（石油与天然气工程专业论文）樊庄区块煤层气井型优选与钻井方案评价.pdf

f a n z h u a n g b l o c kc o a l b e dm e t h a n e nt y p eo fw e l lo p t i m i z e d s e l e c t i o na n dd r i l l i n gs c h e m ee v a l u a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gj i a n t a o s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f z h a n gw e i d o n g 成果 本论 大学 对研 和电 送交 复印 复制 ，f 摘要 煤层气作为新兴能源已经在美国成功的开发利用，而它也将成为中国新的接替能 源。煤层气的勘探开发对我国的国民经济发展具有重要意义，它将改善我国的能源结构、 促进我国以煤炭为主的能源系统逐渐向环境无害的可持续发展模式转变，形成洁净能源 新产业。 本文是在调研国外与国内煤层气勘探开发现状的基础上，分析了不同煤层气开发方 式的技术特点、技术优势和存在问题，以及应用现状和应用效果，并根据不同开发方式 的技术、工艺要求，从地质、储层、地形和投资等方面研究了主要开发方式的适应性。 从提高樊庄区块煤层气开发效益出发，并结合樊庄区块的特殊地形地貌特点和煤层地质 情况，以及对邻井煤层气有关数据的分析对比，对樊庄煤层气开发常规直井钻井和小井 眼直井钻井技术方案进行了评价，推荐根据采气量选择相应的直井方案。对常规水平井 钻井方案与多分支水平井钻井方案进行评价，推荐采用多分支水平井方案。对丛式井钻 井方案进行了评价，推荐采用四井组丛式井方案。该研究成果对加快樊庄区块的煤层气 开发具有现实的指导意义。 关键词：煤层气，樊庄区块，钻井设计，方案评价 f a n z h u a n g b l o c kc o a l b e dm e t h a n e nt y p eo fw e l lo p t i m i z e d s e l e c t i o na n d d r i l l i n gs c h e m ee v a l u a t i o n z h a n gj i a n t a o ( p e t r o l e u ma n d n a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e i d o n g a b s t r a c t a san e we n e r g yc o a l b e dm e t h a n e ( c b m ) a l r e a d yi nt h eu n i t e ds t a t e s ，a n dt h e d e v d o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f s u c c e s s f u li tw i l la l s ob et h en e wc h i n e s er e p l a c ee n e r g y t h e e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o a l b e dm e t h a n eo no u rn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t , i t h a si m p o r t a n tm e a n i n gt oi m p r o v ec h i n a se n e r g ys t r u c t u r e ，p r o m o t eo u rc o u n t r ym a i n l yw i t h c o a le n e r g ys y s t e mg r a d u a l l yt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ym o d e l c h a n g e s ，f o r m i n gn e w c l e a ne n e r g yi n d u s t r y t h i sa r t i c l ei si nf o r e i g na n dd o m e s t i cc o a l b e dm e t h a n ee x p l o r a t i o ns u r v e yb a s e do nt h e d e v e l o p m e n ts t a t l l s ，a n a l y z e s t h ed i f f e r e n t w a y s o fc b md e v e l o p m e n t t e c h n i q u e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a la d v a n t a g ea n dt h ee x i s t e n c eq u e s t i o n ，a n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o n a n da p p l i c a t i o ne f f e c t ，a n da c c o r d i n gt od i f f e r e n td e v e l o p m e n tw a yt e c h n o l o g y , p r o c e s s r e q u i r e m e n t ，f r o mg e o l o g y , r e s e r v o i r , t e r r a i na n di n v e s t m e n ta s p e c t so fm a i nd e v e l o p m e n t w a ya d a p t a b i l i t y f a n z h u a n g b l o c k sf r o mi m p r o v i n gc b md e v e l o p m e n tb e n e f i t s ，a n d c o m b i n e dw i t hf a n z h u a n gb l o c k so nt h es p e c i a ll a n d f o r mf e a t u r e sa n dc o a ls e a mo fg e o l o g i c c o n d i t i o n , a n d 刎a c e n tc b m d a t aa b o u tt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc b md e v e l o p m e n t , f a n z h u a n gc o n v e n t i o n a lv e r t i c a ld r i l l i n ga n ds l i m h o l ev e r t i c a ld r i l l i n gt e c h n i q u es c h e m ei s e v a l u a t e d ，r e c o m m e n da c c o r d i n gt oa d o p tv o l u m ec h o o s ec o r r e s p o n d i n gv e r t i c a l w e l l s s c h e m e i nc o n v e n t i o n a lh o r i z o n t a lw e l ld r i l l i n gp l a na n dm u l t i p l eb r a n c h i n gh o r i z o n t a lw e l l d r i l l i n gp l a nt oe v a l u a t e ，r e c o m m e n d st h eh o r i z o n t a lw e l lh o w b r a n c h w e l ld r i l l i n gp l a nf o r p l e x u st y p ee v a l u a t e d ，r e c o m m e n du s i n gf o u rw e l l sp l e x u st y p ew e l l ss c h e m e t h er e s u l t so f t h es t u d yf a n z h u a n gb l o c k st oa c c e l e r a t et h ec b md e v e l o p m e n ti s o fg r e a tr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e o a l b e dm e t h a n e ，f a n z h u a n gb l o c k s ，d r i l l i n gd e s i g n ，s c h e m ee v a l u a t i o n 目录 第一章前言1 1 1 课题研究目的和意义。1 1 2 国内外研究现状。1 1 2 1 国外的研究现状2 1 2 2 国内的研究现状3 1 3 论文技术路线及主要研究内容5 第二章樊庄煤层气区块井型的适应性分析7 2 1 樊庄区块钻井地质条件7 2 1 1 勘探开发简况7 2 1 2 邻井煤层气有关数据8 2 1 3 樊庄区块已钻井工程情况简介8 2 2 煤层气井井型的适应性分析9 2 2 1 煤层气钻井井型优缺点分析9 2 2 2 煤层气不同井型的适应条件分析1 0 2 2 3 樊庄煤层气区块高渗区预测1 l 2 2 4 樊庄煤层气区块钻井井型的选择1 3 第三章直井钻井方案设计与评价1 5 3 1 常规直井钻井方案设计1 5 3 2 小井眼直井钻井方案设计2 3 3 3 方案比选2 9 3 3 1 两种方案的优缺点对比2 9 3 3 2 两种方案的经济性对比2 9 3 3 3 小结31 第四章丛式井钻井方案设计与评价3 2 4 1 四井组丛式井钻井方案设计3 2 4 1 1 丛式井平台设计3 2 4 1 2 井身结构方案3 2 4 1 3 井眼轨迹剖面设计3 3 4 1 4 钻具组合设计3 5 4 1 5 钻井液技术方案。3 6 4 1 6 固井技术方案3 6 4 2 九井组丛式井钻井方案设计3 6 4 2 1 丛式井平台设计3 6 4 2 2 井身结构方案3 7 4 2 3 井眼轨迹剖面设计3 7 4 3 丛式井方案评价3 9 第五章水平井钻井方案设计与评价。4 1 5 1 常规水井设平计4 l 5 1 1 钻井主要设备。4 l 5 1 2 井眼轨迹优化设计4 1 5 1 3 井身结构设计4 2 5 1 4 钻具组合设计与力学分析4 3 5 1 5 钻头选型4 6 5 1 6 钻井液设计4 6 5 1 7 固井设计4 6 5 2 多分支水平井钻井设计4 6 5 2 1 煤层造洞穴设计4 7 5 2 2 井眼剖面优化设计4 8 5 2 3 分支井眼设计4 9 5 2 4 完井方式的优选5 2 5 3 方案评价5 4 结论5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间取得的研究成果。5 9 致谢6 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言弟一早月u 苗 1 1 课题研究目的和意义 煤层气已经在美国成功的开发利用，作为一种新兴能源它也将在中国成为新的接替 能源之一。勘探开发煤层气将有力的促进我国的国民经济发展，开发利用煤层气将有力 的改善我国能源结构，使我国一直以来以开采煤炭为主的能源模式向洁净新能源产业模 式转变。同时，勘探开发煤层气也能从根本上防止煤矿瓦斯事故的频频发生，有力的改 善煤矿生产安全，大大减少煤层瓦斯排放导致的温室效应，对全球环境的保护也具有非 常重要的作用。 煤层气又称煤矿瓦斯，是煤层中产生的非常规天然气资源。我国的煤层气资源量 与我国常规的天然气资源量基本相当，预测储量大概在3 5 x 1 0 1 2 m 3 【1 1 。我国在煤层气领 域的勘探开发研究工作起步比较晚，仅有2 0 多年的历史。目前，我国已经初步掌握了 煤层气地质选区的评价、绳索获取煤心、实验测试方法、排采工艺和压裂等技术。但钻 井工艺与完井技术基本沿用了我国常规的油气井技术，在煤层气开采方面没有形成很大 规模的煤层气田。主要原因就在，我国复杂的煤层气地质条件；现有煤层气钻井工艺与 完井技术一直没能和我国煤层特性相适应【2 1 。 本文在对国内外煤层气勘探开发现状调研的基础上，系统分析了不同煤层气开发方 式的技术特点、技术优势和缺点，以及应用在国内外现状和应用效果，并根据不同煤层 气开发方式的技术、工艺设计要求，从地形、地质、储层和投资等方面研究了主要煤层 气开发方式的适应性。再结合樊庄煤层气区块的构造特征，以及对邻井煤层气有关数据 的分析对比，对樊庄区块进行直井、水平井、从式井三种不同井型的方案设计，通过研 究总结，初步形成一套基于国内现有装备和技术条件、适合樊庄煤层开发的各种类型的 钻井完井技术。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外主要还是以地面垂直井的方式来开采煤层气，同时也在大力发展诸如 丛式井、水平井、u 型井以及羽状多分支水平井的多种煤层气开发方式。能否选择合理 的煤层气开发方式已经成为勘探开发煤层气成功与否的关键所在，在煤层气开发中需要 进行重点研究分析。由于美国煤层的渗透率很高而且煤盆地的构造非常简单等原因，在 美国采用不同的煤层气开发方式都能有较好的经济效益，煤层气井的产气量都普遍较 高，成为世界上煤层气产量最多的国家【3 1 。但是在我国，由于煤层的渗透率普遍较低， 第一章前言 煤盆地构造非常复杂，对我国的煤层气开发技术水平要求较高，使得我国需要重点考虑 选择更合理的开发方式能更有效地开采煤层气。因此，需要研究适合我国煤层地质特点 的煤层气开发方式，根据不同开发方式的适应性来解决当前我国煤层气勘探开发中发现 的难点，有效的指导我国未来的煤层气开发具有举足轻重的意义。 1 2 1 国外的研究现状 美国是世界上煤层气勘探开发最成功也是技术最成熟的国家。目前美国煤层气产量 约占当年天然气总产量的7 。在上个世纪7 0 年代，美国的煤层气开始起步，在开采圣 胡安和黑勇士盆地的煤层气资源获得了成功；9 0 年代以后，在开发犹因塔和粉河等盆地 的煤层气也相继获得了成功。截至2 0 0 6 年时，美国的煤层气生产井数量为3 5 万口，每 年产煤层气5 6 0 0 x1 0 8 m 3 4 1 。美国主要采用了地面垂直井方式来勘探开发煤层气，在部分 地区实施了一定数量的羽状多分支水平井和少量的地面采动区井。 在美国的黑勇士和犹因塔等盆地，煤层气勘探开发多采用地面垂直井方式，为了增 加煤层气井的产量普遍应用了射孔压裂的增产措施。在犹因塔盆地，煤层气的平均产气 量一般，大概在2 8 0 0 m 3 d 左右，最早勘探开发的31 2 1 井在压裂后排采1 年左右，单井 产气量大概在1 0 0 0 m 3 d 左右，随后煤层气井逐渐增加至2 31 2 1 ，持续排采了4 年左右， 每1 2 1 井的产气量逐渐扩大到了5 0 0 0 m 3 d 以上，在以后的大规模生产阶段，产气量有的 甚至超过了2 0 0 0 0 m 3 d ；在美国黑勇士盆地，煤层气井产量大概都在3 0 0 0 m 3 d ，但是在 实施增产措施后，最高单井产量甚至高达8 4 9 5 m 3 d 。在美国的粉河盆地不用采取射孔压 裂等增产措施，使用裸眼完井方式就可以达到高产，单井产气量普遍较高，最高产气量 达到了2 8 0 0 0 m 3 d r 5 】；而在圣胡安盆地则普遍采用裸眼洞穴法完井方式后气井产气量较 高，比采用地面垂直井开发提高了6 倍左右，但在不属于煤层气富集区的地方，洞穴完 井技术增产效果并不明显。目前，洞穴完井技术只可应用在煤层厚度大、硬度高并且煤 层渗透率以及煤层气含量高的地区。 近年来，煤层气定向井是引自石油天然气系统并成功应用在煤层气开发的技术，非 常适合开发低压低渗透的煤储层。煤层气定向井相比地面垂直井的开发优势有：提高了 导流能力；减少钻井工程占地保护环境；减少搬迁与地面管线等费用；无需压裂增产， 煤层气采出程度高：大大增加煤层气的供给范围；经济效益较好，投资回收期短。缺点 是：增大了煤层裸露面积，造成煤层容易垮塌发生井下事故。煤层气定向井开发方式包 括水平井、u 型井、羽状多分支水平井和丛式井等。 目前，国外水平井技术的发展趋势：一是单口水平井向多分支、多底井水平井转变； 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 二是欠平衡钻井技术的应用，可以加快机械钻速，减少钻井液对煤层损害，解决井下矛 盾，使水平井与多分支井更够使用简单的完井方式达到高产。经过多年的生产实践应用， 煤层气开采领域越来越多的应用水平井开发方式。 近年来由美国c d x 公司研发的羽状多分支水平井技术，并在美国得到了推广应用， 比较适合开发低压低渗透的煤储层。该技术已成功地应用于美国多个地区的煤层气开 采，单井产量非常高，达到了常规井的1 0 2 0 倍，3 5 年煤层气采出程度就可达7 0 左 右。近年来，c d x 公司在美国阿巴拉契亚盆地进行了近百口羽状多分支水平井的应用， 在这些低渗透煤层中开采煤层气取得了相当显著的成效，单井产气量比直井产气量提高 了近2 0 倍【6 】。羽状多分支水平井在圣胡安盆地也得到应用，实施的2 口羽状多分支水平 井，效果显著，单井产气量非常高。但是煤层气羽状多分支水平井并不是在任何地质条 件下都能取得非常好的开发效果，它一般在煤层比较厚而且呈连续分布的煤层中能起到 较好的效果，特别是在低渗透储层中效果更好，但是在排水孔隙特别发育的煤层中或煤 层零星分布在砂岩或石灰岩的储层中的开发效果不太好。 丛式井是近年来引自油气田开发的一套新技术。丛式井技术能够有效地解决地下井 位与地面建筑物、地形地貌之间的矛盾。具有不受地面障碍限制、可增加井筒出油面积、 减少施工征地、方便日常管理等优点，在世界各地油气田开发中得到迅速发展。但是， 由于美国大陆的区域地质构造比较稳定，煤层渗透率高，煤层埋藏较浅，构造简单，又 基于羽状多分支水平井在美国煤层气开发的大量应用，配套设备和技术水平都非常成 熟，所以煤层气丛式井的应用较少。 1 2 2 国内的研究现状 在国外，尤其是美国已经有了一套相当成熟的适合本地煤层气开采的理论体系和技 术，在我国的山西等省份也根据本地的地质构造创建了适用本地的煤层气开采技术和方 法。然而，不同的地质构造特征决定了不同的煤层气开采方式，这就要求我们不能简单 照搬国外和国内现成技术经验，必须找到适合本地地质特征的煤层气开采技术方法。 近年来的研究表明，我国的煤储层的特点为“三低一高”，既：低压、低渗、低饱和 及高吸附性。这些特征使得我国大规模开发煤层气藏带来了巨大困难。目前国内开采煤 层气的钻井技术主要有常规直井、丛式井和多分支水平井( 即：羽状分支水平井) 。钻 井液循环介质主要有水基钻井液和油基钻井澍7 】。 在我国，地面垂直井是煤层气勘探开发的主要方式，采取压裂增产的强化措施效果 比较显著，近年来增加了大量的煤层气地面垂直井。在我国煤层气勘探开发最热的沁水 3 第一章前言 盆地，已形成了樊庄、柿庄、潘庄、潘河和阳泉寺家庄等煤层气开发区，在这些地区开 采煤层气主要应用了地面直井与套管完井方式，单井平均产气量在2 0 0 0 m 3 d 左右，最 高产气量高达1 6 0 0 0 m 3 d 。在沁水盆地南部的裸眼完井试验表明：从煤层气井产气效果 分析，采用裸眼完井的效果要优于套管完井，但是在排采过程中裸眼完井的煤层气井会 出现许多问题，例如煤层垮塌、堵塞生产筛管，而且煤层气井维修频率非常高【8 】。 目前国内煤层气田勘探环境的特征是：勘探区地处丘陵或山地，交通不便，山高坡陡， 便道路远湿滑，简易公路坡陡弯急，煤田地质条件比较复杂，煤储层岩石压力强度低， 易造成井下情况复杂和井下事故，煤储层保护技术难度大，煤层取心技术难度大，勘探 单井产量低。因此，应用油气钻井技术勘探煤层气所付出的费用是不经济的。然而小井 眼应用于煤层气钻探可大大降低钻井费用，是一种经济高效的钻探技术。因此为降低煤 层气钻井成本，小井眼钻井技术开始在煤层气的开采中研究与应用，包括对小井眼钻头、 钻机、煤层保护、小井眼取煤芯等的研究。 从国内煤层气开采情况可以看出，多分支水平井方案开采煤层气的投资回收期尚低 于直井方案，在我国目前条件下采用多分支水平井开采煤层气可以提高生产效率但还不 能实现高于直井开采的经济效益 9 】。采用多分支水平井技术开采煤层气相比直井开采虽 然提高了煤层气产量，但是在投资方面由于该技术我国尚未掌握，钻井所需的核心设备 以及配套的服务尚不能自给自足，需要从国外引入，导致煤层气钻井投资成本过高而难 以获得较好的经济效益。 采用丛式井技术能够较好的解决地面地形条件较差，排采管理较困难，钻前工作量 大的问题，在开采煤层气方面取得较高的综合效益。 丛式井是指在一个井场或平台上，钻出若干口甚至上百口井，各井的井口相距数米， 各井井底则伸向不同方位。丛式井主要有以下优点：可加快油田勘探开发速度，节约钻 井成本，节省占地面积，便于完井后油井的集中管理，减少集输流程，可以提高机械化、 信息化水平。丛式井技术己在国内外得到广泛地应用，成为当今世界石油工业降低综合 成本的重要技术手段之一。目前长庆油田和延长油矿在陕北、陇东和宁夏盐池等地广泛 应用丛式井进行浅层油田的开发。同时随着海洋石油资源的开发，丛式井在海洋平台上 正得到长足的发展。近几年山西蓝焰煤层气公司通过多年的摸索与现场实践，在煤层气 开发中成功采用了丛式井技术，并取得了良好的开发效果【l 们。 丛式井技术在地面条件较差地区应用前景大，进行丛式井组选择时应综合考虑各种 因素，扬长避短，降低勘探开发难度，提高及综合效益，加快我国的勘探开发进程。但 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 是在现在的钻井设备和人员及技术条件下，丛式井的井眼轨迹控制、中靶精度等工程技 术难度相对较大，因此开展煤层气丛式井组的研究对于国内开采煤层气具有重要意义。 1 3 论文技术路线及主要研究内容 根据樊庄煤层气区块的基本情况，借鉴国内外开发煤层气的各种井型的经验，通 过对樊庄煤层气区块的构造特征的调研分析，以及对已钻井煤层气有关数据的分析对 比，对樊庄区块进行直井、水平井、丛式井三种井型的方案设计，通过研究设计，初步 形成一套基于国内现有装备和技术条件、适合樊庄煤层开发的各种类型的钻完井技术。 论文工作技术路线如图1 1 所示： 国内外发展现状分析樊庄区块钻井地质条件结合樊庄现场生产 j 一一 樊庄区块煤层气井型的适应性分析 1 l、 ， 上 直井方案设计与评价丛式井方案设计与评价 水平井方案设计与评价 l 0上j r 1r ， 常小 四九 常 多分支水平井设计 规井 井井 规 尘 直眼 组 组 水 井直丛 丛 平 造井分 钻 井 式式 井 洞眼支 井钻 井井 钻 穴剖 井 方并 钻钻 井 设 面眼 案方 井井 方 计优 设 案 设案 方 方化 计 计设 案 案 设 计 设设 计 计 计 上 完井方式的优选 上上 、p 上 直井方案评价丛式井方案评价水平井方案评价 图1 1 论文的技术路线图 f i g l 一1t h es c h e m a t i co fs t u d yp a t ho ft h ep a p e r 论文主要内容如下： ( 1 ) 根据樊庄煤层气区块的基本情况以及对已钻井煤层气有关数据的分析，对樊 5 第一章前言 庄区块煤层气井型作适应性分析，找出适合樊庄煤层气区块的钻井方式。 ( 2 ) 对樊庄煤层气区块进行常规直井钻井方案和小井眼直井钻井方案的设计，通 过对两种备选方案的优缺点进行分析对比，为樊庄区块的直井钻井提供方案的选择依 据，以便更经济有效地开发该区块。 ( 3 ) 对樊庄煤层气区块进行丛式井钻井方案的设计，通过对丛式井组技术的调研 和研究，找出比单井开发更经济，更适合樊庄煤层气开采的钻井方式。 ( 4 ) 对樊庄煤层气区块进行水平井钻井方案的设计，通过设计研究找出适合樊庄 煤层气区块水平井钻井的方案。 ( 5 ) 通过对樊庄煤层气直井、水平井、丛式井的设计对比、现场应用对比、经济 效益评价对比初步形成一套基于国内现有装备和技术条件、适合樊庄煤层开发的各种类 型的钻完井技术。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章樊庄煤层气区块井型的适应性分析 2 1 樊庄区块钻井地质条件 樊庄区块位于我国沁水盆地东南部斜坡，总体构造形态是一北西倾斜坡带，地层倾 角在2 7 0 之间，平均4 0 左右，地层宽阔平缓。该区断层不发育，仅在西南部分布有断距 大于2 0 m 的断层，主要存在寺头断层和一些与之伴生的次一级断层，表现为一组北东向 东西向正断层形成的弧形断裂带。区块内低缓、平行的褶皱发育普遍，褶皱的面积和 幅度都不大表现为近南北和北东向，背斜程度一般不大于5 0 m ，延伸长度一般在5 10 k i n 左右，表现为典型的长轴线性褶皱【l l 】。 2 1 1 勘探开发简况 ( 1 ) 勘探简况 沁水煤层气田位于沁水盆地南部，是石炭二叠系煤炭资源富集区，煤层含气量高， 煤层气资源丰富。该区以寺河后城腰弧形断裂带为界，以西为郑庄区块，以东自北向南 依次为柿庄区块、樊庄区块、潘庄区块。断裂带以东煤层埋深较浅，煤田勘探程度较高， 已钻煤孔数百口，煤孔孔距2 5 0 3 0 0 m ，潘庄已达到精、详查阶段。樊庄、柿庄区块为 煤田普查勘探区，孔距3 - 4 k i n ，全区均匀分布。西部郑庄区块自1 9 9 6 年以来开始进行 煤田普查勘探，以钻探为主，辅以二维浅层地震，已钻煤孔5 口，孔距4 8 k m ，勘探程 度为找煤普查区。 中石油股份公司在沁水煤层气田樊庄区块主体拥有采矿权1 0 7 3 k m 2 ，在樊庄、郑庄 区块拥有探矿权9 8 2 7 k i n 2 。煤层气勘探始于上世纪九十年代中期，是在已有煤田普查勘 探成果基础上展开的。自1 9 9 5 年起，煤层气项目经理部对沁水盆地开展了勘探选区、 目标评价和高产富集规律的研究工作。1 9 9 7 年在盆地东部樊庄区块钻探了晋试1 井。该 井山西组3 撑煤压后试气获得了稳产2 7 1 6 m 3 d ，最高日产气4 0 5 0 m 3 的工业性气流。1 9 9 8 年在晋试1 井周围完成晋1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 等5 口井钻探，和晋试1 井组成了六 口井的梅花形试验井组，井距1 1 7 6 2 2 4 5 m 。对井组3 # 煤层压后排采1 5 4 1 6 0 天，除晋 1 5 井因煤粉堵塞产气量较小外，其余5 口井均获较高气流，单井日产气2 8 3 9 3 3 9 4 m 3 ， 晋1 2 井最高日产气达9 7 8 0 m 3 ，井组排采试验获得成功。1 9 9 9 年在樊庄区块甩开钻探 了3 口评价井( 晋试2 、晋试3 、晋试4 井) ，其中3 群煤日产气3 1 4 6 3 5 1 9 m 3 ，1 5 群煤只有 晋试4 井试气，日产气1 9 6 7 m 3 d 。同年在郑庄钻探甩开钻探了晋试5 、6 井，单井获日 产气1 9 0 1 3 5 1 9 m 3 d l 2 1 。 7 第二章 樊庄煤层气区块井型的适应性分析 ( 2 ) 开发试验概况 1 9 9 9 年，中联煤层气公司在枣园区块以t l - 0 0 3 为依托，完成了1 6 口井的煤层气 验井组，单井日产气1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 ，2 0 0 0 年1 0 月开始进行试气工作，截至2 0 0 2 年建 加压站并开始售气，后转让给格瑞克公司经营。 2 0 0 4 2 0 0 5 年，中联煤公司在樊庄区块以南潘河区块进行煤层气开发先导试验，已 井1 0 0 口，其中4 0 口正在排采，合计日产气6 万r l l 3 ，建设日处理8 万m 3 加压站l ，已通过高压罐车运输方式，向周边城市供气。2 0 0 5 年底在端氏镇以东完成羽状水平 11 ：3 ，正在排采，日产气已上升至2 0 0 0 m 3 ，预计可达到2 - 4 万m 3 d 。 晋煤集团：1 9 9 4 1 9 9 7 年在潘庄区块钻井组7 口，9 4 年排采至今，单井日产气 2 0 0 0 4 0 0 0 m 3 ，用于发电。2 0 0 3 2 0 0 5 年利用煤矿安全费用和亚行贷款在该区寺河矿钻井 2 3 0 口，建设2 0 万方压缩站1 座，截至2 0 0 5 年底有1 4 0 余口正在排采，日产气1 2 万 m 3 ，日销售8 万m 3 ，其余放空。2 0 0 6 年计划钻井5 0 0 口。 亚美大陆公司在潘庄区块南部町店井田钻羽状水平井l 口，煤层埋深1 8 5 m ，主支 长度1 2 0 0 m ，钻8 个分支，煤层内钻井进尺达到7 0 0 0 m ，自2 0 0 4 年1 0 月排采开始，日 产气稳定在2 2 万m 3 以上。 上述单位煤层气开发试验证实，本区煤层气煤层气资源丰富，具有很好的可采性， 有非常好的煤层气开发前景。初步预计该区可形成年产3 0 5 0 亿1 1 1 3 的煤层气产业化基 地【13 1 。 2 1 2 邻井煤层气有关数据 晋试1 井：山西组3 群煤层：井段5 2 1 6 5 2 7 3 m ，厚度5 7 m ，含气量：2 6 0 2 m 3 t ；渗 透率0 5 1 x 1 0 。3 p m 2 ，煤层气试采日产气4 0 5 0 m 3 d 。 晋试2 井：山西组3 撑煤层煤层埋深5 1 4 2 5 2 0 6 m ，厚6 m ，原煤平均含气量2 2 8 4 m 3 t ， 含气饱和度1 0 0 ，达到高饱和。对3 群煤实施活性水压裂，压后连续抽排一个月，日产 气最高3 1 4 6 m 3 ，日产水3 6 3 m 3 ，关井套压0 2 8 m p a ，压力系数0 8 3 ，压前测渗透率为 0 3 2 x 1 0 。3 呻2 。 晋试3 井：山西组3 弹煤层：井段5 0 9 2 5 1 5 2 m ，厚度6 0 m ，含气量：1 8 8 m 3 t ，渗 透率0 5 1 x 1 0 3 9 m 2 ，煤层气试采日产气3 5 1 9 m 3 d t l 2 1 。 2 1 3 樊庄区块已钻井工程情况简介 ( 1 ) 钻井方式 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 从樊庄区块钻井所得的地质数据来看，该区域的地质情况简单，煤层气储层稳定， 目的层的埋深普遍较浅，地层相对较老，且比较致密，压力也较正常，因此前期中石油 在该区块所钻的晋试1 井组、晋试2 井、晋试3 井、晋试4 井等主要应用了技术简单、 工艺成熟的常规直井钻井方式。 在2 0 0 5 年底华北油田分公司和c d x 合作在山西沁水盆地启动了煤层气定向羽状水 平井项目，5 月底该区块的第一口定向羽状水平井晋平2 2 井因为煤层坍塌造成钻具被 埋完钻。该井的水平分支井钻进经验和教训为在该区块进行分支水平井钻井开发煤层气 提供了一定的借鉴。 ( 2 ) 完井技术 樊庄地区前期所钻井大多是预探井和评价井，完井方法主要采用了套管射孔完井， 该完井方式的优势在于能够准确的获取地质资料及控制井下状况。目前，这种完井方式 在中国依然是开发煤层气的主要方式。但是在未来大规模的煤层气开采中，应该发展洞 穴完井、裸眼完井等多种完井技术，为开发煤层气寻找出更经济、更有效的完井方式。 ( 3 ) 煤储层保护技术 整个钻井完井施工过程中煤储层保护一直是一个重点问题。针对樊庄区块每口井的 岩性特点，在煤层气井钻井施工中采用了低固相和无固相两套钻井液方案。以安全钻进 为前提在煤层段以上采用低固相钻井液；而在煤层段则使用无固相钻井液以保护煤储 层。使用这两套钻井液方案，可以有效的防止上部地层发生复杂情况，并且有效的保护 了下部煤层段不受钻井液的污染。 2 2 煤层气井井型的适应性分析 2 2 1 煤层气钻井井型优缺点分析 ( 1 ) 直井 以目前中国煤层气钻井技术现状分析，我国的煤层气地面垂直井方式技术成熟，工 艺简单，钻进风险小，设备国产化，投资成本低，但是煤层气地面直井方式在开采过程 中也存在许多难以克服的难题，例如在开采煤层前进行彻底的预排放瓦斯甚至需要 2 0 3 0 年；无法根据地貌条件和复杂的地形实现瓦斯抽放井的规则排列，只能进行不规 则、不彻底、缓慢的瓦斯抽放；不适合渗透性较差、较厚并富含气体的煤层；无法在一 些如湖泊、熔岩流和城市建筑物下进行瓦斯抽放【1 4 】。此外，煤层气垂直井的产量普遍较 低，目前都需要采取一定的增产措施来提高煤层气垂直井的产量。 ( 2 ) 水平井 9 第二章樊庄煤层气区块井型的适应性分析 领域中开始越来越多的使用多分支水平井技术。与常规直井相比， 如下： 导流能力。在水平井内流体的流动阻力要小得多。 解吸面积，连通了更多的裂隙和割理，使得煤层气的供给范围大大 高，能够快速回收资金，拥有较好的经济效益。虽然应用羽状多分 支水平井开发技术成本较高，但是相应的也大大节省了钻井数量、钻前工程费用等，单 井产量最高可以达到常规直井的2 0 倍。 占地面积小，降低征地费用，同时保护环境。与常规直井相比多分支水平井的井 场仅需要三分之一左右的面积，而且可以避开山地、河湖、熔岩流和城市建筑物等不利 的地形地貌，顺利开采下面的煤层气藏。 但是目前在我国该项技术国内还无自主知识产权，许多项关键技术国内并未掌握， 设备成本高，开发风险较大，从而导致使用水平井开采煤层气难以获得较好的经济效益。 实践也证明，水平井开采煤层气并不是适合任何煤层。对于煤层厚度大、高含气量、低 渗透、高强度的高煤阶煤层气藏，多分支水平井开发效果非常理想。但是并不适合构造 煤、薄煤层、不稳定的煤层n 5 】。 ( 3 ) 丛式井 煤层气丛式井开发具有以下优点：减少大量的钻前费用和搬家费，钻井和压裂作 业比较方便；节约土地资源有利于保护环境，大幅降低征地费用；多口井进行压裂 及排采的统一维护，减少管理成本及地面重复建设费。 煤层气丛式井组的缺点：钻井周期比直井长，一定程度增加了井眼轨迹的控制难 度：需要的设备和技术条件较高；推迟了煤层气开采作业，需要在整个丛式井组完 钻后方可进行相应的开采作业 1 6 】。 2 2 2 煤层气不同井型的适应条件分析 开发煤层气存在着多种不同的钻井井型，由于这些钻井井型有着不同的技术和工 艺，使得在同一地区开采煤层气的效果差别很大，对地质条件、地形条件和投资成本等 条件也有着不同的适应性。因此，在开采煤层气方面需要针对不同的地质、地形和投资 成本等条件来选择合理有效的煤层气钻井井型。 根据煤层气的各种钻井井型所适应的不同条件和技术工艺水平，结合我国当前的煤 层气开发现状，分析总结了各自的适应条件，结果见表2 1 。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表2 1 煤层气不同井型的适应条件 条件地面垂直井水平井丛式井羽状水平井 地形条件地形平整要求较低要求低要求低 占地面积大较小小小 构造条件复杂简单较简单简单简单 煤阶低一高煤阶低高煤阶高煤阶高煤阶 煤硬度软一硬软一较硬硬硬 含气量低高低高高高 地 构造条件复杂一简单简单较简单简单 质 目标煤层数1 311 31 条 目标煤层厚度较大大大大大 件 发育状况 较稳定稳定稳定较稳定稳定 埋藏深度m3 0 0 1 0 0 03 0 0 8 0 0 4 0 04 0 0 8 0 0 渗透性 较高高较低高较高高低。高 水文地质条件简单较复杂简单简单较复杂简单 单井产量低低高非常高 技术条件成熟较成熟较成熟不成熟 工艺简单复杂较复杂非常复杂 钻井投资成本 低 较高低一较高高 2 2 3 樊庄煤层气区块高渗区预测 分析沁南煤层气开发井排采结果，发现在地质条件相近、距离很小的范围内，煤层 气井气、水产量的差异很大，其原因主要是煤层含水性和渗透性非均质性造成的，其中 含水性和可流动性也与煤层的储集、渗流空间密切相关，因此煤层气井产气量、产水量 差异归根结底是由煤储层特征决定的。因此，对开发区煤层高渗区的有效预测，有助于 合理部署开发井网，提高煤层气井成功率和单井产量，提高煤层气田开发效益。 采用岩体力学分析方法对樊庄区块进行了煤层高渗区的预测。高渗区预测结果如 下，可将樊庄区块储层渗透性区分为三类，结果见图2 3 。 综合考虑煤体变形形成的裂隙、地应力和断层的影响，研究区内高渗区的展布存在 以下规律： 第二章樊庄煤层气区块井型的适应性分析 图2 - 3 樊庄区块高渗区分布示意图 f i 9 2 - 3f a n z h u a n gb l o c kh i g hp e n e t r a t i o na r e ad i s t r i b u t i o ns c h e m e s 寺头断层东侧1 0 0 5 0 0 m 范围内软煤发育，渗透性差。 该软煤带向东1 0 0 0 3 0 0 0 m 范围内，由于寺头断层的影响，煤储层裂隙相对发育， 储层渗透性好。 固县地区向东储层渗透性最好，樊庄和玉溪地区尽管远离寺头断层，但由于岩体 强度适中，变形相对较强，渗透性好。 蒲池地区由于其岩体强度最高，相对而言裂缝不发育，渗透性较差，这一地区的 褶皱轴部裂隙发育，可改善煤层渗透性。 从地应力角度分析，储层的渗透性在玉溪与樊庄地区最佳，固县的东北部次之， 蒲池的西南部最差。 固县东北部、蒲池东北部、玉溪与樊庄地区为一类储层，渗透性最好；蒲池西南部 地区为二类，储层渗透性相对较好，该区褶皱轴部最好；沿寺头断层展布的软煤带渗透 性最差。固县与南部蒲池之间的大面积地区，根据其构造特征预测为二类储层，煤体变 形特征与蒲池南部接近，但中西部埋深较浅，地应力相对较小，从这一点分析渗透性优 于蒲池南部。排采井产气效果证实，研究区高产井大体位于褶皱的轴部或两期褶皱轴部 叠加部位，与高渗区预测结果吻合。 】2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 尽管沁水盆地南部煤层气储层以原生结构和碎裂煤为主，总体上为渗透性较好的储 层。但由于断层与褶皱的作用造成储层渗透性的空间展布仍存在差异性，如本区南部寺 河煤矿井下采煤揭露表明该矿的东区和西区煤体结构存在明显差异，东区以原生结构和 碎裂煤为主；而西区局部存在软煤揉皱煤，致使该区易发生瓦斯突出。基于这一现象， 建议开发井部署如下： 以固县东北部、蒲池东北部、玉溪和樊庄等一类储层发育区为首选开发区块；积极 探索中部的二类储层发育区。 二类储层发育区，应优先考虑在两期