晋城矿区郑庄深部煤层L型水平井增产改造技术

信 凯，季长江，魏若飞

(1.山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 048000; 2.河南理工大学, 河南 焦作 454003; 3.煤与煤层气共采国家重点实验室, 山西 晋城 048012)

我国自20世纪90年代初开展煤层气开发以来，经30余年的发展，逐步向埋深800 m以深的区域扩展。随着埋深增加，地应力显著增大，渗透性变差，给煤层气开发带来较大的挑战。常规直井在深部煤层气开发中，煤层段井径扩大明显，固井水泥环厚度增加，井筒周围煤储层污染带扩大[1-2]。同时，地应力增大造成地层裂缝开启困难，裂缝扩展延伸范围受限，各因素综合作用致使直井在深部煤层气开发中压裂改造效果有限，绝大多数井产气效果不理想[3-5]。

煤层气水平井具有煤体揭露面积广，压裂裂缝延展范围大，煤层泄压供气能力强，产气潜力高等优点[6]。目前已逐步应用于煤层气的开发中，并取得了较为理想的效果[7-10]。对煤层气水平井的钻井[11-13]、压裂[14-16]和排采管控[17-18]等都开展了一定的研究，有效提升了煤层气水平井的产气能力。但针对水平井在深部煤层气开发中的研究，特别是在深部低产煤层气井的增产改造中的研究相对较少。晋城矿区郑庄区块由于埋藏深度大，垂直井产量低，导致整个区块产气效果不理想，特提出将煤层气水平井技术应用于低产区的改造增产中。

1 郑庄区块概况

晋城矿区郑庄区块位于沁水复向斜轴部南端一带，处于晋获褶断带西部、沁水盆地南缘东西―北东向断裂带的北部。地层走向南北，倾角5～15°，断层稀少，无岩浆岩侵入，构造程度简单。

区块主采煤层为山西组3号和太原组15号，目前，煤层气开发最多的是3号煤。该煤最大镜质体反射率Ro,max=3.27%～3.98%，为无烟煤，煤体结构以原生结构煤、碎裂煤为主，少量发育碎粒煤[19]。3号煤层埋深560～1 100 m，平均埋深805 m，南部埋深浅，北部埋深大，煤层平均厚度5.3 m，平均气含量19.34 m3/t；15号煤层平均埋深930 m，南部埋深浅，北部埋深大，煤层平均厚度4.4 m，一般含1～2层泥岩夹矸，平均气含量19.79 m3/t。目前，郑庄区块已施工直井和定向井共计499口。其中，产气量小于500 m3/d的井占总井数的60.12%，产气量大于1 000 m3/d的井仅占总井数的2.2%。因此，区块直井和定向井产气效果不理想，经济效益差。主要原因是该区块煤层埋深大，地应力高，造成储层渗透率低。注入/压降试井结果显示，该区3号煤层渗透率为(0.01～0.50)×10-3μm2，属低渗储层。南部埋深小于700 m的区域，煤层渗透率为(0.3～0.5)×10-3μm2，北部埋深800～1 100 m的区域，煤层渗透率则小于0.1×10-3μm2[19]。

2 水平井增产改造技术

2.1 基本原理

鉴于郑庄区块煤层渗透率随埋藏深度与地应力的增加下降明显，多数煤层气直井与定向井的产量低，开发效果差。而煤层气水平井则具有延伸距离远，控制范围广等优势，能最大程度地沟通煤储层原始裂隙，扩大井筒与煤储层的接触面积，增加煤层气的渗流通道。同时，为充分利用区块老井的压裂改造作用，提高老井利用效率，充分挖掘老井潜力，最大程度地提升水平井的增透改造效果，降低整体投资。特提出了“L型水平井串联压裂增透改造技术”,见图1，即在现存的多口地面低产老井间施工一口L型水平井，通过水平井的压裂改造，有效沟通原直井的压裂影响区，从而扩大水平井的裂缝扩展面积和压裂影响范围，大幅提升储层渗透率。同时，在生产排采中，进一步增加井间干扰程度，形成体积效应，达到整体卸压的效果，增大煤层气解吸范围，提升煤层气井产量。

图1 L型水平井串联压裂增透改造技术示意

2.2 井位布设原则

1) 在充分分析地面低产直井钻井、测井、压裂和排采等数据的基础上，选择固井质量好、钻井污染小、累计产气量低、剩余资源大的直井为目标井，将水平井布设其间。使水平井的压裂影响范围最大程度与原直井的压裂影响范围沟通，扩大水平井控制范围。

2) 结合区块最大主应力方向和煤层原始裂隙发育特征，尽可能使水平井方向与最大主应力方向垂直，既可以最大程度地沟通煤储层原生裂隙，又利于后期压裂裂缝沿最大水平主应力方向扩展，提高煤层气水平井的控制范围和改造泄压面积，改善低渗透煤层的渗透性。

3) 根据煤层倾角，尽可能保证水平井的水平段轨迹逆煤层倾向钻进，即水平段末端处于高处，着陆点处于低处。利于水平段压裂液和地层水的产出，为排采降压提供便利条件。

2.3 射孔段综合评价与优选方法

煤层气水平井压裂射孔段的选择应充分利用钻井过程中的伽玛、气测录井、钻时及岩屑等数据，结合对应深度的测井数据，绘制水平井眼综合轨迹剖面图(图2)，进行对比分析。综合不同水平段的全烃值、岩性、煤体结构等数据，评价其可压裂性，完成压裂段的优选。

图2 水平井眼综合轨迹剖面

煤层气水平井压裂层段选取原则：①选择煤层段气显效果较好的位置作为射孔压裂位置，保障良好的产气潜力；②确定合理的压裂段间距，既能实现排采降压过程中各压裂段间的相互干扰，提高水平段的整体降压控制范围，又要避免压裂过程中各压裂段间的串层；③压裂点尽可能选在煤层中部，避开顶板、底板、夹矸等井段，对泥质含量相对较低、气测显示相对较高、钻时较低的区域进行压裂(见图3)。

图3 煤层气水平井压裂层段优选

2.4 压裂改造技术

综合压裂改造效果、技术特点和经济性等因素，选择连续油管底封拖动分段压裂技术进行水平井压裂。通过连续油管喷砂射孔，环空加砂进行压裂，连续油管底部的封隔器在水力喷射产生“水力封隔”作用的基础上进一步提升了封隔能力，保证了每个射孔段的压裂效果，避免了压裂串层。连续油管底封拖动分段压裂技术对井身结构尺寸和完井方式要求较低，射孔压裂位置选择灵活，分段数不受限制，可以实现一趟管柱完成数层压裂作业，提高了压裂效率，结构示意见图4。

图4 连续油管底封拖动分段压裂技术示意

图5 ZHL-01井井位关系

2.5 实例与增产改造效果评价

选取郑庄区块中较为典型的ZHL-01号L型水平井为例进行分析，该井位于区块西北部，穿过zh-01、zh-02、zh-03、zh-04、zh-05、zh-06等6口直井，且均已不产气。ZHL-01井目的层为山西组3号煤，埋深834.7 m，水平段长度800 m，煤层钻遇率94.8%，其中非煤段深度为1 140～1 173 m。采用上述水平井压裂段优选方法对水平段进行优选，最终选择9个深度作为射孔压裂位置，见表1。

表1 ZHL-01井水平段射孔位置优选

该井于2019年9月5日完成压裂，压后取得了较好的产气效果。目前产气量稳定在14 000 m3/d左右，套压1.44 MPa，是常规直井产量的近30倍，井史生产数据见图6。

图6 ZHL-01井排采生产曲线

3 结 语

1) 晋城矿区郑庄区块煤层气直井产气效果差，制约了区块煤层气开发的整体效果。

2) 提出的“L型水平井串联压裂增透改造技术”及相应的井位布设原则、射孔段综合评价与优选方法、连续油管底封拖动分段压裂技术既提高了水平井的压裂改造效果，又可以最大程度沟通老井压裂影响区，扩大了泄压产气面积。

3) L型水平井串联压裂增透改造技术试验取得了显著的增产效果，产量是常规直井的30倍，大幅提升了郑庄区块的煤层气开发效率，推广应用潜力巨大。