胡秋嘉,李夢(mèng)溪,賈慧敏,劉春春,崔新瑞,李玲玉,彭 鶴,張光波,毛崇昊

(中石油華北油田 山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 晉城 048000)

沁水盆地南部高煤階儲(chǔ)層物性差、滲透率低，而水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)則是煤層氣田獲得效益開(kāi)發(fā)的主體工藝技術(shù)之一[1]，其增產(chǎn)機(jī)理是利用其分支有效溝通煤層中的天然裂縫系統(tǒng)，使?jié)B流通道呈網(wǎng)狀分布，增大煤層氣解吸范圍，大幅提高煤層氣井產(chǎn)量。沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊水平井開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，在適宜的地質(zhì)條件下，煤層氣水平井比直井具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]，但相同地質(zhì)條件下不同類(lèi)型水平井、不同地質(zhì)條件下相同類(lèi)型水平井開(kāi)發(fā)效果存在較大差異，這與水平井井眼穩(wěn)定性、煤儲(chǔ)層原始滲流能力密切相關(guān)。劉志強(qiáng)等(2011)從工藝技術(shù)角度對(duì)煤層氣水平井進(jìn)行了分析，探討了關(guān)鍵工程技術(shù)及其難點(diǎn)[3-4];楊勇等(2014)指出煤層氣多分支水平井容易發(fā)生垮塌，嚴(yán)重影響有效進(jìn)尺，提出造穩(wěn)定主支的概念[5]。目前，關(guān)于地質(zhì)因素對(duì)煤層氣水平井開(kāi)發(fā)效果影響的研究較少，李夢(mèng)溪等(2010)研究了地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層氣多分支水平井的影響，認(rèn)為煤層氣井井眼傾向?qū)ε潘祲壕哂兄匾挠绊慬6];易新斌等(2013)探討了不同煤層滲透率條件下最優(yōu)完井方式[7];楊健等(2015)研究了地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)等不同地質(zhì)條件對(duì)煤層氣水平井穩(wěn)定性影響[8]?？傮w來(lái)看，對(duì)煤層氣水平井地質(zhì)適應(yīng)性的研究比較少，對(duì)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)對(duì)水平井產(chǎn)能的影響機(jī)理及水平井開(kāi)發(fā)方式的地質(zhì)適應(yīng)性尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。因此筆者以沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊水平井開(kāi)發(fā)實(shí)踐為研究基礎(chǔ)，結(jié)合井下觀測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和資料井?dāng)?shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了水平井地質(zhì)適應(yīng)性，重點(diǎn)研究了關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)對(duì)不同完井方式和不同改造方式水平井開(kāi)發(fā)效果的影響，明確了裸眼水平井、篩管水平井和壓裂水平井的地質(zhì)條件，對(duì)煤層氣水平井開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)優(yōu)化和推廣具有借鑒意義。

1 地質(zhì)與生產(chǎn)背景

1.1 地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部，為中生代以來(lái)形成的構(gòu)造型復(fù)式盆地，研究區(qū)樊莊—鄭莊區(qū)塊位于盆地東南部，區(qū)內(nèi)主力開(kāi)發(fā)煤層氣層為二疊系山西組3號(hào)煤層，Ro,max(最大鏡質(zhì)組反射率)一般為3.1%～3.9%，平均3.6%，屬高煤階;3號(hào)煤層全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，厚度一般為5～7 m，平均6 m，底部常見(jiàn)一層厚約0.5 m的夾矸;區(qū)內(nèi)構(gòu)造較復(fù)雜，局部褶曲、斷層較發(fā)育，埋深為300～1 100 m;含氣量整體較高，分布在14～30 m3/t，平均20 m3/t，受構(gòu)造、水動(dòng)力條件等影響，局部存在低值區(qū);試井滲透率普遍低于1×10-15m2，平均0.27×10-15m2，屬于低滲儲(chǔ)層。煤體結(jié)構(gòu)一般以原生結(jié)構(gòu)為主，碎粒煤和糜棱煤主要發(fā)育在煤層頂?shù)装搴蛫A矸附近。煤層與頂?shù)装鍘r層彈性模量差異大，煤層一般為0.6～2.5 GPa，平均1.2 GPa，頂?shù)装鍨?.4～8.3 GPa，平均2.9 GPa;最大水平主應(yīng)力為北東向，主要分布在13～42 MPa，平均為26 MPa;最小水平主應(yīng)力分布在9～26 MPa，平均為16 MPa[9]。

1.2 生產(chǎn)背景

樊莊—鄭莊區(qū)塊于2006年開(kāi)始規(guī)模建產(chǎn)，為提高煤層氣井產(chǎn)氣量，于2007年規(guī)模應(yīng)用水平井技術(shù)。為增強(qiáng)不同類(lèi)型水平井地質(zhì)適應(yīng)性，開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷優(yōu)化鉆完井工藝，研究區(qū)內(nèi)水平井開(kāi)發(fā)大體經(jīng)歷了裸眼多分支水平井(簡(jiǎn)稱(chēng)多分支水平井)、篩管單支水平井(簡(jiǎn)稱(chēng)篩管水平井)和套管壓裂單支水平井(簡(jiǎn)稱(chēng)套管壓裂水平井)3個(gè)發(fā)展階段，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。從效果來(lái)看，裸眼多分支水平井日產(chǎn)氣量井間差異大，篩管單支水平井產(chǎn)量穩(wěn)定，但均低于5 000 m3，套管壓裂水平井開(kāi)發(fā)效果較好。

表1 3類(lèi)水平井基本情況對(duì)比Table 1 Comparison of basic situations of three types of horizontal wells in Qinshui Basin

注:日產(chǎn)氣量分布范圍/平均值。

(1)多分支水平井。該井型主要應(yīng)用于開(kāi)發(fā)初期，一般設(shè)計(jì)2主支6分支，主支煤層進(jìn)尺800～1 000 m，夾角10°～20°;分支煤層進(jìn)尺350～650 m，夾角15°～30°，分支間距100～150 m;煤層總進(jìn)尺大于4 000 m，控制面積大于0.35 km2。該類(lèi)水平井增產(chǎn)機(jī)理是利用多個(gè)分支有效溝通煤層中的天然裂縫系統(tǒng)，使?jié)B流通道呈網(wǎng)狀分布，增大煤層氣解吸范圍，大幅提高煤層氣井產(chǎn)量。其優(yōu)點(diǎn)是單井控制面積大，理論產(chǎn)能高，最高產(chǎn)量達(dá)到6×104m3以上。

(2)篩管水平井。為解決局部井區(qū)多分支水平井成井難、排采后期易垮塌且無(wú)法改造的難題，2015年開(kāi)始試驗(yàn)篩管水平井。該井型一般設(shè)計(jì)1主支，煤層進(jìn)尺800～1 000 m，煤層段下篩管支撐完井，不進(jìn)行水力壓裂。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)篩管支撐可確保井眼穩(wěn)定，產(chǎn)量一般在2 000～5 000 m3，但其缺點(diǎn)是單井控制面積小，僅為0.02 km2，尤其低滲區(qū)產(chǎn)量較低。

(3)套管壓裂水平井。水力壓裂是儲(chǔ)層改造的主導(dǎo)技術(shù)[10]，隨著開(kāi)發(fā)范圍的不斷擴(kuò)大，為提高特低滲區(qū)產(chǎn)量，在單支水平井水平段下入套管，然后進(jìn)行分段射孔壓裂，形成較大的控制面積，改善儲(chǔ)層滲透率，從而提高煤層氣井產(chǎn)量。通過(guò)改造井控面積可達(dá)0.2 km2，單井產(chǎn)氣量達(dá)到6 000～10 000 m3，平均8 000 m3，有效提高了單井產(chǎn)量。

裸眼水平井、篩管水平井和套管分段壓裂水平井3種開(kāi)發(fā)方式存在2個(gè)本質(zhì)區(qū)別:從完井方式角度看，裸眼水平井與篩管、套管水平井之間的本質(zhì)區(qū)別為是否對(duì)水平井井眼形成有效支撐;從儲(chǔ)層改造方式角度看，裸眼、篩管水平井與套管分段壓裂水平井之間的本質(zhì)區(qū)別為是否進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)層壓裂。因此，本文重點(diǎn)就影響水平井井眼穩(wěn)定性和水平井分段壓裂的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了分析。

2 水平井井眼穩(wěn)定性

煤層氣水平井井眼穩(wěn)定性對(duì)水平井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要，井眼垮塌會(huì)導(dǎo)致水平井產(chǎn)量大幅下降甚至不產(chǎn)氣，因此水平井完井方式選擇首先應(yīng)利于實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定，在煤巖穩(wěn)定性較好的儲(chǔ)層，可優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性好、產(chǎn)氣面積大的裸眼完井方式，當(dāng)裸眼完井容易發(fā)生垮塌時(shí)，需下入篩管、套管支撐井壁，保持井眼穩(wěn)定、通暢。本節(jié)論述了垂向應(yīng)力大小、水平主應(yīng)力方向、煤體結(jié)構(gòu)3個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)對(duì)水平井井眼穩(wěn)定性的影響，評(píng)價(jià)了裸眼或篩管、套管等完井方式的地質(zhì)適應(yīng)性。

2.1 垂向地應(yīng)力

通過(guò)對(duì)4口水平井井眼進(jìn)行煤礦井下觀察，測(cè)定埋深、井徑、煤體結(jié)構(gòu)等參數(shù)，結(jié)果如圖1和表2所示。P1-1,P1-2和P1-3三口水平井，均處于單斜構(gòu)造，以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層埋深、地應(yīng)力依次增加。井下觀察發(fā)現(xiàn)，P1-1井井眼呈規(guī)則圓形，孔壁無(wú)裂隙、無(wú)垮塌，井徑縱向、橫向變形率僅為3%～5%，基本無(wú)變形;P1-2井井眼呈橢圓形，井眼頂、底部有擠壓裂隙，井徑縱、橫向變形率在-11%～-15%，變形較弱;P1-3井井眼呈橢圓形，井筒內(nèi)壁不同方向裂隙交錯(cuò)分布，破碎最為嚴(yán)重，井徑縱、橫向變形率在-15%～-25%，變形較強(qiáng)。這表明，在相同煤體結(jié)構(gòu)條件下，隨埋深增加，水平井井眼承受的應(yīng)力逐漸增加，井徑逐漸縮小，縮小率可高達(dá)23%。

圖1 不同埋深條件下裸眼水平井井眼變形情況井下觀察Fig.1 Hole deformation of open hole horizontal well under different buried depth conditions by downhole observation

表2 不同埋深、煤體結(jié)構(gòu)條件下裸眼水平井井眼變形情況Table 2 Hole deformation of open hole horizontal well under different buried depth conditions and different coal structure conditions

孟召平、楊延輝等認(rèn)為沁水盆地南部煤層的垂直應(yīng)力σv根據(jù)Hock提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[11-13]，筆者也采用該式進(jìn)行計(jì)算。

σv=0.027H

(1)

式中，H為煤層埋深，m。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同埋深下煤樣進(jìn)行室內(nèi)三軸應(yīng)力測(cè)試，得到抗壓強(qiáng)度與埋深關(guān)系，由式(1)計(jì)算得到煤層所受垂向應(yīng)力與埋深關(guān)系，如圖2所示。圖2表明，埋深大于600 m時(shí)，煤層所受的垂向應(yīng)力普遍大于煤巖的抗壓強(qiáng)度，煤巖容易發(fā)生破裂、垮塌，這與井下觀察結(jié)果基本一致。

圖2 研究區(qū)域煤巖強(qiáng)度與煤層垂向應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relationship between the strength of coal rock and the vertical stress of coal seam in study area

2.2 水平主應(yīng)力方向

表3為樊莊區(qū)塊多分支水平井井眼不同展布方向時(shí)的開(kāi)發(fā)效果。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水平井井眼走向?yàn)楸蔽飨驎r(shí)日產(chǎn)氣量最高，為東西向時(shí)日產(chǎn)氣量相對(duì)較高，為北東向時(shí)日產(chǎn)氣量最低，這表明當(dāng)水平井井眼走向平行于煤層最大水平主應(yīng)力方向時(shí)，開(kāi)發(fā)效果較差;當(dāng)井眼走向與最小主應(yīng)力方向平行時(shí)，易獲得高產(chǎn)。

裸眼水平井井眼走向與煤層最大主應(yīng)力方向夾角對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

表3 沁水盆地樊莊區(qū)塊裸眼多分支水平井井眼展布方向與開(kāi)發(fā)效果關(guān)系Table 3 Relation between the distribution direction and development effect of open hole multi-branch horizontal wells in Fanzhuang Block of Qinshui Basin

圖3 裸眼水平井走向與最大主應(yīng)力方向夾角對(duì)產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of the angle between the horizontal well direction and the maximum principal stress direction on the production of open hole multi-branch horizontal wells

圖3表明裸眼水平井井眼走向與煤層最大水平主應(yīng)力方向平行時(shí)累產(chǎn)氣量最少，產(chǎn)量隨著2者之間夾角的增大而增大，2者垂直時(shí)累計(jì)產(chǎn)量最高。這主要是由于水平井井眼走向與最大主應(yīng)力平行時(shí)，井眼受到的有效應(yīng)力最大，井眼容易變形垮塌;當(dāng)井眼走向與最大主應(yīng)力方向成一定夾角時(shí)，井眼垮塌變形程度降低，水平井累積產(chǎn)量逐漸增加，直至2者垂直時(shí)，水平井產(chǎn)量達(dá)到最大。

2.3 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)系煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下變形的產(chǎn)物，瓦斯地質(zhì)學(xué)中將其劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4種[14]。研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)煤均有發(fā)育。由圖1和表2可知，P1-4井水平井井眼穿過(guò)碎粒結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)，其井眼縱向變形率高達(dá)-34.2%，橫向變形率高達(dá)-47.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同垂向應(yīng)力條件下原生結(jié)構(gòu)煤中水平井的井眼變形率，且井眼已明顯垮塌。這表明，當(dāng)水平井井眼穿過(guò)碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)時(shí)，井眼穩(wěn)定性差，容易發(fā)生垮塌。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯和測(cè)井資料對(duì)裸眼完井FP1井主支煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[15-17]，得到煤體結(jié)構(gòu)柵狀圖，如圖4所示，圖中紅色、黃色、綠色、藍(lán)色分別表示原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤。圖4表明，F(xiàn)P1井主支末端穿過(guò)了碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)，易發(fā)生垮塌。

圖4 FP1井煤體結(jié)構(gòu)分布柵狀Fig.4 Grille diagram of the coal structure distribution of FP1 well

采用微破裂向量掃描“四維影像”儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)FP1井主支附近流體流動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5所示，圖中橫縱坐標(biāo)表示距離(m)，色標(biāo)表示流體流動(dòng)能量的大小，顏色越深，流體流動(dòng)能量越強(qiáng)。圖5表明，F(xiàn)P1井主支末端流動(dòng)能量極小，流體幾乎不流動(dòng)，主要由于該區(qū)煤體結(jié)構(gòu)破碎，井眼已經(jīng)發(fā)生垮塌，氣水流動(dòng)性差。

圖5 FP1井流體流動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of fluids flow range of FP1 well

煤層氣儲(chǔ)層垂向地應(yīng)力大小、水平主應(yīng)力方向和煤體結(jié)構(gòu)均對(duì)水平井井眼穩(wěn)定性具有重要影響。埋深大于600 m時(shí)，煤層所受的垂向應(yīng)力普遍大于煤巖抗壓強(qiáng)度，水平井井眼容易變形垮塌;水平井井眼走向與煤層最大主應(yīng)力方向平行時(shí)，井眼有效應(yīng)力最大，容易變形垮塌;水平井井眼穿過(guò)碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)時(shí)，井眼穩(wěn)定性差，容易垮塌。上述參數(shù)對(duì)煤層氣水平井采用裸眼完井還是篩管、套管完井具有決定性作用。

3 水平井水力壓裂必要性

從煤儲(chǔ)層改造角度，煤層氣水平井開(kāi)發(fā)工藝包括分段壓裂水平井和不壓裂水平井。部分儲(chǔ)層水平井不壓裂就可以獲得高效開(kāi)發(fā)，但部分儲(chǔ)層則需要大規(guī)模分段水力壓裂改造才能獲得高效開(kāi)發(fā)，因此。需要研究水平井壓裂的必要性，研究水平井分段壓裂開(kāi)發(fā)工藝與儲(chǔ)層地質(zhì)條件之間的匹配關(guān)系，本節(jié)從微觀裂縫發(fā)育程度和裂隙垂向非均質(zhì)性?xún)蓚€(gè)方面明確分段壓裂水平井的地質(zhì)適應(yīng)性。

3.1 微觀裂縫發(fā)育程度

煤巖為孔隙-裂縫雙重介質(zhì)儲(chǔ)層，其基質(zhì)孔隙滲透率極低，煤儲(chǔ)層整體滲透率主要取決于微觀裂縫發(fā)育情況，而裂縫寬度又是其主要因素[18]，因此可以通過(guò)單位寬度煤巖中裂縫總寬度所占比例來(lái)表征裂縫的發(fā)育程度，并將其定義為裂縫發(fā)育指數(shù):

(2)

其中，F(xiàn)di為裂縫發(fā)育指數(shù)，無(wú)量綱量;wi為第i條裂縫的寬度，μm;l為觀測(cè)長(zhǎng)度，μm。裂縫寬度、裂縫密度等參數(shù)，可以通過(guò)掃描電鏡獲得，如圖6所示。

圖6 不同滲透率煤巖微觀裂縫發(fā)育情況Fig.6 Micro-fractures development situation of coal rocks with different permeability(a)主裂縫寬度68 μm，密度4.8條/cm;次裂縫寬度18 μm， 密度1.1條/cm，裂縫發(fā)育指數(shù)346.2，試井滲透率0.91×10-15 m2;(b)主裂縫寬度14 μm，密度4.8條/cm;次裂縫寬度7 μm， 密度4條/cm，裂縫發(fā)育指數(shù)95.4，試井滲透率0.01× 10-15 m2

分別對(duì)15口篩管單支水平井煤芯進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，獲得裂縫寬度、密度等參數(shù)，根據(jù)式(2)計(jì)算煤巖裂縫指數(shù)，建立裂縫指數(shù)與日產(chǎn)氣量的關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖7所示。結(jié)果顯示，單支篩管水平井日產(chǎn)氣量隨裂縫指數(shù)的增加而增加，當(dāng)裂縫指數(shù)高于100時(shí)，產(chǎn)量一般都高于3 000 m3/d，開(kāi)發(fā)效果較好;當(dāng)裂縫發(fā)育指數(shù)小于100時(shí)，產(chǎn)氣量一般低于2 000 m3/d，產(chǎn)氣效果較差，需要進(jìn)行壓裂改造。

圖7 儲(chǔ)層裂縫指數(shù)與篩管水平井日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.7 Relationship between the fracture index of reservoir and the gas production per day of screen horizontal Wells

3.2 裂隙垂向非均質(zhì)性

水平井開(kāi)發(fā)，將直井開(kāi)發(fā)的徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪彼骄蔚木€性流和沿水平井井筒的線性流[19]，因此，煤層垂向滲透率對(duì)水平井產(chǎn)量有重要影響。由圖8可知，同一煤層在垂向上裂縫發(fā)育指數(shù)差異較大，存在局部低值區(qū)，阻礙煤層氣垂向滲流。當(dāng)試井滲透率為0.9×10-15m2時(shí)，煤層垂向裂縫發(fā)育指數(shù)普遍較高，在165～346，裂縫指數(shù)均大于100時(shí)，水平井不壓裂即可獲得高產(chǎn)。而當(dāng)試井滲透率為0.1×10-15m2時(shí)，煤層垂向裂縫發(fā)育指數(shù)分布在40～123，垂向上存在局部低滲層，裂縫指數(shù)小于100，煤層垂向滲透性差，阻礙氣體垂向滲流，需進(jìn)行壓裂改造增大煤層垂向滲透率。

圖8 不同滲透率儲(chǔ)層煤層垂向裂縫發(fā)育指數(shù)分布Fig.8 Vertical distribution of fracture development index of coal seams with different permeability

煤層裂縫發(fā)育程度決定水平井是否需要壓裂，平面上，煤儲(chǔ)層裂縫指數(shù)低于100時(shí)，儲(chǔ)層滲透性差，單井控制面積小，需要進(jìn)行分段壓裂;垂向上存在局部裂縫指數(shù)小于100的低滲層時(shí)，氣體垂向滲流阻力大，也需要進(jìn)行分段壓裂。

4 水平井開(kāi)發(fā)工藝地質(zhì)適應(yīng)性分析

如上所述，煤層氣儲(chǔ)層垂向地應(yīng)力大小、最大水平主應(yīng)力方向和煤體結(jié)構(gòu)決定水平井是否需要支撐，即決定水平井采用裸眼方式完井還是采用篩管或套管方式完井。煤層氣儲(chǔ)層平面和垂向裂縫指數(shù)決定水平井是否需要壓裂改造。裸眼水平井、篩管水平井和套管分段壓裂水平井的地質(zhì)適應(yīng)性見(jiàn)表4。

表4 水平井開(kāi)發(fā)工藝地質(zhì)適應(yīng)性Table 4 Geologic adaptability of the horizontal wells development technology

圖9 沁水盆地南部不同類(lèi)型水平井埋深與日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.9 Relationship between the buried depth and daily gas production of different types of horizontal wells in Southern Qinshui Basin

4.1 水平井裸眼、篩管完井

4.1.1垂向地應(yīng)力

圖9為不同埋深條件下完井方式對(duì)水平井的開(kāi)發(fā)效果影響數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖。圖9表明，總體上，裸眼多分支水平井與篩管單支水平井均呈現(xiàn)隨埋深增大產(chǎn)量降低的趨勢(shì)。圖9和表4表明，當(dāng)埋深大于600 m時(shí)，裸眼多分支水平井日產(chǎn)氣量平均僅為2 000 m3，其中日產(chǎn)氣量低于1 000 m3的井占40%以上。結(jié)合煤巖強(qiáng)度與煤層垂向應(yīng)力關(guān)系可知，埋深600 m以深時(shí)，裸眼多分支水平井井壁穩(wěn)定性差，井眼易垮塌，進(jìn)而堵塞氣水產(chǎn)出通道，導(dǎo)致持續(xù)低產(chǎn)，因此，需要支撐來(lái)保持井壁穩(wěn)定性。而在相同地質(zhì)條件下，當(dāng)埋深為600～700 m時(shí)，篩管單支水平井平均產(chǎn)量可達(dá)3 000 m3以上，表明篩管單支水平井切實(shí)起到了穩(wěn)定井眼的作用，保障了井眼氣水產(chǎn)出通道通暢，更有利于水平井生產(chǎn);但當(dāng)埋深700 m以深時(shí)，篩管水平井產(chǎn)量也低于1 000 m3，此時(shí)裸眼和篩管均不適宜，主要是由于埋深增加，地應(yīng)力增加，導(dǎo)致煤層原始滲透率較低，必須開(kāi)展水力壓裂才能實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)。

4.1.2主應(yīng)力方向

圖10為ZP1井綜合生產(chǎn)曲線，該井為北東向裸眼水平井，投產(chǎn)后產(chǎn)水量在0～2 m3，未解吸產(chǎn)氣。分析認(rèn)為該井水平井井眼走向平行于區(qū)塊最大主應(yīng)力方向，分支垮塌嚴(yán)重，不宜采用裸眼完井。該井于2017年6月沿原工程井側(cè)鉆一主支，主支下入篩管支撐，之后產(chǎn)量達(dá)到4 300 m3/d，開(kāi)發(fā)效果大幅改善，該實(shí)例與表4結(jié)論一致:水平井井眼走向平行于最大主應(yīng)力方向時(shí)，分支易垮塌堵塞氣水滲流通道，應(yīng)該下入篩管支撐井壁。

圖10 ZP1裸眼水平井井眼重入前后綜合生產(chǎn)曲線Fig.10 Comprehensive production curves of ZP1 well before and after screen reentry

4.1.3煤體結(jié)構(gòu)

圖11為不同煤體結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層水平井鉆遇復(fù)雜井段、完井后坍塌次數(shù)及穩(wěn)定日產(chǎn)量對(duì)比，圖11中橙色段井眼軌跡為鉆遇復(fù)雜段，粉色點(diǎn)為井眼坍塌位置。圖11和表4共同表明:原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)，水平井鉆遇復(fù)雜次數(shù)較少，分支展布較合理，裸眼完井分支未坍塌，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量50 000 m3以上，開(kāi)發(fā)效果最好;碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)，分支展布較差，裸眼完井局部發(fā)生井眼坍塌，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量4 000 m3左右，開(kāi)發(fā)效果中等;碎粒結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)，水平井鉆遇復(fù)雜次數(shù)增加，分支展布較差，裸眼完井井眼坍塌位置增多，整體日產(chǎn)氣量較低，僅1 000 m3左右，開(kāi)發(fā)效果差，而在該區(qū)采用篩管完井，未發(fā)生井眼坍塌，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量4 500 m3左右，表明裸眼水平井分支垮塌是導(dǎo)致開(kāi)發(fā)效果差的主因，在這類(lèi)井區(qū)，適易完井后下篩管支撐，保障水平井井眼通暢，有效改善開(kāi)發(fā)效果。

圖11 不同煤體結(jié)構(gòu)時(shí)水平井完井方式對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響Fig.11 Effects of completion methods on the development of horizontal wells under different coal structure conditions

4.2 水平井壓裂改造

4.2.1微觀裂縫發(fā)育指數(shù)

鄭莊區(qū)塊西南部某地測(cè)試裂縫發(fā)育指數(shù)為96，該區(qū)域相鄰兩口水平井生產(chǎn)曲線如圖12所示，其中套管壓裂水平井日產(chǎn)氣量達(dá)到7 000 m3以上，篩管水平井日產(chǎn)氣量?jī)H1 500 m3左右，表明天然裂縫發(fā)育程度較差時(shí)，水平井需要采用套管壓裂方式改造(表4)，實(shí)現(xiàn)人工造縫，擴(kuò)大供氣面積，從而可大幅提高單井產(chǎn)氣量。

圖12 套管壓裂水平井與篩管水平井生產(chǎn)曲線對(duì)比Fig.12 Comparison of production curves between casing fracturing horizontal wells and screen horizontal wells

4.2.2裂隙垂向非均質(zhì)性

圖13為鄭莊區(qū)塊東南部相鄰的篩管水平井和套管壓裂水平井的綜合生產(chǎn)曲線，該區(qū)裂縫指數(shù)垂向發(fā)育情況如圖8所示中0.1×10-15m2時(shí)所示，裂縫指數(shù)整體分布在51～160，平均87.8，垂向上存在裂縫指數(shù)低于100的低滲透層，阻礙煤層氣垂向滲流，導(dǎo)致水平井開(kāi)發(fā)效果差。

圖13 裂縫垂向非均質(zhì)較強(qiáng)時(shí)套管壓裂水平井與篩管水平井生產(chǎn)曲線對(duì)比Fig.13 Comparison of production curves between casing fracturing horizontal wells and screen horizontal wells under serious vertical heterogeneity of formation

圖13(a)為篩管完井水平井，初期日產(chǎn)氣量2 000 m3左右，后經(jīng)過(guò)氮?dú)鈹U(kuò)孔，增加煤層垂向滲透率，產(chǎn)量由2 000 m3升至3 200 m3以上;圖13(b)為相鄰的套管壓裂水平井，分7段進(jìn)行水力壓裂，壓裂后日產(chǎn)氣量8 000 m3以上，是篩管井產(chǎn)量的2.7倍，說(shuō)明煤層垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)，存在裂縫指數(shù)小于100的低滲透層時(shí)需要進(jìn)行水力壓裂(表4)，以提高儲(chǔ)層垂向滲透率。

5 結(jié) 論

(1)煤體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，隨埋深增加，水平井井眼承受的垂向應(yīng)力增加，井徑逐漸縮小。埋深600 m以深時(shí)，水平井井眼承受的垂向應(yīng)力大于煤巖抗壓強(qiáng)度，井徑縮小率可高達(dá)23%，導(dǎo)致裸眼水平井日產(chǎn)氣量較低，而篩管水平井可以實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)。因此，埋深600 m以淺，裸眼完井，600 m以深篩管完井。

(2)水平井井眼走向與最大主應(yīng)力平行或夾角較小時(shí)，井眼受到的有效應(yīng)力最大，裸眼水平井井眼容易變形垮塌，應(yīng)采用篩管或套管完井。水平井井眼穿過(guò)碎粒、糜棱煤發(fā)育區(qū)，裸眼完井井眼穩(wěn)定性差，應(yīng)采用篩管或套管完井。

(3)煤層裂縫發(fā)育程度決定水平井是否需要壓裂，其裂縫發(fā)育程度可用裂縫指數(shù)表征。當(dāng)裂縫指數(shù)高于100時(shí)，儲(chǔ)層滲透性好，甲烷產(chǎn)出阻力小，不壓裂水平井即可獲得較好開(kāi)發(fā)效果;而裂縫指數(shù)低于100時(shí)，儲(chǔ)層滲透性差，單井控制面積小，需要進(jìn)行分段壓裂，煤層垂向上存在裂縫指數(shù)小于100的低滲層時(shí)，煤層氣垂向滲流較差，篩管井產(chǎn)氣效果差，套管完井分段壓裂后可獲得高產(chǎn)。