碎軟低滲煤層煤層氣直井間接壓裂技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

周加佳

碎軟低滲煤層煤層氣直井間接壓裂技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

周加佳

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了解決碎軟低滲煤層壓裂改造過程中煤粉產(chǎn)出和壓裂裂縫不易延伸的技術(shù)瓶頸，采用地應(yīng)力和數(shù)值模擬分析方法，對(duì)煤層氣井間接壓裂適應(yīng)性及裂縫展布規(guī)律進(jìn)行分析研究，并在湖南洪山殿礦區(qū)進(jìn)行了間接壓裂工程實(shí)踐。結(jié)果表明：間接壓裂可有效提高碎軟低滲煤層的壓裂改造效果，增加壓裂裂縫長度，當(dāng)頂?shù)装鍨榇嘈陨皫r時(shí)，更加有利于間接壓裂；洪山殿礦區(qū)HC01井取得了單井產(chǎn)氣量1 850 m3/d的良好產(chǎn)氣效果，表明“大排量、大砂量、高前置液比、中砂比”的活性水間接壓裂技術(shù)適用于碎軟低滲煤層的增產(chǎn)改造；同時(shí)，可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)的應(yīng)用可有效縮短煤層氣井多煤層段壓裂改造的施工周期，提高壓裂施工時(shí)效性。

碎軟低滲煤層；煤層氣；間接壓裂；橋塞射孔聯(lián)作技術(shù)；洪山殿礦區(qū)；湖南省

我國陸上煤層埋深2 000 m以淺煤層氣原地資源量為32.86萬億m3，煤層氣資源量十分豐富[1-2]。但是，碎軟低滲煤層在我國分布卻非常廣泛，約占我國煤炭資源總量的60%，碎軟低滲煤層具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比的力學(xué)特征，煤體塑性大且易破碎，其壓裂裂縫很難延伸到煤層遠(yuǎn)端形成長效縫，整體不利于壓裂改造。截至目前，包括安徽、河南、山西以及湖南等地進(jìn)行了大量的碎軟低滲煤層煤層氣開發(fā)工程實(shí)踐，抽采效果主要表現(xiàn)為單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期短、衰減快、抽采效率低等特點(diǎn)[3-4]，制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展且難以滿足煤礦安全生產(chǎn)對(duì)快速降低煤層瓦斯含量的要求。針對(duì)碎軟低滲煤層壓裂中存在的問題，在國內(nèi)外煤層氣直井壓裂中提出并應(yīng)用了間接壓裂技術(shù)[5-9]，選擇對(duì)高彈性模量和低泊松比的煤層頂?shù)装鍘r層進(jìn)行射孔和壓裂，可有效提高壓裂裂縫的延伸長度和導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的間接壓裂改造，取得了良好效果。通過對(duì)間接壓裂技術(shù)的適應(yīng)性和裂縫展布規(guī)律分析，并結(jié)合間接壓裂技術(shù)在湖南洪山殿礦區(qū)的工程實(shí)踐，旨在探索一套適合碎軟低滲煤層煤層氣直井間接壓裂高效抽采技術(shù)工藝，為湖南以及類似地區(qū)的煤層氣開發(fā)探索新的方法和思路。

1 碎軟低滲煤層壓裂改造技術(shù)瓶頸

a. 煤粉產(chǎn)出

碎軟煤層受井筒應(yīng)力集中和鉆井中鉆頭擠壓、鉆井液沖刷作用的影響，會(huì)在近井地帶形成煤屑、煤粉；在壓裂裂縫延伸過程中，煤層受排量過大的壓裂液沖刷及砂子的擠磨會(huì)形成煤粉，堵塞裂縫通道；且煤粉和壓裂砂的鑲嵌作用使砂子堆積在井筒周圍不能形成長效縫，無法形成有效的滲流通道[10-12]。以上原因造成的煤粉產(chǎn)出會(huì)導(dǎo)致碎軟煤層壓裂裂縫較短，裂縫通道堵塞較嚴(yán)重，壓裂效果差。同時(shí)，在排采過程中大量產(chǎn)出的煤粉堵塞煤層氣運(yùn)移通道，導(dǎo)致排采穩(wěn)產(chǎn)期短，產(chǎn)氣量衰減迅速。

b. 壓裂裂縫不易延伸

碎軟煤層具有低彈性模量、高泊松比以及煤體塑性大的特征，直接對(duì)煤層進(jìn)行射孔壓裂，產(chǎn)生的煤粉易堵塞通道，裂縫很難延伸到煤層遠(yuǎn)端形成長效縫，導(dǎo)致壓裂改造效果差，單井產(chǎn)量較低。

針對(duì)碎軟低滲煤層壓裂改造存在的技術(shù)瓶頸，提出了煤層氣直井間接壓裂技術(shù)。采取對(duì)高彈性模量和低泊松比的煤層頂?shù)装鍘r層進(jìn)行射孔和壓裂，減少壓裂過程中煤粉的產(chǎn)出，有利于裂縫長度延伸，增加泄流面積(圖1)。通過壓裂改造在煤層及其頂?shù)装逯行纬伞案咚贊B流通道”，提高壓裂裂縫的導(dǎo)流能力，從而實(shí)現(xiàn)有效增產(chǎn)。

2 煤層間接壓裂適應(yīng)性及裂縫展布規(guī)律分析

2.1 間接壓裂適應(yīng)性

煤層間接壓裂技術(shù)適應(yīng)性取決于煤層頂?shù)装鍘r性組合，煤層頂?shù)装鍘r性大致可分為砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及泥巖。由于地層的應(yīng)力分布決定了水力壓裂裂縫的產(chǎn)狀和延伸方向，壓裂裂縫在垂向上的延伸與層間最小水平主應(yīng)力大小有關(guān)[13-14]。根據(jù)沉積巖地應(yīng)力測試認(rèn)為：地層中最小水平主應(yīng)力值與巖層泊松比呈正相關(guān)關(guān)系，各巖性泊松比大小依次為砂巖<細(xì)砂巖<粉砂巖<煤層<泥巖[15-16]。

圖1 碎軟低滲煤層壓裂裂縫對(duì)比示意圖

綜上可知，煤層頂?shù)装鍘r性為砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖的脆性巖層，其泊松比低、彈性模量高，巖層最小主應(yīng)力小于煤層的最小主應(yīng)力，適合壓裂裂縫延伸，此類巖性頂?shù)装灞容^適于進(jìn)行間接壓裂施工，其壓裂裂縫的延伸效果好，能夠形成好的煤層氣解吸和滲流通道。而脆性礦物含量少的厚層泥巖比煤層的可塑性更強(qiáng)，最小主應(yīng)力大于煤層，此類泥巖是很好的遮擋層，不適合實(shí)施間接壓裂，只有當(dāng)頂?shù)装迥鄮r脆性指數(shù)高于40時(shí)，間接壓裂相比于直接壓裂的優(yōu)勢才得以體現(xiàn)[17-18]。

2.2 間接壓裂裂縫展布規(guī)律

水力壓裂裂縫形態(tài)受地應(yīng)力大小、巖石力學(xué)特性和壓裂工藝技術(shù)的綜合影響，其中地應(yīng)力和巖石力學(xué)特性是控制裂縫形態(tài)的本質(zhì)地質(zhì)因素[19-20]。湖南洪山殿礦區(qū)HC01井6煤厚度2.74 m，其頂板為5.87 m泥巖，底板為4.2 m細(xì)砂巖，適合進(jìn)行間接壓裂施工。通過地應(yīng)力測井和頂?shù)装鍘r石力學(xué)測試得到6煤及其底板巖石力學(xué)參數(shù)(表1)。由表1可知：①煤層及其底板的垂向應(yīng)力均大于水平應(yīng)力，表明壓裂過程中將形成垂直裂縫，有利于壓裂裂縫從底板向上延伸到6煤中；② 6煤底板相對(duì)煤層的泊松比低、彈性模量高，底板最小主應(yīng)力小于煤層的最小主應(yīng)力，有利于壓裂裂縫沿脆性較大的底板細(xì)砂巖橫向延伸形成長縫，有效提高裂縫導(dǎo)流能力。因此，采取間接壓裂施工工藝對(duì)6煤及其底板進(jìn)行壓裂改造，形成的裂縫有利于縱向上向煤層延伸，同時(shí)也能形成較長的壓裂裂縫，達(dá)到較好的增產(chǎn)效果。

為了進(jìn)一步研究煤儲(chǔ)層間接壓裂施工工藝技術(shù)對(duì)裂縫展布規(guī)律的影響，對(duì)湖南洪山殿礦區(qū)HC01井6煤進(jìn)行壓裂裂縫模擬分析，模擬排量為8 m3/min，壓裂施工規(guī)模相同的條件下，分別設(shè)計(jì)不同壓裂方式下4種不同射孔位置(表1)的壓裂模擬方案，運(yùn)用FracproPT壓裂模擬軟件對(duì)6煤4種不同射孔壓裂方案進(jìn)行裂縫模擬分析，得到不同的壓裂裂縫數(shù)據(jù)(表2)和展布圖(圖2)(以6煤和6煤+2 m底板為例)。

表1 湖南洪山殿礦區(qū)HC01井6煤及其底板巖石力學(xué)參數(shù)

表2 不同射孔位置壓裂裂縫參數(shù)數(shù)據(jù)表

圖2 不同射孔位置壓裂裂縫展布對(duì)比示意圖

根據(jù)4種不同射孔位置的壓裂裂縫模擬結(jié)果可以看出，直接對(duì)6號(hào)煤層進(jìn)行射孔壓裂改造，裂縫長度較短，壓裂裂縫很難延伸到煤層遠(yuǎn)端形成長效縫；采用間接壓裂方式對(duì)6煤底部和底板進(jìn)行射孔壓裂改造，壓裂形成的裂縫延伸效果好，能夠相對(duì)延伸到煤層遠(yuǎn)端，更加有利于提高壓裂縫的導(dǎo)流能力；從表(2)可以看出，射孔6煤底部+3 m底板的裂縫長度比射孔6煤底部+2 m底板的裂縫長度增幅不大。因此，采用間接壓裂方式，選擇射孔6煤底部+2 m底板的射孔方式，有利于壓裂裂縫沿底板細(xì)砂巖橫向延伸形成長縫并溝通煤層，以達(dá)到增產(chǎn)改造的最佳效果。

3 工程實(shí)踐及其抽采效果

3.1 地質(zhì)概況

為了推動(dòng)湖南省煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)程，結(jié)合“十三五”國家科技重大專項(xiàng)《碎軟低滲煤層地面煤層氣抽采技術(shù)與裝備》的研究，在湖南婁底市洪山殿礦區(qū)部署1口煤層氣試驗(yàn)直井HC01井，旨在深入了解研究區(qū)主要可采煤層的煤儲(chǔ)層特征和煤層氣勘探開發(fā)潛力。

HC01井含煤地層主要位于二疊系龍?zhí)督M(P2)，該井完井深度750 m，自上而下共鉆遇6層煤層，其中，壓裂改造目標(biāo)煤層為2、3、4和6煤。對(duì)6號(hào)煤進(jìn)行注入/壓降試井，測試6煤的滲透率為0.01× 10-3μm2，結(jié)合鉆井取心觀測，2、3、4和6煤煤體結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)為糜棱結(jié)構(gòu)煤，手捻成粒狀、粉狀。煤層頂板多為泥巖，底板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖為主。通過氣含量測試分析，煤層整體氣含量較高，其中，4煤氣含量最高為16.29 m3/t。

3.2 壓裂工藝技術(shù)分析

3.2.1 煤層氣間接壓裂技術(shù)

湖南洪山殿礦區(qū)HC01井壓裂改造目標(biāo)煤層為2煤、3煤、4煤和6煤，整體表現(xiàn)為碎軟低滲的特點(diǎn)。根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性特征可知，3煤頂?shù)装寰鶠槟鄮r，不適合進(jìn)行間接壓裂施工，選擇直接對(duì)3煤進(jìn)行射孔壓裂；對(duì)2煤、4煤和6煤及其底板細(xì)砂巖進(jìn)行間接壓裂施工。壓裂施工均采用活性水壓裂液，并采用復(fù)合支撐劑技術(shù)，加入20~40目(425~850 μm)和16~20目(850~1 000 μm)石英砂。前置液比例大于45%，施工排量7~8 m3/min，加砂規(guī)模9~15 m3/m，平均砂比10%~12%(表4)。對(duì)比施工壓力分析可知，3煤平均施工壓力16.69 MPa為該地區(qū)對(duì)3煤直接壓裂的正常施工壓力，而對(duì)2號(hào)、4號(hào)和6號(hào)煤進(jìn)行間接壓裂的施工壓力均大于3煤的施工壓力，且遠(yuǎn)大于各煤層的正常施工壓力。由此可見，對(duì)2、4和6煤進(jìn)行間接壓裂有利于壓裂裂縫沿底板細(xì)砂巖橫向延伸形成長縫并溝通煤層，達(dá)到良好的增產(chǎn)改造效果。

同時(shí)，壓裂施工過程中對(duì)HC01井3煤和6煤進(jìn)行了微地震裂縫監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，采用間接壓裂施工的6煤層平均裂縫半長為100.9 m，大于直接壓裂的3煤層平均裂縫半長70.6 m。因此，針對(duì)碎軟低滲煤層所采用的“大排量、大砂量、高前置液比、中砂比”的活性水間接壓裂工藝技術(shù)能夠有效解決壓裂施工過程中碎軟低滲煤層易傷害、壓裂液濾失量大、壓裂縫短、支撐劑鑲嵌嚴(yán)重的難題，增加壓裂裂縫的延伸長度和導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)高效壓裂改造的目的。

表3 湖南洪山殿礦區(qū)HC01井目標(biāo)煤層基本參數(shù)表

表4 湖南洪山殿礦區(qū)HC01井煤層壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：表中16.83~19.15/17.33表示最小~最大值/平均值，其他同。

3.2.2 煤層氣井可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)

由于HC01井需要進(jìn)行多層段壓裂施工，采用常規(guī)的填砂分壓方式，存在填砂難度大、封隔效果差及壓裂施工作業(yè)工期長等問題。在貴州官寨多煤層地區(qū)，2014-10-25至2014-12-06采用填砂分壓方式對(duì)GZ01井的4煤、6+9煤及11+12+13煤層進(jìn)行多層段壓裂施工，由于碎軟煤層放噴時(shí)間長造成GZ01井整個(gè)壓裂施工周期共耗時(shí)43 d[21]。因此，為了實(shí)現(xiàn)多層段壓裂改造，保證分層壓裂的針對(duì)性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性，本次HC01井壓裂采用煤層氣直井可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)(圖3)，于2017-12-04至2017-12-07對(duì)2煤、3煤、4煤和6煤進(jìn)行多層段壓裂施工，壓裂施工周期4 d，可在帶壓情況下進(jìn)行作業(yè)施工，4段壓裂目標(biāo)煤層可實(shí)現(xiàn)連續(xù)壓裂，壓后同時(shí)放噴，一趟鉆塞，相比填砂分壓可大幅縮短壓裂作業(yè)周期，提高壓裂施工的時(shí)效性。

圖3 可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)示意圖

可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)在洪山殿礦區(qū)HC01井多層壓裂施工的成功應(yīng)用表明，該技術(shù)工藝在煤層氣直井多煤層段壓裂改造施工中有較好的適用性，可有效縮短煤層氣井多煤層段壓裂改造的施工周期，提高壓裂施工時(shí)效性。

3.3 抽采效果評(píng)價(jià)

湖南省前期煤層氣勘探開發(fā)程度較低且單井產(chǎn)量低。國土資源部中南石油地質(zhì)局于1991—1995年在洪山殿礦區(qū)實(shí)施了兩口煤層氣試驗(yàn)井湘煤1井和湘煤2井，其瞬時(shí)最高產(chǎn)氣量為158~600 m3/d，且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短[22]。與之進(jìn)行對(duì)比，本次HC01井選用GLB120-CBM-18型螺桿泵進(jìn)行排采作業(yè)，整個(gè)排采過程采用定壓穩(wěn)排方式，嚴(yán)格把握“平穩(wěn)、安全、階段性調(diào)整”的原則，進(jìn)行分階段精細(xì)化排采管理，最大限度地使煤層充分解吸，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。自2018-02-05開始排采，初期上產(chǎn)速度快，單井最高產(chǎn)氣量達(dá)到1 850 m3/d，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)煤層氣井單井產(chǎn)氣量的巨大突破。截至2018-10-15，穩(wěn)定產(chǎn)氣量為1 138 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量19.09萬m3，且仍保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的產(chǎn)氣潛力(圖4)。

圖4 湖南洪山殿礦區(qū)HC01井生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖

煤層氣直井間接壓裂技術(shù)在湖南洪山殿礦區(qū)HC01井進(jìn)行工程實(shí)踐并取得了良好的產(chǎn)氣效果，其成功應(yīng)用對(duì)湖南及類似地區(qū)碎軟低滲煤儲(chǔ)層煤層氣開發(fā)具有一定的借鑒和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

a. 碎軟低滲煤層具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比的力學(xué)性質(zhì)，煤粉產(chǎn)出和壓裂裂縫不易延伸是制約煤層氣壓裂改造效果的主要技術(shù)瓶頸。

b.間接壓裂可有效提高碎軟低滲煤層的壓裂改造效果，增壓裂裂縫長度。當(dāng)煤層頂?shù)装鍨榇嘈陨皫r巖層時(shí)，更有利于進(jìn)行間接壓裂改造，其壓裂裂縫的延伸效果較好。

c.可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)工藝可有效縮短煤層氣井多煤層段壓裂改造的施工周期，提高壓裂施工的時(shí)效性。

d.湖南洪山殿礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)取得了單井產(chǎn)氣量達(dá)到1 850 m3/d的良好產(chǎn)氣效果，工程實(shí)踐表明“大排量、大砂量、高前置液比、中砂比”的活性水間接壓裂工藝技術(shù)適用于碎軟低滲煤層的增產(chǎn)改造，對(duì)湖南以及類似地區(qū)的煤層氣開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Technology and application of indirect fracturing in CBM vertical well of broken and soft coal seam with low permeability

ZHOU Jiajia

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Crop., Xi’an 710077, China)

In order to solve the problems of pulverized coal output and fracturing fracture not easy to extend during fracturing operation in the broken and soft coal seam with low permeability, the adaptability and fracturing fracture distribution of CBM during indirect fracturing are studied by means of in-situ stress and numerical simulation, and the engineering practice of indirect fracturing has been tested in Hongshandian mining area of Hunan Province. The results show that indirect fracturing can effectively improve the fracturing effect of the broken and soft coal seam with low permeability, and increase the fracture length. When the roof and floor are lithologicaly brittle sandstone, it is more conducive to indirect fracturing. Well HC01 has achieved a good gas production efficiency of 1 850 m3/d, indicating that the active water indirect fracturing technology of "large displacement, large sand volume, high prepad ratio and medium sand ratio" is suitable for fracturing of the broken and soft coal seam with low permeability. At the same time, the application of drilling bridge plug cable perforation technology can effectively shorten the construction period of multi-seam fracturing in CBM well and improve the efficiency of fracturing operation.

broken and soft coal seam with low permeability; coalbed methane; indirect fracturing; bridge plug perforation combination technique; Hongshandian mining area; Hunan Province

TE357

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.002

1001-1986(2019)04-0006-06

2019-05-09

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-002-004)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-004)

周加佳，1984年生，男，安徽巢湖人，碩士，助理研究員，從事煤層氣開發(fā)與壓裂增產(chǎn)方面的研究工作. E-mail：zhoujiajia@cctegxian.com

周加佳. 碎軟低滲煤層煤層氣直井間接壓裂技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：6–11.

ZHOU Jiajia. Technology and application of indirect fracturing in CBM vertical well of broken and soft coal seam with low permeability[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：6–11.

(責(zé)任編輯 范章群)