煤层气水平井开发技术现状及发展趋势
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net煤层气水平井开发技术现状及发展趋势张卫东 魏 韦(中国石油大学石油工程学院,山东东营 257061)
摘 要:煤层气是一种非常规天然气资源,传统的煤层气开采方式为地面直井排水降压开采,但这种方式开采煤层气单井产量低、经济效益比较差。目前针对这种问题煤层气常用的增产措施为水平井技术。煤层气水平井是一种成本不是很高但增产效果非常好的技术,已经越来越多的应用于煤层气的开采。文中主要介绍了煤层气羽状分支水平井技术现状和发展趋势,通过国内外技术煤层气水平井技术的介绍,得出煤层气水平井技术是一种适合中国煤层气开发的关键技术,必须在充分了解煤储层地质特性的基础上应用水平井。关键词:煤层气 水平井 技术现状 发展趋势
StatusofCoalbedMethaneHorizontalWellTechnologyandTrendofDevelopmentZhangWeidong,WeiWei(CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Shandong257061)
Abstract:Coalbedmethane(CBM)isakindofunconventionalnaturalgasresources.TraditionalwayforCBMdevelopmentissurface(verticalwells)drainagebuck,butthismethodmaycauselowproductionofsinglewellandtheeconomicreturnrelativelypoor.Atpresent,oneofthecountermeasurestostimulateCBMproductionishorizontalwelltechnology.CBMhorizontalwelltechnologyisahighyieldtechnologywithlowcost,whichhasbeenincreasinglyusedinCBMdevelopment.ThispapermainlypresentsthecurrentstatusanddevelopmenttrendoftheMulti2lateralhorizontalwelltechnology.ThroughtheintroductiontoCBMhorizontalwelltechnologyathomeandabroad,aconclusioncanbeconductedthatCBMhorizontalwelltechnologyisanimportanttechnologysuitabletobeappliedinChina’sCBMdevelopmentwhenitisusedonthebasisoffullyunderstandingofthegeologicalcharacteristicsofcoalreservoirs.Keywords:CBM;horizontalwell;statusofthetechnology;developmenttrend
煤层气是一种非常规天然气资源。煤层气储层的特性与常规天然气藏有相似之处,但差别也很大,因此煤层气开发与开采技术与常规天然气差别较大,有其自身的特点。目前开采煤层气的方法一般采用抽排煤层中的承压水,降低煤层压力,使煤层中吸附的甲烷气释放出来。我国煤层普遍存在低压、低渗、低吸附气饱和度的特性,开采煤层气单井产量低、经济效益比较差,为获得经济产量就必须对煤层实施增产措施。常用煤层气的增产措施主要有裸眼洞穴完井、直井水力压裂、水平井技术
作者简介 张卫东,1968年生,1990年毕业于石油大学(华东)钻井工程专业,在读油气井工程博士研究生,副教授,主要从事水平井研究工作。
第5卷第4期 中国煤层气 Vol15No14
2008年11月 CHINACOALBEDMETHANE Nov1
2008© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net(超短半径水平井、羽状分支水平井)。煤层气水平
井是一种成本不是很高但增产效果非常好的技术,
已经越来越多的应用于煤层气的开采。
1 发展现状111 国外煤层气水平井技术发展现状随着国外煤层气产业化的发展以及开发领域的逐渐扩大,开发技术也不断完善和提高,尤其是美国,煤层气开发从最初在圣胡安、黑勇士盆地的中煤阶气肥煤,逐步发展到低煤阶褐煤和高煤阶贫煤、无烟煤,并针对不同地质条件下煤层渗透性、力学性质、井壁稳定性,形成了一套煤层气开发技术系列,在煤层内钻羽状分支水平井,每个羽状分支井由1口分支水平井,1口洞穴排采直井组成,
水平井主水平井眼长1500m以上,主水平井眼两侧钻8～14个分支,分支井眼长200～800m。每个羽状井组由4个羽状分支水平井组成,总进尺312×104m,一个井组控制418km2(相当于16口直井的
开采面积)。该项技术主要适用于中、高煤阶低渗透含煤区,通过增加煤层裸露面积,沟通天然割理、裂隙,提高单井产量和采收率,解决低渗区单井产量低、经济效益差的问题,高含气薄煤层也可采用这一技术。澳大利亚煤层气勘探始于1976年,20世纪末以来,由于充分吸收美国煤层气资源评价和勘探、测试方面的成功经验,针对本国煤层含气量高、含水饱和度变化大、原地应力高等地质特点,成功开发和应用了水平井高压水射流改选技术,使鲍恩盆地煤层气勘探开发取得了重大突破。澳大利亚的一些矿井已广泛应用水平钻孔、斜交钻孔和地面采空区垂直钻孔抽放等技术。1998年澳大利亚煤层气产量只有0156×10
8m3
,2006年钻井1100口,产量
达18×10
8m3
,已进入商业化开发阶段。近几年澳
大利亚已成功地实施了利用中半径水平井技术开发煤层气,取得了良好的开发效果和经济效益(图1)。
112 中国煤层气水平井技术发展现状在我国,2004年11月28日由奥瑞安能源国际有限公司设计和组织施工的DNP02羽状分支水平井正式投入生产并实现了预期工艺和产能的双重突破。该井第一次在中国实现了地面煤层水平多分支钻进,煤层中水平井眼总进尺近8000m,实现了煤
图1 澳大利亚中半径水平井示意图层气井的稳产高产,日产气量达3000m3以上。继DNP02水平井之后,在我国山西宁武和寿阳又先后施工了两口羽状水平井,特别是中联公司承担的国家油气资源战略选区与评价项目———山西省沁水县端氏煤层气羽状分支水平井示范工程,分别在沁南3#煤层和15#煤层成功实施了4口羽状分支水平
井,总结形成了一套从设计施工到评价的技术体系,并通过学习引进消化吸收,其中两口井利用国产的关键设备和技术,自主设计和施工完成。奥瑞安能源国际有限公司设计施工的PZP03-
1H井于2006年10月18日开钻。2006年11月10日完井,作业天数为23天,本井按照设计布署,
顺利完成了2个主井眼和8个分支井眼的施工,钻井总进尺5558m,地质导向总进尺5183m,其中纯煤层中进尺5011m,煤层钻遇率96168%,井眼控制面积约0155km2。PZP03-1H井设计施工中所采用的技术在中国处于领先地位,具体采用的技术手段如下:
①直井洞穴技术(图2
)
图2 直井洞穴技术示意图机械工具造穴利用机械切削的原理,用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段,然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆张开,并在钻具的带动
02中国煤层气
第4期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net下旋转,切削储层,形成满足实际需要的洞穴。PZP03-1H的直井洞穴井段为274～279m,洞穴直径0155m。②两井连通技术(图3)图3 两井连通技术示意图采用的主要技术:近钻头电磁测距法(RMRS)。RMRS必须与MWD和马达等配合使用,钻具组合为:钻头+永磁短节+马达+无磁钻挺+MWD+钻杆。③井眼轨迹控制技术主水平井眼造斜段一般使用“导向马达+MWD”的常用定向钻具组合;煤层段的主水平井眼及分支井眼采用PDC钻头,使用LWD随钻监测地层自然伽玛值和电阻率值来判断钻头是否在煤层中钻进。④分支井眼侧钻技术侧钻点选择:侧钻点附近的井眼状况正常,井径规则,无掉块、垮塌迹象,钻具上提下放的摩阻较小;在主井眼中选择井眼位置靠近煤层上部及增斜或稳斜井段位置侧钻。避免主井眼方位变化与侧钻分支井眼方位一致。侧钻时将工具面角摆到正负140～150°,首先向左/右下方侧钻,形成了一条向下倾斜的曲线。保持工具面不变进行划槽,开泵慢慢上提下放钻具6～8m,下放速度50～70m/h,划槽2～3次,以利于侧钻成功。⑤储层保护及井壁稳定控制技术造斜点以下地层和煤层段全部采用井下动力钻具。钻柱不旋转,相对而言工作较平稳,有利于保持煤层井壁稳定;尽量采用结构简单的钻具组合以减小煤层井壁碰撞和起下钻时挂拉;尽量缩短煤层水平井段钻井时间,减少钻井液对煤层的侵泡时间。尽可能使井眼轨迹位于相对稳定的块状煤体中。主水平井眼选择中曲率半径和“直—增—增—稳(水平段)”的连增复合型剖面形状;造斜点选择在岩性较硬的砂岩段,井深为100m,造斜率为10179°/30m～7121°/30m;由于井深总进尺为5395m,6”井眼进尺达到了5170m,因此,选择双主支。⑥充气钻井液欠平衡工艺(图4
)
图4 从洞穴直井注入空气实行欠平衡钻进该井欠平衡作业参数为:二开水平主井眼与直井洞穴连通后,关洞穴直井防喷器,在洞穴直井的井口连续注气,使其呈均匀气泡分散于从两井的连通处与水平井段的上返钻井液中,再从水平井环空循环返出井口到地面,压缩空气经旋转防喷器和节流管汇、液气分离器控制,使液气分离,最后到燃烧池。环空中的气液两相流形成的液柱压力低于煤储层压力,从而实现了羽状分支水平井环空充气欠平衡钻井工艺。钻进时泥浆泵的排量900L/min,
洞穴直井注气量30m
3
/min,井口压力119～
211MPa。⑦地质导向技术依据煤层上、下顶板泥岩或砂岩及煤层中所夹的薄层夹矸在自然伽玛、上下伽玛和电阻率参数上的不同特征来实时解释评价所钻地层是否在煤中,
