如何提高煤层气井的钻井成功率?

如何提高煤层气井的成功率和单井产量？

How to increase the successful rate of CBM wells and productivity?

陈信平*

北京捷茂迪华能源技术有限公司

摘要

本文讨论如何使用煤层气AVO技术，将煤层气井部署在煤层气储层的内在因素有利于高产的部位，避免部署在不可能达到工业气流标准的部位，从而提高煤层气井的钻井成功率和单井产量。本文提供了完整的技术方案以及支持该技术方案的实践成果。使用本文提供的技术方案，只需要对现有地震资料做AVO处理和异常解释，按照煤层气AVO技术圈定的煤层气富集高渗部位部署勘探井和滚动开发的初始井，可以提高煤层气井钻井成功率20%以上。

关键词：AVO 煤层气井 成功率 日产量 技术方案

序言

影响煤层气井产量的因素很多很复杂，可以分为内在因素和外界因素两大类。外界因素指的是人力所为之因素，例如，井型选择（直井、水平井、丛式井等）、压裂工艺（例如，压裂液、支撑剂、压力程序等）、排采降压程序，等等。内在因素是煤层气储层本身及其所处的地质、水文环境具有的影响煤层气井产量的因素，例如，含气量、渗透率、煤体结构、地下水径流等等。将煤层气井部署在内在因素有利于高产的部位，使所选择使用的外界因素适宜于煤层气储层的内在因素，才有可能避免弃井，才有可能提高钻井成功率。

中国煤层气勘探井和开发井的成功率是多少，说法不尽相同，有人说在20% ~ 30%

‡之间，有人说在50% 左右，总之，成功率比较低。如果能够将目前煤层气井的成功率提高

15% ~ 20%，将显著地改善煤层气行业的经济状况，提高企业界投资勘探开发煤层气的积极性。如何将煤层气井钻井成功率提高15% ~ 20%呢？研究地下水径流状况、利用地震资料常规处理成果识别陷落柱、连通性断层等等，研究地应力方向，从而预测节理裂隙的方向和发育区，等等，都是必需的和有效的提高钻井成功率的途径。但是，仅仅使用这些技术手段还不够，因为（1）它们提供的大多是区域性的或小比例尺的成果，常常不足以作为部署勘探井/开发井井位的准确信息；（2）它们基本上不能够提供煤层气局部富集的信息；（3）它们都已经被尽可能充分地使用了，现今的煤层气钻井成功率已经包含了这些技术手段的贡献，依靠它们进一步提高钻井成功率的难度大、可能性小。只有引入新的技术方法，才有可能有效地提高

[1]钻井成功率。这新技术就是煤层气AVO技术。

本文讨论如何使用煤层气AVO技术，将煤层气井部署在内在因素有利于高产的部位，避免部署在不可能达到工业气流标准的部位，从而提高煤层气井的钻井成功率和单井产量。本文提供了完整的技术方案以及支持该技术方案的实践成果。

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††北京市昌平区回龙观镇西大街9号院3号楼16层1921室，邮编：102208，E-mail：[email protected] 遵循中国煤层气行业的惯例，钻井成功率指的是平均日产量达到工业气流标准（1000m3/天）的煤层气井占全部煤层气井的比例。这主要是对煤层气直井而言。对于丛式井、水平井，尚无统一的评价标准，也不大可能有统一的标准。

‡ 这里说的是中国煤层气行业的平均钻井成功率。中国也有少数煤层气矿区，钻井成功率高达70%、80%甚至90%以上，例如，沁水盆地的郑庄-樊庄等。

本文根据三个煤层气矿区31口煤层气井的AVO正演数值模拟成果和试气成果，证明实施本文提供的技术方案，能够提高煤层气钻井成功率20%。

煤层气AVO技术提高钻井成功率的技术方案

今天的煤层气AVO技术有可靠的岩石物理基础和地震波理论基础，并且非常地不同于天然气AVO技术。文献[1]全面地阐释了煤层气AVO技术的理论基础、煤层气储层的AVO响应特征、影响煤层气储层AVO异常的各种因素，等等。本文倡导的技术方案是基于文献

[1]提出的。

本文提供的技术方案如下：

（1）将煤层气勘探井、滚动开发的初始井部署在地震测线上，或尽可能靠近地震测线的位置上；凡是与地震测线的垂直距离超过100m的，不要部署勘探井、滚动开发的初始井。

（2）使用煤层气AVO技术对地震资料做AVO预处理、AVO反演和AVO异常解释，根据AVO异常圈定的煤层气储层中的富集高渗部位。

（3）在勘探阶段和开发阶段初期，绝对不要将勘探井、滚动开发的初始井部署在没有AVO梯度异常的部位；在整个勘探开发程序中，将煤层气井优先部署在根据AVO异常圈定的煤层气储层中的富集高渗部位。

（4）对于二维地震资料，不要轻易相信煤层气AVO技术的平面预测成果，除非地震测线的网度达到了250m×250m或者有额外的证据证明了煤层气AVO技术的平面预测成果的可靠性。

（5）使用每一口煤层气井的测井资料做AVO正演数值模拟，总结归纳本矿区的煤层气储层AVO响应特征。

（6）使用每一口煤层气井的测井资料、实验室测定成果，总结归纳本矿区的煤层气储层及其围岩的特性特征，以及储层特征与其弹性参数之间的关系。

（7）根据（5）和（6），在煤层气AVO异常一般性解释规则的基础上，建立本矿区的AVO异常解释规则。

（8）对每一口煤层气井，根据AVO正演数值模拟成果、地震资料AVO反演及AVO异常解释成果、试气成果、实验室测定成果、录井及完井成果，等等，做煤层气井评价。

该技术方案首先能够避免打废井，即首先避免将勘探井、滚动开发的初始井部署在不大可能获得工业气流的位置上；其次，该技术方案综合AVO、常规地震解释、钻井、测井等多种成果，对煤层气井做评价，指导压裂试气设计，能够提高试气的成功率；第三，对于地震资料AVO反演有异常、AVO正演数值模拟也有异常，而试气没有获得工业气流的井，查明产生AVO异常与试气成果矛盾的原因，提出补救方案，有可能变死井为活井；第四，在二维地震测线网足够密或者有三维地震资料时，预测煤层气富集高渗区的平面分布，服务于全面规划勘探井部署，划分开发单元，细分开发单元，指导丛式井、水平井设计。实施该技术方案有可能将煤层气井的成功率提高20%以上。本文详述支持该技术方案的实践成果，并提供了相关文献供有兴趣的读者查阅该技术方案的理论依据。

煤层气井产量与煤层气储层AVO异常的相关性

以及本文所建议的技术方案的有效性

笔者利用三个煤层气矿区31口井的资料研究了煤层气井产量与煤层气储层AVO异常的相关性，从实践效果探讨使用煤层气AVO技术预测煤层气富集高渗区的可行性，探讨根据AVO异常部署煤层气井的效能。这31口煤层气井有如下特点：

（1） 勘探目的层都是中、高阶煤层气储层，储层的深度在400m ~ 1100m之间；

（2） 每一口井都有测井资料，因而能够做AVO正演数值模拟；

（3） 每一口井都有试气成果，因而能够考察煤层气储层AVO响应特征与煤层气井

平均日产量之间的相关性；

（4） 每一口井都有实验室测定的含气量、密度等成果，因而在试气成果与储层的

AVO异常特征不一致时，能够研究二者不一致的原因。

限于篇幅，本文不赘述做AVO正演数值模拟的技术细节。对三个矿区31口井进行研究的结果概略地总结在表1中。

表1 31口煤层气井产量与储层AVO异常的相关性

Table 1 The relativity between AVO anomaly and productivity of 31 CBM wells

注**：“双有”的含义是“该井AVO正演数值模有AVO异常，试气结果达到了工业气流”。 注***：此数值是实际的钻井成功率，即不避开无AVO异常部位的钻井成功率。

注****：此数值是避开无AVO异常部位的钻井成功率，即按照总井数为（16+6）=22，获

得工业气流的井数为（5+9+2）=16，计算的钻井成功率。

从表1可以总结得到如下结论：

（1）根据表1第2列和第4列可以得到结论，凡是没有AVO异常的部位都不大可能钻井获得工业气流。表1第2列三个矿区8口无工业气流煤层气井的平均日产量在0 ~ 881m3/d之间，这些井中作为勘探目的层的煤层气储层都没有AVO异常，试气仅针对勘探目的层，试气成果与AVO正演数值模拟解释的AVO响应特征都一致。图1是那口平均日产量为881m3/d的井的AVO正演数值模拟成果，该图展示了做AVO正演数值模拟使用的测井资料、合成CDP道集、勘探目的层顶板、底板反射振幅峰值随偏移距变化。该井目的层是E4号煤，深度486.8~492.3m，其AVO响应特征是：较强的截距，近于零值的梯度，与试气成果一致。相反，目的层之下的E16号煤厚度大，AVO响应特征是典型的富集高渗煤层的AVO异常特征。由于勘探期间主要目的层是E4号煤，再加上实验室测定的E4号煤的

含气量明显地大于E16号煤，E4号煤试气产量没有达到工业气流标准（1000m3/d），致使没有对E16号煤压裂试气。如果在钻井、测井之后，立即使用AVO正演数值模拟评价该勘探井，并根据正演数值模拟的E16号煤的强AVO异常对E16号煤压裂试气，完全可能使该井的日产量超过工业气流标准，甚至可能是一口高产井。

表1第4列的含义是，在三个矿区31口井中，都没有出现“无AVO异常而有工业气流”的煤层气井。这表明在没有AVO异常的部位不部署煤层气井，不会导致漏掉重要的煤层气富集高渗区。

表1第2列和第4列从正、反两个方面证明，本文技术方案第（3）条——在勘探阶段和开发阶段初期，绝对不要将勘探井、滚动开发的初始井部署在没有AVO梯度异常的部位。执行本文技术方案第（3）条，能够避免打废井，从而提高钻井成功率。以这三个矿区为例，A矿区可提高钻井成功率20%，B矿区提高9%，C矿区提高50%，三个矿区综合钻井成功率将从52%提高到72%，提高了20%。

图1 典型的“双无”煤层气井的AVO响应特征（平均日产量881m3/d）

Figure 1 Typical AVO response at a CBM well with neither AVO anomaly nor

required productivity （Average output 881m3/d）

（2）根据表1第3列可以得到结论，凡是钻井获得工业气流煤层气井都有AVO异常。表1第2列三个矿区16口有工业气流煤层气井的平均日产量在1033 ~ 3583m3/d之间，这些井中作为勘探目的层的煤层气储层都有AVO异常，试气成果与AVO正演数值模拟解释的AVO响应特征都一致，尽管异常强度差别大，但是，异常都是明确的，明显地不同于那些

3无工业气流煤层气井煤层的AVO响应特征。图2是那口平均日产量为3583m/d的井的AVO

正演数值模拟成果，该图展示的内容与图1类同。该井目的层是E4号煤，深度733.2~738.6m，其AVO响应特征是：即高产储层的顶板反射界面的负相位反射振幅绝对值随偏移距的增加而减小，呈现强负截距异常和强正梯度异常；底板反射界面的正相位反射振幅也随偏移距的增加而减小，但是，呈现强正截距异常和强负梯度异常。

这证明本文技术方案第（3）条——在整个勘探开发程序中，将煤层气井优先部署在根据AVO异常圈定的煤层气储层中的富集高渗部位——能够保证高钻井成功率。如前述，以这三个矿区为例，如果仅仅在AVO异常圈定的富集高渗部位布井，综合钻井成功率将从52%提高到72%，提高了20%。

图2 典型的“双有”煤层气井的AVO响应特征 （平均日产量3583m/d） Figure 2 Typical AVO response at a CBM well with both AVO anomaly and

required productivity （Average output 3583m3/d）

3

（3）表1第5列是三个矿区“有AVO异常，无工业气流”的煤层气井的数量。对于这样的井，应当实施本文技术方案第（8）条，即综合利用多种资料，开展煤层气井评价，查明“有AVO异常，无工业气流”的原因，采取相应措施，有可能变死井为活井。下面对此做简略分析。

A矿区三口“有AVO异常，无工业气流”井，根据它们的实验室测定成果，含气量都明显高于矿区含气量平均值。其中两口井在地震测线上，井位置上都有可靠的AVO异常，与正演数值模拟成果一致。因此，可以判定这两口井都位于该井周围是煤层气富集区，试气产量不高的原因是现有开采技术问题，不是煤层本身含气量低，应当改进该井开采工艺技术，提高产量。特别地，其中一口井的井径曲线在储层深度范围内无扩大，可以排除煤体结构破碎、煤粉充填裂隙导致渗透率低的可能性，如果改进压裂工艺，有可能变死井为活井。第三口井的情况有所不同，该井远离地震测线，仅仅根据该井AVO正演数值模拟成果不能有把握地推测井周围AVO异常情况，并且煤层气储层深度大于1200m，因此，建议暂缓该井周边的勘探开发。

B矿区一口井“有AVO异常，无工业气流”，该井钻遇的目的层的深度

3（659.25~666.05m）、厚度（6.8m）及其实验室测定的含气量（23.45m/t

）都预期该井应当

是有工业气流的井。但是，试气成果与正演数值模拟的AVO响应特征矛盾，也与上述储层的上述基本条件矛盾。综合分析认为，认为该井煤层气储层的力学强度应当比较大；试气低产的原因可能是煤层力学强度大，没有成功压裂。建议改进压裂技术，改造该井，预期可以获得中等以上的产量。

C矿区两口井“有AVO异常，无工业气流”，它们属于同一个开发单元，相距？？m，目的层深度分别为950m左右和1050m左右。在一年多排水降压期间，两口井钻孔内液面都没有充分下降，液面高度始终分别高于煤层气储层顶板600m左右和450m左右。实验室测定的这两口井的煤层气储层的含气量都明显地高于该矿区含气量平均值，证明它们的储层是煤层气相对比较富集的储层；正演数值模拟的AVO响应特征都与实验室测定的含气量一致。这两口井没有产量的原因是井底压力没有下降到低于初始解吸压力的程度，煤层气解吸根本没有发生。像这样的失误仅仅依靠煤层气AVO技术是难以避免的。综合研究确定地下水径流情况，有可能避免这样的失误。

表1第5列证明了本文建议的技术方案第（8）条——对每一口煤层气井，根据AVO正演数值模拟成果、地震资料AVO反演及AVO异常解释成果、试气成果、实验室测定成果、录井及完井成果，等等，做煤层气井评价——的价值。使用煤层气AVO技术评价煤层气井有可能变死井为活井，并对下一步勘探井/开发井部署有指导作用。

（4）表1第6列指明C矿区有一口井的状况无法被确定。该井在排水降压三个月后，在将近半月的时间内，产量曾经达到工业气流标准，但是，产量很快下降到接近于零。储层厚度3.4m，但是取芯只获得一个粉末状的样品；实验室测定的含气量接近于零（3.09m/t），此测定结果不能代表该井煤层气储层的含气量。AVO正演数值模拟有弱AVO异常。根据上述情况，无法判断该井储层的真实状况。

本文提供的技术方案有严密、完整、创新性的岩石物理基础和地震波理论基础。但是，限于篇幅，本文无法完整地解说这些理论基础。再者，笔者担心，概略地介绍这些理论基础有可能误导读者，因为煤层气AVO技术的理论基础完全地不同于天然气AVO技术。有兴趣了解这些基础理论的读者请参考文献[1]。 3

总结

综上所述，对三个矿区31口煤层气井的分析研究表明，煤层气井产量与煤层气储层AVO异常之间有可靠的相关性，凡是达到工业气流标准的井，其储层都有较强的AVO异常；凡是没有达到工业气流标准的井，其储层都没有较强的AVO异常；不存在“无AVO异常而有工业气流”的情况。如果一个煤层气公司能够接受本文建议的技术方案，将井优先部署在有AVO异常的部位，将能够有效地避免打废井，有效地提高钻井成功率。

当然，煤层气AVO技术不是万能的，不能够保证在有AVO异常的位置打井都获得工业气流。当出现“有AVO异常无工业气流”的失误时，使用煤层气AVO做煤层气井评价，有可能变死井为活井。更适宜的做法是，在钻井和测井之后、试气之前，完成AVO正演数值模拟，做出煤层气井初步评价，为试气程序设计提供服务；在试气之后，如果有必要，再做最终评价，确定后继压力改造方案，并指导后继勘探井、开发井部署。

1陈信平，霍全明，林建东，汪洋，孙粉锦，赵庆波. 2013年. 煤层气AVO技术. 北京，石油出版社（出版中）