穿煤柱水平煤层气井工程开发与实践

李 浩

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048200)

1 煤层开采技术

目前常见的煤层气开发技术体系主要有以下三个阶段：

1.1 钻井技术

煤储层一般具有低孔低渗的特点，会导致大量煤层气在开采过程中流失掉，降低煤层气开采的产量。如果采用常规直井开采方式，即使后续进行压裂作业，也不能保证水平井产量。因此，根据煤层气储层特点，逐渐形成了多分支水平井钻井技术，欠平衡钻井技术，超短半径水平井钻井技术，U型井、L型井钻井技术等，将这些技术应用到煤层气水平井开发实践中，大大增加了气井与煤层接触面积，提高了煤层气井单井产能。

1.2 压裂增产技术

煤层压裂改造作为一种重要的强化增产措施，在国内外煤层气开采过程中得到了广泛的应用，尤其是低压低渗地区。煤层压裂改造的实际意义在于通过实施压裂，可以十分有效地将井筒与煤层天然裂隙沟通，提高了煤层至井筒的导流能力，扩大了排水降压范围，从而有效地提高了煤层气产量和采收率。

在水平井开发过程中，形成了多种增产改造工艺方法，目前主要有以下三大类分段压裂方式：水力喷射分段压裂、滑套分段压裂和泵送桥塞分段压裂。

1.3 排采选择与控制

煤层气的产出机理决定了煤层气井必须进行排水降压，才能达到产气的目的。合理的排采制度和精细的排采控制是保证煤层气井排采成功的关键因素。

1.3.1 泵的选择

开采煤层气排水的方法有杆泵、螺杆泵、电潜泵、气举、水力喷射泵、泡沫法及优选管柱法等。在垂直井中我国目前主要采用有杆泵、螺杆泵、电潜泵来实现油管排水，套管采气。适宜在斜井或水平井(工程井)中的排采设备主要有电潜泵、电潜螺杆泵、液压泵和射流泵等。

1.3.2 排采工艺技术

煤层气排采工艺技术体现在两个方面：合理的排采制度和精细的排采控制。

井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数，煤层气的产出机理决定了只有降低井底流压至临界解吸压力以下，才能有解吸气体的产出。较低的井底流压，有利于增加气的解吸速度和解吸气体量。制定合理的排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据。

2 穿煤柱水平井主要研究内容

2.1 穿煤柱钻井技术

综合运用煤层气地震勘探技术和测井技术，准确穿越中间煤层找到目的层。

2.2 水平井钻井工艺与技术

1) 水平井井身结构设计。

2) 钻井施工方式及位置优选。根据实验地质条件，地面钻井采用三开以上定向钻井工艺，以导气裂隙带为钻遇目的层，沿运输大巷向切眼位置方向进行钻进。

3) 钻井液设计优选。根据钻遇层地岩性条件，钻井液的选择以稳定井壁和保证施工安全为主，确保造斜段和水平段不出现垮塌。

4) 钻井施工中事故处理安全预案。分析考虑确定钻井施工过程可能的安全隐患，进行事故处理安全预案设计。

2.3 水平井压裂技术

煤层压裂改造作为一种重要的强化增产措施，在国内外煤层气开采过程中得到了广泛的应用，尤其是低压低渗地区。煤层压裂改造的实际意义在于通过实施压裂，可以十分有效地将井筒与煤层天然裂隙沟通，提高了煤层至井筒的导流能力，扩大了排水降压范围，从而有效地提高了煤层气产量和采收率。

在水平井开发过程中，形成了多种增产改造工艺方法，目前主要有以下三大类分段压裂方式：水力喷射分段压裂、滑套分段压裂和泵送桥塞分段压裂。考虑实际情况和以往施工经验，该井利用连续油管带底封拖动工艺实施水力喷射分段压裂。

2.4 抽采工艺

1) 确定合适的抽采设备及配套设施，通过实验井抽采效果确定合理的抽采工艺。

2) 确定合适的排采制度。

2.5 成果与推广

1) 总结穿煤柱水平井施工工艺，形成一套穿煤柱水平井施工方案。

2) 在合适矿区进行推广应用。

3 关键技术运用

3.1 穿煤柱钻井技术

通过运用煤层气地震勘探技术，利用地震波运动学和动力学特征研究煤岩层岩性，将油气勘探中的储层预测理论、双相介质理论、各向异性介质理论与煤田地震资料的特点相结合，把地震属性技术、方位各向异性技术、弹性波阻抗反演技术等作为主要手段，进行目的层预测；通过裸眼井测井，划分地层、判别岩性；解释煤层深度、厚度及结构；求取目的煤层的固定碳、灰分、水分的质量分数；求取其他岩层的砂质、泥质和水分(孔隙)的体积分数；进行目的煤层及其围岩的含水性、渗透性分析。从而寻找中间煤层应力稳定区域，选择确定着陆点方位。

3.2 钻井工艺研究

根据试验地质条件和目的煤层15#煤的特点，结合目前水平井钻井技术、设备及工具能力，采用“单弧剖面”(直-增-稳)三段制剖面形式。初步确定造斜率不大于7°/30 m，钻井轨迹在煤层中上部。穿煤柱水平井轨迹剖面图见图1。

图1 穿煤柱水平井轨迹剖面图

3.3 压裂工艺研究

工艺方面，连续油管带入喷砂射孔枪及座封底部封隔器，利用连续油管实施水力喷射射孔，再通过环空实施大型的压裂作业。逐级完成座封、射孔、压裂、解封上提工序，实施多层段压裂。图2、图3为两种常用系列底封封隔器。

图2 Y系列底封封隔器

图3 K系列底封封隔器

技术特点：

1) 一趟管柱可成功实施5段以内压裂改造。

2) 管柱结构简单，工具性能可靠，提高了施工效率和安全性。

3) 压裂油管排量：2.5 m3/min～ 4.5 m3/min，单只喷砂射孔器过砂能力不小于40 m3。

作业能力：针对吐哈油田致密油气藏、薄互层、水平井分段改造的技术需求，提高压裂效果。可完成直井一次连续改造5段(层)以内的压裂施工。满足压裂施工油管排量2.5 m3/min～4.5 m3/min的要求。

4 试验井井位选择

根据实验地质条件，在沁水盆地某区块优选井位，地面钻井采用三开以上定向钻井工艺，以导气裂隙带为钻遇目的层，沿运输大巷向切眼位置方向进行钻进。

穿煤柱L型井位置示意图如图4、图5所示， MZML-01井3#煤见煤点距离巷道482 m，15#煤着陆点距离巷道372 m。

图4 MZML-01井位布置图

图5 MZML-01井与巷道、千米钻孔位置关系

5 排采数据跟踪与分析

经过历时10个月以上的排采数据跟踪监测与分析(见图6)，总结如下：

抽采之初，螺杆泵频率由最初5 Hz逐步调整至20 Hz左右，通过排水降压，井底流压由1.2 MPa逐步降至1 MPa左右，后期产水量稳定在6 m3/d左右，日均产量稳定在1.2万m3以上，最高日均量达到1.56万m3。

图6 MZML-01井排采曲线

从日均产量、稳产期等排采效果来看，该井已达到既定目标，且运行平稳，继续创造着产量新高，为穿煤柱下组煤水平井抽采积累了宝贵成功经验。

6 结语

本次试验初步定在沁水盆地某区块，有赖于周边设备条件和地质条件都比较好，煤层气勘探开发较为成熟。试验取得成功后，可持续优化、完善穿煤柱水平井开发技术体系，并不断向周边、省内以至其他省份矿井进行推广。且从煤炭资源开发进程来看，许多矿区上组煤开发已接近尾声，下组煤因埋藏深、储层压力大、瓦斯组分同上组煤也呈现较大差异，因此下组煤开采面临很大的安全风险。下组煤水平井抽采示范工程的成功，取得的经济、社会、环保效益不仅有利于煤层气行业本身的发展，对各矿安全采煤预抽也提供了坚实保障，从而使得下组煤煤层气抽采具有更加广阔的开发前景。