造穴技术在华北油田煤层气开发中的发展与应用

煤层气水平井洞穴完井是目前沁水盆地煤层气应用最为广泛的水平井完井方式,关键技术之一是造穴技术。华北油田经过近10年的煤层气开发实践,经历了探索、改进、创新和完善4个阶段,结合水力造穴和机械造穴工艺的优点,形成了煤层气水平井洞穴完井的复合造穴工艺并配套研制了具有自主知识产权的造穴工具,满足了沁水盆地南部煤层气开发的需求。     

煤层气水平井油管拖动分段喷砂压裂工艺实践

文章提出了"分段喷砂压裂"的技术思路,针对筛管完井的水平井,通过单喷枪和双封隔器拖动分段造穴工艺,能够在水平段形成多个洞穴,并将煤渣煤屑返排出地面,地层应力得到了有效释放,为单井增产提供基础。针对套管完井的L型水平井,通过油管拖动分段喷砂压裂工艺,能够在增大储层改造面积的同时,保证主支与分支的联通,很好的改善储层渗透性。     

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜...     

水力造穴技术在增加高瓦斯煤层透气性方面的研究应用

水力造穴技术是指采用高压水射流冲出煤层中大量煤炭及瓦斯，形成若干较大的洞穴，使得洞穴周围煤层透气性增加，从而大大提高煤层瓦斯抽采效果。影响水力造穴技术应用效果的主要因素有造穴尺寸(包括造穴长度、直径、造穴间距)、施工工艺(包括前进式造穴和后退式造穴)和技术参数(包括造穴水压、造穴时间、出煤量)。同时，分析了该技术在各矿井的应用推广效果，发现不同矿井之间的应用效果存在较大差异，甚至同一矿井不同地点的应用效果也存在较大差异，说明水力造穴技术应用效果与很多因素有关，需要进一步研究。     

应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展

构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择,构造煤储层与煤层气赋存特征决定了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层,应力释放(原位)煤层气开发理论技术是新的技术方向,有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域,同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。依托国家重大科研仪器研制项目,以应力释放构造煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位,以开发理论创新、技术原理探索为先导,以装置、装备及其工艺技术为研究核心,应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和实质性进展。探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础,阐明了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发的工程原理。水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段,系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。研发形成了构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、煤层气应力释放开发装置(装备)数据采集和控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。     

煤层气水平井注氮增产改造技术

针对七元煤矿低孔、低压、低含水饱和度、高变质程度的煤储层特点和筛管完井煤层气解吸困难情况,为了实现瓦斯治理与煤层气共同开发的需要,探索出一套煤层气水平井筛管完井下的注氮增产改造技术。利用顶替排液、氮气驱替、憋井放喷3种氮气改造模式的不同特点,实施多次"注氮-憋压-放喷"作业,通过注氮改造可以清除近井污染,沟通煤层割理裂隙,改善井筒远处煤层渗透率,建立单相气体渗流通道,实现煤层气高效开发的目的。结果表明:七元煤矿5组水平井实施注氮增产改造技术后,单井日产气量提高3~20倍,实现了单井产量的突破。     

水力冲孔造穴增透机制及应用研究

为研究水力冲孔造穴技术的卸压增透机制,利用受载煤体全应力—应变曲线,建立受载煤体渗透率演化模型,结合Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,验证了水力冲孔造穴对煤体卸压增透的有效性。结果表明:水力冲孔造穴技术在形成半径为0.60 m的空洞后,在钻孔周围煤体内形成了半径为1.34 m的瓦斯渗透率增高区。该技术在焦煤集团九里山矿井下16051运输底抽巷开展试验,通过对普通钻区和冲孔造穴区的瓦斯抽采数据进行对比,可以看出:采取水力冲孔造穴措施后,抽采钻孔的瓦斯浓度提高了0.77倍,瓦斯抽采纯量提高了1.51倍,该措施有效地提高了煤层瓦斯抽采效率,减少了安全事故,保证了工作面的安全回采。     

煤储层瓦斯激励开采技术及其适应性

由于煤储层瓦斯特性、流动机理等与常规天然气藏有很大的差异，形成了有效的造穴，水力压裂，注气和物理场激励等四种煤储层瓦斯激励开采技术。造穴技术适应于内生裂隙发育的中变质阶段煤；水力压裂适用于相对坚硬的裂缝性煤储层；CO2注气开采，效果明显，但气源和经济性使其应用范围十分有限；外加交变磁场、声场等物理场激励促进煤层瓦斯解吸、流动，还需要大量的室内和室外研究工作。     

松软低透煤层高压射流造穴强化抽采技术研究

为促进低透气性煤层瓦斯的预抽,消除煤层煤与瓦斯突出危险,采用高压射流冲孔造穴技术措施,构建高压射流冲孔造穴过程的煤体渗透率演化模型,并通过解算得到冲孔后煤体渗透率的演化及煤体内瓦斯运移的规律,即钻孔周围煤体的增透区半径随钻孔半径增加而线性增加。在新景矿进行冲孔造穴现场试验,结果表明:相较于直接预抽煤层瓦斯,采用高压射流冲孔造穴结合瓦斯抽采的措施可节省钻孔工程量,强化瓦斯抽采效果,且掘进过程中消除突出危险更有效,提高巷道的掘进速度,能够保证矿井安全生产。     

沈北煤田空气造穴工艺的技术探讨

在国内外煤层气开采中,裸眼洞穴造穴技术主要分为三种:负压造穴、水力射流造穴和机械工具造穴。本文所阐述的是负压造穴技术,也就是空气造穴技术,其方法是采用空气钻或经过特殊改造的钻机,再配备几台大功率的空压机和增压机以及地面管路系统,将大量空气注入井内,通过多次的快速憋压和放喷作业,造成剧烈的井内压力激动,使煤层崩落形成洞穴,实现井眼与地层之间有效连通而达到增产的目的。     

柳林石西区块煤层气造穴井施工工艺

石西区块是一个勘探程度较低的煤层气新区块,为了探明该地区的煤层气物性参数,同时提升单井产气量。通过充分调研与技术分析,针对该区块地形复杂及煤层埋深大的特点,设计了一套煤层气造穴井施工工艺,形成了"二开—造穴—三段—三级式"钻井技术体系。该设计在石西区块首次完成了探6造穴井的施工,并实现了水平井与造穴井成功对接。该套技术工艺,为今后该区煤层气井施工提供了宝贵的经验。     

构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系与应用

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透技术,提出了水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系,具体包括水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统。以试验采区为工程背景,介绍并分析了现有煤层增透技术及其优缺点,研究提出了区域性水力造穴卸压增透技术,形成了以水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统为主的区域性水力造穴卸压增透技术体系。现场试验等间距7 m、8 m、10 m、12 m以及变间距水力造穴方案,分析不同钻孔直径的抽采效果,对比分析单孔及组孔的瓦斯抽采效果。研究结果表明,采用变间距水力造穴卸压增透技术,有效保障了煤体卸压增透效果,解决“掘进-抽采”不均衡问题,为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题提供一种新技术。     

构造煤储层CO_2辅助水力压裂复合增产技术及应用评价

在系统分析总结构造煤储层物性特征的基础上,结合CO_2辅助水力压裂复合增产技术原理与特点,提出了基于构造煤储层特征的CO_2辅助水力压裂复合增产技术,并对该复合增产技术进行了实际应用。应用结果与储层数值模拟显示:实施该复合增产技术后,压裂液返排迅速彻底,临界解析压力、临储比提高明显,增产效果达55%,有效地减少煤层污染,提高煤层气井单井产量,高产稳产时间长,有效解决构造煤储层气在煤层中解吸、扩散、运移困难问题,表明CO_2辅助水力压裂复合增产技术对构造煤储层具有很好的适应性。     

复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井方法研究

针对煤体结构破坏变形程度差异性与物理特征非均质性强，水平井眼钻遇煤储层的煤体结构复杂，单井完井与增产技术方法单一等问题，为了实现水平井分段完井与适应性增产，提出了复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井技术，设计了外层套管与筛管复合完井管柱、内层作业油管柱与配套分段完井工具，完善了双管柱受力和相关水力计算模型。在山西省阳泉地区15号煤层开展了复合管柱完井现场试验：将长度为659.5 m的复合管柱下入水平井中至1 591 m井深，煤层水平井眼被封隔为4段，采用双管柱结构完成了水力循环解除管柱遇阻、洗井、胀封管外封隔器及煤层分段完井等作业环节的现场测试。基于该试验水平井的工程数据，采用有限差分法计算了双管柱受力，并进行了相关水力计算，结果表明：内层管柱增加了完井管柱下入过程中的侧向力，井下管柱与井壁之间的摩擦阻力增加了5 642.75 N。喷头压降与内层管柱水力循环压耗是影响井下双管柱水力循环压耗的主要因素，双管柱下入过程中水力循环排量控制在16～20 L/s，以清除井眼内固相颗粒及维持井壁稳定；洗井作业时排量提升至20～24 L/s，以消除井壁煤层的钻井液伤害。通过研究与现场试验，证明了煤层...     

潞安矿区煤层气增产方式研究

通过对潞安矿区煤层气井生产历史分析,结合国内外煤层气增产技术,对研究区煤储层特性、煤岩体力学性质进行了研究,重点分析了煤岩体力学特征对压裂技术的影响,提出了适合于本区的煤层气增产措施,包括垂直井与中半径水平井组合技术,空气、泡沫钻井技术,氮气泡沫压裂技术等。     

郑庄区块高阶煤层气低效产能区耦合盘活技术

高阶煤层气井低产低效区的普遍存在,已成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈之一。沁水盆地郑庄区块有2/3的矿井属于低效井,区块整体经济效益差,以郑庄区块为例,剖析造成高阶煤煤层气低效开发问题的影响因素,提出了低效区盘活技术策略和模型。建立了井网部署方式、储层改造适应性技术、高效排采管控方式3个方面的优化技术,形成了适用于高阶煤储层煤层气井增产的技术系列:一是基于开发动态分析和数值模拟的开发井型井网优化技术和水平井耦合降压盘活直井技术;二是基于煤储层特征及煤层气开发机理分析的高阶煤储层疏导式储层改造技术;三是基于煤储层气-水赋存机理和微裂隙气-水流动机理的高效排采管控技术。在此基础上,提出了郑庄区块低效产能带耦合盘活的工艺技术思路:以资源有效动用为核心,通过调整井网井型,采取疏导式储层改造技术和高效排采管控模式,实现低效区带整体协同降压,新井高效开发,老井稳定增产,达到区块整体盘活的效果。建立了低效区整体盘活工艺技术模型,并在郑庄区块进行了现场试验。为期3 a的现场试验取得了显著的开发效果:44口直井平均单井日产气量2 400 m~3,是周围老井峰值产气量的3.6倍;22口水平井盘活试验井产量是调整前水平井的4.2倍,耦合降压使得周围低产直井平均单井日产气量提高了435 m~3,试验区采气速度由调整前的1.8%提高为目前的7.6%,提高了区域煤层气储量动用程度和采气速度,使区块开发经济效益转亏为盈。该项技术的研发成功,为国内类似地质条件煤层气低效区盘活提供了示范和借鉴。     

液氮伴注辅助水力压裂技术在构造煤储层煤层气增产中的应用研究

在系统分析总结构造煤储层物性特征的基础上,结合液氮伴注辅助水力压裂复合增产的技术原理与优点,提出了基于构造煤储层特点的液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术,并进行了现场实际应用。应用结果显示: 实施该复合增产技术后,压裂液排出迅速,增产效果达 50%,有效地减少煤层污染,提高煤层气井单井产量,高产稳产时间长,表明液氮辅助水力压裂复合增产技术能够有效提高煤层在煤储层中解吸、扩散、运移速度缓慢问题,对构造软煤具有很好的适应性。     

彬长矿区煤层气水平井钻井与完井技术

我国煤层气藏特有的储层特征,决定了在我国发展煤层气水平井有很多技术问题需要解决。文章以"V"型井为例,对彬长矿区煤层气水平井钻井和完井中的防塌堵漏、随钻导向、远端连通、变密度固井、煤层造穴、玻璃钢套管入井方案等技术进行了分析与总结。     

煤层气水平井开发技术现状及发展趋势

煤层气是一种非常规天然气资源,传统的煤层气开采方式为地面直井排水降压开采,但这种方式开采煤层气单井产量低、经济效益比较差。目前针对这种问题煤层气常用的增产措施为水平井技术。煤层气水平井是一种成本不是很高但增产效果非常好的技术,已经越来越多的应用于煤层气的开采。文中主要介绍了煤层气羽状分支水平井技术现状和发展趋势,通过国内外技术煤层气水平井技术的介绍,得出煤层气水平井技术是一种适合中国煤层气开发的关键技术,必须在充分了解煤储层地质特性的基础上应用水平井。     

基于多场耦合数学模型的机械造穴数值模拟研究

通过构建机械造穴瓦斯运移应力场、渗流场及裂隙场多场耦合数学模型和几何模型,结合鹤煤九矿煤层参数,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,针对不同造穴直径、抽采时间和造穴长度等参数下的瓦斯抽采运移规律开展了数值模拟,结果表明：首先,机械造穴可增大围岩的塑性区半径、煤层渗透率与孔隙率,扩大瓦斯抽采半径和影响范围,提高了煤层卸压增透效果,使抽采达标时间大幅缩短;其次,实施机械造穴工艺时,增加造穴长度对于增加瓦斯抽采有效影响范围优于增加造穴半径。该研究为煤矿井下现场实施机械造穴技术提供了科学依据。