張 龍，王一兵，鮮保安，張亞飛，譚章龍，哈爾恒·吐?tīng)査?，孫 昊，王 冠，張錦濤

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003；3.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開(kāi)發(fā)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003；4.河南理工大學(xué)煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南焦作454003；5.新疆科林思德新能源有限責(zé)任公司，新疆阜康831500；6.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100016）

新疆煤層氣資源十分豐富，根據(jù)自然資源部2005年開(kāi)展的全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果可知，新疆主要煤層氣含氣盆地（群）預(yù)測(cè)埋深在2 000 m 以淺的煤層氣資源量約9.5×1012m3，約占全國(guó)預(yù)測(cè)總量的25 %，主要分布在準(zhǔn)噶爾、吐哈—三塘湖、塔里木和天山等盆地（群），開(kāi)發(fā)前景廣闊[1-4]。阜康礦區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，地形復(fù)雜，煤儲(chǔ)層褶皺、斷層發(fā)育，煤層傾角大，開(kāi)發(fā)難度大[5-7]。研究和試驗(yàn)阜康礦區(qū)的煤層氣高產(chǎn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，不僅對(duì)阜康礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)意義重大，而且對(duì)整個(gè)新疆的煤層氣開(kāi)發(fā)同樣具有重要的技術(shù)引領(lǐng)作用和借鑒意義。

煤層氣完井技術(shù)作為煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，也是影響煤層氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。MAVOR 等[8]回顧了San Juan 盆地裸眼完井技術(shù)的應(yīng)用情況，提出了成功進(jìn)行裸眼完井的條件和進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍的可能性。呂志凱等[9]綜合考慮井筒內(nèi)壓、原始地應(yīng)力分布、先壓水力裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力等因素，建立了射孔水平井壓裂起裂壓力計(jì)算模型；彪仿俊等[10]基于有限元方法，建立了套管完井（考慮水泥環(huán)及套管的存在）情況下井筒及地層的三維計(jì)算模型，并給出了實(shí)際壓裂施工中的螺旋射孔參數(shù)；楊剛等[11-17]探討超短半徑水平井篩管完井工藝可行性，優(yōu)化管柱組合，研究結(jié)果推進(jìn)了煤層氣超短半徑水平井工藝技術(shù)發(fā)展。阜康礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)今主要采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)搭配套管射孔完井、裸眼完井、篩管完井等完井方式，對(duì)阜康礦區(qū)存在的煤巖應(yīng)力敏感性高、鉆遇煤層易坍塌、完井滲透率傷害高、煤粉排出難等問(wèn)題考慮不足。煤層氣雙管柱篩管完井技術(shù)實(shí)現(xiàn)完井與增產(chǎn)一體化，起到了防塌、防堵與消除傷害及增產(chǎn)的作用，對(duì)于阜康礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)有著較高的適應(yīng)性。

阜康礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和煤層氣賦存條件制約著當(dāng)?shù)孛簩託忾_(kāi)發(fā)，適應(yīng)當(dāng)?shù)靥厥鈼l件的完井技術(shù)對(duì)提高新疆阜康礦區(qū)煤層氣產(chǎn)量有著重要意義。

1 阜康礦區(qū)煤層氣地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)煤系地層

阜康地區(qū)主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)的八道灣組（J1b）和侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)，見(jiàn)表1。西山窯組煤層只在西部礦區(qū)發(fā)育，東部礦區(qū)和中部礦區(qū)該套地層已經(jīng)出露被剝蝕[6]。八道灣組煤層是主要煤層發(fā)育段，目前是西部礦區(qū)主要開(kāi)采目的層。西部礦區(qū)的主力煤層為西山窯組（J2x）的43 號(hào)和45 號(hào)煤c層；八道灣組三段（J1b3）A2 煤層和八道灣組二段（J1b2）的A5 煤層。東部礦區(qū)主要發(fā)育八道灣組一段（J1b1）的41 號(hào)、42 號(hào)和43 號(hào)煤層。礦區(qū)中部主要發(fā)育八道灣組一段（J1b1）42號(hào)煤層，厚度1.01～33.17 m，煤層平均厚度11.29 m。煤層埋深以八道灣組A2 與A5 為例，兩者埋深均在1 000 m 以淺。但A5 煤層的實(shí)鉆深度與測(cè)井資料解釋差異較大。

表1 阜康礦區(qū)煤系地層主采煤層Table 1 Main coal recovery strata in Fukang mining area

1.2 區(qū)域構(gòu)造特征

西部礦區(qū)主要控煤構(gòu)造為阜康向斜。阜康向斜西起大草灘，向東延伸至四工河一帶，該向斜兩翼不對(duì)稱，南翼地層陡（60°～74°），北翼緩（40°～60°）。

東部礦區(qū)主要控煤構(gòu)造為黃山—二工河向斜。黃山—二工河向斜整體為一倒轉(zhuǎn)向斜，該向斜從沙溝開(kāi)始向東延伸至區(qū)外。向斜北翼南傾，傾角45°～55°，南翼北傾，多數(shù)地區(qū)倒轉(zhuǎn)，傾角65°～80°，局部甚至達(dá)到85°。

在中部礦區(qū)發(fā)育一系列由礦區(qū)邊界斷層——妖魔山逆斷層和阜康逆掩斷層衍生出來(lái)的平移斷層和大角度的仰沖逆斷層，構(gòu)造復(fù)雜，地層產(chǎn)狀陡峭[18]。

2 雙管柱篩管完井技術(shù)機(jī)理及適用性研究

2.1 雙管柱篩管完井增產(chǎn)機(jī)理

2.1.1 雙管柱篩管完井管串結(jié)構(gòu)及完井方法

煤層氣水平井雙層篩管系統(tǒng)包括外層篩管柱與內(nèi)層沖洗管柱（圖1），外層管柱為篩管系統(tǒng)，包括旋流引鞋、盲管、密封筒、篩管、懸掛器、鉆桿，主要是篩管起到支撐井壁的作用，建立水平井筒排液的永久性通道，確保煤層氣排采不受井筒坍塌的影響，實(shí)現(xiàn)煤層氣水平井的穩(wěn)定排采。內(nèi)層管柱為洗井系統(tǒng)，包括拋光管、沖管、懸掛器、鉆桿。外層篩管系統(tǒng)具有支撐井壁、控制煤粉、沖洗導(dǎo)流的作用。

圖1 雙管柱篩管完井結(jié)構(gòu)Fig.1 Completion structure of double string screen pipe

鉆桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭與懸掛器上端總成連接，并將懸掛器、篩管及沖管送至設(shè)計(jì)懸掛器位置，然后通過(guò)投球?qū)崿F(xiàn)懸掛器與技術(shù)套管內(nèi)壁坐封，繼續(xù)使用液壓或機(jī)械丟手實(shí)現(xiàn)懸掛器懸掛裝置與連接總成脫離，懸掛器懸掛裝置及篩管固定于井筒內(nèi)，鉆桿拖動(dòng)懸掛器總成及沖管進(jìn)行洗井作業(yè)，洗井液從沖洗管出口再通過(guò)篩管孔眼沖刷井壁，上下拖動(dòng)鉆具進(jìn)行分段動(dòng)態(tài)沖刷井壁（每段20～30 m），可在鉆井過(guò)程中煤儲(chǔ)層坍塌嚴(yán)重位置進(jìn)行定點(diǎn)多次洗井，以清除過(guò)多的煤粉，沖洗的煤粉隨洗井液經(jīng)內(nèi)部管柱系統(tǒng)與外部管柱系統(tǒng)間的環(huán)空返排至井口，也可以促使碎軟煤層進(jìn)一步坍塌，連通更多的微裂隙。

2.1.2 水力沖擊作用

利用水力沖蝕作用消除井壁1～5 mm 厚的泥餅帶，再利用水力噴射高壓逐步消除沖洗帶與過(guò)渡帶煤巖裂縫中殘留的鉆井液，疏通井壁附近煤層原始裂隙。煤巖儲(chǔ)層滲透率的恢復(fù)率76%～80%左右，降低地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗，有利于提高煤層氣采出率，效果示意見(jiàn)圖2。以鄭莊區(qū)塊A 井3 號(hào)煤層為例，利用等溫曲線法預(yù)測(cè)煤層氣采收率，煤層原始含氣量（v）為25 m3/t，蘭氏壓力（pL）為2.0 MPa，蘭氏體積（vL）為35 m3/t，參照傳統(tǒng)完井方式的煤層氣井棄井壓力假設(shè)為1.0 MPa，含氣量為10.5 m3/t 時(shí)對(duì)應(yīng)的按照式（1）計(jì)算煤層氣采收率為46.7%；采用無(wú)固井相鉆井液配合洗井作業(yè)后地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗為洗井前的80%，臨界解吸壓力為4.0 MPa，此時(shí)煤層氣采收率提高至66.7%。

圖2 煤儲(chǔ)層傷害范圍剖面Fig.2 Cross-sectional view of damage range of coal reservoirs

式中：Rf為煤層氣采收率，%；pad為枯竭壓力，MPa；pL為蘭氏壓力，MPa；pcd為臨界解吸壓力，MPa；；vL為蘭氏體積，m3；v為原始含氣量，m3/t。

2.1.3 清除煤粉

基于煤粉粒徑分布規(guī)律及顆粒架橋防砂機(jī)理，對(duì)篩管規(guī)格參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)煤層有效孔隙度確定布孔密度及方式，結(jié)合室內(nèi)力學(xué)測(cè)試校核篩管強(qiáng)度，并對(duì)篩孔尺寸、布孔密度及方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到有效控制煤粉的孔、縫組合篩管，能夠保證擋住大顆粒煤，并使微小煤顆?？梢源┻^(guò)篩管孔縫，維持穩(wěn)定排采通道，為穩(wěn)產(chǎn)提供保障[19]。

2.1.4 鉆井液化學(xué)破膠

完井時(shí)在水平段井筒注入破膠劑，降解鉆井液中的增黏劑成分，沖洗井壁與井筒的殘留濾餅、煤泥，減輕鉆井液的傷害，恢復(fù)煤層原始滲透性與流體運(yùn)移通道，最大程度地為煤層氣解吸、運(yùn)移與產(chǎn)出提供暢通通道。

2.1.5 應(yīng)力增滲

應(yīng)用渦流噴射洗井工藝攜砂洗井技術(shù)，在傾角煤層，變壓力作用下實(shí)現(xiàn)部分煤層微裂縫啟裂，促使層理面煤巖在重力作用下發(fā)生滑動(dòng)，提高煤層導(dǎo)流能力（圖3）。利用煤巖弱面體結(jié)構(gòu)模型與斷裂力學(xué)原理，使煤巖面割理張開(kāi)及端割理剪切滑動(dòng)，引起應(yīng)力變化起到增滲與增產(chǎn)的作用?？s短洗井時(shí)間，提高洗井效率。

圖3 層理面煤巖滑動(dòng)示意圖Fig.3 Sliding coal rock of laminar surface

沖洗過(guò)程中，煤巖層理間的摩擦系數(shù)降低，同時(shí)受到水流沖擊，煤巖在重力作用下克服摩擦阻力產(chǎn)生滑動(dòng)的趨勢(shì)或微小位移。

x軸方向產(chǎn)生滑動(dòng)的條件：

式中：G為煤巖所受重力，N；θ為層理面傾角，°；μ為煤巖層理面間摩擦系數(shù)。

2.2 適應(yīng)性研究

2.2.1 儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)煤礦的井下觀察、取樣及地面煤層氣井取心調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：阜康礦區(qū)主力煤層煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，局部構(gòu)造煤發(fā)育。西部礦區(qū)及東部礦區(qū)，以原生結(jié)構(gòu)煤為主，以塊煤、碎裂煤為主，破壞程度輕，構(gòu)造煤不發(fā)育。中部礦區(qū)，構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，煤體破壞嚴(yán)重，以碎粒煤和碎裂煤為主，構(gòu)造煤發(fā)育。煤體結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)表2。

表2 阜康礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)Table 2 Coal structures in Fukang mining area

沁水盆地煤層氣主采煤層為3 號(hào)煤、15 號(hào)煤。3 號(hào)煤以光亮型煤為主，其次為半光亮型，割理發(fā)育程度一般，整體較為破碎；而15號(hào)煤也以光亮—半光亮型煤為主，割理發(fā)育程度較好，較3號(hào)煤更發(fā)育，整體較為破碎。

煤層氣雙管柱篩管完井技術(shù)在沁水盆地3 號(hào)煤與15 號(hào)煤的成功應(yīng)用，說(shuō)明了在阜康礦區(qū)西部礦區(qū)與東部礦物滲透率較高，煤體結(jié)構(gòu)較為完整的條件下，該技術(shù)有較高的應(yīng)用前景。

根據(jù)之前在阜康礦區(qū)所做的研究[5,20-21]，叢式井、順煤層井、L 型井單分支水平井、多分支水平井在阜康礦區(qū)均有應(yīng)用實(shí)例，未發(fā)現(xiàn)明顯的碎粒煤和糜棱煤。主力煤層較為完整的煤體結(jié)構(gòu)，煤巖內(nèi)發(fā)育的內(nèi)生裂隙和外生裂隙給雙管柱篩管完井改造作業(yè)提供了良好的改造環(huán)境。

2.2.2 儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)優(yōu)勢(shì)

滲透率是煤層最為關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)煤層氣井的產(chǎn)能有顯著的影響。對(duì)阜康礦區(qū)煤樣進(jìn)行傷害實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)雙管柱篩管完井技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響，以及配套破膠劑的破膠能力。利用TCQT-III型低滲煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，鉆取阜康氣煤一井八道灣組A2 煤樣品，A2 煤層厚度3.66～32.61 m，平均19.10 m，該層為西部礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)層。以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)測(cè)定了15塊巖心的滲透率。煤巖割理與層理結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

圖4 煤巖層理、割理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Coal rock stratigraphy and cleat structure

1）地層壓力確定

①地層孔隙壓力計(jì)算方法

伊頓法是目前常用的一種預(yù)測(cè)地層孔隙壓力的經(jīng)驗(yàn)方法，該方法綜合考慮了除壓實(shí)作用之外其他產(chǎn)生異常壓力的作用，并對(duì)比了大量的鉆井實(shí)測(cè)壓力與各種測(cè)井信息之間的關(guān)系，計(jì)算公式如下：采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則更為合適，計(jì)算公式如下：

式中：pP為地層孔隙壓力，MPa；pOBG為上覆地層壓力梯度，MPa/hm；ppn為正?？紫秹毫μ荻?，MPa/hm；R0為正常電阻率，Ω·m；Rn為測(cè)量電阻率，Ω·m；x為伊頓指數(shù)。

②地層坍塌壓力確定方法

井眼形成后井壁周圍的巖石將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)井壁圍巖所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達(dá)到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時(shí)的鉆井液液柱形成的壓力即為地層坍塌壓力。根據(jù)理論分析結(jié)果，在小范圍的圍壓下，除去最脆弱的巖層外，

式中：pSFG為地層坍塌壓力，MPa；η為應(yīng)力非線性修正系數(shù)；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；τ為巖石黏聚力，MPa；K為最大應(yīng)力系數(shù)；α為Biot 彈性系數(shù)；pP為地層孔隙壓力，MPa。

③地層破裂壓力確定方法

破裂壓力是井眼裸露地層在井內(nèi)泥漿柱壓力作用下使其起裂或原有裂縫重新開(kāi)啟的壓力，這是由于井內(nèi)泥漿密度過(guò)大使井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度造成的。伊頓法計(jì)算破裂壓力，伊頓認(rèn)為地層類似彈性體，用泊松比把垂向應(yīng)力與水平應(yīng)力聯(lián)系起來(lái)，得出了地層破裂壓力的梯度公式如下：

式中：GDF為壓力梯度，MPa/hm；D為深度，m；v為泊松比；pOBG為上覆巖層壓力梯度，MPa/hm；pb為地層破裂壓力，MPa。

上覆巖層壓力和泊松比都隨深度而變化，因此，伊頓認(rèn)為地層破裂壓力梯度GDF也隨深度而變化。

④求解結(jié)果

以八道灣組A1至A5煤層為例，利用伊頓電阻率法進(jìn)行地層孔隙壓力計(jì)算（換算為鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3）。計(jì)算的地層孔隙壓力為0.64～0.96 g/cm3。煤巖儲(chǔ)層定向井沿著最大水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力為1.12 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力為1.25 g/cm3。煤巖儲(chǔ)層定向井沿著最大水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，破裂壓力為0.9 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，破裂壓力為2.4 g/cm3。

2）樣品制備

①利用SC-50B 型立式取心機(jī)，鉆取阜康氣煤一井八道灣組A2 煤的樣品，鉆取圓柱狀巖樣(直徑2.5 cm，長(zhǎng)5 cm)，常溫干燥。制備煤樣3 組，每組5 個(gè)樣，利用QM-1型巖心端面切磨二用機(jī)將鉆取的煤樣端面磨平。

②鉆井液配方：1 000 mL 水+50 g 土粉+18 g 磺化瀝青粉+10 g 增黏降失水劑+15 g 羧甲基纖維素（LV-CMC）+83 g甲酸鹽+20 g復(fù)合鹽。

本鉆井液體系通過(guò)抑制煤巖泥巖礦物水化膨脹以降低儲(chǔ)層傷害并有助于維持井壁穩(wěn)定。除鉆進(jìn)過(guò)程中煤巖被鉆頭破碎形成的巖屑外無(wú)外來(lái)固相物質(zhì)添加，避免外來(lái)固相顆粒對(duì)煤巖孔隙的堵塞，同時(shí)有利于提高煤巖機(jī)械鉆速。鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)可降解稠化劑增加鉆井液體系的黏度以保證攜巖效果，在完鉆后使用破膠劑對(duì)鉆井液體系進(jìn)行破膠處理，并對(duì)高分子物質(zhì)進(jìn)行降解，處理后的流體性能接近清水，有利于釋放煤層產(chǎn)能。

3）實(shí)驗(yàn)方法與步驟

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法：SY/T 6540—2021》，建立了鉆井液室內(nèi)綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。

①在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲(chǔ)層巖心氣相滲透率測(cè)定，測(cè)試驅(qū)替介質(zhì)為氦氣。

②在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲(chǔ)層巖心鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，鉆井液浸泡時(shí)間不低于72 h。

③去除外泥餅，在模擬地層壓力條件下再一次測(cè)定氣相滲透率，測(cè)試介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室完成了13 件樣品（2 件樣品損壞）的鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，傷害時(shí)間分別為1、2、3 h 測(cè)試煤巖樣品的滲透率。

煤巖巖心氣測(cè)滲透率的變化范圍較大，最小為0.053×10-3μm2，最大為41.42×10-3μm2，主要集中在（0.1～1.3）×10-3μm2，其中滲透率值較大的巖心都含有貫穿整個(gè)巖心的裂縫。完整煤巖巖心的滲透率峰值主要集中在（0.05～1.30）×10-3μm2。

通過(guò)分析圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鉆井液對(duì)煤樣的滲透率降低幅度與煤樣初始滲透率的值成正比關(guān)系，對(duì)于滲透率高的地層，地層有效孔隙較大、較多，液體易侵入煤層，易受到傷害。鉆井液傷害集中在前2 h，因此，在鉆完井過(guò)程中，應(yīng)盡快對(duì)鉆井液處理，以減輕鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。

圖5 煤巖樣品鉆井液傷害后滲透率變化曲線Fig.5 Changes of coal rock sample’s permeability after drilling fluid injury

雙管柱篩管完井技術(shù)利用內(nèi)層沖洗管柱泵送生物酶破膠液，與原井筒近井地帶的殘余鉆井液混合，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，分解鉆井液中的高分子增黏劑成分，可有效降低鉆井液對(duì)于煤巖的傷害。破膠10 min后，表觀黏度可以從（12.50～13.75）mPa·s 降低至（1.00～1.75）mPa·s，破膠率平均89.3%，破膠效果明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 鉆井液用生物酶破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Biological enzyme gel breaking experiment data sheet for drilling fluid

2.2.3 儲(chǔ)層孔裂隙拓展優(yōu)勢(shì)

煤巖在循壞動(dòng)載荷作用下，巖石顆粒不斷發(fā)生滑移及損傷變形，裂縫尖端區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，巖石強(qiáng)度指標(biāo)逐漸下降。在疊加效應(yīng)作用下，遞增到煤巖發(fā)生破裂的臨界值，引起煤巖發(fā)生不可逆的損傷破壞，產(chǎn)生新的裂縫，此過(guò)程取決于循環(huán)載荷的幅度與頻率，煤體中的原生裂隙（孔隙、層理、割理、節(jié)理等）發(fā)育豐富會(huì)加劇巖石損傷的進(jìn)一步演化，促進(jìn)煤巖內(nèi)部裂縫形成與連通，達(dá)到提高滲透性的效果[22-27]。雙管柱篩管完井技術(shù)對(duì)近井周圍煤巖產(chǎn)生交變載荷，瞬間高壓可弱化地應(yīng)力差對(duì)煤巖破裂及裂縫擴(kuò)展影響，循環(huán)沖擊致使煤巖產(chǎn)生應(yīng)力疲勞破壞，在井筒周圍煤巖產(chǎn)生徑向裂縫。

通過(guò)煤巖井筒壓力模擬裝置可以對(duì)煤樣施加圍壓及軸向壓力，對(duì)煤樣內(nèi)部施加壓力以達(dá)到模擬煤巖在地應(yīng)力狀態(tài)下井筒壓力對(duì)近井壁周圍煤巖應(yīng)力干擾及對(duì)煤巖裂縫的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的煤樣進(jìn)行CT 掃描，測(cè)得煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)和礦物組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖6。

表4 煤樣樣品實(shí)驗(yàn)前后孔隙率對(duì)照Table 4 Porosity control before and after coal sample experiments

圖6 5號(hào)樣品循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)效果Fig.6 effect of cyclic loading experiment of No.5 sample

由表4可以看出，煤巖樣品在循環(huán)載荷作用后，孔隙體積均有提升，其中2號(hào)樣品提升最多201.65 mm3，孔隙率提高0.2%。5號(hào)樣品在實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生次生裂隙，原生裂隙一部分相連通，孔隙體積增加，由1 647 mm3增大至1 830 mm3，煤巖孔隙體積、滲透率得到改善（圖6）。

雙管柱篩管完井技術(shù)沖洗井壁過(guò)程中，泵壓變化，一方面完井液高壓水力循環(huán)攜帶煤粉，減輕近井地帶煤粉堆積傷害。依靠沖洗管內(nèi)的完井液，形成高壓水射流清洗井壁近井地帶裂隙的煤粉，并攜帶出井筒，清除殘留井壁附近的煤粉顆粒；另一方面沖洗過(guò)程泵壓變化，引起煤層井壁附近應(yīng)力變化，引起煤巖原生裂隙受到周期性的拉應(yīng)力（σt）與剪應(yīng)力（τn）作用，導(dǎo)致煤層井壁附近原生微裂隙反復(fù)張開(kāi)與剪切滑移（圖7）。

圖7 阜康礦區(qū)近井地帶煤層應(yīng)力變化增滲作用示意圖Fig.7 Permeability increasing effect of coal seam stress change in the near well area of Fukang mining area

2.2.4 儲(chǔ)層構(gòu)造優(yōu)勢(shì)

阜康礦區(qū)所處的準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部，在經(jīng)歷了海西、印支、燕山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，盆緣山體隆升，多期次山前地帶的基底卷入式逆沖作用，形成了大傾角煤層典型構(gòu)造特征[21]。準(zhǔn)噶爾盆地特殊的煤層氣成藏地質(zhì)條件，帶來(lái)的是儲(chǔ)層流體運(yùn)動(dòng)方式、儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)在較小空間內(nèi)隨深度快速變化的問(wèn)題。吳斌等[28]系統(tǒng)總結(jié)了新疆庫(kù)拜煤田煤層氣開(kāi)發(fā)利用先導(dǎo)性試驗(yàn)區(qū)井型的探索經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明了適合示范區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)煤層氣的叢式井和L 型水平井的優(yōu)缺點(diǎn)，提出大傾角、厚煤層斷塞流引起的煤粉卡泵問(wèn)題。蒲一帆等[29]優(yōu)選煤巖力學(xué)性質(zhì)、有效壓裂厚度、煤體破碎程度、臨儲(chǔ)壓力比和試井滲透率5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)新疆阜康地區(qū)多煤層組合條件下開(kāi)發(fā)層段評(píng)價(jià)優(yōu)選。四工河礦區(qū)不同構(gòu)造部位煤層含氣量明顯不同，白楊河礦區(qū)破碎程度越高，氣井產(chǎn)氣量越低。王生維等[30]開(kāi)展了白楊河礦區(qū)急傾斜煤層條件下直井與順層井的開(kāi)發(fā)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)了固相物易集中匯聚并堵塞運(yùn)移通道且儲(chǔ)層壓降傳遞緩慢的問(wèn)題。

雙管柱篩管完井技術(shù)可適應(yīng)新疆阜康礦區(qū)特殊的煤層氣地質(zhì)構(gòu)造條件，雙管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：①長(zhǎng)期支撐井壁；②降低因堵塞帶來(lái)的施工壓力增高的問(wèn)題；③攜帶煤粉返排，避免卡泵。

3 雙管柱篩管完井技術(shù)展望

煤層氣水平井雙管柱篩管完井技術(shù)是一項(xiàng)成本低，集完井增產(chǎn)一體化的技術(shù)。之前關(guān)于普通篩管完井技術(shù)的研究指出，普通篩管完井雖然具有穩(wěn)定性好，后期可重入，可改造作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但還存在可控范圍小，煤儲(chǔ)層改造范圍有限的缺點(diǎn)[20,31-34]。截至2021年底，雙管柱篩管完井技術(shù)推廣應(yīng)用400 多口煤層氣水平井，根據(jù)中國(guó)石油華北油田在山西沁水盆地3 號(hào)煤層實(shí)施的煤層氣井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況[34]，采用普通篩管完井的水平井49 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量3 527 m3；套管完井的L 型水平井共18 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量6 051 m3；魚(yú)骨狀水平井6 口，完井方式為主支篩管，分支裸眼，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量4 537 m3。水平井雙管柱篩管完井技術(shù)已在沁水盆地南部得到推廣應(yīng)用，首先在3 號(hào)煤層試驗(yàn)成功，平均單井日產(chǎn)量20 000～22 000 m3，逐步推廣到15號(hào)煤層，15號(hào)煤層氣日產(chǎn)量平均10 000～12 000 m3，其中一口井最高日產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)40 000 m3，雙管柱篩管完井水平井平均日產(chǎn)氣量是其他完井類型水平井平均日產(chǎn)氣量的2～7倍，單井穩(wěn)定日產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)周期均有大幅提升。其中沁水盆地柿莊南區(qū)域因地質(zhì)構(gòu)造影響，局部煤層發(fā)生褶皺，存在一個(gè)較陡單斜構(gòu)造，煤層厚度大，埋深適中，與阜康礦區(qū)條件類似。雙管柱篩管完井技術(shù)在柿莊南區(qū)域的又一成功應(yīng)用，說(shuō)明雙管柱篩管完井技術(shù)對(duì)阜康礦區(qū)大傾角厚煤層煤層氣開(kāi)采具有借鑒意義?；诟房档V區(qū)的煤層氣資源前景與地質(zhì)條件的復(fù)雜性和非均質(zhì)性，雙管柱篩管完井技術(shù)兼顧煤層水平井眼鉆完井與排采系統(tǒng)工程的井壁穩(wěn)定性、儲(chǔ)層保護(hù)與輔助增產(chǎn)，將是阜康礦區(qū)煤層氣水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)的必要補(bǔ)充與完善，也將對(duì)提高阜康礦區(qū)煤層氣水平井開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益提供積極作用。

4 結(jié)論

1）雙管柱篩管完井技術(shù)可為阜康區(qū)塊煤層氣產(chǎn)出提供了穩(wěn)定通道，射流洗井與增滲技術(shù)能夠有效減輕鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，有利于恢復(fù)煤儲(chǔ)層的產(chǎn)能，提高單井產(chǎn)量。增產(chǎn)機(jī)理按照作用大小主要有4 個(gè)方面：①洗井去除泥餅；②完井液沖洗煤粉；③對(duì)鉆井液的化學(xué)破膠；④沖洗過(guò)程中泵壓變化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力增滲。

2）從儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)優(yōu)勢(shì)、儲(chǔ)層孔裂隙拓展優(yōu)勢(shì)、儲(chǔ)層構(gòu)造優(yōu)勢(shì)4個(gè)方面，解釋了阜康礦區(qū)特殊的煤層氣地質(zhì)特征，分析了雙管柱篩管完井技術(shù)在阜康礦區(qū)的適用性，說(shuō)明了雙管柱篩管完井技術(shù)適應(yīng)于阜康礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)，具有較大的發(fā)展前景。

3）新疆豐富的煤層氣資源需要合適的煤層氣地質(zhì)工程一體化開(kāi)發(fā)技術(shù)支持，阜康礦區(qū)具有的高陡構(gòu)造、多煤層、厚煤層特征，需要煤層氣工作者對(duì)阜康礦區(qū)煤儲(chǔ)層與鉆井、完井、增產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)深入研究，挖掘新疆煤層氣的巨大產(chǎn)能潛力，盡早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)新疆阜康煤層氣。