晉城亞行煤層氣井水力壓裂技術研究

尹清奎，秦俊如，張建麗，焦中華

（1.中國石化中原石油勘探局井下特種作業(yè)處，河南 濮陽457001；2.中國石化中原油田分公司信息中心，河南 濮陽 457001）

晉城亞行煤層氣井水力壓裂技術研究

尹清奎1，秦俊如2，張建麗2，焦中華1

（1.中國石化中原石油勘探局井下特種作業(yè)處，河南 濮陽457001；2.中國石化中原油田分公司信息中心，河南 濮陽 457001）

項目區(qū)位于晉城無煙煤集團寺河煤礦預備采煤區(qū)，地面上已鉆煤層氣井100口。通過對該項目煤層氣井區(qū)塊地質情況、煤層性質、水力壓裂施工入井材料以及施工工藝技術的研究，初步形成了一套適合晉城無煙煤煤層氣井壓裂施工的工藝技術。該項目100口井的壓裂施工，加砂率達100%的占壓裂總井數(shù)的94.9%，加砂率少于90%的只有2口井。壓裂施工后有11口井自噴，排采后平均單井產(chǎn)量超過3 000 m3，取得了較好的施工效果。

煤層氣井；水力壓裂；人工裂縫；甲烷解吸

1 地質概況

項目區(qū)位于沁水盆地南部的晉城無煙煤集團公司寺河煤礦西南部，為寺河煤礦預備采掘區(qū)。主要含煤層為石炭系的太原組和二疊系的山西組。項目目標地層為二疊系的山西組的3#煤層。該區(qū)煤層氣保存條件較好，3#煤層位于山西組下部，厚度5.04～7.16 m，平均6.11 m，埋深250～700 m。煤質為腐殖型無煙煤，煤巖成分以亮煤和暗煤為主，其次為鏡煤。煤的硬度大，煤體以原生結構為主，其他結構類型很少，僅底部有一層0.70～1.10 m的軟煤，強度小，呈粉狀和鱗片狀結構，煤層裂隙發(fā)育。據(jù)室內測試，煤樣的滲透率為（0.026 2～9.820 0）×10-3μm2，煤層壓力梯度在0.005 1～0.008 0 MPa/m。以儲層原地應力NNE—SSW向為主導的主應力場方位同主裂隙組方位接近（近SN向），儲層溫度為20～30℃。

區(qū)內煤層氣勘探井測試結果表明，煤層含氣量為23.72～29.02 m3/t，平均為26.04 m3/t，顯示出該區(qū)是一個煤層氣高富集區(qū)。產(chǎn)出的煤層氣中甲烷體積分數(shù)在94.1%～96.2%，CO2體積分數(shù)在0.5%～2.9%，N2體積分數(shù)在1.1%～3.0%，C2—C8體積分數(shù)在0～0.42%。該區(qū)主要煤層對甲烷具有很強的吸附能力，最大含氣量為35.3 m3/t，最大壓力為2.22 MPa。區(qū)內主要煤層的含氣飽和度一般在90%以上，個別低點也接近80%，由此說明，本區(qū)煤層氣可采性很好，在進行排水采氣時，產(chǎn)氣較早，開發(fā)條件十分有利。

區(qū)內煤層特征對煤層氣的開發(fā)十分有利，主要表現(xiàn)為煤層分布穩(wěn)定、含氣量高且保存條件好、臨界解吸壓力接近儲層壓力、儲層壓力基本屬正常壓力、滲透率較高、含氣飽和度高等。

2 壓裂液及支撐劑優(yōu)選

2.1 壓裂液及化學添加劑

依據(jù)煤層氣區(qū)塊地質特性及敏感實驗結論，該區(qū)煤層氣井壓裂液應具有強防水敏、高效助排、快速返排的特點，在室內對壓裂液及主要添加劑進行了優(yōu)選，從而形成了該項目煤層氣井的低傷害壓裂液體系。

由于煤層溫度較低（一般在20℃左右），在這種溫度條件下，即使使用催化、氧化劑，交聯(lián)壓裂液也很難徹底破膠，對煤層滲透率會造成永久性的傷害；另一方面，煤巖對有機物具有較強的吸附性，有機稠化劑大分子會吸附在煤層上，對煤層滲透率造成傷害。

從實驗結果看出，活性水壓裂液對煤層滲透率的傷害最小?；钚运畨毫岩壕哂谐杀镜?、造成的環(huán)境污染小、對后期采煤生產(chǎn)無明顯影響等優(yōu)勢；缺點是施工摩阻大、造縫能力差、攜砂能力有限。綜合多種因素，優(yōu)選活性水壓裂液為該項目的壓裂液。

在壓裂液中加入表面活性劑，用來降低儲層的表面張力和界面張力，改變儲層潤濕性，促進返排，防止和處理井眼附近的“水鎖效應”。分別對國內生產(chǎn)的幾種助排劑進行了表面張力、界面張力和人造巖心粉接觸角實驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。通過表1試驗數(shù)據(jù)的比較，通過參數(shù)優(yōu)選，最后選用ZY-09助排劑作為該項目壓裂施工助排劑。

表1 助排劑性能對比

KCl是很好的防膨劑，用量為1.0%時，防膨率就可以達到80%以上。壓裂液中加入KCl不僅提供了充分的陽離子濃度防止陽離子交換，防止黏土膨脹、分散、運移，有效地減少黏土表面的負電性，還可以提高壓裂液礦化度，使壓裂液與地層水具有良好配伍性。雖然季銨鹽陽離子聚合物具有較高的防止黏土膨脹的效果，但季銨鹽陽離子聚合物很容易吸附在煤上，對煤層滲透性造成傷害。

KCl使用質量分數(shù)為2.0%比1.0%具有更好防膨效果，但防膨效果提高不明顯。因此，采用質量分數(shù)1.0%的KCl作為本項目的黏土穩(wěn)定劑。

由于在壓裂施工過程中向煤層注入大量壓裂液及支撐劑，改變了原煤層的環(huán)境，有可能使隨著壓裂液注入的微生物和（或）煤層原有微生物在煤層中大量繁殖，堵塞煤層的滲流通道，降低壓裂改造的效果。

YT-1殺菌劑是一種季銨鹽陽離子表面活性劑，在中原油田壓裂施工中廣泛應用，采用YT-1殺菌劑作為本項目壓裂液的殺菌劑。

配方：清水+1.0%KCl+0.1%YT-1+0.1%ZY-09。

主要性能：密度1 g/cm3，黏度1 mPa·s，表面張力19.3 mN/m，界面張力0.8 mN/m，接觸角82.6°。

取晉城地區(qū)煤層地下水，與壓裂液做配伍性實驗。將地層水和壓裂液分別按3∶1，1∶1，1∶3的體積比混合，高速攪拌后，恒溫在30℃的水浴中，觀察記錄2 h后，均無沉淀和絮凝現(xiàn)象。由此說明，壓裂液與地層流體具有較好的配伍性，可滿足地層要求。

2.2 支撐劑

前期壓裂施工表明，區(qū)內煤層破裂壓力一般都在20 MPa以下，儲層最小水平應力（即閉合壓力）為3.30 MPa，應力梯度為0.988 MPa/100m。用天然石英砂作支撐劑可以滿足強度要求，同時天然石英砂價格較低，供應量也大，完全可以滿足施工需要。

綜合各方面的情況，選擇在煤層裂縫不太發(fā)育的施工井使用450～900 μm蘭州石英砂為主要支撐劑，尾追800～1 200 μm蘭州石英砂。

在煤層裂縫較發(fā)育的施工井使用450～900 μm蘭州石英砂為主要支撐劑，尾追800～1 200 μm蘭州石英砂，在前置液中加入適量的150～300 μm蘭州石英砂。這樣既能夠使壓裂裂縫具有較高的導流能力，又能夠降低壓裂液的漏失，保證壓裂施工的順利進行。

3 壓裂施工工藝

煤層具有裂縫和空隙雙重滲流體系，孔隙度一般只有2%左右，孔隙連通性非常差，基本不具氣水滲流能力［1-5］。煤層水力加砂壓裂的主要任務是壓開和支撐更多的裂縫，使煤層中的裂縫達到有效的連通，為壓力的傳導和氣水的流動提供通道，使得甲烷從煤巖體上順利解吸和產(chǎn)出。

3.1 煤層氣井水力壓裂裂縫特征及裂縫形狀

由表2可看出，無煙煤的彈性模量不到頂、底板泥巖的二分之一，泊松比明顯高于頂、底板泥巖；煤的抗張強度較小，不到頂、底板泥巖的二分之一；煤的抗壓強度低，壓縮系數(shù)大。裂縫的巖石結構特征和力學特征決定了壓裂施工人工裂縫發(fā)育和展布特征，煤層彈性模量低，裂縫寬度大、縫長小，由于煤巖裂縫割理發(fā)育，出現(xiàn)多裂縫和裂縫曲折，降低有效縫長。煤巖抗壓（張）強度低，支撐劑嵌入嚴重，裂縫導流能力傷害嚴重。

煤巖實驗結果證實，裂縫性巖石的裂縫擴展方向受水平應力和天然裂縫雙重作用，低圍壓時，煤巖的天然割理多在開啟狀況，有很強的滲流能力，裂縫會沿天然裂縫方向發(fā)展；高圍壓時，煤巖天然割理多處于關閉狀態(tài)，水力裂縫的發(fā)展向垂直于最小主應力方向接近。

表2 晉城無煙煤巖石力學實驗結果

煤層壓裂施工所產(chǎn)生的人工裂縫非常復雜，目前，國內外普遍認為煤層壓裂所形成的裂縫為復雜的多裂縫體系［4-6］，既有水平裂縫、垂直裂縫，又有“T”型裂縫、“工”字型裂縫，以及多種裂縫組合的復雜裂縫。

3.2 施工參數(shù)的確定

根據(jù)井網(wǎng)部署情況及現(xiàn)有設備能力，考慮到煤層氣井壓裂施工裂縫延伸的復雜性，確定壓裂支撐裂縫半長在80 m左右。按煤層厚度平均6 m，根據(jù)壓裂施工模型進行計算，參考前期該地區(qū)壓裂施工裂縫情況，加砂強度為每米煤層加入6 m3石英砂，從而給出本項目的壓裂施工規(guī)模：壓裂液注入量在500 m3左右；支撐劑加入量在35 m3左右。根據(jù)該地區(qū)前期射孔情況，按照經(jīng)濟實用的原則，選用電纜輸送89-1槍、89-1彈射孔，孔密16孔/m，相位角90°，螺旋布孔，壓井液為清水，井筒液面至井口。從壓裂前井溫測試及壓裂施工中可以看出，射孔效果達到要求。該地區(qū)3#煤層地層破裂壓力一般在20 MPa左右，采用350型井口可以滿足施工需要。由于使用活性水壓裂液，要求采用大排量、光套管注入施工方式，考慮到現(xiàn)有設備能力，施工排量確定為7～8 m3/min。

綜合考慮煤巖天然縫隙發(fā)育、滲透性差、壓裂裂縫形態(tài)復雜及活性水壓裂液較弱的造縫能力和攜砂能力等因素，施工過程中不追求高砂比，設計平均混砂比為10%左右。煤層水力加砂壓裂存在復雜的裂縫體系，壓裂液容易濾失，煤層造縫困難，裂縫的延伸更困難，特別是用活性水作壓裂液，這種困難會更大。泵注施工原則：泵注排量由小到大遞增，合理控制、相對穩(wěn)定；攜砂液密度由小到大遞增，最后階段提高密度。

由于煤層壓裂的特殊性，要求現(xiàn)場操作人員要有豐富的現(xiàn)場操作經(jīng)驗和良好的現(xiàn)場應變能力，同時要求施工之前必須制訂應急處置預案。一般情況下，遇到破裂壓力高時，要適當降低加砂比，對裂縫進行打磨；根據(jù)施工壓力變化情況，實時調整加砂比、排量等參數(shù)（見圖1）；頂替液量以欠頂替為宜，不能過量頂替，施工中途遇到壓裂砂堵，要及時進行返排，然后重新進行壓裂施工。

圖1 YH-027壓裂施工曲線

壓裂液的返排是壓裂工作的延續(xù)，在排采初期，必須控制排水采氣的強度，因為煤層在壓裂施工過程中會產(chǎn)生大量的煤粉，排采強度過大，就會使壓裂施工過程中被壓裂液推向遠井處的煤粉向井筒移動，造成壓裂人工裂縫的滲透率大幅度降低。一般情況下，要求井口壓力降到2 MPa以下開始控制放噴，壓裂液返排量控制在0.5 m3/h以內。

4 現(xiàn)場施工

4.1 施工基本情況

本項目100口井的壓裂施工全部一次完成。其中，加砂率達100%的有94口井，占壓裂總井數(shù)的94%；加砂率大于90%的有97口井，占壓裂總井數(shù)的97%；只有YH-070井（71%）和YH-061井（80%）加砂率在90%以下。在100口井的壓裂施工中，有71口井在前置液中沒有加入150～300 μm石英砂，占壓裂總井數(shù)的71%，有29口井在前置液中分別加入了150～300 μm石英砂5 m3，占壓裂總井數(shù)的29%。

4.2 壓后排采生產(chǎn)情況

壓裂后11口井自噴，這在煤層氣壓裂施工歷史上是很少見到的。目前有85口正常生產(chǎn)，穩(wěn)定采氣量達到273 451 m3/d，平均單井產(chǎn)量為3 217 m3/d。

5 結論

1）對區(qū)塊內地質構造和目的煤層的孔隙度、滲透率、裂縫發(fā)育情況、地層溫度、地層壓力的綜合研究，為制定本地區(qū)煤層氣井壓裂方案提供了理論基礎，給出了壓裂施工現(xiàn)場的操作原則及經(jīng)驗，為今后工作提供了指導。

2）通過對煤層的礦物組成、煤樣物性、煤層敏感性進行研究，確定了適合本地區(qū)煤層氣井壓裂入井材料。壓裂液選取活性水壓裂液，支撐劑選取蘭州石英砂，助排劑選取ZY-09，黏土穩(wěn)定劑選取氯化鉀，殺菌劑選取YT-1。

3）通過優(yōu)化壓裂設計、壓裂施工工藝，確定了最佳施工方案和施工參數(shù)。壓裂液注入量在500 m3左右，加入支撐劑450～900 μm石英砂30 m3，850～1 200 μm石英砂5 m3，部分井加大支撐劑加入量。對地層裂縫發(fā)育的地層，在前置液中加入5 m3左右的150～300 μm石英砂，平均混砂比確定為10%左右，施工排量確定為7～8 m3/min。

4）現(xiàn)場施工了100口井，全部一次完成。加砂率達100%的占壓裂總井數(shù)的94%，加砂率大于90%的占壓裂總井數(shù)的97%。壓裂施工后有11口井自噴。目前有85口正常生產(chǎn)，采氣量273 451 m3/d，平均單井產(chǎn)量為3 217 m3/d。

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（編輯 趙旭亞）

Hydraulic fracturing of coalbed gas well funded by Asia Development Bank in Jincheng

Yin Qingkui1,Qin Junru2,Zhang Jianli2,Jiao Zhonghua1
(1.Downhole Special Operation Department,Zhongyuan Petroleum Exploratoin Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.Information Center,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China)

This program area is located in the preliminary mining district of Sihe Coal Mine of Jincheng Smokeless Coal Group and 100 coalbed gas wells have been drilled.Through the research of geological situation and coal reservoir property of coalbed gas well block,operation material of hydraulic fracturing and operation technology,a set of fracturing technologies for the coalbed gas wells of Jincheng smokeless coal have been initially established.During the fracturing operation of 100 wells,the wells with 100%gravel input rate account for 94.9%of total fracturing wells and only two wells are below 90%of sand proportion.Eleven wells flowed after stimulation treatment.The average production rate of single well exceeds 3,000 m3after production test and good operation effect has been acquired.

coalbed gas well;hydraulic fracturing;artificial fracture;methane desorption

TE357.1+2

：A

1005-8907（2012）02-0257-04

2011-08-29；改回日期：2012-01-30。

尹清奎，男，1963年生，工程師，主要從事石油及煤層氣勘探開發(fā)工作。E-mail：jxyqk1963@163.com。

尹清奎，秦俊如，張建麗，等.晉城亞行煤層氣井水力壓裂技術研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：257-260. Yin Qingkui，Qin Junru，Zhang Jianli，et al.Hydraulic fracturing of coalbed gas well funded by Asia Development Bank in Jincheng［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：257-260.