一种多分支水平井分支参数的确定方法

摘要

本发明公开了一种多分支水平井分支参数的确定方法，它主要包括以下四个步骤：1.主支方位的确定，2.分支角度的确定，3.分支数目的确定和4.分支长度的确定；其中，所述步骤1中主支方位的确定的方法为当煤储层原始渗透性比较好时，孔裂隙较发育，具有较好的方向性，此时主支方向应与主裂隙方向平行或者近似平行，通过分支将主裂隙串联起来。本发明能够根据储层地质的不同，进行不同的分支参数的确定，该工艺方法有效避免了由于人为经验干预造成的设计主观性强和数值模拟软件设计的不能有效根据地质、储层情况较准确的设计的问题，有效避免了分支井抽采瓦斯的盲区或重叠区，开发风险降低，抽采效率大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种煤气层开采工艺技术方法，具体涉及一种多分支水平 井分支参数的确定方法。

背景技术

随着经济的发展和人民生活水平的提高，对能源需求量以及环境质量的要 求越来越高。致使煤矿瓦斯的处理由直接排空向高效利用转变，不仅可以减少 直接排空造成的环境污染以及给煤矿安全生产带来的威胁，而且可以作为一种 新资源，在一定程度上弥补常规资源的不足。瓦斯的开采主要是以井下瓦斯抽 采和地面抽采为主，其中地面瓦斯抽采以其抽采浓度高、抽采时间长、消突效 果好而得到了快速发展。

地面瓦斯抽采包括直井抽采和水平井抽采，其中水平井抽采以其产气量高、 有效控制范围大而得到快速发展。进行多分支水平井施工时，合理的分支设计 不仅可以有效减少施工工程量，而且可以对控制范围内的瓦斯进行有效抽采， 减少瓦斯抽采的重叠区和盲区，达到节约成本、提高经济效益的目的。但是在 现场实际施工过程中，目前的分支参数设计大部分是基于现场经验或数值模拟 软件，数值模拟软件大多来自国外，国外地质条件与中国地质条件的差异性导 致煤储层本身属性存在较大差异决定了采用数值模拟软件模拟结果与实际结果 存在较大差异，依据现场经验导致人为干预性过大。分支井工程投资大，风险 更高，若参数设计不合理，容易导致分支不能对开采范围内的瓦斯进行有效抽 采，存在抽采盲区或重叠区，若存在重叠区无形中造成了施工浪费，若存在抽 采盲区瓦斯不能有效降低，对瓦斯实际情况把握不准，可能进一步加大了瓦斯 突出的可能性。因此迫切需要一种工艺方法，可以根据储层实际情况，对主支 长度、主支与分支的角度、分支长度等参数进行优化并确定，以便更有效的减 少抽采盲区和重叠区，降低开发成本，最大限度的提高经济效益。

发明内容

本发明目的是针对多分支水平井施工过程中分支参数设计主要依靠现场经 验或数值模拟等方法，容易造成抽采的盲区或重叠区问题，提出了一种多分支 水平井分支参数确定的工艺方法，通过该工艺可以根据不同区域储层特征、构 造等情况对多分支井的主要参数进行确定，降低了开发风险，最大限度的提高 了经济效益。

本多分支水平井分支参数的确定方法主要包括以下四个步骤：1.主支方位的 确定，2.分支角度的确定，3.分支数目的确定和4.分支长度的确定；其中，所述 步骤1中主支方位的确定的方法为当煤储层原始渗透性比较好时，孔裂隙较发 育，具有较好的方向性，此时主支方向应与主裂隙方向平行或者近似平行，通 过分支将主裂隙串联起来。

所述步骤2中分支角度的确定的方法为设煤层中均匀分布着裂隙长度和宽 度均一的面割理和端割理，然后忽略钻进时各支在煤层中的蜿蜒运动，及设钻 进始终在同一平面内进行，且钻进时各分支与主支的角度始终保持一致；面割 理与主支平行，煤层为水平煤层，且在钻进时各个分支之间的距离相等，接着 可以通过启动压力梯度来求取排采时各个分支的影响距离，其启动压力梯度与 煤储层的渗透率的计算公示如下：

λ＝ak^-b

式中：λ为启动压力梯度，MPa/m；a，b为常数，可以由实验数据拟合求 取；k为煤储层渗透率，mD。

设第i个分支段内压力下降的最小值为p_i，煤储层压力为P，则第i个分支 段的影响距离S_i可表示为：

$S_i=\frac{P-P_i}{a_i{k_i}^{-b_i}}$

在主支的同侧，与第i个分支紧挨的第i+2个分支段内压力下降的最小值为 P_i+2，则第i+2个分支段的影响距离S_i+2可表示为：

$S_{i+2}=\frac{P-P_{i+2}}{a_{i+2}{k_{i+2}}^{-b_{i+2}}}$

当煤储层原始渗透率较低时，则排采时两个分支段各自的影响距离比较小， 该两个分支段与主支之间的夹角为20-30°；

当煤储层原始渗透率较高时，流体流动时的启动压力梯度相对比较小，排 采时该两个分支段与主支之间的夹角为50-60°的夹角。

所述步骤3中分支数目的确定的方法为设排采时使最远处的那支中的流体 发生流动所需最小压力为P_j，排采时临界解吸压力为P_l，则最远端处分支解吸 距离为：

$S_j=\frac{P_l-P_j}{a_j{k_j}^{-b_j}}$

其同侧的第J-2分支中的流体流动所需的最小压力为P_j-2，排采临界解吸压 力为P_l，则此分支解吸距离可表示为：

$S_{j-2}=\frac{P_l-P_{j-2}}{a_{j-2}{k_{j-2}}^{-b_{j-2}}}$

设此解吸半径即为两分支的最优距离，主支长度为L，最远端的那支离主支 末端距离为L_j，则分支数可表示为：

$n=\left[\frac{2(L-L_j)}{S_j+S_{j-2}}\right]+1$

当储层渗透性比较好时，流体流动阻力较小，较少的分支数就可以实现大 范围的控制。

所述步骤4中分支长度的确定的办法为，设分支井末端和首端单位长度上 流体流动时的压力梯度为i，煤储层的含气量处处相等，均为V，兰氏压力为P_L， 兰氏体积为V_L，分支井首端能降低的最小压力为P_smin，分支井长度为L，则分 支井末端排采时的最小压力为

P_mmin=P_smin+iL

设煤层的渗透率在各个方向上均相等，渗透率为k，设水在煤储层中流动的 启动压力梯度为λ，则启动压力梯度与渗透率之间的关系为：

λ＝ak^b

其中：a，b值为拟合系数，可以由实验室测试获得。

设流体在煤层中流动时阻力梯度相等，排采时分支控制范围内自分支首端 到末端，煤层远端到分支井筒内的含气量分布服从线性变化规律。煤层的厚度 处处相等，均为h，煤的密度为ρ，则分支长度控制范围内的解吸气量可表示为：

在分支长度控制范围内的解吸气量达到最大值时，钻进设备的钻进长度仍 在允许的范围内，且钻进风险没有大大增加的情况下，即认为此长度为分支井 的最佳长度，即可确定出分支井的长度。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：能够根据储层地质 的不同，进行不同的分支参数的确定，该工艺方法有效避免了由于人为经验干 预造成的设计主观性强和数值模拟软件设计的不能有效根据地质、储层情况较 准确的设计的问题，有效避免了分支井抽采瓦斯的盲区或重叠区，开发风险降 低，抽采效率大大提高。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本具体实施方式包括以下四个步骤：1.主支方位的确定，2.分支角度的确定， 3.分支数目的确定和4.分支长度的确定；其中，所述主支方位的确定是基于储层 渗透性以及储层裂隙发育情况；所述分支角度的确定是根据储层启动压力梯度 的不同，对分支有效影响半径进行确定，从而进一步确定合理的分支角度；所 述分支数目的确定是根据储层压力、临界解吸压力而确定，使最远处分支压力 也可以降到临界解吸压力以下较大范围；所述分支长度的确定是根据渗透性、 钻进成本、钻进风险等综合考虑，使产能最大化。

1.水平井主支方位的确定

水平井主支是联通孔裂隙与井筒的主要通道，合理的主支设计对水平井产 能有重要的影响。

当煤储层原始渗透性比较好时，孔裂隙较发育，具有较好的方向性，此时 主支方向应与主裂隙方向平行或者近似平行，通过分支将主裂隙串联起来，这 样可以使孔裂隙中的气体通过分支快速进入主支，大大降低气体流动阻力，加 快煤层气的产出。

当储层渗透性比较差或者储层渗透性的方向性较差时，主支的方位对煤层 气产能影响较小，主支方位的设计主要是要避开一些断层等构造发育区。

1.水平井分支角度的确定

多分支水平井分支角度影响着分支数目、有效控制范围、产气通道的流通 性等，所以合理的分支角度对产能影响很大。由于影响水平井分支角度因素很 多，所以下面主要是基于水平井分支数一样的前提，对其分支角度进行优化。

设煤层中均匀分布着裂隙长度和宽度均一的面割理和端割理，然后忽略钻 进时各支在煤层中的蜿蜒运动，及设钻进始终在同一平面内进行，且钻进时各 分支与主支的角度始终保持一致；面割理与主支平行，煤层为水平煤层，且在 钻进时各个分支之间的距离相等。

煤层气井的生产主要是排水降压，通过排水降低储层压力，使压力达到临 界解吸压力以后开始解吸产气。因此，水能否流动、排出以及排出多少很大程 度上决定了气体解吸的能力。排采时，影响流体流动的因素众多，其中主要因 素是排采时不同点的压力与排采井井底压力之间的压差及两者之间的阻力之差 很大程度上决定着排采时井筒所能影响的范围。同时，流体流动时存在启动压 力，启动压力梯度和摩擦阻力共同组成了流体流动的阻力，与井底之间的压力 差是流体流动的动力，动力与阻力之间的相对关系，决定了流体是否可以流动。 所以可以通过启动压力梯度来求取排采时各个分支的影响距离。大量实验表明， 启动压力梯度与煤储层的渗透率满足如下关系：

λ=ak^-b

式中：λ为启动压力梯度，MPa/m；a，b为常数，可以由实验数据拟合求 取；K为煤储层渗透率，mD。

设第i个分支段内压力下降的最小值为p_i，煤储层压力为P，则第i个分支 段的影响距离S_i可表示为：

$S_i=\frac{P-P_i}{a_i{k_i}^{-b_i}}$

在主支的同侧，与第i个分支紧挨的第i+2个分支段内压力下降的最小值为 P_i+2，则第i+2个分支段的影响距离S_i+2可表示为：

$S_{i+2}=\frac{P-P_{i+2}}{a_{i+2}{k_{i+2}}^{-b_{i+2}}}$

若煤储层原始渗透率相对比较低，则排采时，两个分支段各自的影响距离 比较小，当两个分支段间距相对比较大时，导致排采时两个分支段之间的未影 响区域相对比较大，这种情况下，为了尽量减小分支段之间的未影响区，同时 考虑到经济成本及钻井的可操作性，建议分支与主支之间的夹角应小些，一般 选择30°的夹角，随着分支夹角的减小，虽然分支最大控制距离减小了，但是 实现了分支间控制区域的全部控制，有效避免了分支间抽采的盲区。

当煤储层原始渗透性比较好时，流体流动时的启动压力梯度相对比较小， 排采时分支段之间的影响距离相对比较长，当压力下降到最小值时，几乎能覆 盖住两个分支间，这种情况下，为了尽量减少钻井分支长度的费用，同时考虑 到钻井的可操作性，建议分支与主支之间的夹角应大些，一般选择60°的夹角， 由于储层渗透性比较好，分支的有效影响范围较大，所以适当增加分支角度， 可以有效增加分支的最大控制范围，在不增加钻进工程量的前提下，提高了单 井控制范围。不仅保证了较好的抽采效果，而且减低了区域钻井成本。

综上可知，分支井的角度与煤储层原始渗透率、分支段之间的距离、排采 时的最大压降等有关。综合考虑钻井成本时，当煤储层原始渗透率相对较好时， 应选择分支与主支之间的夹角相对大些；当煤储层原始渗透率相对比较差时， 应选择分支与主支之间的夹角相对小些；其中不同渗透性下分支角度，随着渗 透性逐渐减小，分支角度逐渐减小，在实际设计时可以根据研究区储层实际渗 透性情况选择合理的分支角度，其中部分分支角度参考值如表1所示。

3.水平井分支数目的确定

分支井的数目既与分支井之间的间距有关，同时也与煤储层能量系统有关。 最优的分支井的数应该是在离排采距离最远处的那支在排采时压力也能降低到 临界解吸压力以下较大范围，且有较多的气体产出。

设排采时使最远处的那支中的流体发生流动所需最小压力为P_j，排采时临 界解吸压力为P_l，则最远端处分支解吸距离为：

$S_j=\frac{P_l-P_j}{a_j{k_j}^{-b_j}}$

在其同侧的第J-2分支中的流体流动所需的最小压力为P_j-2，排采时临界解 吸压力为P_l，则此分支解吸距离可表示为：

$S_{j-2}=\frac{P_l-P_{j-2}}{a_{j-2}{k_{j-2}}^{-b_{j-2}}}$

设此解吸半径即为两分支的最优距离，主支长度为L，最远端的那支离主支 末端距离为L_j，则分支数可表示为：

$n=\left[\frac{2(L-L_j)}{S_j+S_{j-2}}\right]+1$

当储层渗透性比较好时，流体流动阻力较小，较少的分支数就可以实现大 范围的控制，随着渗透性逐渐减小，分支数目逐渐增加。在渗透性太差时，没 有钻分支的必要。其中部分分支数目确定参考值如表1所示。

4.分支井长度的确定

当煤层的裂隙比较发育时，分支水平井的长度影响着煤储层的泄气面积。 在实际中，钻具在煤层中钻进时蜿蜒曲折前进，排采时无形中增加了流体流动 的阻力，分支井长度越长，流体流动的阻力越大，即分支井末端和首端的压力 差越大。可用下面的方法对分支的最大长度进行估算。设分支井末端和首端单 位长度上流体流动时的压力梯度为i，煤储层的含气量处处相等，均为V，兰氏 压力为P_L，兰氏体积为V_L，分支井首端能降低的最小压力为P_smin，分支井长度 为L，则分支井末端排采时的最小压力为

P_mmin=P_smin+iL

假设煤层的渗透率在各个方向上均相等，渗透率为k，设水在煤储层中流动 的启动压力梯度为λ，则启动压力梯度与渗透率之间的关系为：

λ＝ak^b

其中：a，b值为拟合系数，可以由实验室测试获得。

假设流体在煤层中流动时阻力梯度相等，排采时分支控制范围内自分支首 端到末端，煤层远端到分支井筒内的含气量分布服从线性变化规律。煤层的厚 度处处相等，均为h，煤的密度为ρ，则分支长度控制范围内的解吸气量可表示 为：

在分支长度控制范围内的解吸气量达到最大值时，钻进设备的钻进长度仍 在允许的范围内，且钻进风险没有大大增加的情况下，即认为此长度为分支井 的最佳长度。对上述公式进行求导，即可确定出分支井的长度。

渗透性是决定分支长度的主控因素，当渗透性比较好时，流体在分支中流 动阻力较小，具有较小的能量损失，可以将储层压力降低到较小值，应该适当 增加分支长度，增加有效控制范围。随着渗透性减小，分支长度逐渐减小，当 渗透性较小时，流动阻力过大，难以将储层压力降低到较小值，所以应设计较 小的分支长度。

通过上述确定方法计算了不同渗透性下的分支参数。在渗透性比较好时， 单支有效控制范围大、流动阻力小，所以分支和主支长度较长、分支数目较少、 分支夹角较大；随着渗透性逐渐减小，有效控制范围减小，流动阻力增加，所 以分支和主支长度变小、分支数目增加、分支夹角变小。当渗透性过小时，由 于有效影响范围过小，所以没必要在进行分支的施工。

本具体实施方式是把煤储层当作了均质储层进行的求解，在现实生活中， 煤储层是非均质的，而且煤层倾角、煤层厚度、煤储层压力、煤层含气量、水 头等的差异都将影响多分支井排采时压力传播路径、传播距离进而影响着煤层 气井的产气量。而且地质条件、煤岩力学性质、顶底板岩石力学性质、地下水 动力条件等的差异性都将影响着钻进风险，这些都决定了无法用一个比较统一 的标准进行较客观的评价。在此，在不考虑断层、陷落柱影响的情况下，得出 了分支参数的参考值，作为现场分支参数优化的参考，如表1所示。，

表1不同储层物性条件下煤层气多分支井分支参数的参考值

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。