煤层气鱼骨状分支水平井轨道优化设计

我国的煤层普遍渗透率较低,影响了煤层气开发效果,鱼骨状分支水平井能够有效增大煤层气储层裸露面积、提高煤层气的单井产量,因而近年来被普遍采用。但常规二维轨道设计方法难以满足各分支水平井井眼轨道的设计要求。为此,将各个分支拆分成相对独立的待钻轨道与主井眼轨道,分别加以设计计算--拆分后的井眼轨道可以转化为二维轨道来进行设计;结合鱼骨状分支水平井的特点,建立了分支水平井眼轨道最优化设计模型,并对分支井眼与主井眼的关系进行了分析研究。结果表明：随着井深、造斜率的增加,分支井眼与主井眼的直线夹角增加且分支井眼偏离主井眼的距离是逐渐增大的;在直线夹角一定的情况下,造斜率与井深呈反比关系（造斜率越高所需要的分支井井段越短,造斜率越低则所需要的分支井井段就越长）。     

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定向羽状水平井技术适合于开采低渗透储层的煤层气，集钻井、完井与增产措施于一体。定向羽状水平井的主要机理在于多分支井眼在煤层中形成网状通道，促进微裂隙的扩展，又能连通微裂隙和裂缝系统，提高单位面积内的气液两相流的导流能力，大幅度提高了井眼波及面积，降低煤层气和游离水的渗流阻力，提高气液两相流的流动速度，进而提高煤层气产量和采出程度。沁水煤层气田是中国典型的低渗透煤层气藏，具有煤层厚度和深度适中、渗透率低、煤岩机械强度高、含气量和饱和度高的特点，适合于定向羽状水平井技术条件。在煤层气藏地质参数不变的情况下，可利用分支井产量模型研究分支数和分支段长对产能的影响关系，分支数和分支段长是影响产能的敏感性人为因素，也是可以通过工程设计优化加以改变的工程参数，从而尽可能发挥定向羽状水平井的产能潜力。通过经济评价，利用定向羽状水平井技术开发沁水煤层气田具有较高的经济效益。     

煤系地层坍塌压力预测与井眼轨迹优化

由于煤岩割理交错发育,采用常规井眼坍塌压力预测模型不能准确指导钻井作业,甚至有可能引发井壁失稳事故。通过分析煤岩理化性能和微观结构,确定井壁失稳类型以力学失稳为主;结合弹性力学、岩石力学、单一弱面破坏准则等理论,建立了煤岩地层水平井坍塌压力计算模型;以DB-X01井、DB-X04井与红河油田煤层段为例,根据所建模型进行井眼轨迹优化,得出最佳钻进井斜角与方位角;结合DB-X01井J₂kz煤层,分析了割理产状、地应力机制以及井眼轨迹对坍塌压力的影响,为煤系地层水平井井眼轨迹优化研究提供参考。     

鱼骨状分支水平井气水两相产能分析

鱼骨状分支水平井具有与储层接触面积大,气井产能高的特点,但在气藏开发后期由于气井见水使得产量急剧降低,准确预测气水同产鱼骨状分支水平井产量至关重要。基于气水两相渗流规律,考虑启动压力梯度、应力敏感、分支井与主井眼夹角、滑脱效应、近井地带的高速非达西和表皮效应对产能的影响,利用保角变换和等值渗流阻力法,得到了气水同产鱼骨状分支水平井的产能公式。实例分析表明随着分支井与主井眼夹角增大、分支井数目增加,气井产能增大;随着启动压力梯度、应力敏感系数、水气质量比的增加气井产能降低。研究为气水同产鱼骨状分支水平井产能预测提供了一种新的思路。     

鱼骨型分支水平井钻井技术开发煤层气技术难点分析及技术对策

我国煤层气勘探开发由于普遍采用直井钻井技术，煤层井眼裸露面积小，导致单井产量低，至今未形成工业规模。鱼骨型分支水平井能够充分增大煤层井眼裸露面积，大大提高单井产量，但在井眼稳定和井眼轨迹控制方面存在一系列技术难题，作者通过近年的研究，对煤层气鱼骨型分支水平井钻井井眼稳定和井眼轨迹控制技术难点进行了研究分析，并借鉴国内外石油工业钻井中成熟的技术，结合国内钻井技术水平，提出了井眼稳定和井眼轨迹控制技术方案，同时对煤层气鱼骨型分支水平井技术下步攻关方向进行了阐述。     

煤层气多分支水平井钻井工艺研究

基于沁水盆地郑庄区块3#煤层的地质和力学特征,其适于采用多分支水平井钻井技术开发煤层气。但由于煤层较脆,且存在互相垂直的天然裂缝,钻进极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故的发生,更严重的甚至会使井眼报废。郑1平-3H井是渤海钻探在沁水盆地郑庄区块的一口科学实验井,为解决煤层气多分支水平井钻井难题,首先将郑1平-3H井的排采直井"洞穴"置于稳定的煤层顶板上,与水平井主支实现硬穿针,从而根除排采洞穴垮塌和上下井眼错位的问题;其次使主井眼在煤层顶部延伸,钻主支时优化钻井液,解决井眼稳定和井眼重入问题,确保形成稳定的排水输灰通道。煤层气多分支水平井井眼轨迹控制技术、U型井联通技术及悬空侧钻技术的采用较好地解决了煤层气多分支水平井钻井的上述难题,具有重要实践意义。     

煤层气羽状分支井定向钻进煤层预测、轨迹控制与完井技术

沁水盆地煤岩具有特殊的双重孔隙结构,其孔隙系统复杂,呈现多裂缝特征,同时具有低压、低孔、低渗、低强度的特点。通过对泌水盆地煤层物理特征及其羽状分支井井身结构分析,介绍了煤层气羽状分支井轨迹类型以及煤层预测井眼轨迹控制方法,指出沁水盆地煤层气羽状分支井主要是双主水平井眼结构,通过实时跟踪不同钻进煤层状态下随钻录井的显示情况,可以帮助识别煤层、预测井眼轨迹的方向。该煤层气羽状分支井通常采用裸眼完井,应采取多种方法减少钻井、完井对煤层的伤害。     

水力喷射微小井眼水平井流动耦合模型及影响规律

水力喷射微小井眼水平井可以在储层中快速建立起几十米的流动通道,从而实现"一井多层,一层多眼"开采,被认为是可提高单井产量、降低成本和有效保护油气层的潜力技术。针对微小井眼参数设计的问题,建立了油藏入流和井眼流动耦合的多微小水平井眼产能计算模型,研究了井眼参数对产能的影响规律,并应用正交试验法评价了各参数的敏感性。结果表明,微小井眼水平井产量受井眼参数影响的敏感性强弱顺序依次为分支数目、井眼长度、井眼直径、分支夹角,最主要的影响因素为分支数目和井眼长度。微小井眼水平井井眼参数设计的一般原则是分支夹角不小于90°,各井眼在垂直于主井筒的平面内均布,钻井工艺水平允许的前提下尽量增加分支数目、井眼长度和直径。     

某区块煤层气多分支水平井氮气措施探索

为提高某区块煤层气多分支水平井单井产能,深入分析多分支水平井井眼堵塞原因,初步搞清堵塞机理并提出增产对策。在某区块多分支水平井的开发实践中,部分多分支水平井在排采过程中出现排采管控不当、停电、设备故障等情况造成压力波动,导致煤层坍塌、井眼堵塞,致使气量大幅下降,产能无法有效释放。氮气泡沫解堵具有成本低、煤层污染小、不易导致裸眼井段大范围垮塌等特点,通过探索和开展多分支水平井氮气泡沫解堵工艺和技术研究,并进行现场实际应用,有效地解决了井眼堵塞、产能下降等问题,避免了其他解堵方式对煤层造成伤害。多分支水平井实施氮气泡沫解堵是一种有效的解堵提产方法。     

分支井构型对疏松砂岩油藏临界生产压差的影响

对疏松砂岩稠油油藏,无论采用哪种构型的分支井,主分井筒接合部区域的稳定性都很差。即使生产压差低于1 MPa,该处也会发生井壁失稳垮塌,堵塞分支井眼,削弱分支对产能的贡献。因此,必须对接合部地层进行特殊处理,以提高分支井系统整体稳定性,提高生产压差。在正断型地应力场条件下,不考虑主分井筒接合部的影响,主分井筒延伸方向应尽可能沿原地最小水平主应力方向延伸。分支造斜率对接合部地层的破坏程度和破坏区域有明显影响,相同压差下,随分支造斜率增大,主、分井筒接合部塑性破坏深度呈幂函数关系减小;在主、分井筒长度及主、分井筒夹角一定时,采用较大造斜率设计的分支井系统具有更高的井眼稳定性。分支间距是影响分支井系统稳定性的另一个重要因素。当分支处于主井眼同侧时,分支间距大于45 m后分支间影响可忽略;当分支处于主井眼异侧时,分支间距大于40 m后分支间影响可忽略。在裸眼和主井筒下筛管两种完井方式下,分支接合部破坏深度、出砂波及区域随生产压差增大均呈指数增大。     

高29支平1分支水平井钻井技术

分支井可显著提高油田开发效益,增加油气井产能,减少环境污染。分支井钻井的关键技术是如何实现两井连通,并保证分支连接处的力学完整性、水力完整性和再进入能力。高29支平1分支水平井采用"无预留孔"技术,即采用常规完井方法固井后,按设计的开孔位置,在特制限位器的作用下进行开孔,把主井眼与分支井眼连通。同时利用限位器实现分支井的再进入。该井是冀东油田完成的第1口分支水平井,也是国内首次自行设计、施工的第1口分支水平井。该井于2005年3月4日投产,2分支合采,日产油123.3t。实践证明,无预留孔技术具有工具简单、施工方便、安全可靠、成本低廉等优点。     

煤层气欠平衡钻井环空注气工艺优化

充气欠平衡钻井技术是目前煤层气钻井中减少煤储集层伤害、保护煤储集层最常用的措施之一.针对煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井技术特征,优选了水平及竖直井筒内多相流动压降计算模型,确立了井底欠压值的求解方法,给出了求解的计算流程.根据沁水盆地煤层气田某羽状水平井实际资料,通过对不同注气压力、不同注气量以及不同钻井液排量条件下井底欠压值的计算和分析得出:当环空注气压力一定时,井底欠压值随钻井液排量的增大而单调递增,且环空注气量越大,井底欠压值越小;在最佳环空注气压力条件下,当钻井液排量一定时,井底欠压值随着环空注气量的增大而单调递减,当环空注气量一定时,井底欠压值随着钻井液排量的增大而增大.利用该计算模型和计算方法,结合现场欠平衡钻井工程要求.可以优化出最佳的环空注气工艺参数.     

径向井复合脉动水力压裂煤层气储层解堵和增产室内实验

针对煤层气钻采过程中普遍存在的储层伤害解除不彻底的问题,提出了有助于解堵和增产的径向井复合脉动水力压裂技术思路:水力喷射多分支径向井,利用高导流径向孔眼进行适度的脉动水力压裂改造,从而在主井筒附近一定区域内最大限度地冲击、破碎煤层,形成高导流通道与裂缝网络相结合的大范围卸压增透区。为了验证其技术原理,设计并开展了径向井复合脉动水力压裂室内实验,采用声发射仪与脉冲伺服疲劳试验机等实验装置,围绕径向水平井复合压裂形成裂缝时的声发射响应特征与煤岩的破裂程度、宏观裂缝形态之间的关系开展了室内研究。结果表明:(1)实验条件下,径向水平井复合脉动水力压裂达到常规压裂峰值压力的1/3~1/4下即可起裂,声发射事件数是常规压裂的1.38~7.07倍;(2)径向水平井复合脉动水力压裂中获得强烈的声发射信号响应,产生宏观破裂的峰值压力较低,相同条件下更易获得较大范围的缝网;(3)径向井分支数、井眼长度、动载频率及振幅等参数是影响径向水平井复合脉动水力压裂效果的重要因素。结论认为,径向水平井复合脉动水力压裂方法提供了一种煤层气解除储层堵塞和高效开发的新思路,可实现煤层气井的有效解堵和增产。     

基于分形理论的页岩气分支水平井产能数学模型

利用分形几何法,研究了页岩储集层内水平井分支数目和长度的分形维度,以及水平井各分支井段压降扰动的传播规律,得到压降漏斗边界随时间变化的关系,考虑了页岩储集层解吸吸附、扩散系数和启动压力梯度的影响,建立了页岩气分支水平井产能数学模型。采用拉普拉斯变换法,求解了水平井外边界定压条件下的不稳定渗流的产能方程。结合四川某海相页岩气藏储集层参数,计算分析了页岩气分支水平井产能特征及影响因素。研究表明:在页岩气生产过程中,同一分形维度下,水平井分支数目越大,气井的产量增大越快;分支井的井段长度越大,对主干井的流量影响越大。吸附页岩气的解吸使得压降漏斗的边界传播速度减慢,地层压力下降缓慢;产气量越大,井底压力随时间下降越快,但是下降的趋势随时间逐渐减缓。     

中煤阶煤层气水平对接井开发效果与优化

通过理论分析与数值模拟相结合,分析对比SIS水平井与常规水平井的开发效果,在此基础上从生产制度与井型设计两方面对SIS水平井进行优化设计。研究表明,渗透率在1~40 mD,含气量小于12 m3/m3时,SIS水平井的采出程度是常规水平井的2~7倍。因此对于含气量较低,渗透率中等,割理较发育的中煤阶煤层气藏,SIS水平井具有较大的优势。SIS水平井合理泵排量为60~90 m3/d,合理生产井井底流压应控制在0.15~0.2 MPa.同时SIS水平井分支长度在1 100 m左右,分支夹角在40°~50°,SIS水平井主轴方向与面割理垂直时,SIS水平井开发效果最佳。     

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??At present, the aeration-assisted cutting-carrying technology is faced with complexities in the drilling of CBM multi-branch horizontal wells. For example, the aerating pressure is hardly maintained, and the borehole instability may happen. In view of these prominent problems, the double casing & binary circulation hole cleaning technology suitable for CBM multi-branch horizontal wells was developed according to the Venturi principle by means of parasitic tube insufflation which is used for well control simulation system. Then, a multiphase flow finite element model was established for the fluid-cutting particle system in this drilling condition. This technology was tested in field. Double-casing cementing is adopted in this technology and a jet generator is installed at the bottom of the inner casing. In the process of drilling, the drilling fluid injected through double intermediate casing annulus is converted by the jet generator into a high-efficiency steering water jet, which, together with the water jet generated by the bit nozzle, increases the fluid returning rate in the inner annulus space. It is indicated from simulation results that the cutting-carrying effect is the best when the included angle between the nozzle of the jet generator and the vertical direction is 30°. Besides, the influential laws of cutting size, primary circulation volume, accessory circulation volume and drilling velocity on hole cleaning are figured out. It is concluded that this technology increases the flow rate of drilling fluid in annulus space, the returning rate of drilling fluid significantly and the cutting-carrying capacity. It is currently one of the effective hole cleaning technologies for CBM multi-branch horizontal wells where fresh water is taken as the drilling fluid.     

高煤阶煤层气井单相流段流压精细控制方法——以沁水盆地樊庄—郑庄区块为例

目前已有的煤层气井排采控制技术未考虑煤层供水量变化的影响,抽油机冲次调节有效性差,调节频繁且容易造成流压波动,使储层受到伤害。为此,针对沁水盆地樊庄—郑庄区块下二叠统山西组3号煤层,基于煤层产水规律的井底流压控制方法理论推导,通过研究煤层气井处于单相流段时煤层的产水规律,以及煤层气井抽油机系统的排水规律,确定了井底流压的精细控制方法,并进行了现场试验。结果表明:(1)煤层气井在单相流段,随着井底流压的降低,日产水量呈线性增加,其斜率由于储层物性存在差异而有所不同;(2)研究区新投产井抽油机系统理论排水量与实际排水量呈线性关系,排量系数为0.888,单相流段煤层气井日产水量与抽油机冲次呈正比;(3)通过现场试验确定合理的日降压幅度下抽油机冲次与累积生产时间趋势线的斜率和截距,在气井排采时只要确保抽油机冲次随着累积生产时间的增加严格按该斜率线性增加,就可以保证实际日降压幅度等于合理的日降压幅度。结论认为,该方法实现了煤层气井处于单相流段时对井底流压的精细控制,对于煤层气井实现高产具有指导作用。     

沁水盆地煤储层应力敏感分析及工艺对策

随着山西沁水盆地煤层气开发规模的不断扩大,在开发中暴露出来的问题也越来越多。从研究最基础的储层伤害机理着手,对沁水3#煤岩开展了应力敏感性、驱替压差实验,结果表明每口井有一个压降临界值,不同井的临界值不同。生产压差的控制非常关键,超过临界值以后生产压差越大渗透率越低。针对影响煤层气解吸的关键参数,开展了排采控制技术研究,应用自动闭环控制技术实现了井底流压的智能控制,为煤层气田平稳、长期、高效地开发提供了新的技术支撑。     

沁水盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开采中的问题及对策

沁水盆地煤储层热演化程度高且具有渗透率低、储层压力低、含气饱和度较低、非均质性强的特点,煤层气开发难度大。为此,基于该盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开发实践,从地质和工程两个方面进行了分析,厘清了影响多分支水平井产能的因素、适应地质条件及挖潜对策。研究结果表明,导致多分支水平井低效的原因有3类:(1)地质因素,钻遇低含气量区或断层;(2)工程因素,钻井液污染、钻井垮塌、排采垮塌及煤粉堵塞等;(3)地质因素与工程因素的共同影响。结论认为,钻遇低含气量区与断层、垮塌与堵塞是造成樊庄、郑庄区块多分支水平井低产的主要原因,其中含气量大于20 m~3/t、临储比大于0.7、R_o大于3.8,并且处于拉张应力区是该区煤层气裸眼水平井获得高产的必要条件。进而提出了针对部分低效井的挖潜技术对策:(1)对煤粉堵塞或后期垮塌的低效井进行分类改造;(2)探索新型水平井,采用顶板仿树形水平井、套管或筛管完井的单支水平井及鱼骨状水平井来解决井眼坍塌及后期无法作业的问题。