CN113863897A

CN113863897A - 洞穴完井方法及系统

Info

Publication number: CN113863897A
Application number: CN202010534485.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋有伟; 郭二鹏; 关文龙
Original assignee: Petrochina Co Ltd
Current assignee: Petrochina Co Ltd
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2040-06-12
Also published as: CN113863897B

Abstract

本发明提供了一种洞穴完井方法及系统，所述方法包括：向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入；加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；在煤层温度开始下降后，开井放喷生产；在单井产量低于产量阈值时，停止生产，重新执行以上流程。本发明可以减少现有洞穴完井操作的复杂程度，提高洞穴完井的效率，扩大洞穴完井技术的应用深度和改善完井后的生产效果。

Description

洞穴完井方法及系统

技术领域

本发明涉及煤层开发技术领域，特别涉及一种洞穴完井方法及系统。

背景技术

煤层气裸眼洞穴完井技术起源于美国，1977年Amoco公司施工的Cahn1井裸眼完井后得到较高的产量，从此以后才有意识对套管下部裸眼井段进行扩眼完井。1986年Meridian公司开始在圣胡安盆地使用该技术，通过压力“激动”使井壁坍塌扩大裸眼洞穴，才真正发展为裸眼洞穴完井技术。随后，该技术在圣胡安盆地得到了推广应用，其产量是水力压裂产量的3～20倍，而且施工成本比水力压裂低。目前在圣胡安盆地有三分之一是采用裸眼洞穴完井技术，这部分井的产气量占整个盆地产量的76％左右。这说明该技术在圣胡安盆地是优于水力压裂技术的，然而在其它区域进行试验的结果并没有取得象圣胡安盆地那样的开发效果，因此，这种增产技术在特定煤层的适用性还需要进一步研究。

我国也对煤层气洞穴完井技术进行了研究，对该技术的增产机理、煤层适用性、井下造穴技术、设备配套、数值模拟进行研究以及开展了相关现场试验。从试验结果来看，有好也有坏，受限于对煤层特征和增产机理认识不足，该技术在国内并没有得到推广应用。

洞穴完井技术既是一种裸眼完井技术，又是一种增产措施。如图1所示，图1为现有技术中洞穴完井示意图。现有的洞穴完井技术在煤层的裸眼井段，可以通过人工压力“激动”、地层自然压力、水力或机械扩孔等方法使得煤层向井筒内坍塌，然后将煤粉循环出去，形成一个应力场重新分布的洞穴，洞穴周围产生了大量的剪切裂缝，并与地层中原有裂缝沟通，使得近井地带的渗透率大大提高，能够有效提高煤层气产量。该技术使得井眼能够有效地连通了面割理裂缝、端割理裂缝及其它类型的天然裂缝。造穴过程增加了井眼与煤层内裂缝的沟通，同时使得洞穴周围的应力场重新分布，形成了指向洞穴的单项载荷，煤层因缺乏支撑而向洞穴移动。煤层移动影响天然裂缝形态，挠性区可达50～60m，使得有效渗透率不断增加。

然而，现有的洞穴完井技术也存在一系列问题：人工动力造穴需要反复将高压空气注入地层，操作流程复杂，无法判断井下是否形成了洞穴和洞穴的大小；机械破碎法能够在井下形成洞穴，但是受限于机械装置的大小，不能有效作用到破碎带和割理区，也就无法有效增大作用范围，影响煤层气的产出；水射流方法可以在地层较深部位形成射孔，也能够控制方向，但是该方式需要将大量水注入到煤层，影响吸附的煤层气的产出。尤其是在深层煤矿条件下，由于煤岩矿体的蠕变加剧，造成煤体塑性变形，不能有效形成破裂，因而以上三种造穴方法均不再有效。

发明内容

本发明实施例提供一种洞穴完井方法，用于减少现有洞穴完井操作的复杂程度，提高洞穴完井的效率，扩大洞穴完井技术的应用深度和改善完井后的生产效果，该方法包括：

向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入；

加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

在煤层温度开始下降后，开井放喷生产；

在单井产量低于产量阈值时，停止生产，重新执行以上流程。

本发明实施例还提供一种洞穴完井系统，用于减少现有洞穴完井操作的复杂程度，提高洞穴完井的效率，扩大洞穴完井技术的应用深度和改善完井后的生产效果，该系统包括：

注气装置，用于向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入；

温度监测装置，用于监测煤层温度；

加热装置，用于加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

采气装置，用于在温度监测装置监测到煤层温度开始下降后，开井放喷生产；在单井产量低于产量阈值时，停止生产；

循环控制装置，用于在采气装置停止生产后，控制注气装置、温度监测装置、加热装置和采气装置重新运行。

本发明实施例的洞穴完井方法与现有的洞穴完井方法相比具有较大改进：1)用注空气氧化的方式，有效将煤层燃烧出一定体积的空腔，空腔体积与注入空气量直接相关，也就是说每次注入空气点火之后都形成新的空腔；2)井底的煤层点燃之后，剧烈放热加热井筒内空气，使得井筒内空气压力上升，使其形成压裂的效果，促进煤层深部的解理张开，改善煤层气生产，同时高温条件下，更有利于煤层气解吸；3)本发明实施例的洞穴完井方法，既可以用在新井裸眼完井条件下，也可以用在老井套管射孔完井之后，可以多轮次操作，逐渐扩大空腔体积，逐渐改善煤层气生产效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为背景技术中洞穴完井示意图；

图2为本发明实施例中洞穴完井方法的流程图；

图3为本发明实施例中图2所示洞穴完井方法的具体实例图；

图4为本发明实施例中图2所示洞穴完井方法的具体实例图；

图5为本发明实施例中洞穴完井系统的结构框图；

图6为本发明实施例中图5所示洞穴完井系统的具体实例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种洞穴完井方法，用以减少现有洞穴完井操作的复杂程度，提高洞穴完井的效率，扩大洞穴完井技术的应用深度和改善完井后的生产效果。图2为本发明实施例中洞穴完井方法的流程图。如图2所示，本发明实施例中洞穴完井方法可以包括：

步骤201，向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入；

步骤202，加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

步骤203，在煤层温度开始下降后，开井放喷生产；

步骤204，在单井产量低于产量阈值时，停止生产，重新执行以上流程。

由图2所示流程可以得知，本发明实施例通过用注空气氧化的方式，有效将煤层燃烧出一定体积的空腔，空腔体积与注入空气量直接相关，也就是说每次注入空气点火之后都形成新的空腔；井底的煤层点燃之后，剧烈放热加热井筒内空气，使得井筒内空气压力上升，使其形成压裂的效果，促进煤层深部的解理张开，改善煤层气生产，同时高温条件下，更有利于煤层气解吸；并且，本发明实施例的洞穴完井方法，既可以用在新井裸眼完井条件下，也可以用在老井套管射孔完井之后，可以多轮次操作，逐渐扩大空腔体积，逐渐改善煤层气生产效果。

具体实施时，向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入。实施例中，还可以在停止注入后，记录注入的空气量为V1。

具体实施时，加热煤层，在煤层燃烧时停止加热。实施例中，可以设置加热温度在500℃以上，加热煤层并监测煤层温度变化情况。具体实施时，在煤层温度突变至煤层燃烧温度以上时，确认煤层燃烧，停止加热。实施例中，在煤层瞬时温度大于600℃以上时，确定煤层燃烧。实施例中，还可以以瞬时温度上升至600℃以上以及压力同时上升，作为煤层燃烧的判断依据。

实施例中，相较于现有技术中的机械破碎法，本发明实施例中的方法通过注空气氧化的方式，有效地将煤层燃烧出一定体积的洞穴；井底的煤层点燃之后，剧烈放热加热井内空气，使得空气压力增加，使其形成压裂的效果，促进煤层深部的解理张开，改善煤层气生产，可以有效作用到破碎带和隔离区，有效地增大作用范围。同时高温条件下，更有利于煤层气解吸，避免了现有技术中水射流方法因大量注水而造成吸附的煤层气的产出减少的后果。

具体实施时，在煤层温度开始下降后，开井放喷生产。

具体实施时，在单井产量低于产量阈值时，停止生产，重新执行以上流程。实施例中，在单井产量低于50m³/d时，停止生产，进入下一轮次。此时，根据记录的向井内注入空气的空气量，可以计算煤层内洞穴体积，煤层内洞穴体积为V1/12000m³。相较于现有技术中的人工动力造穴方法，上述流程步骤操作简单，且本发明实施例中的方法可以准确地判断煤层内是否形成洞穴以及形成洞穴的大小。

实施例中，第二次向井筒内入注入空气至煤层内气体压力达到地层静水压力后停止注入，记录此时注入的空气量为V2。加热煤层，监测煤层温度；在瞬时温度突然上升600℃以上且压力也上升时，停止加热。在煤层温度开始下降后，开井放喷生产。在第二次开井放喷生产的煤层气产量低于50m³/d时，停止生产，并进入下一轮次。此时地下洞穴体积为(V1+V2)/12000m³。本发明实施例通过多轮次操作，逐渐扩大洞穴体积，进而逐渐改善煤层气生产效果。

图3为本发明实施例中图2所示洞穴完井方法的具体实例图。如图3所示，实施例中，如图2所示的洞穴完井方法还可以包括：

步骤301，按照煤层分布特点，从地面钻直井或水平井穿过煤层。

实施例中，从地面钻直井穿过煤层，可以包括将直井煤层底完钻，套管完井至煤层顶部，煤层内采取裸眼完井方式钻直井。

实施例中，从地面钻水平井穿过煤层，可以包括采取筛管完井方式，从地面钻水平井穿过煤层。

图4为本发明实施例中图2所示洞穴完井方法的具体实例图。如图4所示，实施例中，如图2所示的所示洞穴完井方法还可以包括：

步骤401，向井口下入加热装置和温度监测装置，位置至煤层顶部；所述加热装置用于加热煤层；所述温度监测装置用于监测煤层温度。

实施例中，选取煤层时，还可以根据以下特点：煤层渗透率、地层压力系数、煤层厚度及围岩特征。其中，(1)煤层渗透率高，一般要在10～20mD。高渗透率是洞穴完井的首要条件，高渗意味着注入空气能够顺利进入地层，弹性能量作用范围大，同时能够使煤层中的自然裂缝系统与人造裂缝系统形成良好沟通，煤层中的水和气能够顺利产出。(2)地层压力系数高，一般地层压力系数＞1.0。地层压力高，形成煤层到井眼较大的压力差，使井眼附近煤层所受压力超过其破裂极限而发生破碎。注气作业完成后关井有利于游离气压力快速恢复，快速释压，增强了压力“激动”的效果，同时地层压力高，有足够的能量保证水和气的产出。(3)煤层厚度大，一般要求在6m以上。厚度大的煤层不仅能产生较大的洞穴，而且有利于形成较长的诱导裂缝。足够的煤层厚度减少了裂缝产生的边界阻碍，也能够形成更大的渗流面积。(4)围岩特征好，不易垮塌。煤层顶底板封闭性好，机械强度高，不易垮塌。

下面通过具体的实施例来说明本发明方法，本实施例提供了深度在500m以上的深层煤层气洞穴完井生产的应用。

1)根据煤层地质特征与开发现状，进行初评价：

煤层满足以下条件：煤层较深为930m，煤层厚度为20.0m，煤层分布连续稳定，为优质褐煤煤层。煤层内部无纯泥岩隔夹层，煤层上部有较好盖层，可以有效阻止气体逃逸，煤层底部有泥岩层，煤层渗透率为0.01md。

2)根据煤层特点，在地层中钻井穿过煤层。煤层上部以7寸套管完井。煤层部分以裸眼完井。

3)向井筒内下入加热器(加热装置)和热电偶(温度监测装置)至煤层上部。

4)注入空气16万方，至地层静水压力，停止注气。

5)开始加热，设定加热器温度在550℃。加热23小时后，热电偶开始出现温度跳涨，瞬时温度超过600℃以上，关闭加热器。

6)继续监测煤层温度，74小时后，煤层温度开始逐渐下降。此时认为煤层氧气已经消耗完毕，开井生产。

7)烟道气排净之后，测得甲烷日产量1000方以上，持续稳产8个月后产量开始下降。至开始生产第12个月，单井日产量不足100方。

8)此时开始第二轮次洞穴完井操作。注入空气48万方，至地层静水压力。再次执行步骤5及步骤6。开井后煤层气稳产1000方以上，持续时间达到16个月。

与该井相距离100m之外的另一口井采取常规生产方法，峰值煤层气产量仅有300方左右，由于埋藏深，渗透性差，稳产时间仅有4～5个月便废弃。与常规方法对比，本发明的完井方式带来了煤层气的持续高产和稳产，有效的改善了煤层气的生产效果。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种洞穴完井系统，如下面的实施例所述。由于洞穴完井系统解决问题的原理与洞穴完井方法相似，因此洞穴完井系统的实施可以参见洞穴完井方法的实施，重复之处不再赘述。

图5为本发明实施例中洞穴完井系统的结构框图。如图5所示，本发明实施例中，洞穴完井系统可以包括：

注气装置501，用于向井筒注入空气，在煤层内气体压力达到地层静水压力时停止注入；

温度监测装置502，用于监测煤层温度；

加热装置503，用于加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

采气装置504，用于在温度监测装置监测到煤层温度开始下降后，开井放喷生产；在单井产量低于产量阈值时，停止生产；

循环控制装置505，用于在采气装置停止生产后，控制注气装置、温度监测装置、加热装置和采气装置重新运行。

实施例中，加热装置和温度监测装置，可以位于煤层顶部。

实施例中，加热装置具体可以用于在温度监测装置监测到煤层温度突变至煤层燃烧温度以上时，确认煤层燃烧，停止加热。

图6为本发明实施例中图5所示洞穴完井系统的具体实例图。如图6所示，本发明实施例中的系统还可以包括一钻井装置601，用于在注气装置向井筒注入空气之前，按照煤层分布特点，从地面钻直井或水平井穿过煤层。

实施例中，钻井装置，具体可以用于将直井煤层底完钻，套管完井至煤层顶部，煤层内采取裸眼完井方式钻直井。

实施例中，钻井装置，还具体可以用于采取筛管完井方式，从地面钻水平井穿过煤层。

综上所述，本发明实施例通过用注空气氧化的方式，有效将煤层燃烧出一定体积的空腔，空腔体积与注入空气量直接相关，也就是说每次注入空气点火之后都形成新的空腔；井底的煤层点燃之后，剧烈放热加热井筒内空气，使得井筒内空气压力上升，使其形成压裂的效果，促进煤层深部的解理张开，改善煤层气生产，同时高温条件下，更有利于煤层气解吸；并且，本发明实施例的洞穴完井方法，既可以用在新井裸眼完井条件下，也可以用在老井套管射孔完井之后，可以多轮次操作，逐渐扩大空腔体积，逐渐改善煤层气生产效果。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全软件实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种洞穴完井方法，其特征在于，包括：

加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

在煤层温度开始下降后，开井放喷生产；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向井筒注入空气之前，还包括：

按照煤层分布特点，从地面钻直井或水平井穿过煤层。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，从地面钻直井穿过煤层，包括：

将直井煤层底完钻，套管完井至煤层顶部，煤层内采取裸眼完井方式钻直井。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，从地面钻水平井穿过煤层，包括：

采取筛管完井方式，从地面钻水平井穿过煤层。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热煤层之前，还包括：

向井口下入加热装置和温度监测装置，位置至煤层顶部；所述加热装置用于加热煤层；所述温度监测装置用于监测煤层温度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在煤层燃烧时停止加热，包括：

在煤层温度突变至煤层燃烧温度以上时，确认煤层燃烧，停止加热。

7.一种洞穴完井系统，其特征在于，包括：

温度监测装置，用于监测煤层温度；

加热装置，用于加热煤层，在煤层燃烧时停止加热；

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

钻井装置，用于在注气装置向井筒注入空气之前，按照煤层分布特点，从地面钻直井或水平井穿过煤层。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，钻井装置，具体用于：

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，钻井装置，具体用于：

采取筛管完井方式，从地面钻水平井穿过煤层。

11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，加热装置和温度监测装置，位于煤层顶部。

12.如权利要求7所述的系统，其特征在于，加热装置，具体用于：

在温度监测装置监测到煤层温度突变至煤层燃烧温度以上时，确认煤层燃烧，停止加热。