摘要：羽状多分支井在煤层气开采中具有巨大的潜力，其井型的优化布置是多分支井成功开发煤层气的关键。目前在煤层气羽状多分支井产能预测和井型优化这方面的研究并不多，给现场生产造成了困难。为此，以多分支井产能数值计算方法为基础，研究了多分支井的分支角度、分支间距和分支长度对产能的影响。结果发现：为了获得较高的产能，多分支井的井筒应垂直于最大主渗透率方向；对于给定的煤层气藏，存在一个最优的分支间距，既能保证较大的控制面积，又能保证分支间的互相影响；随着分支长度的增高，产气量也显著增大，但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响，分支长度也应该有一个比较合理的值。

关键词：煤层气；开采；羽状多分支井；角度；间距；长度；优化；类型

   羽状多分支井是指在一个主水平井眼的两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道的气井，它是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的。为了提高煤层气井的产量，国内外已将羽状水平井技术逐步用于煤层气的开发，成效显著。

    国内虽然对多分支井的产能进行了一些研究^[1～2]，但是没有深入分析多分支井的井身结构对产能的影响。为此笔者针对目前煤层气开发中应用比较广泛的羽状多分支水平井，运用数值计算的方法研究了分支井的井身结构对产能的影响，对多分支井的优化布置具有一定的指导意义。

   煤层气的流动包括3个过程：甲烷从煤表面解吸；甲烷通过煤基质和微孔隙的扩散；甲烷通过割理系统的达西渗流。

    1) 甲烷从煤表面解吸的过程可以利用朗格缪尔等温吸附方程描述，即

 

式中：V_m为压力p下单位体积固体所吸附的气体体积，m³/m³；V_max为朗格缪尔吸附常数，m³/m³；b为朗格缪尔压力常数，也是朗格缪尔压力的倒数，MPa^-1；p为气体压力，MPa。

2) 煤层甲烷在煤基质和微孔隙中的扩散遵循Fick定律，即

 

式中：为气体体积流量，m³/(d·m³)；%为平衡吸附等温线值(标准)，m³/m³。

    3) 煤层甲烷在割理系统中的流动为达西渗流。

    综合考虑煤层甲烷在煤层中的3种流动，二维煤层气非平衡拟稳态井底渗流控制方程可表示如下^[3]：

 

式中：α为单位转换常数；K_c为煤层绝对渗透率，μm²；μ_g为气体的黏度，Pa·s；μ_w为水的黏度，Pa·s；B_g为气体的体积系数；B_w为水的体积系数；p_cw为煤层割理系统水相压力，MPa；ρ_cw为煤层割理系统气相压力，MPa；q_w为煤层水产量(标准)，m³/(d·m³)；q_g为煤层气产量(标准)，m³/(d·m³)；S_cw为水相饱和度；S_cg为气相饱和度；φ_c为煤层割理系统孔隙度。

 

    关于煤层吸附特性(Langmuir吸附压力和吸附体积)和储层特性(渗透率、裂隙孔隙度、含气量、煤层厚度等)对煤层气多分支井生产的影响，相关报道已经比较多^[4～6]，但是井型结构对产能的影响，研究还不成熟。笔者利用编制的煤层气多分支井数值模拟软件结合辽河油田某煤层气矿实际地质资料对这方面进行了研究，模拟所需的基础数据为：埋深800m，煤层厚度5m，煤层原始压力7.53MPa，煤层渗透率0.25×10^-3μm²，煤层压缩系数8.1×10.4MPa^-1，吸附时间4d，朗格缪尔压力2.31MPa，朗格缪尔吸附常数38.5m³/m³，含气量10～12m³/t，原始气体体积浓度30m³/m³，水平井段半径0.2m，水平井段主枝长度1200m，分支数为8。

    应用上述基本数据，假设井筒总长度相同，单侧分支长度分别为200、300、400m和500m，在设定分支间距都为200m的情况下，分别给出30°、60°、90°的分支与主支夹角(图1)。从图2可以看出，90°时开采效果最好，这是因为90°时，井筒垂直于最大主渗透率的方向，效果较好。60°和30°次之，但是总的开采效果变化不大。因此，为了获得较高的产量，应尽量使分支井的井筒垂直于最大主渗透率方向。

    设定分支与主支的夹角均为30°，单侧分支长度分别为200、300、400m和500m，改变分支间距分别为100、200m和300m(图3)，研究不同分支间距对产气量的影响。

 

从图4可以看出，当分支间距增加时，产气速度不断增加，但随着分支间距的增大，产气量的增幅变小。究其原因是因为分支间距的太小，控制泄流面积小，峰值产气量就小；分支间距变大，控制面积也随之变大，形成大面积同时排水降压，产气量增加。但是多分支井的有效控制面积有一个极限值，分支间距太大时，分支变为单个的井筒控制煤层渗流，达到最大有效控制面积，产气量也达到最大值，再增加间距，已经不能增加有效控制面积，也不能控制相应煤层区域的采出程度。所以对于给定的煤层气藏，存在一个最优的分支间距，既能保证较大的控制面积，又能保证分支间的互相影响，有效的控制煤储层，获取较高的采收率。

给定相同的主支长度和分支间距，分支长度分别为200m/350m和500m，间距为200m，分支与主支的夹角为45°(图5)，研究不同分支长度对产气量的影响。

 

从图6可以看出，随着分支长度的增加，产气量和峰值产气量都在增加，但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响，分支长度也应该有一个比较合理的值。

 

    1) 煤层气羽状分支井的井型结构对其产能有显著的影响，在布置羽状分支井时应对其结构进行优化。

    2) 对于给定的煤层气藏，为了获得较高的产能，分支井的井筒应垂直于最大主渗透率方向；各分支间存在一个最优的分支间距，既能保证较大的控制面积，又能保证分支间的互相影响。

    3) 随着分支长度的增加，产气量和峰值产气量都在增加，但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响，分支长度应该有一个比较合理的值。

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(本文作者：张福东 吴晓东 中国石油大学石油工程教育部重点实验室)