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第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Henan Province, Jiaozuo 454000, China; 3. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 4. Xinjiang Cleanseed New Energy Co., Ltd, Fukang 831500, China Abstract In order to solve the problem of horizontal borehole azimuth in thick and high dip-angle coalbed in Fukang mining area, a comprehensive reservoir modeling and productivity prediction for nine different horizontal borehole trajectory azimuth was completed by using the COMET3. The results show that when the horizontal borehole trajec- tory was at updip direction, the coal seam strike, the cumulative gas production decreased slightly with increase of the included angle of seam strike and horizontal well trajectory; When the horizontal well trajectory was at downdip di- rection, the cumulative gas production decreased greatly with increase of the included angle. Research results revealed that the best direction of horizontal borehole should be built up along the coal seam strike or swing at small angle along the coal seam strike. The first horizontal CBM well completed in the west of Fukang mining area has confirmed the technical feasibility of these analyses, and the research results have great guidance and reference significance for optimization technology of CBM efficient development in similar reservoirs of Xinjiang. Keywords Xinjiang; horizontal well; borehole azimuth; COMET3; simulation optimization 最新一轮2006煤层气资源评价表明， 新疆 1.5 km以浅的煤层气资源量为 9.5104亿 m3，占全国煤层 ChaoXing 第 2 期 曹运兴等 大倾角厚煤层煤层气开发水平井方位优化和实践 91 气资源量的 26，开发前景极为广阔[1]。但是，自 2000 年以来的多轮先导试验和 100 多口煤层气开 发井工程均没获得理想的高产效果，这与新疆煤 层气盆地特殊的大倾角和复杂储层地质条件有 关。阜康矿区的煤储层赋存条件在新疆具有一定 的代表性。 阜康矿区埋深 1.5 km 以浅的煤层气资源量 31011 m3，资源丰富[2]，煤层气开发远景看好[3]。但 是阜康矿区地处准噶尔盆地东南缘之博格达山复背 斜之间，地形复杂，煤储层褶皱、断层发育，煤层 倾角大，储层特征在空间和时间序列上变异大，定 向井技术已经成为阜康矿区煤层气成功开发的关键 技术之一[4-6]，研究和试验阜康矿区的水平井高产开 发技术，不仅对于阜康矿区煤层气开发意义重大， 对于整个新疆的煤层气开发同样具有重要的技术引 领作用和借鉴意义。 煤层气水平井技术源于美国， 我国于 2004 年在 山西大宁煤矿完成了第一口煤层气羽状水平井，并 获得了高产，已成为我国煤层气行业成熟的高产开 发技术[7-10]。该技术能够最大限度地沟通煤层割理 之间的连通性，增大煤储层的泄流和解吸面积，提 高煤层产气量和采收率，增产效果是同类储层特征 直井开发的 510 倍[11-14]。 影响煤层气水平井产能的因素众多，除了煤储 层特性、钻完井技术外，水平井的布井方式、井眼 轨迹走向对井的产能影响较大[15-18]。张建国等[19]通 过对沁水盆地樊庄区块 45 口水平井的研究发现， 井 眼沿煤层倾向上倾部署时产量最理想；孟庆春等[20] 研究了水平段长度一定情况下分别沿煤层上倾、水 平和下倾方向布井对产能的影响，认为水平段沿煤 层上倾百米产气量最高，沿下倾百米产气量最低； 蒋睿等[21]分别研究了煤层倾角 5、15和 25时对水 平井产能的影响，指出水平井跟端位于煤层倾角低 部时排水效果最好，产气量最高，且水平井产量随 煤层倾角的增大而减小。阜康乃至整个新疆地区煤 层气资源量巨大，开发前景广阔，但是煤储层厚度 和倾角大，采用水平井进行煤层气开发时，水平井 眼的方位对产气潜力影响较大。因此，对阜康矿区 大倾角厚煤层条件下煤层气水平井眼方位的研究和 实践，十分的迫切和必要。 1 煤层气开发地质条件 1.1 区域地层与构造 阜康矿区位于新疆乌鲁木齐市东北 60 km，矿 区总体上为一沿东西向展布的不规则状长条形区 域，南北窄。矿区东以大黄山二工河倒转向斜闭 合端为界，西至水磨河，北界为煤层露头，南界为 妖魔山逆冲断裂，东西长 57 km，南北宽 315 km， 总面积约 307.92 km2。区域地层为古生界二叠系， 中生界三叠系、侏罗系及新生界古近系、新近系和 第四系。根据构造特征，矿区被划分为西部、中部 和东部 3 个区段[2]，矿区地质构造复杂，其主体夹 于两条近于平行的近东西向展布的山前高角度逆冲 断裂带之间，东西走向赋煤向斜的北翼是煤层气开 发的目标区域， 地层倾角 3070； 向斜南翼直立或 倒转图 1。 图 1 阜康矿区构造纲要图 Fig.1 Structure outline of Fukang mining area 1.2 目标煤层与煤质 阜康矿区主要含煤地层为侏罗系西山窑组和八 道湾组。矿区西部煤层气开发的目标煤层为西山窑 组的 41、43、45 煤层和八道湾组 A2A5煤层，其中 西山窑组煤层总厚度 1060 m，单层最大厚度 30 m， 八道湾组总厚度 1070 m，单层最大厚度 40 m，煤 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 46 卷 层倾角 3036图 2，煤层含气量 612 m3/t。矿区东 部煤层气开发的目标煤层为八道湾组 39、4143 煤 层，煤层总厚度 3060 m，单层最大厚度 30 m，煤层 倾角 45左右，局部超过 60，煤层含气量 613 m3/t。 图 2 阜康矿区西部某勘探线剖面 Fig.2 Cross-section of coal seams in the west Fukang mining area 煤层以原生结构为主， 断口呈参差状， 煤体较坚 硬，裂隙较发育，面割理密度平均为 10 条/5 cm，镜 质组最大反射率平均为 0.590.70， 煤级以变质阶 段较低的长焰煤为主， 显微煤岩组分中有机质组分体 积分数 71.396.3，煤的密度 1.301.41 g/cm3。 研究以矿区西部八道湾组 A2煤层为对象， 采用 COMET3 软件，通过数值模拟的方法，对大倾角厚 煤层的煤层气水平井布井方位进行研究和优化。 2 布井方位模拟优化 2.1 储层模型的建立 2.1.1 COMET3 软件简介 COMET3 软件是针对煤层气页岩气等非常规 气体开发的专业数值模拟软件，全三维、三重孔隙、 双渗透率、多组分、气水两相模型，通过双渗透率 网格系统模拟煤页岩储层中气体的解吸、扩散和 渗流过程。同时考虑了一些孔隙压缩、基质收缩、 气体重吸附、溶解气等影响煤层气井产量的参数。 通过控制气、水产量及井底压力来改变生产制度， 对煤层气地面井进行生产动态评价以及产能预测。 2.1.2 网格模型 储层网格模型采用笛卡尔坐标系，20201 的 网格分布，单井控制面积 200 m200 m。X 方向代 表煤层倾向，Y 方向代表煤层走向，水平井眼轨迹 由图 3a 中虚线表示，井径 Φ139 mm，网格倾角为 36，代表煤层倾角，网格模型水平井眼方位沿煤 层走向如图 3 所示。 图 3 水平井网格平视和侧视图 Fig.3 Plan and side view of horizontal well grid 2.1.3 储层参数 根据参数井 A2煤层测试资料，数值模拟的储层参 数如表1所示。 煤层真厚度16.5 m， 储层压力3.71 MPa， 储层压力梯度 0.49 MPa/hm， 渗透率为 18.4410-3 μm2， 含气量为 12.9 m3/t，煤层倾角 36.0，温度 21.1℃， Langmuir 体积 19.16 m3/t，Langmuir 压力 1.83 MPa， 吸附时间 4.0 d，真密度 1.4 g/cm3，割理孔隙度一般 是总孔隙度的 20左右[22]，取值 1.2，孔隙压缩系 数和基质收缩系数参考国内外资料给出，分别取值 4.3510-2和 4.3510-4[23-24]。 2.2 水平井眼方位优化 为了研究不同方位的水平井眼轨迹对煤层气井 产气量的影响， 设计 9 种不同方位的水平井眼轨迹 水平井眼方位与煤层走向夹角 0沿走向；沿煤层 上倾方向与走向夹角30、45、60、90垂直 走向向上； 沿煤层下倾方向与走向夹角–30、 –45、 ChaoXing 第 2 期 曹运兴等 大倾角厚煤层煤层气开发水平井方位优化和实践 93 –60、 –90垂直走向向下。 水平井眼长度都为 100 m， 井径 Φ139 mm，单井控制面积 0.04 km2。 利用 2.1.2 节的地质模型， 分别模拟了 9 种不同 方位的水平井眼轨迹 10 a 的产能情况， 采用定产水， 井底最小流动压力和产气量不限制工作制度，模拟 结果如表 2 和图 4 所示。 表 1 水平井数值模拟基础参数 Table 1 Numerical simulation parameters of horizontal well 模拟参数 数值 模拟参数 数值 煤层厚度/m 16.5 Langmuir 体积/m3t-1 19.16 储层压力/MPa 3.71 Langmuir 压力/MPa 1.83 储层压力梯度/MPahm-1 0.49 吸附时间/d 4.0 渗透率/10-3μm2 18.44 真密度/gcm-3 1.4 气含量/m3t-1 12.9 割理孔隙度/ 1.2 煤层倾角/ 36.0 孔隙压缩系数 4.3510-2 表 2 不同方位的水平井眼轨迹产气量 Table 2 Gas production of horizontal boreholes at different azimuth 水平井眼方位/ 峰值产量/m3d–1 峰值时间/d 累计产气量/104 m3 平均产气量/m3d–1 采收率/ –90 32 996 342 857.3 2 349 75.3 –60 34 392 352 871.2 2 387 76.6 –45 38 073 355 906.3 2 483 79.6 –30 39 312 355 921.1 2 524 80.9 0 46 403 351 1 032.7 2 829 90.7 30 39 939 346 1 029.1 2 819 90.4 45 35 853 338 1 027.8 2 816 90.3 60 32 514 336 1 020.5 2 796 89.7 90 32 117 320 1 014.2 2 779 89.1 图 4 不同方位的水平井眼轨迹产气量曲线图 Fig.4 Gas production graph of horizontal boreholes at differ- ent azimuth 9 种水平井眼方位表 2 和图 4的产量对比结果 表明，水平井眼沿煤层走向方向布置，累计产气量 最大；沿煤层上倾方向布置，随着水平井眼与煤层 走向夹角的增加，累计产气量小幅度降低，与煤层 走向垂直向上时累计产气量最小，但各个方位之间 累计产气量相差不大；沿煤层下倾方向布置，随着 水平井眼与煤层走向夹角的增加，累计产气量大幅 度降低，与煤层走向垂直向下时累计产气量最小。 就峰值产气量而言， 水平井眼沿煤层走向方向布置， 峰值产气量最大，随着水平井眼与煤层走向夹角的 增加，峰值产气量逐渐降低。 倾斜煤层水的产出由重力和压差共同作用。水平 井眼沿煤层倾向向上和沿煤层走向布置时，重力和压 差两者相互叠加，利于煤层排水，压降范围和压降幅 度都较大，同时由于重力作用影响，当水平段长度一 定时，水平井眼沿煤层走向布置时，泄流面积大于井 眼沿煤层上倾方向者。也就是说，在重力作用下煤层 水在走向井眼条件下更易于产出，其累计产气量和峰 值产气量优于上倾井眼。相反，水平井眼沿煤层下倾 方向布置，这时重力和压差作用两者相互抵消，不利 于煤层排水，压降范围和压降幅度相对较小，其累计 产气量和峰值产气量也相对较小。 在整个排采过程中， 下倾方向的井眼中始终有一定量的水是无法排出的。 模拟结果表明，沿煤层走向部署水平井眼开发 效果最优，上倾井眼其次，但相差不大，下倾井眼 效果最差。但是从阜康矿区复杂的地层特性及大倾 角厚煤层钻井施工的难点角度考虑[25-26]，水平井眼 沿煤层走向部署或者在煤层走向方向上小角度向上 摆动都是最佳的选择。 3 实例应用 新疆科林思德新能源有限责任公司联合北京奥 瑞安能源技术开发有限公司在阜康矿区西部三工河 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 46 卷 附近设计施工了新疆第一口煤层气水平井 CSD-H 井图 1，该井为采用沿煤层走向的多分支水平井， 峰值产气量 35 794 m3/d，获得了高产，印证了本文 研究成果的可靠性。 该井目的煤层为八道湾组 A2煤层，煤层埋深 844861 m，平均厚度 16 m，气含量 10.0813.22 m3/t，平均 12.24 m3/t，渗透率1.02.010-3 μm2， 储层压力 3.60 MPa。此井为双井筒近端连通的煤层 气开发水平井系统，含一口定向井和一口水平井， 于 2014 年 11 月 2 日完井。煤层段总进尺 2 146 m， 包括 1 个主支和 5 个分支，其中主支M1沿煤层走 向布置， 4 个分支L1L4与煤层走向呈一定的角度 倾斜向上布置，另一个分支L5与煤层走向呈一定 的角度倾斜向下布置，如图 5。 图 5 CSD-H 井垂直剖面 Fig.5 Vertical section of well CSD-H 于 2015 年 1 月 1 日开始排采， 截至到 2016 年 8 月 30 日，共排采 608 d，累计产气量 1 142.1 万 m3， 平均产气量 18 784 m3/d，排采 421 d 达到峰值产气 量 35 794 m3/d，此时井口套压 1.28 MPa，井底流压 1.46 MPa； 累计产水量 3 840 m3， 最高产水量为 49.3 m3/d，平均产水量 6.3 m3/d，如图 6。 4 结 论 a. 阜康矿区储层为大倾角厚煤层，煤层气水平 井方位对井的产能影响很大。模拟结果显示，水平 井眼沿煤层走向产能最大，沿倾向向上产能其次， 沿倾向向下产能最低，根据产能大小和实际钻井工 程的难易程度，沿煤层走向或沿走向小角度向上摆 动为最佳水平井方位。 b. 新疆科林思德公司成功实施了阜康矿区第一 口煤层气水平井，该井稳定产量达到了 35 794 m3/d， 该井的高产证明了在阜康乃至新疆大倾角厚煤层矿 区，采用水平井技术进行煤层气开发是一个有益的 尝试。 图 6 水平井生产曲线图 Fig.6 Production curve of horizontal well CSD–H c. 新疆浅部的煤层资源主要富集分布在准格 尔盆地的南缘准南和塔里木盆地的北缘，这两个 煤层气富集带的煤层均具有大倾角构造特征。阜康 矿区沿煤层走向部署水平井眼和 CSD-H 井的高产 实践，对于新疆类似储层地质条件下的煤层气开发 技术优化，具有借鉴意义。 参考文献 [1] 陶小晚，王俊民，胡国艺，等．新疆煤层气勘探开发现状及 展望[J]. 天然气地球科学，2009，203454–459. 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