基于叶片仿真的煤层气多分支水平井优化研究

刘长华 毕井龙 李金昱 郭 琪 范 楠

(1.山西华新煤成气勘查开发有限公司，山西 031000；2.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西 030024)

我国煤层气经过20多年的发展，从引入美国相关成熟的开发手段，到目前自研适用于我国地质构造的特有技术，现在鄂尔多斯盆地、沁水盆地等地已建成产业化、规模化的煤层气开发基地。煤层气产量逐年上升，诸多专家学者从地质、工艺、井型等多方面研究了提高单井产量的方法。吴静等针对彬长矿区等低阶、高渗煤提出多分支水平井井型优化方法。王国玲等对多分支水平井钻井井型及配套钻井工艺进行了探索，提高了成井概率。李浩等提出了仿树型多分支煤层气水平井开发理念，对煤层气多分支水平井实施提供了一定的参考。

煤层中含有大量不规则发育的孔隙和裂缝，是煤层气的主要运移通道，而植物为了生存，输送水分和无机盐，进化出了优良的形态和结构。多分支水平井和植物叶脉在功能上有很大的相似性，它们都具有增强系统连通性和促进系统内流体流动的功能，本文通过研究叶脉的分布特征，优化水平井的设计。

1 研究区地质概况

1.1 构造概况

研究区位于我国最新发现的榆社-武乡超大型气田的核心区域，本区位于沁水盆地复向斜东翼。总体为一走向NNE，倾向NWW的单斜构造，断裂以NE、NNE、NEE向高角度正断层为主，主要分布于盆地的西部、西北部以及东南缘。在盆地周边及南东部局部发育近EW向和NE向的断层组形成的地垒构造。

1.2 地层概况

本区基岩出广泛露。从老至新出露有二叠系上统上石盒子组(P2s)及石千峰组(P2sh)，三叠系下统刘家沟组(T1l)及和尚沟组(T1h)，三叠系中统二马营组(T2er)。区内地层走向北东、倾向北西。二叠系上统上石盒子组(P2s)及石千峰组(P2sh)主要出露于勘查区东北角。

1.3 煤层概况

主要可采煤层为3、8、15号煤层，其中3号煤层位于山西组中部，为大部分可采的稳定煤层；8号煤层位于太原组上部，为大部分可采的较稳定煤层；15号煤层位于太原组下部，分属全区可采的较稳定煤层。

15号煤层埋深为650～1600m，从东部到西部埋深逐渐变大,结构简单，层位稳定，厚度3.50～7.55m，平均5.25m。直接顶板为砂质泥岩、泥岩及粉砂岩、细粒砂岩，直接底板为砂质泥岩、泥岩及粉砂岩(表1)。

表1 主要可采煤层情况

15号煤以原生结构煤为主，少量碎煤粒。阶梯状、参差状断口，上部为细条带状、线理状结构，层状构造，下部为块状构造。煤层气含量平均18.78m3/t，CH4浓度高达98.96%。由于埋藏较深15号煤层渗透率仅为0.01mD，属超低渗透储层。

2 叶脉特征

叶脉的发育程度反映了叶片中水分、无机盐等物质的输送能力，植物通过优优化叶脉结构和合理降低叶脉密度，提高了运输效率，反映了植物叶脉的生态战略。结合华北地区植物分布情况，选择了网状叶脉的叶片为研究对象，叶片一级静脉类比于多分支水平井主支，二级静脉类比于多分支水平井分支。

2.1 二级静脉的对称性

不同植物叶片中对称脉和不对称脉的比例是不同的，样本分析中不对称叶脉的比例高达73%。因此推测煤层气多分支水平中非对称分支优于对称分支。

2.2 一级和二级静脉之间的角度

一级叶脉和二级叶脉夹角在不同植物中的分布是不同的。样本分析中一、二级叶脉夹角的平均值相差不大，分别为介于37.26°和52.01°之间。因此推测煤层气多分支水平中主支与分支夹角30°～60°为宜。

3 数值模拟

利用有限元软件COMSOL分析不同类型分支其对煤层气开采率的影响，根据研究区内15号煤层地质资料选取物理参数，建立地质模型，模型区域为边长2000m的正方形区域。

3.1 仿真方案

采用单一变量控制法进行分组模拟，第1组为研究分支对称性的影响，第2组为研究主支与分支夹角的影响，考虑开发实际中面临分支长度与分支数量的匹配性问题，增加第3组是研究分支长度的影响，第4组是研究分支数量的影响(表2)。

表2 数值模拟方案及参数

设置煤层煤层孔隙率9.59%。顶板抗剪压力42.45MPa，抗压强度45.36MPa，抗拉强度1.24MPa，弹性模量10.92GPa，泊松比0.27；底板抗剪压力10.25MPa，抗压强度40.28MPa，抗拉强度1.21MPa，弹性模量9.45GPa，泊松比0.23。

3.2 对称性模拟

模拟运行4000天后，非对称结构的CH4累积产量比对称结构的高1.82%，分析认为非对称支路之间的相互作用小于对称支路之间的相互作用，从而提高了非对称支路的利用率，因此，非对称结构的性能优于对称结构(图1)。

图1 对称结构与非对称结构甲烷产量模拟结果

3.3 主支与分支夹角模拟

发现随着夹角的增大，CH4累计产量增大，但增加速率减小，模拟运行4000天后，当夹角为20°、35°、50°和65°时，CH4累计产量分别为1.47×108m3、1.59×108m3、1.67×108m3和 1.70×108m3(图2)。

图2 不同夹角下的甲烷产量模拟结果

3.4 不同分支长度模拟

分支长度的增加有利于CH4的产出，分析认为分支越长，CH4与煤储层的接触面越宽，气体动用量也越大。模拟运行4000天后，当分支长度分别为200m、300m和400m时，CH4累计产量分别为1.53×108m3、1.70×108m3和1.87×108m3(图3)。

图3 不同分支长度CH4产量模拟结果

3.5 不同分支数量模拟

在主支长度不变的情况下，分支数量的增加意味着分支间距的减少，模拟运行4000天后，当分支数分别为6、8、10时，CH4累计产量分别为1.55×108m3、1.60×108m3、1.63×108m3(图4)。

图4 不同分支数量CH4产量模拟结果

由以上分析看出，在设计多分支水平井时，应优先考虑非对称分支结构，主支和分支之间的夹角应尽可能大，但考虑到煤层结构稳定性、钻井施工难度，可考虑夹角在35°～50°。同时，通过增加分支的长度和数量，也可以提高气井产能，但由于煤层裂隙所导致的井间干扰性，容易存在重复控制，同样考虑到分支侧钻施工难度、井壁稳定、煤层浸泡与暴露时间等所带来的井下安全问题，将此部分数值模拟结果与当前钻井实际经验结合，分支长度建议在200～300m，数量4～8为宜，在施工条件允许的情况下，尽可能增加长度与数量。

4 优化后多分支水平井应用

选取区内埋深较浅的区域实施一口ZQ05-H1井，为多分支水平井(表3)。该井完成1个主支和5个分支，全井总进尺2793m，煤层进尺1951m，纯煤钻遇率88%，稳定后日产气量达6000m3以上，相比于区内其他分支井产量提高约23%。优化后多分支水平井产量达到压裂后单分支水平井产量持平，投入成本仅为压裂井的30%，显现出良好的经济效益。

表3 ZQ05-H1井身结构设计数据

5 结论

(1)煤层气多分支水平井具有与网状结构叶片类似形态，可借鉴植物结构优化设计多分支水平井井型。

(2)在设计多分支水平井时，应优先考虑非对称分支结构，主支和分支之间的夹角应尽可能大，但考虑到煤层结构稳定性、钻井施工难度，可考虑夹角在35°～50°之间。

(3)考虑到施工难度与井下安全，多分支水平井分支长度建议在200～300m，数量4～8为宜，在施工条件允许的情况下，尽可能增加长度与数量。

(4)相比压裂后单分支水平井，多分支水平井具有投资小、见气快、产量相当、快速回本的优势，具有良好的经济效益。