煤层气井造洞穴技术特点分析

万继方 申瑞臣 陈添 王强

(1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100197;2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083;3.中国石油大学石油工程学院，北京 102249)

在煤层气井开采过程中，为了使煤层与井眼充分连通，解除近井地带污染，增大井眼有效半径，可以采用裸眼洞穴技术对煤层实施造穴。采用裸眼洞穴技术，完井后在裸眼煤层地段用工具、水力或者负压方等方式造成空穴，可以很好地解决出煤粉的问题，消除已经出现的地层损害，提高裂缝系统的渗透率。美国圣胡安盆地煤层气开发实践表明，裸眼洞穴技术水力压裂技术产能更高。裸眼洞穴完井过程中不会对储层产生伤害，造穴过程中的扩孔过程能够消除前期钻完井过程中所产生的地层伤害［1-3］。选择造洞穴方式，不仅与前期洞穴形状、井壁的稳定密切相关，而且直接影响到后期的经济效益和增产效果。此次研究中，主要研究洞穴完井造穴的方式及优选方法。

1 裸眼造洞穴技术应用现状

目前国内外煤层气开采的裸眼洞穴技术主要有4种方式，其优劣对比见表1。

表1 洞穴完井造穴方式对比

(1)人工动力造穴技术。用一部经过特殊改造的钻井或完井作业机穿透煤层，通过配备的几台大功率空压机、旋转头及地面复式管路系统，将大量空气压入井内，经过多次快速憋压和放喷，造成剧烈的井内压力激动，最后使煤层崩落形成洞穴。

(2)水力射流造穴技术。运用水力射流原理，在钻具下部连接水力喷射装置，使循环钻井液在煤层实现水力射流冲割，形成一定的煤层洞穴。

(3)机械工具造穴技术。一般是采用机械扩眼方式，通过某种控制方式使造穴工具的刀杆张开，并在钻具的带动下旋转，切削煤层形成满足实际需要的洞穴。

(4)化学造穴技术。选择镜质组反射率Ro，max小于0.6%的煤储层，在地面配制碱溶液，沿钻井通道泵注到煤层段，浸泡一段时间后，重复浸泡洗井作业并循环多次，直至煤层段坍塌达到设计要求的洞穴规模［4］。

2 裸眼造洞穴技术效果分析

2.1 人工动力造穴

一般人工动力造穴在目的煤层形成3类区域，即破坏带区域、塑性带区域和原始地层区域。在煤层破坏带区域，煤层应力几乎全部受到破坏，煤层丧失承载能力。在煤层塑性区，煤层之间的原始应力状态也遭到严重破坏，煤层会沿着最大有效应力方向或地层强度最小的方向产生张性破裂。应力的释放使得煤的比表面积增加了许多具备自支撑特点的微裂缝，这些微裂缝在短期内不会闭合，此现象均有利于煤层甲烷气的解析和渗流。

陈添等人研究了多物理场模拟煤层洞穴完井的过程，得到了历经不同增压、卸压循环周期后煤层的拉伸破裂带与塑性破裂带半径［5］。

对拉伸破碎带和塑性破碎带做多项式回归，以y表示塑性破裂带半径，以x表示拉伸破裂带半径:

式(1)表明，根据拉伸破裂带的半径可以估算出塑性破裂带的半径，从而确定洞穴完井的影响范围。

2.2 水力射流造穴

水力射流造穴技术是根据水力射流的原理，用钻具将特定射流装置送入造穴井段，开泵循环，液流经过小径喷嘴时会产生流速很高的流体射向井壁，产生足以切割煤岩体、破坏井壁的冲击力从而形成洞穴。运用目前水力射流的各类方法，还不能准确判定射流所造洞穴的直径和形状。现场应用情况表明，水力射流造穴技术所造洞穴的直径偏小，一般不大于700 mm。

2.3 机械工具造穴

煤层气机械造穴工具包括随钻扩孔工具和裸眼扩孔工具。随钻扩孔工具结构具有局限性，不能满足大直径造穴的应用需求，因而不适用于大直径洞穴;裸眼扩孔工具虽然可以很好地适应大直径造穴的需要，但在之前的扩孔及造穴操作中，基本上只完成过直径200～800 mm的扩孔作业。

为了满足不同直径洞穴造穴作业的要求，渤海钻探研究院研制出一种超大直径的机械造穴工具，并在新疆克拉玛依油田超浅层稠油井(F200VP井)成功实施了1 000 mm直径扩孔段长达11.1 m的扩孔施工作业［6］。之后改进了现场造穴工具，能够完成超大直径(1 000～2 000 mm)的扩孔任务。

2.4 裸眼化学造穴

运用裸眼化学造穴技术时，首先需要选择镜质组反射率Ro，max小于0.6%的煤储层，然后在地面配制碱溶液，用钻井作业方式使碱溶液沿着通道泵注进入层段并浸泡一段时间，最后通过洗井作业方式使坍塌的煤屑返排到地面。操作当中，重复浸泡和洗井作业并循环数次，根据返排的煤屑重量计算煤层坍塌直径，直至煤层段坍塌直径达到设计的洞穴规模。

若煤层未经增产措施处理，当以一定的压差进行采液时裸露煤层在单位长度上形成的球形洞穴半径r可用式(2)表示:

式中:A— 常数，取6×105;

K— 渗透率，μm2;

ψ—孔隙通道的通过系数;

pp— 地层压力，MPa;

pb— 井底压力，MPa;

C—内聚力系数，MPa;

Me— 有效孔隙度，%;

Mp— 总孔隙度，%。

我们曾在实验室进行以下研究:将褐煤岩芯用OH-质量浓度为1.5 mol/L的NaOH溶液浸泡6 h，取出洗净煤粉;重复3次之后，测得其渗透率K1=3.51 K，内聚力系数 C1=0.32C，孔隙通过系数 ψ1=1.13ψ，这里 K，C，ψ 分别为未经 NaOH 处理前的渗透率、内聚力系数和空隙通过系数。理论上，化学造穴半径r1为裸眼而未做任何增产措施井眼半径的5.17 倍。

3 产出效果对比

为了对比造穴方式对产能的影响，本次研究采用eclips软件建立模型，模拟近20 a的期间产量走势。图1为产能对比曲线。

图1 产能对比曲线

由图1可以看出，人工动力造穴方式增产量最大，远超其他几种增产方式。这是因为，洞穴外的剪切破坏带和张性破坏带的煤块发生松动或破碎，形成纵横交错的微裂缝，大大提高了渗透率。同时，应力释放、煤比表面积增加及一些微裂缝自支撑的特点，也有利于煤层甲烷气的解析。相比之下，机械造穴、水力造穴和化学造穴增产主要是通过造成的洞穴增大渗流面积，而远端的煤层没有或很少受到应力波动，故这几种增产方式都不如人工动力增产效果明显。

4 地质适应性分析

通过分析国内外洞穴完井的应用情况，总结影响洞穴完井的条件。

4.1 煤阶

随着煤阶的提高，煤的割里间隔缩小，随着割里密度的加大，煤的力学性能也会发生变化。当镜质组反射率Ro小于0.75% 时，煤易成块;当镜质组反射率Ro大于0.75% 时，煤易破碎。这种变化规律有利于洞穴的形成，运用机械、水力和人工动力等方式都容易造成洞穴，但化学造穴技术必须应用于镜质组反射率Ro小于0.6% 的煤层。当 Ro小于0.6%时，煤中含有大量可被碱溶解的腐植酸等有机物，在化学造洞穴过程中，经过碱溶液的浸泡，大量有机物溶出，煤体力学强度急剧降低，在有压差的情况下煤体容易垮塌而形成洞穴。

4.2 煤层厚度

较厚的煤层能够形成较大的洞穴，在形成洞穴的过程中不易穿破煤层而造成顶底板出水，且厚煤层有利于形成较长的诱导裂隙，利于煤层气的解析和运移。

根据实践经验，煤层厚度宜10 m以上，但5～10 m的储层采用洞穴完井后也可取得比较好的强化效果。在较薄的煤层，目前还没有证据表明采用洞穴完井方式能够显著提高其产能。

4.3 渗透率

煤层的渗透率越高，越适合进行洞穴完井。除了煤的孔隙以外，自然裂隙对煤层气的运移能力有直接的影响效果。自然裂隙不仅能为人工动力注入阶段的压力传递提供良好通道，而且对煤层的可钻性有一定影响，在机械和水力造穴时也利于煤岩岩体的破碎和裂纹的扩展。

现场实践经验表明，煤层的渗透率在20×10-3μm2以上时，实施造洞穴作业后增产效果非常明显。

5 结语

人工动力造穴技术的产能提升效果明显，但是其对技术人员的操作能力要求较高，成本也相对较高，且对煤层物性有一定要求。在实践中，此技术有待进一步完善。

化学造穴技术是一种新型的造穴方式。从实验和模拟结果来看，其效果优于水力造穴，但其地质适应性较差，应用范围较窄，现场实践效果有待进一步验证。

机械造穴技术相对较简单，地质适应性强，费用较低。综合各因素来看，这是一种较好的造穴方式。

相对于其他几种方式而言，水力造穴技术增产效果最差，且技术难点有待突破，目前此方式尚不适用于洞穴完井。

［1］蒋海涛，周俊然，董颖，等.煤层气井复合造穴技术研究及应用［J］.中国煤层气，2011，8(6):42-45.

［2］康园园，邵先杰，石磊，等.煤层气开发技术综述［J］.中国煤炭地质，2010，22(8):43-46.

［3］Wold M B，Davidson S C，Wu B.Cavity Completion for Coalbed Methane Stimulation-an Integrated Investigation and Trialin the Bowen Basin，Queensland［G］.SPE30733，1992.

［4］河南理工大学.一种煤层气井裸眼化学造穴方法:中国，CN103061734［P］.2013-04-24.

［5］陈添，汪志明，杨刚，等.造穴方式对煤层气洞穴完井影响评价［J］.科学技术与工程，2012，12(33):8832-8840.

［6］刘树林，张学红，刘吉成，等.基于ADAMS的煤层气井机械造穴工具连接销动力特性研究［J］.机械设计，2011，49(559):44-48.