煤層氣水平井開發生產規律研究

鄒學學 左銀卿 劉 華 周 叡 苗 耀

(中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 062550)

煤層氣水平井開發生產規律研究

鄒學學 左銀卿 劉 華 周 叡 苗 耀

(中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 062550)

以沁水盆地煤層氣田樊莊區塊多分支水平井開發實踐為基礎，對煤層氣水平井開發生產規律進行研究。本文首先分析水平井適應的地質條件，研究發現樊莊區塊拉張區水平井產氣能力最高，平衡應力區次之，而擠壓區最差。然后通過生產數據統計分析，認為煤層氣水平井單位面積產水指數、采氣速度兩個開發指標與產氣量存在較強的關聯性，煤層氣產氣較高的水平井單位面積產水指數一般小于50，且其采氣速度控制在5%左右。

煤層氣 應力 連通性 產水指數 采氣速度

中石油華北油田分公司在沁水盆地開發煤層氣已十年有余，“十一五”和“十二五”期間已完鉆百余口煤層氣水平井，相比于直井，水平井在控制面積、資源有效利用率及產能方面占有一些優勢，根據沁水盆地開發實際，盡管水平井單井投資水平井高于直井，投資比例為6:1，但單井產量水平井遠高于直井，產量比例達到10:1，水平井投資回報率25%，高于直井15%，可見，水平井是煤層氣開發的一種高效手段。但是盡管出現部分高產井，但總體產氣能力不高，存在開發效果差異大等問題，因此有必要煤層氣水平井的開發生產規律進行深入研究。文章主要從水平井適應的地質條件和相關主要開發指標來展開煤層氣水平井開發生產規律分析。

1 煤層氣水平井適應的地質條件

1.1 應力狀況

地質條件是煤層氣井生產的物質基礎，主要包括埋深、臨界解吸壓力、裂縫發育程度、含氣量、臨儲比、構造位置、煤體結構、地應力、煤層頂底板巖石力學性質、鏡質體反射率等多個參數。樊莊區塊含氣量普遍較高，具備一定物質基礎，而對水平井而言，地應力是影響煤體結構及滲透率的主要因素，應力狀況對主分支的影響最為重要，而水平井分支的穩定性決定供氣面積，一旦坍塌堵塞，其它參數優越性便不會體現，因此有必要結合生產實際對水平井適應的應力狀況進行分析。

根據樊莊區塊現今最大主應力方向﹑寺頭大斷層段距大小，初步判斷樊莊北部為應力擠壓區，南部為應力釋放區。寺頭大斷層南部斷距明顯比北部斷距大，北部斷層剖面圖顯示側向走滑，南部斷層剖面顯示下盤向外推，受到拉張力的作用。結合樊莊水平井開發生產數據，整體來看，拉張區水平井產氣能力最高，平衡應力區次之，而擠壓區最差。生產上表現為樊莊南部水平井產氣情況好于樊莊北部。

1.2 主力煤層連通性

煤層生產特點是排水降壓解吸滲流，一般來說，影響煤層氣產能的最主要參數是煤層氣滲透率和煤層含氣量。其實煤層氣有效厚度和煤層氣連通性也是重要參數，在進行煤層氣水平井開發布井和完井時，應考慮這兩個參數，特別對于連通性差的煤儲層顯然是不適合打水平井。

在不同區域上，煤層連通性差別很大。有的主力煤層厚度可以達到5m，且連續性很好，其開發效果較好；有的在空間上連續性很差，煤層厚度小且夾雜著泥巖或砂巖，其開發效果較差。以沁水盆地成莊區塊4口多分支水平井為例，峰日產量達到14.41萬m3，其中兩口高累產水平井的單井最高峰產氣量分別達到5.4×104m3、6.4×104m3,主力煤層厚度5m以上，含氣量20cm3/g以上，且煤儲層不含夾矸，連通性好。

1.3 煤層展布平緩

水平井地質設計應優選煤層展布較平緩區域，因為煤層小微構造(褶曲、 斷層)是影響煤層氣水平井井壁穩定性的主要地質因素之一。褶曲構造容易導致水平井鉆進過程中容易鉆出煤層，若頂底板附近為軟煤層，可引起井壁垮塌堵塞。另一方面小微構造易使實鉆軌跡波動，水平段井易呈“U” 形，曲折的鉆孔一方面導致水的流動沖蝕破壞井壁穩定性，同時煤層水會在井眼中產生“積水”效應導致煤層水不易排出。多分支水平井的井眼穿越小微斷層構造時，容易導致井眼溝通頂底板含水層，導致產水量劇增，排水降壓困難。

2 煤層氣水平井生產特點

華北油田經過前期的引進、消化吸收、再創新，探索和發展了多種井型水平井鉆完井技術，目前可以完成多分支水平井、仿樹型、L/U型井篩管完井等多種井型設計施工，形成了煤層氣多井型水平井鉆完井多項配套特色技術。因受不同地質、工程和人為因素的影響，水平井呈現不同的產氣效果，樊莊區塊多分支水平井開采已有一定年限，已表現出一定生產規律，現在以關鍵兩個開發指標來研究煤層氣多分支水平井開發規律。

2.1 單位面積產水指數大小

煤層水平段煤儲層穩定生產情況下，產水指數主要受煤層氣開發過程中動態滲透率影響，建立多分支水平井單位控制面積產水指數方程，以定性判斷煤層氣動態滲透率變化。

產水指數公式：

J=Q/(Δp×t×s)

Q——解吸前累產水量，m3；

Δp——地解壓力差，MPa；

t——解吸時間, d；

s——水平井控制面積，m2。

一般情況下，單位控制面積產水指數越大，反映動態滲透率趨于變好方向，但不一定代表煤層氣產量高，因為煤層易溝通斷層或含水層，產出水不一定能夠對煤層起到降壓作用。通過對樊莊區塊60口多分支水平井單位有效面積產水指數與產氣量關系分析(圖1)，在正常生產高產井中， 產水指數一般在50以內，在樊莊的地層條件下，意味著地層壓力每降低1MPa，正常單位面積產出水量為50m3左右， 低于此值說明煤層動態滲透率變差，在不溝通含水層情況下，高于此值煤層動態滲透率趨于變好。

圖1 樊莊水平井產水指數與產氣量關系散點圖

2.2 采氣速度大小

通過對樊莊水平井各年度投產井年產氣量趨勢分析，上升型水平井年采氣速度大多控制在5%以內，而下降型水平井年年采氣速度大多控制在5%以上。

2008年投產水平井采氣速度多數控制在5%以內，2009年和2011年投產水平井采氣速度大多開始年采氣速度都大于5%，后期均表現下降(圖2)。由此可見，不同開發單元，有其適應的采氣速度，若采氣速度過大，區內水平井穩產時間變短，不利長期穩產及提高采收率。

(a)上升型水平井

(b) 下降型水平井

3 煤層氣水平井在井網中作用

煤層氣水平井不僅可以獲得高產，還可以實現區域面積整體降壓。相比于樊莊北部水平井分布零散，樊莊南部煤層氣水平井分布較為集中，形成水平井井網，相比于直井，水平井井網更大程度實現區域上面積降壓，經過幾年排采后，在水平井間部署2億m3直井加密，解吸時間平均在10天左右，1年內達產并保持穩產，原因在于南部多分支水平井生產較長年限，水平井分支通過大面積的網狀延伸，溝通了煤層中裂縫與割理系統，提供大面積且有效的解吸范圍，使得煤層氣短時間內快速擴大，提高壓降傳遞效率，極大縮短達產時間，提高區域采收率。有利于后期新投產直井生產，使得新井見氣快、達產快、產氣量高。

4 結論

(1)樊莊區塊拉張區水平井產氣能力最高，平衡應力區次之，而擠壓區最差，并且煤層氣井位應選擇煤儲層連通性較好區域。

(2)不同地質區塊，有其適應的采氣速度，若采氣速度過大，區塊水平井穩產時間變短，不利長期穩產及提高采收率。

(3)建立多分支水平井單位控制面積產水指數與產氣量相關性，可以定性反映煤層氣開發過程中動態滲透率變化。

(4)在區塊井網部署上，采取先開發水平井，壓降范圍大更有效溝通煤層間裂隙，可使區域整體降壓，然后再部署直井控制余下未動用儲量，更有利于快速上產、達產。

[1] 倪小明，蘇現波，張小東，等.煤層氣開發地質學[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2] 楊健，倪元勇，王生維,等.影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析[J].石油鉆采工藝，2015，37(5):8-9.

[3] 張衛東，魏韋.煤層氣水平井開發技術現狀及發展趨勢[J].中國煤層氣，2008，5(4):19-22.

(責任編輯 王一然)

Research on the Development Laws of CBM Horizontal Well

ZOU Xuexue, ZUO Yinqin, LIU Hua, ZHOU Rui, MIAO Yao

(Exploration and Development Research Insitute of Huabei Oilfield, PetroChina, Hebei 062550)

Based on the development practice of CBM multi-lateral horizontal wells in Fanzhuang Block of Qinshui Basin, the paper studies the development laws of CBM horizontal wells. It analyzes the geologic conditions which adapt to CBM horizontal wells, and figure out that the tension area has the highest gas deliverability, the balanced area follows, and the compressed area is the worst. Through the analysis of production data statistics, it proposes that water productivity index and gas production rate have strong relation with the gas production. Generally, the water productivity index of highly-productive CBM horizontal well is less than 50, and its gas production rate is controlled by around 5%.

Coalbed methane; stress; connectivity; water productivity index; gas production rate

國家重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程”(2011ZX25061)

鄒學學，男，工程師，大學本科，現從事煤層氣開發研究。