增加，鉆井、排采和修井費用都會相應(yīng)的提高，因此需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選主支長度。

3.3 分支長度

保持主支長度、分支間距、主支和分支夾角不變，改變分支長度，分析其對煤層氣多分支水平井產(chǎn)能的影響。分別模擬分支長度從200 m增加到450 m的產(chǎn)能，增長幅度為50 m。隨著分支長度的增加，井身實際的控制面積進(jìn)一步增加，而且長度增加更容易達(dá)到井間干擾，因此勢必會提高產(chǎn)能。但是分支長度的增加不是無限度的，由于施工成本隨著分支長度增加而增加，與之對應(yīng)的井筒摩阻和井筒壓力損失也會隨之增加。從模擬結(jié)果來看，分支長度的增加對產(chǎn)能影響非常大，當(dāng)分支長度從200 m增加到450 m時，井身總長度增加了1 600 m（8分支），累積產(chǎn)氣量增加了72.9%（圖6）。因此分支長度控制在250～450 m比較合理。

圖5 不同主支長度條件下多分支水平井的產(chǎn)能

圖6 不同分支長度條件下多分支水平井產(chǎn)能

3.4 分支間距

保持主支和分支長度不變，主支與分支夾角不變，改變分支間距，研究多分支水平井的分支間距對產(chǎn)能的影響。分別模擬分支間距為100、150、200、250、300、350和 400 m 時的產(chǎn)能（圖 7），結(jié)果顯示，多分支水平井在實際開發(fā)中存在最佳的分支間距。當(dāng)分支間距太小時，分支間的干擾程度加強，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間早，但是由于井身控制面積小，產(chǎn)氣量下降很快，因此隨著生產(chǎn)時間增長，分支間距小的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢下降；當(dāng)分支間距太大時，井身的控制面積變大，可以從儲層流向井底的氣量增加，但是分支井間的干擾優(yōu)勢會隨著分支間距的增加而下降。因此，分支間距宜控制在200～300 m。

圖7 不同分支間距條件下多分支水平井產(chǎn)能

3.5 分支與主支夾角

主支與分支夾角對煤層氣多分支水平井產(chǎn)能的影響體現(xiàn)在分支結(jié)構(gòu)對儲層的控制上。在主滲透率方向明確的前提下，主支與分支夾角較小的井型穿過的裂縫數(shù)較多，分支與主支間的距離近，更容易達(dá)到井間干擾，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時間也會比較早。但是，主分支夾角小也意味著分支的控制面積小，壓力波不易傳遞到邊界上，因此需要結(jié)合煤層氣井的產(chǎn)能和控制面積來分析主分支夾角的合理性［13］。保持主支長度、分支長度、分支間距不變，預(yù)測主分支夾角分別為 26.57°、30°、36.87°、45°、53.13°和 60°時的產(chǎn)能。從模擬結(jié)果來看（圖8），主支與主支夾角對煤層氣單主支多分支水平井的產(chǎn)能有一定的影響，主分支夾角越小分支間越容易形成干擾，產(chǎn)氣峰值越高，但是由于控制面積的影響，累積產(chǎn)氣量比較低；分支角度較大時，分支間的干擾程度低，也影響產(chǎn)能；比較合適的主分支夾角在36°～53°。

圖8 不同分支夾角條件下多分支水平井產(chǎn)能

4 優(yōu)化結(jié)果驗證

沁水盆地南部高煤階煤層氣田，具有低壓力、低滲透率、低飽和度、非均質(zhì)性強的“三低一強”特征，采用水平井開發(fā)是非常有效的增產(chǎn)措施［12］。目前已經(jīng)施工了100余口煤層氣水平井，其中鄭莊區(qū)塊40余口，樊莊區(qū)塊46口，潘莊區(qū)塊15口，大寧區(qū)塊7口，這些煤層氣水平井的采出狀況非常良好，單井產(chǎn)氣量可達(dá)2×104m3/d以上，實踐證明，水平井和多分支水平井措施能夠大幅度提高沁水南部煤層氣開發(fā)的效果。

樊莊的2組多分支水平井組樊平02井組和樊平04井組，雖然井位相鄰，地質(zhì)條件接近，但其開發(fā)效果差別較大（表3）［13］。樊平02-2井比樊平02-3井的生產(chǎn)時間長，但累計產(chǎn)氣量卻不足樊平02-3的1/7，這是由于樊平02-3井的有效控制面積為樊平02-2井的2倍。雖然樊平04-3井與樊平04-2井生產(chǎn)時間、井控面積相同，但累積產(chǎn)氣量卻不足樊平04-2的1/15，這是由于樊平04-3井的井眼方向（主、分支方向）接近于本區(qū)塊主裂縫的方位，無法有效溝通煤層的裂隙系統(tǒng)形成網(wǎng)狀連通。因此，煤層氣多分支水平井的井型優(yōu)選及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對產(chǎn)能具有較大影響。

表3 樊平02井組和樊平04井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論與建議

（1）本文以產(chǎn)能為核心指標(biāo)優(yōu)化了煤層氣多分支水平井的井身結(jié)構(gòu)，建議今后的研究中綜合考慮地質(zhì)、氣藏、鉆井、排采和經(jīng)濟(jì)等多方面因素，建立煤層氣多分支水平井井身結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化體系，為煤層氣多分支水平井的高效抽采提供有力的理論支撐。

（2）順煤層鉆進(jìn)的多分支水平井，當(dāng)主支走向上傾時產(chǎn)能狀況最好，其次是走向近水平時，走向下傾時產(chǎn)能狀況最差。多分支水平井產(chǎn)能隨著主支長度和分支長度的增加而增加，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和增產(chǎn)效果，主支長度宜控制在900～1300 m之間，分支長度宜控制在250～400 m之間；主支走向?qū)Ξa(chǎn)能影響較大，適宜的方向為垂直主滲透率方向；分支間距和主分支夾角在一定程度上影響產(chǎn)能，分支間距宜控制在200～300 m之間，主支和分支夾角宜控制在36°～53°之間。

［1］ 鮮保安，高德利，王一兵，等.多分支水平井在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用機(jī)理分析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（6）：34-37.

［2］ 姜文利，葉建平，喬德武.煤層氣多分支水平井的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢［J］.中國礦業(yè)，2010，19（1）：101-103.

［3］ 鮮保安，陳彩紅，王憲花，等.多分支水平井在煤層氣開發(fā)中的控制因素及增產(chǎn)機(jī)理分析［J］.中國煤層氣，2005，2（1）：14-17.

［4］ 張建國，苗耀，李夢溪，等.沁水盆地煤層氣水平井產(chǎn)能影響因素分析［J］.中國石油勘探，2010，15（2）：49-54.

［5］ 高德利，鮮保安.煤層氣多分支水平井身結(jié)構(gòu)設(shè)計模型研究［J］.石油學(xué)報，2007，28（6）：113-117.

［6］ 蘇付義.煤層氣儲集層評價參數(shù)及其組合［J］.天然氣工業(yè)，1998，18（4）：16-22

［7］ RIAHI A, HAZZARD J, LORIG L. Heterogeneous distribution of the coefficient of permeability and an equivalent homogeneous approach［C］. 46th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, Chicago, 2012.

［8］ CHAIANANSUTCHARIT T, CHEN H Y, TEUFEL L W.Impacts of permeability anisotropy and pressure interference on Coalbed Methane（CBM） production ［R］. SPE 71069,2001.

［9］ 秦義，李仰民，白建梅，等.沁水盆地南部高煤階煤層氣井排采工藝研究與實踐［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（11）：22-25.

［10］ 董建輝，王先國，喬磊，等.煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)在樊莊區(qū)塊的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（4）：21-24.

［11］ 陳艷鵬，楊焦生，王一兵，等.煤層氣羽狀水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.石油鉆采工藝，2010，32（4）：81-85.

［12］ 王一兵，孫平，鮮保安，等.沁水煤層氣田開發(fā)技術(shù)及應(yīng)用效果［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（3）：90-92.

［13］ 孟慶春，左銀卿，周叡，等.沁水盆地南部煤層氣水平井井型優(yōu)化及應(yīng)用［J］.中國煤層氣，2010，7（6）：15-19.