李學(xué)博 劉 忠 劉春春 張光波 李 鵬 張紅星

(華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000)

裸眼多分支水平井依靠其主、分支有效溝通煤層中的裂縫系統(tǒng)，使?jié)B流通道呈網(wǎng)狀分布，突破了煤層非均質(zhì)的局限，增加了煤層氣的解吸范圍，降低了開發(fā)綜合成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，是區(qū)塊開發(fā)的主體工藝技術(shù)之一。但從沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊開發(fā)效果來看，工藝適應(yīng)性較差，總體呈現(xiàn)出低產(chǎn)井比例高、單井產(chǎn)量差異大的特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 鄭莊區(qū)塊多分支水平井開發(fā)概況

1.1 多分支水平井生產(chǎn)概況

鄭莊區(qū)塊投產(chǎn)至今累計(jì)投產(chǎn)多分支水平井41口，單井最高產(chǎn)氣量達(dá)到20000m3/d。平均單井產(chǎn)氣量2700m3，平均流壓0.15MPa，無進(jìn)一步提產(chǎn)潛力。其中產(chǎn)量低于5000m3井37口，占總井?dāng)?shù)的90%，整體開發(fā)效果效益較差。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，部分水平井井眼通道出現(xiàn)垮塌、堵塞，產(chǎn)量遠(yuǎn)低于預(yù)期。該類井地質(zhì)條件較好，具有良好的增產(chǎn)潛力，但依靠長期自然排采無法有效恢復(fù)單井產(chǎn)能，急需進(jìn)行增產(chǎn)改造。

區(qū)內(nèi)開發(fā)地質(zhì)背景為富集低滲，開發(fā)主力層為山西組3號煤，含氣量22m3/t，煤層厚度4～6m，平均5.3m，煤層埋深480～1050m，平均780m，平均滲透率0.01mD，物性較差。

1.2 低產(chǎn)原因分析

結(jié)合前人研究成果，本文認(rèn)為在含氣量、埋深相近的條件下，多分支水平井低產(chǎn)的主要原因有兩類。

煤巖結(jié)構(gòu)破碎，鉆井易垮塌。沁水盆地高階煤層后期構(gòu)造改造嚴(yán)重，具有抗壓強(qiáng)度低、楊氏模量小、泊松比小、易碎易垮塌的特點(diǎn)。借鑒寺河礦煤樣試驗(yàn)分析結(jié)果，沁水盆地3號煤在清水中的膨脹性不強(qiáng)，已發(fā)育的裂隙大多被泥質(zhì)或碳酸鹽填充。而在鉆井施工中，受鉆井液液柱壓差影響，致使鉆井液侵入煤層，引起內(nèi)部黏土礦物膨脹，造成煤巖破壞形成碎塊。此外，局部地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育為碎裂結(jié)構(gòu)煤，煤層強(qiáng)度及膠結(jié)程度較差，受鉆井壓力波動影響，煤層易發(fā)生疲勞損傷，引起井下垮塌。

該類井實(shí)鉆軌跡遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)軌跡，分支進(jìn)尺短，井控面積極其有限，產(chǎn)氣效果差，平均產(chǎn)氣量不足500m3(見圖1)。

圖1 鉆井垮塌井分布圖及煤層進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)圖

(1)以鄭3V為例

該井受煤體結(jié)構(gòu)破碎影響，鉆井中發(fā)生煤層垮塌。有效煤層進(jìn)尺920m，純煤進(jìn)尺793m，煤層鉆遇率86.2%，是正常完鉆井進(jìn)尺的1/5左右。井控面積0.2km2。投產(chǎn)后基本不產(chǎn)氣(見圖2)。

圖2 鄭3V生產(chǎn)曲線圖

儲層應(yīng)力變化導(dǎo)致井眼垮塌。煤儲層應(yīng)力敏感性強(qiáng)，隨著排水生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，氣井井筒內(nèi)的動液面將會不斷下降，儲層壓力隨之下降，有效應(yīng)力增加，在煤層圍巖壓力基本不變的條件下，煤巖與煤層裂隙、孔隙的壓力差將逐步增加，局部煤層出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致井眼變形垮塌，堵塞滲流通道，氣井產(chǎn)能無法釋放，氣井表現(xiàn)為低氣低水。研究表明，煤體結(jié)構(gòu)越破碎井眼越易垮塌(見圖3)。

圖3 排采應(yīng)力變化示意圖

該類井鉆完井情況較好，分支展布合理，排水階段降壓控制較好，解吸后有良好產(chǎn)氣趨勢，在產(chǎn)氣過程中，氣、水、壓力發(fā)生突降。分析認(rèn)為是井眼發(fā)生垮塌或煤粉堵塞氣水產(chǎn)出通道。

(2)以鄭4V為例

該井有效煤層總進(jìn)尺4499m，有效純煤進(jìn)尺4376m，煤層鉆遇率97.3%，井控面積0.55km2，整體鉆井情況較好。排采過程中受系統(tǒng)壓力波動影響，發(fā)生氣、水、壓力突降。氣量由3800m3降至無氣；水量由1.0m3降至無液；流壓由0.5MPa降至0.1MPa。分析認(rèn)為該井分支發(fā)生垮塌，后期實(shí)施氮?dú)馀菽舛麓胧┪匆娒黠@效果(見圖4)。

圖4 鄭4V生產(chǎn)曲線圖

2 井眼重入技術(shù)的研究

2.1 技術(shù)原理

利用原多分支水平井工程井，在原水平井分支控制范圍內(nèi)重鉆井眼，穿過洞穴井后按照設(shè)計(jì)分支軌跡鉆井，溝通原有分支，實(shí)現(xiàn)對整個多分支井盤活，提高單井產(chǎn)氣能力。

2.2 垮塌點(diǎn)判識

本文首先對低產(chǎn)水平井實(shí)施四維向量生產(chǎn)監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，對氣井地下流體能量強(qiáng)弱進(jìn)行有效識別，初步判別水平井產(chǎn)量貢獻(xiàn)的主要分支。在此基礎(chǔ)上，綜合構(gòu)造及縱向煤體組合特征，判識分支坍塌點(diǎn)。研究表明，分支易在以下幾個部位發(fā)生垮塌。

背斜軸部：研究表明，背斜軸部為應(yīng)力釋放區(qū)，會使軸部的巖層產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)破碎，雖然該位置處滲透率有一定改善，但易發(fā)生井壁坍塌(見圖5)。

圖5 背斜軸部垮塌示意圖

分支側(cè)鉆點(diǎn)：受煤體破碎、煤層垮塌影響，部分井主支側(cè)鉆點(diǎn)密集分布，使該井段成為應(yīng)力集中區(qū)，排采過程中隨著儲層壓力的逐步下降，有效應(yīng)力加大，導(dǎo)致該井段煤巖發(fā)生易垮落，堵塞氣水產(chǎn)出通道。(見圖6)

圖6 分支側(cè)鉆點(diǎn)垮塌示意圖

斷層附近：由斷層形成的巖性突變和破碎帶是影響井壁穩(wěn)定的兩個因素：①巖性突變：斷層通常會造成巖性突變，當(dāng)鉆遇到不同巖性時，由于強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。②破碎帶：斷層在形成過程中，不同層位在外力的作用下會發(fā)生錯斷，導(dǎo)致斷層附近的巖石發(fā)生破碎，產(chǎn)生小的破碎帶，這些破碎帶對井壁的穩(wěn)定性有較大影響(見圖7)。

圖7 斷層附近垮塌示意圖

2.3 重入方案設(shè)計(jì)

根據(jù)垮塌點(diǎn)位置，利用精確導(dǎo)向技術(shù)引導(dǎo)鉆頭重鉆井眼，疏通堵塞點(diǎn)。針對多分支水平井不同的垮塌情況設(shè)計(jì)重入分支(見圖8)，一是針對主井眼垮塌的多分支水平井，采用沿原主井眼直接重新鉆進(jìn)，疏通堵塞位置；二是針對分支井眼垮塌的多分支水平井，側(cè)鉆新井眼，溝通原有側(cè)支。設(shè)計(jì)煤層進(jìn)尺800～1000m，下入篩管完井，防止再次垮塌，同時保障后期可作業(yè)可維護(hù)。后期利用洞穴直井生產(chǎn)，節(jié)約投資的同時，保障單井的連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)。

圖8 井眼重入實(shí)施方案

2.4 鉆采工藝

設(shè)計(jì)軌跡為著陸點(diǎn)以后開窗側(cè)鉆，井軌跡聯(lián)通洞穴井后，盡量靠近原多分支水平井的主支、同時多溝通分支，保證主支的堵塞疏通效果。

為了實(shí)現(xiàn)利用原洞穴井排采，在設(shè)計(jì)井軌跡的過程中采用兩種方式與洞穴井進(jìn)行聯(lián)通。一是在構(gòu)造簡單、煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定井區(qū)采用井軌跡直接聯(lián)通洞穴井的方式；二是在構(gòu)造相對復(fù)雜、煤體結(jié)構(gòu)破碎的井區(qū)設(shè)計(jì)井軌跡從洞穴邊緣穿過，采用憋壓方式聯(lián)通。

疏通井設(shè)計(jì)二開的井身結(jié)構(gòu)，利用老水平井工程井，鉆開灰塞至著陸點(diǎn)附近，采用φ152.4mm鉆頭完成鉆井，下入φ139.7mm篩管完井。

2.5 技術(shù)適應(yīng)性分析

對比水平井其它增產(chǎn)措施，井眼重入有三方面優(yōu)勢：一是最大程度利用原工程井和排采井場，無需新征井場，節(jié)約投資；二是重鉆井眼后，采用篩管完井，支撐井壁，有效避免后期垮塌；三是成井后期可作業(yè)維護(hù)、增產(chǎn)改造。因此，該技術(shù)有效適用于井眼垮塌、堵塞較為嚴(yán)重的低產(chǎn)水平井，尤其是排采過程中氣、水、壓力突降的低產(chǎn)水平井。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

鄭莊區(qū)塊目前已實(shí)施井眼重入3口井，均見到了良好的措施效果，措施后平均日增氣量3500m3。

(1)針對分支垮塌、堵塞，實(shí)施分支側(cè)鉆，以鄭平X1V井為例

該井煤層進(jìn)尺4500m，共鉆遇1主支，6分支，井控面積0.4km2。在排采過程中，受設(shè)備故障、頻繁停井影響，排采不連續(xù)，日產(chǎn)氣量由1.2萬m3突降至不產(chǎn)氣，經(jīng)多次作業(yè)維護(hù)日產(chǎn)氣量僅恢復(fù)至800m3。分析認(rèn)為該井分支側(cè)鉆點(diǎn)處井眼垮塌、堵塞。因此，對該井實(shí)施分支側(cè)鉆，措施后日增氣量3500m3(見圖9)。

圖9 鄭平X1V井生產(chǎn)曲線圖

(2)針對主支垮塌、堵塞，實(shí)施主支重入，以鄭平X2V井為例

該井煤層進(jìn)尺4600m，共鉆遇2主支，9分支，井控面積0.4km2，分支展布合理。排采過程中受排采設(shè)備頻繁停井影響，流壓大幅波動，導(dǎo)致井眼垮塌，氣井幾乎不產(chǎn)氣。分析認(rèn)為該井近井地帶主井眼垮塌、堵塞。因此，對該井實(shí)施主井眼重入，措施后日增氣量3800m3(見圖10)。

圖10 鄭平X2V井生產(chǎn)曲線圖

參 考 文 獻(xiàn)

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