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（煤层气完井：一种世界的观点）煤层气完井：一种世界的观点Ian PalmerHiggs-Palmer Technologies10140 Arroyo Crest Drive NW, Albuquerque, NM, 87114, USA摘要：由于钻进深度通常较浅，因此煤层气钻井成本较为低廉。深度较大的钻井通常会降低煤的渗透率以及开采率。对于煤层气开发商来说，低渗透率是不利的因素（致命弱点），成功的开采煤层气需要寻找那些渗透性较强的地层，选择利用煤层气水平压裂钻井，以及有可能通过“新范式”的方法，如剪切破碎和储层压裂来“创造”渗透性。本文主要讨论了渗透率在选择完井工艺中的影响和世界范围内一些完井工艺的例子。提供的指导方针都是新型的，实用的（包括渗透带和决策树），而且应该是对任何煤层气钻井的完井方法都是有益的。关键词：煤层气；渗透率；完井方式；断裂；产量 1引言和常规砂岩井不同，由于还没有太多的共识，煤层气的完井和增产一般选择反复试验的方法。这方面的一个很好的例子是在澳大利亚煤层气完井和增产（Kubenk，2006）中形成的。然而，这是一种成本较高的方法。此外，渗透率在煤层气可采性和完井中的作用并没有得到充分的认识（Palmer，2008）。现在，经过美国30多年的煤层气生产，已经有了煤层气的普遍性生产原则和决策树，它们指导开采商选择完井，这也是本文的主题所在。本文阐述了渗透性在煤层气成功完井中的至关重要性。有关不同煤层气完井的评论已经发表，但这些论述主要是集中针对特定的盆地或地区的（Holditch，1990；Crameron，1992；Palmer et al，1993，1995；Robinson and Holditch，1999）。有篇论文是寻索煤层气生产趋势（跨流域）以及建立储集层和完井参数(Palmer and Cameron,2003)的函数关系，虽然在本文中揭示了不同的行业观点，但依然没有太多的共识。渗透率地质预测尚未被讨论过，因为这是一个庞大而（有时）有争议的问题，这超出了本文的范围。此外，基于地质预测更多的是定性而非定量的分析，而本文的重点是渗透率的定量测量。本文主题的讨论并不过于严格，否则那将需要提交并分析美国30多年的煤层气数据以及从从其他开发利用煤层气国家那里的数据。在这一方面，读者可以参考上面的引用文（所有评论文章），特别是Palmer和Crameron的文章（2003年）。有效应力对煤渗透率的影响，我们在这篇文章中不做讨论。本文的主要信息是关于对远景煤层气项目的煤渗透率的测量以及据此如何选择完井。对于测量渗透率来说，压力和深度对煤渗透率的潜在影响是无关紧要的。在介绍完煤层气生产世界化背景之后，本文将讨论渗透率在选择煤层气完井以及在某些完井示例中的作用。我们把渗透带作为煤渗透率的范围，从而确定哪种完井类型才是首选的完井方式。在另一个层面上，这种做法把包含各种完井选择的决策树作为煤层渗透率的函数。这种方法是新型的，实用的，而且对任何煤层气完井策略都应是有益的。2全球背景随着加拿大，澳大利亚，印度和中国等国家（Palmer， 2008）对煤层气的积极开采，煤层气（CBM）已经成为具有全球意义的资源。在地球另一端的某些地方，如英国，法国，土耳其和哥伦比亚等国家拥有的煤层气资源较少，虽然他们都在积极的尝试，但至今仍无法发展煤层气产业。良好的气体含量和煤层厚度总是具有吸引力，但开采煤层气的障碍往往是渗透性太差（小于1mD），而这对该项目的经济性是至关重要的。在美国San Juan盆地（见图1），英国石油公司和康菲石油公司是两个最大的煤层气生产商，其中，英国石油公司已拥有1500多口井，而康菲石油公司拥有800口生产井（Palmer，2008）。对两个公司加以比较：在北Appalachian盆地Virginia地区，CNX天然气公司拥有2500口小生产井，而在Powder River盆地（图1），那里现在有超过17000口生产井（8000口封闭井），产量十分可观，可达1133MMcfd。探明储量和产量的数据显示，在过去15年煤层气生产近乎直线式增长，储量和产量几乎相当于美国天然气总产值的10%，这是一个相当显著的临界值。最近的一项估计数据表明，目前美国大约有90000口煤层气井。 图1 美国煤层气资源分布（Courtesy of Andrew Scott，Altuda，San Antonio，Texas）澳大利亚有很多易于开采的煤炭，火力发电使得油气价格被人为地压低，这让它仍很难与煤层气的价格竞争（Palmer，2008）。不过，当地的主要煤层气公司已合并，并宣布了几项LNG工厂建设计划（销售到日本等等），这也提高了煤层气的价格。有些地区其渗透性可达几百mD，而最大的井产量约为12MMcfd。在寻求最优价格完井方面，开釆商一直未拿定主意（Kubenk，2006），从简单的裸眼完井，洞穴完井，水力压裂，射孔以及包括水平井压裂裂缝（两井呈“人”字形模式）在内的各种完井方式之间不断变化。在加拿大，商业煤层气项目均在加拿大西部沉积盆地中（WCSB），其中最大的煤层气项目位于Alberta省的马蹄峡谷，那里有成千上万口井。该项目于几年前开始，从渗透率0.1100mD 的三十处相互独立的地裂缝生产出煤层气。虽然更多的资源在加拿大西部沉积盆地的Mannville地区形成，但这些地区煤的渗透率通常只有1mD，除了某些“甜点”处的水平井能够开采煤层气外，其他地方难以生产。中国煤炭储量十分丰富，煤层气含量总的来说也比较高。但是，渗透率通常很低甚至极低（过度剪切煤很常见），而且煤往往处在压力之下（Marchioni，2008）。煤层气产量为2025MMcfd的不同工程项目有三个：其中两个是深度大于400米的垂直井，而第三个是6向分支井。在中国的不远处，印度正在进行测试煤层气井，但迄今为止也没有进行过商业生产1。信实工业或RIL（41井），大东方能源公司（46井）和Essar公司（15井）目前的产能总共有7MMcfd。在它们的第一个商业化阶段，这些公司计划钻1000口井，而在印度的目标是到2009的时候，煤层气产量达到50MMcfd。RIL和Essar公司正在尝试各种完井方式：包括洞穴完井，水力压裂完井，水平井压裂裂缝和射孔。国家石油和天然气委员会在印度安装了第一个丛式（羽状）井。澳大利亚和美国的开釆商已共同租用几大区块，为该产业注入更多动力。本文已把从煤层气项目的全球认识中获得的经验整合到一起，制定出下面将要讨论的指导方针和策略。3选择完井的渗透率基础煤层气的一大优势是：在很多煤体中含有大量的可燃气体，且埋藏很浅。这意味着钻井的价格较为便宜。许多研究者认识到这一点并且希望得到这些气体，然而却发现如果渗透率太低，气体就不会溢出。什么是太低了？美国大多数商业煤层气项目都有330mD的渗透率，很少有低于1mD的。但许多浅层煤和较多深层煤，其具有的渗透率是低于1mD的。造成这种现象的原因是什么？加拿大是一个很好的例子，马蹄峡谷的钻井是商业钻井，因为渗透率为0.1100mD。另外，煤是全干的，这意味着气体量可达到湿煤的10倍高。然而，除了某些“甜点”处煤会达到5mD或更高的渗透率外，Alberta省Mannville和英属Columbia地区的各种煤层中出现1mD或更小的渗透率。到目前为止，水平井在任何“甜点”或干煤层处提供的唯一可釆天然气地区是在Mannville。从低渗透煤中生产经济气体需要一个三方策略（Palmer, 2008）：1.定位“甜点”，并用构造地质学原理推测何处能找到煤层气或打取大量钻井，直到找到煤层气；2.钻水平井；3.部署新的增产技术。第一种策略的一个例子是澳大利亚的煤层气项目，位于Undulla Nose，这里是苏拉特盆地的开阔平坦地带，渗透率高达500mD（Scott et al，2004）。Undulla Nose构造复杂，煤层褶皱横跨其上。由褶皱作用形成的楔状体和破碎带促进了煤化作用的进行。下面讨论策略2和策略3。基于渗透率煤层气完井的工艺如图2所示。对于这种排序，之后我们将做出更多地讨论。但首先，要遵循这种完井策略需要未知储层的全面渗透率信息。这意味着要完成在储存区和不同的裂缝内的大量渗透率测量工作（大约50组覆盖煤层气工程的理想测量值）。花费是巨大的，但是对优化完井却很重要。大多开釆商都能认识到天然气含量和净煤厚度对于开展煤层气项目的重要性，但会低估（甚至忽略）渗透率的作用。有时一些象征性的测量值被当成渗透率，但整个区域丝毫不像统计表示的那样。由于夹层和缝合带（天然裂缝）的内在变化，使渗透率差异很大。渗透率测量值越高，不确定性就越小。良好的煤裂隙系统审查是比较实用的（Laubach et al，1998）。图2 基于煤层渗透率的完井方式图3 特殊裂缝处的理想渗透率等值线图，渗透率最高的区域适合洞穴完井，而最低地区适合水平井或多分支井图3说明了一种测量渗透率值的综合方法。实际上至少有一家公司已经这样做了，比如印度信实工业公司2。这样做的明显优势是我们能够清楚“甜点”和通道位于何处，这也是我们想要钻井并且能够表明可釆出天然气的地方。另一方面，这种做法会告诉我们哪里有致密煤层（渗透性3mD），这需要特别注意，正如之后所述的一样。没有充分的渗透性信息，施工者钻出的第一口井极有可能产不出商业气体，并且有可能导致该项目过早地失败。当然，如果有一个主裂缝，制作渗透率图表（如图3）是比较容易的。如果有几个主要的裂缝，我们可以完美地为每一个主裂缝制作大致的图表轮廓，这当然会更加昂贵。为阐明这种情况，一口垂直井的每个裂缝的渗透率测量，或至少在各主裂缝的测量都应当是必要的。如何使渗透率测量做得最好？有几种方法，而注入脱落测试（IFOTs），诊断破裂注入测试（IFOTs）和钻杆测试（DST）基本上是同样好的。既然有一些报道称DFITs会高估渗透率（但差异取决于渗透率），那么首先做DFIT测试，再在同一井同一裂缝做IFOT测试，并比较它们，这样做会更好。从与历史天然气相对应的渗透率得到的渗透率并不能即刻就与钻井测量值进行比较，这是因为：(1)通常存在几个有助于气体流动的裂缝；(2)其它有影响的输入参数，如相对渗透率经常是未知的。4基于渗透带的完井策略图4是简化完成的完井策略图，覆盖所有渗透率范围，我们将分别讨论每个地带。图4 基于侵入带的完井选择 注：SIS(表面裂缝水平井)4.1渗透带3mD多分支井这是多分支井的适用地区，它可以是三边（杈），四边，或羽状。图5显示的是羽状井（Spafford，2007）的模式。这样设计钻孔是用来全面覆盖储集层，让气体流动得更快，并且更快速地回收更多的气体。该支管是单支的，这可能导致它们在某些情况下崩溃。因为对于气体来说在上倾方向排水更为困难，因此有时在下倾方向位置会留下未钻进的岩层。羽状井不仅广泛地分布在渗透率低且地势崎岖（它提供了一个更小的空间）的Appalachian盆地（自1989年已有209口），而且在Arkoma盆地（自2000年以来已有50口井）和Cahaba盆地也是一样。图5 CDX设计的羽状多分支井 （Spafford，2007）图6 羽状支井气体产量图，产气量比率：羽状井/单侧向井=2.3在Arkoma盆地，如图 6显示的那样，羽状井表现都很好。它们在两方面优于单侧向井：（1）暨气比为2.3,（2）单侧向井废弃后，它们能继续产生气体。2.3倍的产量优势要与一口羽状井的额外成本一起评估。单侧向井1824个月就消耗殆尽了，很可能是由于这些井的介质构造半径（约400ft）的缘故，在井使用寿命的末期（Cameron et al，2007），气体更难以从水中脱离。与此相反，羽状井是零半径构造，它的分支井是在母生产井的基础上，以恰当的角度钻进，因此排水是较容易的。然而，羽状井并不是总表现这么好。在Cahaba盆地，羽状井产气量与液压钻进的垂直井的产气量没有什么不同。一种解释是，由于该地区被破碎，羽状井可能已经崩塌了。图7 Appalachian盆地的四边井设计（单裂缝）另一个几何构造的多分支井是图7中所示的四边形（或只是四）。这是CNX在匹兹堡#8#煤层的一种天然气井设计，深度低于1000ft，井径47ft，并具有100250scf/ton气体含量。钻井产量预计约为500Mcfd，实际产量约300Mcfd。最后，在渗透率低于3mD的渗透带地区，另外两种煤层气完井方式也能保证这样的产能，但至今煤层气的产量未得到证实：1.微井，这是可以快速地从垂直井中钻取12mm直径井的类型（例如，每个地区可有3种井径），目前某些被限制的井径可用此方式。2.分支压裂，其中水力压裂开始在垂直井中应用，但随后要谨慎的筛选出可以在不同位置开始的一个二级断裂（不同裂缝或同一裂缝的不同方位）（McMillan and Palanyk，2007）。4.2渗透带320mD单侧向井或标准压裂井图8 Raton盆地煤层气井气水产量，红柱代表所有裂缝处的垂直水压裂井，红色虚线柱代表同样的井，但是是在最佳裂缝处的单支压裂，气体平均产量在147400Mcfd。大多数美国的商业煤层气项目都位于渗透带，正如图8（Spafford，2007）所示，单侧向井在这一地区可以力挽狂澜。这些垂直井在8个接缝处都已经断裂，平均产气量为147Mcfd。随着单侧向井后期钻入底部（最好）煤层裂缝之中，使平均产气量提高到了400Mcfd。这意味着QH/ QV= 1.7，其中，QH是仅在一个裂缝处单侧向井的气体产量，QV是水力压裂8裂缝处的总气体产量，这样的产量是相当惊人的。像这样的其他数据已从几个盆地中收集：除了加拿大之外的所有美国盆地。我们已编制QH/ QV的比值图表，其结果绘于图9中，一些论述如图9所示：Arkoma盆地QH/ QV=510:10是一个高值，因为阿科马盆地大多只有一个裂缝，而更少的裂缝给予水平井更多的优势，并且提高QH/ QV的比值。在Cherokee盆地，那里有68层薄煤层，水平井钻在最佳的裂缝处。半数钻井拥有QH/ QV=3的比值，而另一半QH/ QV则约为1。尽管像逸闻，但是这也意味着单侧向井在裂缝处的工作是很好的，也就是说在某些情况下单侧向井气体产量是水平井在68个裂缝处产量的3倍还多。San Juan盆地航道（甜点）的北部，一家公司已钻探了一百多口的水平井，多数为单侧向井。这些钻井生产水的QH/ QV的比值约为4。在Alberta省的Mannville煤区，QH/ QV可以高达20，部分是因为在水平渗透率上有较高的地层各向异性，还有部分原因是断裂破碎。图9 QH/QV比值图，QH是最佳裂缝单侧向井的气体产量，QV是所有裂缝处垂直压裂井的气体产量综上所述，在最佳裂缝处的单侧向井与所有断裂裂缝处的垂直井相比，单侧向井QH/ QV常常达到310。这一令人惊奇的结果，也就意味着垂直井生产100Mcfd煤层气，水平井在最佳裂缝处可生产3001000Mcfd。相比之下，单侧向井成本是有利的，因为在美国单侧向井的成本不到垂直压裂井的两倍。图10 QH/QV取决于最佳裂缝参数与所有裂缝的关系剩下的问题是：我们还能找到在最佳裂缝处替代分支井的方法吗？在“最佳”裂缝处哪种完井类型才更有资格？答案就在图10中，它定义了裂缝处产气量的KH，其中K是渗透率，H是净煤厚度，最佳裂缝由KHmax定义，而KHtot则定义为所有裂缝数量的总和。首先，图中表明,就KH而言，正如预期的那样，水平井在裂缝处更有优势，也就是说有更大的QH/ QV值。其次，当KHmax/ KHtot的值低至0.4时，QH/ QV的一些值仍然约为3（在Mannville的某些情况下或更大）。所以根据图10，KHmax/ KHtot 值为0.4的裂缝处的单侧向井是有很大经济风险的。如果KHmax/ KHtot 100mD扩孔完井或洞穴完井在Powder River盆地，几乎所有的井都在扩孔（UR），达至12mm，该做法增加了气体产量。而消除任何钻进破坏（例如，通过填料）与克服压力破坏（由于井筒周围应力集中，减少夹板渗透率），显然这也是增加井筒半径的结果。扩孔完井消除侵入带或表皮损害，使井径增至12mm。洞穴完井将井半径扩大到46ft（消除侵入或表皮损伤）。但洞穴完井也增加了较强渗透率的区域，使其增大到4060ft，因此洞穴完井产量会更高，产生的轻微扰动或堵塞也不会影响渗透率的增大，但它当然会花费会更多。澳大利亚存在着使用洞穴完井代替扩孔完井的可能性（不是在Powder River，那里的利润率太低）。在澳大利亚，一家公司试用了大直径的扩空完井方式（Nelson，2008）。这背后的理论是，如果创建了大型扩孔井筒，不论它是如何创建的，剪切破坏和渗透性增强的区域将是大致相同的。在该领域中，洞穴施工可以采取两种形式：通过压力涌动完成的标准洞穴井（Po 约0.45磅/英尺）大型扩孔作业（48mm或72mm）这意味着该油井增产应该是相同的，具有相似的负表皮系数。一个大的UR的优点是，其运营成本进行的应比标准洞穴完井更快和更便宜，并且它允许选择裂缝的靶向，不同于压力涌动，其通常在同一时间内完成两个或更多个裂缝（可能给出在一个裂缝内无效洞穴完井）。施工并非没有风险（Nelson，2008），其中包括工具故障，卡住工具，作业手臂弯曲等，尤其是在纵梁煤层或泥质煤中。现场试验的结果如下：先期72mm作业手臂不会打开，直到井扩至48mm单支作业臂放在一个井孔中因此，大口径UR的成功似乎有限，尽管它在Fairview地区未经过相对性的试验，但是请注意，大型UR（增产工具）已经多次在美国的煤层中使用，特别是应用在通过CDX设计的母体羽状生产井中。图16 渗透带完井网络图：垂直井5讨论5.1垂直煤层气完井的决策树图16是对垂直井位置的总结。精确的断裂（每个裂缝单独断裂）能给出多裂缝最有效应力的位置，划分的断裂中通常至少要有一个无有效应力的裂缝。局部断裂是一种特殊的断裂类别，但具有相同的缺点。分支压裂还未经证实，但可以证实特别是对于渗透率低于3mD的地区，传统的断裂是无效的。5.2选择性增产和混合完井如果渗透率是在所有由垂直井遇到的接缝处测量，可根据他们的KH值优先选不同的完井方式（表4和图17所示）：KH最低的裂缝可避免（未完成）最高KH的裂缝可以考虑水平完井中间值KH的裂缝可选水力压裂图17 混和完井策略的阐述6综述本文讨论了渗透率在选择完井方式上的作用以及来自世界各地的选择煤层气完井的例子。低渗透率是煤层气企业的薄弱点（致命弱点），煤层气的成功开采需要寻找那些渗透性较强的地层，利用水平压裂的完井选择，并尽可能用新的范式方法，如剪切刺激和分支压裂“创造”渗透率。我们把渗透带作为煤渗透率的范围，从而确定何种完井类型才是首选的完井方式。这种做法把包含各种完井选择的决策树作为煤层渗透率的函数。所提供的指引是新的，实用的（包括侵入带和决策树），并应惠及所有煤层气完井策略。在很大程度上，煤层气的未来似乎是水平井。在美国，水平井（通常是单侧向，但偶尔双向）通常在裂缝处的产气量是垂直井的3到10倍。在这些情况下，水平裂缝厚度低至所有断裂缝总厚度的40%，单侧向水平井的成本只有不到垂直井的二倍或更少，使得水平井开采的经济效益颇具吸引力。多裂缝可能比单裂缝更需要水平井。在测量完所有裂缝KH值之后，混合完井设想出现了，即在一个井中可以用不同的完井方式。这个选择性增产措施是基于裂缝生产量的实际性和经济性做出的。对于渗透率低于3mD的地区，多分支井是裂缝处的最佳选择，比如四边形或鱼骨模式。在高渗透性煤区，对高侵入断裂处理方法进行了讨论。尽管这个比喻是用在墨西哥沙湾的，但也提供了大量的实用信息，高侵入带压裂在煤层气项目上已得到利用。另外，关于已经出现在澳大利亚煤层中的扩孔完井和洞穴完井方面的新信息，也已被纳入本文之中。专业术语K 渗透率，毫达西H 煤层厚度,英尺Po 地层压力，帕斯卡QH 水平井气体流量，千立方英尺每日QV 垂直井气体流量，千立方英尺每日致谢非常感谢为本文提供有价值材料的人士：Walt Ayers, Andrew Scott, Paul Masserotta, Barry Ryan, Steve Spafford, Roger Gierhart, Prem Sawhney, and Gary Rodvelt.参考文献1Cameron,J.R,Palmer,I.D,Lukas,A,Moschovidis,Z,2007.Effectiveness of horizontal wells in CBM.Intl.Coalbed Methane Symp.University of Alabama,Tuscaloosa,labama.Paper:0716.2Cramer,D,1992.The unique aspects of fracturing western U.S.coalbeds.Journal of Petroleum Technology.3Field,T,2004.Surface to in-seam drilling the Australian experience.Int.Coalbed Methane Symposium.Tuscaloosa,Alabama.Paper:0408. 4Holditch,S.A,1990.Completion methods in coal seam reservoirs. 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