緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)

許耀波 朱玉雙 張培河

1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.西北大學(xué)地質(zhì)系 3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司

0 引言

碎軟煤層（指煤體結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固性被破壞，破碎成碎片狀、碎塊狀、碎粒狀、粉末狀、鱗片狀，原有的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被毀壞甚至消失）在我國(guó)分布非常廣泛，約占我國(guó)煤炭資源總量的60%，煤層的氣含量高，煤層氣資源總量大。尤其在碎軟煤層發(fā)育的煤礦區(qū)，采煤前須進(jìn)行地面煤層氣預(yù)抽，以保障煤礦安全生產(chǎn)。因此碎軟煤層的煤層氣開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn)。截至目前，包括兩淮地區(qū)和河南省、山西省等在內(nèi)的煤礦企業(yè)進(jìn)行了大量的碎軟煤層煤層氣開(kāi)發(fā)工程試驗(yàn)，以直井開(kāi)發(fā)方式為主、水平井開(kāi)發(fā)為輔，雖然取得了產(chǎn)氣量的突破，但也存在著產(chǎn)氣量低、衰減快、產(chǎn)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象，很難滿足煤礦安全生產(chǎn)對(duì)大范圍、快速降低煤層瓦斯含量的要求。于是，業(yè)界專家紛紛進(jìn)行其他開(kāi)發(fā)新方法探索，2009年，馬耕、鞏春生提出了“虛擬儲(chǔ)層”的概念，即借助臨近煤層的巖層部署水平長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行井下瓦斯強(qiáng)化抽采的新思路，并在煤礦井下得到成功實(shí)施。因此，借鑒該技術(shù)思路，以淮北礦區(qū)蘆嶺井田8號(hào)煤層為研究對(duì)象，通過(guò)在緊鄰碎軟煤層的頂板巖層部署水平井進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)，并探討緊鄰煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)的可行性和技術(shù)對(duì)策，以期為碎軟煤層的煤層氣抽采提供新的技術(shù)方法[1-4]。

1 頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣的思路

淮北礦區(qū)蘆嶺井田發(fā)育的8號(hào)煤層平均厚度為9.6 m，是主要標(biāo)志層之一。煤層在強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生反復(fù)搓揉、擠壓，致使煤的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與原生結(jié)構(gòu)煤有巨大差異。8號(hào)煤層塑性變形明顯，原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造被全部破壞，宏觀裂隙、顯微裂隙不太發(fā)育，煤的堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5，滲透率小于0.5 mD，致使CH4在煤層中擴(kuò)散運(yùn)移速度緩慢、不易解吸產(chǎn)出，增大了煤層氣的開(kāi)采難度。針對(duì)碎軟煤層有氣難出的特征，為提高煤層氣開(kāi)發(fā)效果，研究采用緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)，即把碎軟煤層的頂板作為煤層氣開(kāi)發(fā)的目標(biāo)層，在其內(nèi)某一特定位置進(jìn)行鉆井，并對(duì)頂板進(jìn)行定向射孔使井筒與煤層溝通，最后對(duì)頂板和煤層實(shí)施強(qiáng)化改造，開(kāi)發(fā)碎軟煤層中的煤層氣（圖1）。將碎軟煤層頂板作為鉆井的目標(biāo)層具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①在煤層頂板中進(jìn)行鉆井，頂板巖性一般為砂質(zhì)泥巖，水平井在砂質(zhì)泥巖中鉆進(jìn)，具有良好的水平井筒穩(wěn)定性、低鉆井和固井風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在頂板中進(jìn)行水平井鉆進(jìn)避免了鉆井液對(duì)煤層的污染；②在水平井壓裂過(guò)程中，由于壓裂液和支撐劑的重力作用，可以在煤層和頂板中形成有效的支撐；③在排采過(guò)程中，砂粒、煤粉在重力的作用下難以向上運(yùn)移進(jìn)入裂縫通道和井筒，有利于煤層氣后期開(kāi)發(fā)管理。因此，綜合以上分析，把碎軟煤層的頂板作為水平井鉆進(jìn)的目標(biāo)層能提高煤層氣的開(kāi)發(fā)效果[5-7]。

圖1 緊鄰煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣示意圖

2 頂板巖層水平井穿層壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律

2.1 煤層及頂板的地應(yīng)力與巖石力學(xué)特征

水力壓裂裂縫形態(tài)受地應(yīng)力大小、巖石力學(xué)特性和壓裂工藝共同控制，其中地應(yīng)力大小和巖石力學(xué)特性是最本質(zhì)的控制因素。通過(guò)地應(yīng)力測(cè)井得到8號(hào)煤層彈性模量為0.29×104MPa，8號(hào)煤層垂直應(yīng)力平均為17.09 MPa，最小主應(yīng)力值為7.86 MPa，破裂壓力為8.45 MPa；8號(hào)煤層頂板垂直應(yīng)力為17.19 MPa，8號(hào)煤層頂板彈性模量為2.68×104MPa，最小主應(yīng)力值為10.22 MPa，破裂壓力為16.77 MPa。煤層及頂板的地應(yīng)力與巖石力學(xué)特征表明：①頂板和煤層的垂向應(yīng)力均大于水平應(yīng)力，且頂板的水平應(yīng)力大于煤層的水平應(yīng)力，表明壓裂過(guò)程中將形成垂直裂縫，壓裂縫能夠從高應(yīng)力值的頂板巖層向下延伸到低應(yīng)力值的煤層中；②頂板的彈性模量大于煤層，壓裂縫水平延伸時(shí)，脆度較大的頂板巖層延伸難度小于脆性較小的煤層，能使裂縫沿頂板橫向延伸較遠(yuǎn)。因此，采取合適的壓裂工藝技術(shù)對(duì)頂板巖層水平井進(jìn)行改造時(shí)，形成的裂縫有利于縱向上向煤層延伸，確保壓開(kāi)煤層，同時(shí)也能形成較長(zhǎng)的壓裂縫，達(dá)到較好的增產(chǎn)效果[8-9]。

2.2 頂板巖層水平井穿層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律

為了研究頂板水平井穿層壓裂裂縫延伸規(guī)律，探究頂板水平井開(kāi)發(fā)碎軟煤層煤層氣技術(shù)可行性，采用室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)頂板水平井穿層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究。由于碎軟煤層煤體結(jié)構(gòu)破碎，對(duì)煤巖壓裂裂縫的延伸規(guī)律模擬難度較大，為使煤層和頂板巖層的力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力狀況等與室內(nèi)壓裂巖樣具有一致性質(zhì)，采用“頂板—煤層”分層的相似材料澆筑方法，建立基于巖石力學(xué)強(qiáng)度的“頂板—煤層”膠結(jié)的物理模型（300 mm×300 mm×300 mm），物理模型的頂板和煤層的厚度分別為20 cm和10 cm，對(duì)制作的模型進(jìn)行模擬水平井井筒加工，水平井距離煤層頂界的距離分別為4 cm和10 cm兩種方案，采用定向射孔誘導(dǎo)裂縫向下延伸，對(duì)管線與鉆孔之間的環(huán)空注入高強(qiáng)度樹(shù)脂膠模擬水平井的固井狀態(tài)，采用帶紅色染料活性水壓裂液注入，壓裂后實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2、3）可以得出：①兩種不同距離條件下頂板水平井穿層壓裂，裂縫都能擴(kuò)展向煤層延伸，且形成的裂縫均為一條彎曲不規(guī)則的垂直裂縫。②當(dāng)水平井與煤層頂部的距離為4 cm時(shí)，裂縫在煤層頂板內(nèi)起裂，裂縫擴(kuò)展穿過(guò)界面，能夠在煤層中形成一個(gè)有效的大裂縫區(qū)域，且在頂板巖層內(nèi)形成的裂縫區(qū)域較小；當(dāng)水平井與煤層頂部的距離為10 cm時(shí)，裂縫在煤層頂板內(nèi)起裂，裂縫擴(kuò)展穿過(guò)界面，也能在煤層中形成大裂縫區(qū)域，但在頂板巖層內(nèi)形成的裂縫區(qū)域較大，且裂縫高度不可控，表明在相同的壓裂規(guī)模條件下，頂板巖層內(nèi)形成的裂縫區(qū)域越大，致使煤層中形成的裂縫區(qū)域就會(huì)變小。③隨著頂板水平井與煤層距離的增加，煤層中裂縫形成的效果變得更差，因?yàn)檠乜v向裂縫高度增大，而且縱向裂縫沿煤層頂板水平井上部上竄的可能性增大，縱向裂縫高度更難控制，致使壓裂改造效果變差。穿層壓裂裂縫延伸規(guī)律顯示，水平井在煤層頂板一定范圍內(nèi)穿層壓裂能把煤層壓開(kāi)，且水平井與煤層的距離越近裂縫擴(kuò)展效果越好，表明頂板水平井開(kāi)發(fā)碎軟煤層中的煤層氣思路是可行的[10-13]。

圖2 不同水平井位置條件下頂板水平井穿層壓裂裂縫外觀結(jié)構(gòu)圖

圖3 不同水平井位置條件下頂板水平井穿層壓裂裂縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 頂板巖層水平井水平段位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤層頂板中水平井的位置對(duì)穿層壓裂效果能產(chǎn)生重要影響，為了進(jìn)一步研究水平井縱向位置對(duì)穿層壓裂效果的影響規(guī)律，基于碎軟煤層及頂板巖石力學(xué)特征和蘆嶺井田8號(hào)煤層參數(shù)，借助儲(chǔ)層壓裂分析軟件，分析水平井與煤層的距離對(duì)穿層壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響規(guī)律，為頂板中水平井的位置優(yōu)化提供依據(jù)。數(shù)值模擬時(shí)，分別固定壓裂施工排量為8 m3/min和10 m3/min，只改變水平井眼與煤層頂界的距離（1 m、2 m、3 m、4 m）模擬裂縫形態(tài)。模擬結(jié)果（圖4）表明：①頂板中水平井的部署位置與施工排量密切相關(guān)，當(dāng)施工排量為8 m3/min、水平井與煤層的距離小于2 m，施工排量為10 m3/min、水平井與煤層的距離小于4 m時(shí)，壓裂改造時(shí)能把煤層壓開(kāi)，表明合適的施工排量能使一定范圍內(nèi)的頂板水平井取得較好的壓裂效果；②但隨著水平井眼與煤層頂界距離的增大，沿縱向裂縫高度增大，而且縱向裂縫沿煤層頂板水平井上部上竄的可能性增大，縱向裂縫高度更難控制，所以沿橫向延伸的裂縫長(zhǎng)度減小，致使壓裂改造效果變差。室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果一致，頂板水平井應(yīng)布置在距離煤層頂界越近的位置，越有利于改善煤層氣的開(kāi)發(fā)效果。同時(shí)水平井的鉆進(jìn)位置需結(jié)合射孔穿透深度綜合確定，定向射孔能夠誘導(dǎo)裂縫向下延伸進(jìn)入煤層，目前超深穿透射孔深度范圍介于1.0～1.5 m，為了確保穿層壓裂成功實(shí)施，確定水平井縱向位置控制在距煤層頂界1.5 m內(nèi)較合理。模擬結(jié)果表明，水平井與煤層頂界的距離為1.5 m時(shí)，既能壓開(kāi)煤層又能在煤層頂板中形成較長(zhǎng)的裂縫，能滿足頂板水平井增產(chǎn)改造目標(biāo)要求[14-15]。

圖4 不同水平井位置條件下穿層壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)圖

4 緊鄰煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)

為解決頂板水平井鉆井質(zhì)量以及水平井眼與煤層的溝通難題，同時(shí)提高煤層氣開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益，探索并形成了緊鄰煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)對(duì)策。

4.1 “優(yōu)質(zhì)、快速、安全”鉆井工藝技術(shù)

為了提高水平井鉆井質(zhì)量和效率，探索形成適合頂板煤層水平井的“優(yōu)質(zhì)、快速、安全”鉆井工藝技術(shù)：①水平井剖面設(shè)計(jì)采用“直—增—穩(wěn)—增—平”的雙弧剖面類型，提高工具造斜效率，減小施工摩阻，降低施工難度；②由于煤層起伏比較大，鉆井軌跡控制難度大。根據(jù)8號(hào)煤層（電阻率為330～720 Ω·m，自然伽馬為20～30 API）與其頂板巖石（電阻率為70～125 Ω·m，自然伽馬為42～70 API）電阻率和自然伽馬參數(shù)差異明顯的特點(diǎn)，采用方向伽馬＋電磁波視電阻率隨鉆測(cè)井精確控制技術(shù)，鉆進(jìn)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼附近電阻率和自然伽馬等參數(shù)，實(shí)時(shí)判斷井眼軌跡的方位以及與煤層頂界的距離。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井眼軌跡基本上控制在距煤層頂界1.5 m以內(nèi)（圖5）；③采用水基鉆井液，通過(guò)添加防膨劑、防塌劑、潤(rùn)滑劑等優(yōu)化鉆井液性能，實(shí)現(xiàn)水平井段安全、快速鉆進(jìn)。

圖5 蘆嶺井田頂板水平井LG01井井眼軌跡曲線圖

4.2 超深穿透定向射孔技術(shù)

為確保8號(hào)煤層上部1.5 m以內(nèi)頂板巖層中水平井分段壓裂的成功，射孔要求穿透鋼套管、水泥環(huán)和煤層頂部的泥巖，保證壓裂時(shí)裂縫在8號(hào)煤層中延伸。因此研究采用95 mm射孔槍、102型射孔彈、孔密度為10孔/m，每段射孔長(zhǎng)度為3 m，采用垂直向下的定向射孔方式、并配合超深穿透復(fù)合射孔工藝，采用水力泵送射孔—橋塞聯(lián)作工藝、電纜傳輸方式進(jìn)行射孔。垂直向下射孔有利于誘導(dǎo)裂縫縱向上向煤層延伸，確保壓開(kāi)煤層，提高壓裂施工的成功率和壓裂效果。

4.3 “大排量、大規(guī)模、高前置液比、中砂比”活性水壓裂技術(shù)

針對(duì)頂板巖層水平井壓裂煤層容易受到傷害、壓裂液濾失量大、壓裂縫短、支撐劑鑲嵌嚴(yán)重的難題，初步形成了“大排量、大規(guī)模、高前置液比、中砂比”活性水壓裂工藝技術(shù)，即施工排量為10 m3/min、加砂規(guī)模為8.0 m3/m、前置液比為45%、平均砂比為13%。其技術(shù)核心包括采用活性水壓裂液降低對(duì)煤層傷害，采用大排量降低壓裂液濾失量和提高攜砂效果，采用大規(guī)模、高前置液比、中砂比工藝延長(zhǎng)裂縫和提高支撐效果，實(shí)現(xiàn)了高效改造頂板巖層和煤層的目標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水平井實(shí)施7段壓裂改造，取得了良好的改造效果，可以滿足頂板水平井增產(chǎn)改造目標(biāo)要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及其效果

2014—2017年在淮北礦區(qū)蘆嶺井田實(shí)施了一組緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣工程試驗(yàn)。LG01井為第1口試驗(yàn)井，考慮到煤礦區(qū)的地質(zhì)條件，為了安全順利施工，水平段初步設(shè)計(jì)為580 m，井身結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過(guò)對(duì)井田地質(zhì)條件和目標(biāo)段儲(chǔ)集層特征進(jìn)行分析，對(duì)水平井進(jìn)行優(yōu)化部署，對(duì)開(kāi)發(fā)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)用上述研究成果，取得了良好的增產(chǎn)效果。截至2016年10月底（圖7），井底流壓為0.48 MPa，動(dòng)液面距離煤層近50 m，日產(chǎn)氣10 000 m3的產(chǎn)能超過(guò)100 d，日產(chǎn)氣7 000 m3的產(chǎn)能超過(guò)500 d，累計(jì)產(chǎn)氣量突破400×104m3，且仍具高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的潛力。研究表明，緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)取得了較好的產(chǎn)氣效果，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，為碎軟煤層煤層氣開(kāi)發(fā)提供了一條新途徑。

圖6 LG01井的井身結(jié)構(gòu)圖

圖7 LG01井的生產(chǎn)曲線圖

6 結(jié)論

煤體結(jié)構(gòu)破碎和滲透率低是碎軟煤層“有氣難出”的主要原因，為了提高碎軟煤層煤層氣開(kāi)發(fā)效果，從水平井鉆井、壓裂和排采控制3方面考慮，研究了緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣思路。

研究結(jié)果表明：頂板巖層水平井穿層壓裂過(guò)程中形成的垂直裂縫能夠從高應(yīng)力值的頂板巖層向下延伸到低應(yīng)力值的煤層中，且頂板中水平井的位置對(duì)穿層壓裂效果能產(chǎn)生重要影響，水平井距離煤層越近，穿層壓裂裂縫延伸的效果越好，水平井的位置應(yīng)布置在距離煤層頂界1.5 m范圍的頂板內(nèi)，能滿足頂板水平井的增產(chǎn)改造要求。

研究形成了緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：①“優(yōu)質(zhì)、快速、安全”鉆井技術(shù)；②深穿透定向射孔技術(shù)；③“大排量、大規(guī)模、高前置液比、中砂比”活性水壓裂技術(shù)。

實(shí)踐證明，頂板水平井開(kāi)發(fā)碎軟煤層煤層氣取得了較好的產(chǎn)氣效果，表明緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)可行，為碎軟煤層的煤層氣開(kāi)發(fā)提供了一條新的技術(shù)途徑。

（修改回稿日期 2018-07-13 編 輯 韓曉渝）

亞洲最大深水油氣平臺(tái)調(diào)整項(xiàng)目通過(guò)機(jī)械完工驗(yàn)收

2018年9月5日，亞洲最大深水油氣平臺(tái)調(diào)整項(xiàng)目——荔灣3-1一期后期項(xiàng)目順利通過(guò)機(jī)械完工驗(yàn)收。

荔灣3-1是我國(guó)自主研發(fā)、亞洲最大的深海油氣平臺(tái)，荔灣3-1一期工程于2014年4月投產(chǎn)。為滿足氣藏降壓生產(chǎn)的需要，荔灣3-1一期后期項(xiàng)目啟動(dòng)，為該平臺(tái)增加濕氣壓縮機(jī)組、凝析油外輸泵及配套設(shè)施。復(fù)雜的設(shè)計(jì)工況、與已有設(shè)施和未來(lái)二期設(shè)施的兼容性設(shè)計(jì)、在生產(chǎn)高壓氣田平臺(tái)施工改造、吊裝2 500 t模塊等對(duì)該項(xiàng)目高質(zhì)量安全的實(shí)施提出了極大的挑戰(zhàn)。

為推進(jìn)項(xiàng)目安全高效實(shí)施，中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐。設(shè)計(jì)方面，項(xiàng)目組精準(zhǔn)分析需求，優(yōu)化設(shè)備數(shù)量和實(shí)施方案，節(jié)省投資3.77億元，節(jié)約能耗4.45×108kW·h。技術(shù)方面，項(xiàng)目組首次采用新型高壓水沖洗工藝，實(shí)現(xiàn)了有限空間內(nèi)大尺寸管道的一次性清潔，發(fā)明并采用新型夾板式管道封堵裝置實(shí)現(xiàn)了工藝管道安全高效的切割與更換，創(chuàng)新精就位導(dǎo)向防碰裝置實(shí)現(xiàn)2 500 t模塊多點(diǎn)精就位安裝。與此同時(shí)，在生產(chǎn)高壓氣田平臺(tái)的海上改造施工過(guò)程中，未發(fā)生一起可記錄安全事件、未造成生產(chǎn)計(jì)劃外關(guān)停。這為同類工程項(xiàng)目，尤其是深水多氣田多工況接入提供了新的思路和良好的示范。

（天工 摘編自《中國(guó)海洋石油報(bào)》）