趙武鵬 劉昌平 李鵬鵬 袁延耿 霍洪濤 金德輝

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048203)

山西沁水盆地樊莊區(qū)塊是我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)的重要基地。該區(qū)塊構(gòu)造較簡(jiǎn)單，煤層以東西向、北東向褶皺為主，地層傾角小于5°;斷層不發(fā)育，局部井區(qū)發(fā)育高角度小斷層。煤層埋深為400～850m，受構(gòu)造抬升影響，整體呈現(xiàn)東部淺西部深，北部深南部淺。3號(hào)煤層厚度大、分布穩(wěn)定，平均厚度6.0m。本區(qū)煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤巖變質(zhì)程度高，煤層孔隙度低(0.3%)、滲透性差(小于0.5mD)。隨著排采持續(xù)進(jìn)行，部分生產(chǎn)井產(chǎn)量明顯下降，同時(shí)還有部分單井一直呈現(xiàn)低產(chǎn)態(tài)勢(shì)，區(qū)塊產(chǎn)能未能得到有效釋放。針對(duì)這一問題，從地質(zhì)構(gòu)造和工程兩方面分析原因，并提出一些建議和措施。

1 煤層氣低產(chǎn)井原因分析

1.1 地質(zhì)因素

(1)煤層構(gòu)造條件差

通常來講，若煤儲(chǔ)層區(qū)域內(nèi)發(fā)育張性正斷層，巖層發(fā)生相對(duì)位移，這就很容易形成煤層氣的散失通道，不利于煤層氣的保存；煤儲(chǔ)層發(fā)育陷落柱的區(qū)域一般都具有活躍的水動(dòng)力條件和良好的地下水通道，陷落柱的存在不僅會(huì)破壞煤層的連續(xù)性，也會(huì)使鄰近水層與煤儲(chǔ)層連通，嚴(yán)重影響煤層的含氣性。由于早期地質(zhì)認(rèn)識(shí)存在偏差，有些排采井部署在張性正斷層或者陷落柱附近，含氣量低、吸附飽和度不高，導(dǎo)致排采過程中產(chǎn)水量較大，產(chǎn)氣量低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，樊莊區(qū)塊某區(qū)域中低產(chǎn)井中受地質(zhì)構(gòu)造條件差影響的井多達(dá)22口，其中16口井受到區(qū)域內(nèi)發(fā)育的局部小斷層影響(距斷層距離小于50m)，6口井受到陷落柱影響。以A井為例，該井于2012年投產(chǎn)，由于鄰近斷層的緣故，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層封蓋性不好，投產(chǎn)10多年以來累計(jì)產(chǎn)氣僅600m3，累計(jì)產(chǎn)水10.8×104m3，套壓0.03MPa。以B井為例，B井由于鄰近陷落柱，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層不連續(xù)，儲(chǔ)層含氣量低，投產(chǎn)8年多，一直未見產(chǎn)氣，累計(jì)產(chǎn)水3×104m3。這就要求今后再部署排采井井位時(shí)要充分了解區(qū)域內(nèi)單井的地質(zhì)構(gòu)造情況，避開斷裂作用強(qiáng)烈的區(qū)域。

(2)井距布置不合理

理論上在煤層氣開發(fā)過程中，隨著壓降范圍的擴(kuò)大，最終可以達(dá)到協(xié)同降壓、井間干擾。由于初期基礎(chǔ)資料少，直井井網(wǎng)配置關(guān)系較差，井網(wǎng)設(shè)計(jì)多采用井距300m×300m的規(guī)則井網(wǎng)，實(shí)施時(shí)由于開發(fā)區(qū)內(nèi)地表?xiàng)l件復(fù)雜，局部呈現(xiàn)出不規(guī)則狀井網(wǎng)，井距偏大，2010年以前投產(chǎn)的直井局部井距甚至大于600m以上。投入排采后，暴露出單井產(chǎn)氣量偏低，面積降壓困難等開發(fā)問題。以樊莊區(qū)塊南部為例，自2006年以來相繼投產(chǎn)500余口直井，由于受井距偏大影響，未能達(dá)到井網(wǎng)協(xié)同降壓，到了開發(fā)中后期，絕大多數(shù)單井都呈現(xiàn)出產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)難的問題，年產(chǎn)氣遞減率達(dá)到17%(圖1)。

圖1 樊莊區(qū)塊南部單井產(chǎn)氣遞減趨勢(shì)

1.2 工程施工

(1)下泵位置不合理

由于早期對(duì)大斜度井、水平井工藝的認(rèn)識(shí)有限，追求更大的生產(chǎn)壓差來釋放單井產(chǎn)能，將泵的安裝位置都設(shè)計(jì)在穩(wěn)斜斷(水平段)或者接近造斜點(diǎn)的位置附近。經(jīng)過后期的排采實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：部分井雖然短期內(nèi)可以快速提高產(chǎn)量，但是也導(dǎo)致泵的故障率升高，檢泵周期縮短，影響排采時(shí)率。經(jīng)過深入分析認(rèn)為：①部分水平井穩(wěn)斜段以及造斜點(diǎn)位置狗腿度較大，在這些大狗腿度位置下泵會(huì)使泵體彎曲程度增加，無形中使活塞驅(qū)動(dòng)力增加，造成活塞間隙增大，泵漏失的概率增加，縮短檢泵周期，影響排水效率。②在高溫、高壓等因素影響下，煤儲(chǔ)層地應(yīng)力和局部變化擠壓力會(huì)使部分水平井井下套管蠕變而發(fā)生塑性流動(dòng)，使原來的井眼軌跡發(fā)生變形、彎曲，這也加劇了井下泵在大狗腿度位置的磨損程度，導(dǎo)致檢泵頻次增加，影響排采效率。以樊莊區(qū)塊南部為例，樊M平L井投產(chǎn)于2020年6月，正常產(chǎn)水量26m3/d，受下泵位置處于大狗腿度井段影響，頻繁出現(xiàn)活塞運(yùn)移阻力增加，活塞與泵筒間隙過大，漏失嚴(yán)重，導(dǎo)致泵效下降的問題，日產(chǎn)氣量由4000m3降至1000m3。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，樊莊區(qū)塊存在類似問題的水平井達(dá)到10口，嚴(yán)重影響區(qū)塊產(chǎn)能的釋放，急需治理。

(2)井型設(shè)計(jì)不合理

在地質(zhì)構(gòu)造條件、鉆完井工藝、排采管控相似的情況下，影響水平井單井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素是分支產(chǎn)狀。以樊莊區(qū)塊P井組和Q井組為例，兩個(gè)井組地質(zhì)構(gòu)造條件相似，分支展布相似，分支下傾井的產(chǎn)量明顯低于分支上傾井的產(chǎn)量。分析認(rèn)為，當(dāng)分支產(chǎn)狀下傾時(shí)，各分支的水不容易流向洞穴井，直接影響排水降壓效率，造成水平分支控制區(qū)域難以形成有效的降壓面積，影響解吸氣量，致使水平井產(chǎn)氣效果不理想。據(jù)了解，樊莊區(qū)塊南部共有煤層氣多分支水平井29口，其中分支下傾井12口，直接影響排水降壓效率，導(dǎo)致產(chǎn)能無法完全釋放，區(qū)塊儲(chǔ)量動(dòng)用程度有限。

2 增產(chǎn)對(duì)策及實(shí)踐

2.1 對(duì)高產(chǎn)水井實(shí)施堵水工藝

堵水工藝就是向井中注入堵劑以阻止或減少氣井出水，在油田開發(fā)中后期，經(jīng)常采用堵水工藝來解決油氣井高產(chǎn)水難降液的問題。堵水的重點(diǎn)在于怎么去找到出水的具體位置，如何選擇出匹配程度高的堵劑。研究人員借鑒堵水工藝在油田領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，引入堵水工藝，嘗試解決高產(chǎn)水煤層氣井低產(chǎn)的難題。

樊71平H是樊莊區(qū)塊于2017年投產(chǎn)的水平井，近5年來，累計(jì)產(chǎn)水5.1×104m3，平均日產(chǎn)水27.8m3，套壓0.013MPa，流壓2.89MPa，目標(biāo)儲(chǔ)層壓力難以下降，單井累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H為0.1×104m3。經(jīng)過對(duì)該井地質(zhì)構(gòu)造條件以及壓裂改造等資料的研究，認(rèn)為該井在599m處遇到小斷層或小型陷落柱，聯(lián)通頂?shù)装寤規(guī)r含水層，不斷向井底補(bǔ)給水源，導(dǎo)致單井產(chǎn)水量大，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層有效降壓，抑制產(chǎn)能的釋放。研究人員通過對(duì)該井鉆井、錄井及測(cè)井資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，成功確定了井下產(chǎn)水的出水通道；通過對(duì)化學(xué)堵劑、纖維堵劑等堵劑的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)進(jìn)行綜合考量，選用成本較低、強(qiáng)度大、耐髙溫的水泥作為堵劑。在水和水泥混合而成的水泥漿中添加緩凝劑、減阻劑、懸浮劑等輔劑來改善堵劑的性能，實(shí)現(xiàn)更好的封堵效果。2021年4月份，在樊71平H井場(chǎng)實(shí)施堵水工藝試驗(yàn)，經(jīng)過近1年的跟蹤觀察，單井日產(chǎn)水量由27.8m3降至3m3，目標(biāo)儲(chǔ)層壓力穩(wěn)步下降，日產(chǎn)氣量由100m3提升至1500m3。研究人員于今年年初又優(yōu)選出15口高產(chǎn)水井，進(jìn)行推廣試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高產(chǎn)水井出水通道進(jìn)行有效封堵，提高單井產(chǎn)量，目前施工效果正在跟蹤評(píng)價(jià)中。

2.2 部署多分支水平井，促進(jìn)形成井間干擾

煤層氣井形成井間干擾的必要條件為：①較完善的井網(wǎng)和合理的井距；②井間存在可連通的裂隙系統(tǒng)，包含煤巖自身的滲流通道，天然裂隙系統(tǒng)和人工改造的滲流通道；③對(duì)煤儲(chǔ)層排水降壓。

以樊莊區(qū)塊樊X井區(qū)為例，該井區(qū)下轄X1、X2、X3、X4、X5、X6等6口低產(chǎn)井，技術(shù)人員通過對(duì)該井區(qū)低產(chǎn)井的地質(zhì)條件和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對(duì)比、分析，發(fā)現(xiàn)：該井區(qū)地質(zhì)條件比較優(yōu)越，構(gòu)造簡(jiǎn)單平緩、含氣量較高；經(jīng)過多年開發(fā)，該井區(qū)低產(chǎn)井平均井底流壓1.0MPa，平均套壓0.02MPa，平均日產(chǎn)氣100m3，平均日產(chǎn)水0.3m3，增產(chǎn)潛力巨大。技術(shù)人員最終確定在該井區(qū)內(nèi)部署干擾井，促進(jìn)形成井間干擾。由于多分支水平井相對(duì)于垂直井具有導(dǎo)流能力高、解吸面積大、單井產(chǎn)量高、采氣時(shí)間短、占地面積少等明顯優(yōu)勢(shì)。所以，最終采用多分支水平井作為實(shí)驗(yàn)干擾井的井型。樊XPS作為樊X井區(qū)干擾井于2021年6月投產(chǎn)，經(jīng)過近1年多排采平穩(wěn)降壓，階梯式小幅度調(diào)氣，目前該井套壓1.5MPa，井底流壓1.6MPa，日產(chǎn)氣6000m3，日產(chǎn)水2m3，氣量呈快速上升趨勢(shì)，同時(shí)處于該井區(qū)的6口低產(chǎn)鄰井日產(chǎn)氣量均有所增加。分析認(rèn)為：在樊X井區(qū)部署干擾多分支水平井后，有效縮小了單井的間距，使得井距更加合理；排采過程中排水壓降與流體產(chǎn)出后，壓力能波及至距離井筒較遠(yuǎn)的地方，井間壓力產(chǎn)生相互關(guān)系，形成井間干擾；另外通過科學(xué)管控，使得地層壓力平穩(wěn)降低，壓裂縫網(wǎng)得到保護(hù)，避免了由于煤層應(yīng)力狀態(tài)突變導(dǎo)致裂縫過早閉合。

2.3 在煤層氣水平井下傾分支末端部署助排直井

煤層氣降壓的主要?jiǎng)恿閮?chǔ)層壓力差，在地層傾角大的煤層中，單井控制面積內(nèi)低部位降壓程度要明顯低于高部位。若低部位井持續(xù)排水，則會(huì)對(duì)高部位相鄰井形成助排降壓的作用。FZP04-H井為樊莊區(qū)塊一口多分支水平井，其分支剖面走向?yàn)橄聝A，產(chǎn)氣量效果較差，排采3年來累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H為1000m3，分析認(rèn)為分支末端剖面走向?yàn)橄聝A，難以形成有效降壓。2020年，為達(dá)到協(xié)同降壓的效果，在其水平分支末端構(gòu)造下傾部位部署2口直井(4-H1、4-H2)，協(xié)助FZP04-H井排水降壓。經(jīng)過近半年的跟蹤評(píng)價(jià)，該多分支水平井日產(chǎn)氣量上升4000m3，兩口助排直井平均日產(chǎn)氣量3500m3，協(xié)同降壓效果明顯。截止目前，已在3口低產(chǎn)水平井分支末端實(shí)施助排直井5口，井均日增氣2000m3。接著計(jì)劃再進(jìn)行井位優(yōu)選，在水平井下傾分支末端部署助排直井，實(shí)現(xiàn)助排直井壓裂裂縫與相鄰多分支水平井實(shí)現(xiàn)協(xié)同降壓，提高井組開發(fā)水平。

2.4 上提泵筒至狗腿度小的位置

針對(duì)部分水平井由于將泵下放至狗腿度較大的位置，從而使泵體彎曲程度高，造成活塞間隙增大，泵漏失的概率增加，影響排水效率的問題，研究人員對(duì)下泵位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳咸?，將其從狗腿度大的位置提升至狗腿度較小的位置，減小活塞與泵筒的間隙，提高排水效率。通過對(duì)樊M平L井的下泵位置優(yōu)化，將下泵位置上提至狗腿度小的位置(表1)，目前日產(chǎn)水由18m3增加至28m3，日產(chǎn)氣量由4000m3提升至7000m3。研究人員在這一基礎(chǔ)上又將剩余的10口典型井實(shí)施了優(yōu)化下泵位置的施工，產(chǎn)水量明顯增加，產(chǎn)氣量也大幅提高。

表1 樊M平L井下泵位置優(yōu)化對(duì)比

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)選用成本較低、強(qiáng)度大，耐髙溫的水泥作為堵劑，在水和水泥混合而成的水泥漿中添加緩凝劑、減阻劑、懸浮劑等輔劑來改善堵劑的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)高產(chǎn)水井出水通道進(jìn)行有效封堵，降低目標(biāo)儲(chǔ)層壓力，提高單井產(chǎn)量，這給位于斷層、陷落柱等高滲流通道附近的低產(chǎn)井增產(chǎn)提供了一個(gè)全新的思路，有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

(2)在低產(chǎn)井區(qū)部署水平井不僅可以縮小井距，也可以實(shí)現(xiàn)分支井眼與直井壓裂裂縫的相互交錯(cuò)串接，使煤層裂隙間暢通，很大程度上提高裂隙的導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)水平井和直井井間達(dá)到井間干擾，實(shí)現(xiàn)耦合降壓，提髙單井產(chǎn)氣量，提高區(qū)域的儲(chǔ)量動(dòng)用程度。

(3)在煤層氣水平井下傾分支末端部署助排直井協(xié)同降壓，區(qū)域盤活，可以實(shí)現(xiàn)井組產(chǎn)量的提升，是目前較為成熟的水平井增產(chǎn)改造技術(shù)，具有較好的示范推廣作用。

(4)對(duì)部分低產(chǎn)水平井下泵位置進(jìn)行優(yōu)化，將其從狗腿度高的位置調(diào)整至狗腿度低的位置，減小泵筒彎曲程度和活塞與泵筒的間隙，提高了排水效率，促進(jìn)井下流壓穩(wěn)步下降，使得井下產(chǎn)能得以進(jìn)一步釋放。