鄭家發(fā)
(貴州省煤田地質(zhì)局實驗室,貴陽貴州550008)
貴州黔北某區(qū)塊4#、5#煤層合層壓裂可行性研究
鄭家發(fā)*
(貴州省煤田地質(zhì)局實驗室,貴陽貴州550008)
煤層薄、單層資源豐度不足、多層聯(lián)合開發(fā)費用高的現(xiàn)狀嚴(yán)重限制了貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為降低開發(fā)成本、克服地質(zhì)條件的限制,結(jié)合研究區(qū)特點,采用理論計算、工程實施驗證的方法探討了4#、5#煤層合層壓裂的可行性。研究結(jié)果表明:試驗區(qū)4#煤層和5#煤層同時實現(xiàn)破裂是可能的,采用投球封堵的方法可實現(xiàn)均勻壓裂的目的;合層壓裂后排采數(shù)據(jù)顯示,平均日產(chǎn)量可達(dá)1200m3,已達(dá)到周邊分層壓裂井的平均水平,說明了此工藝的可行性。
煤層氣;薄煤層;合層壓裂;聯(lián)合開發(fā)
貴州省煤層氣資源量巨大,噸煤含氣量高,煤層數(shù)量多[1]。雖滿足了資源豐度的要求,但其煤層薄、滲透性低的特點不能為煤層氣地面開發(fā)提供資源保障。目前主要采取的開采策略是分段射孔壓裂(封隔器、橋塞、封堵球、填砂等)[2],以實現(xiàn)多煤層聯(lián)合開采。但高壓裂費用、高投資風(fēng)險的現(xiàn)狀使許多投資者望而卻步,嚴(yán)重制約了貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何采取因地制宜的工藝,實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā),還是一個亟待解決的重大課題。
蘇現(xiàn)波教授提出“虛擬儲層”概念,提供了一種在煤儲層臨近層進(jìn)行壓裂抽采煤層氣的新思路[3]。倪曉明等研究了多煤層合層水力壓裂關(guān)鍵技術(shù),認(rèn)為在合適的條件下,合層水力壓裂是一種可行的工藝,可以實現(xiàn)兩層或以上煤層及夾層作為一個壓力系統(tǒng)壓裂的目的[4],并研究了合層水力壓裂是投球數(shù)的確定方法[5];李勇明、王興文等通過對堵塞球受力分析,建立了破裂壓力計算模型[6-7];肖輝等研究了施工參數(shù)對堵塞球運動的影響[8]。煤層的非均質(zhì)性強,且具有地域性特點,結(jié)合前人研究和此研究區(qū)煤層數(shù)多、層間距小的特點,通過理論計算、工程實施驗證等討論了本區(qū)塊4#、5#煤層實施合層壓裂的可行性,以期實現(xiàn)降低成本和風(fēng)險、縮短投資周期,高效開采研究區(qū)煤層氣的目的。
1.1井田地層
研究區(qū)含煤地層龍?zhí)督M(P3l)出露于井田北部及西部外圍,以灰、深灰色薄—中厚層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖為主,夾細(xì)砂巖、鈣質(zhì)泥巖及4~7層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,含煤9~21層。根據(jù)巖性、古生物,可分為上、下2段:
下段(P3l1)以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,夾細(xì)砂巖、灰質(zhì)泥巖。含煤3~8層,煤層編號為10~15號。
上段(P3l2)以粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,夾細(xì)砂巖。含煤5~14層,煤層編號為1~9號,其中9、5、4號煤層普遍發(fā)育較好,是井田內(nèi)主要可采煤層。
1.2構(gòu)造特征
井田總體呈一向斜構(gòu)造,少見斷層,向斜位于井田中部,走向70°左右,井田內(nèi)長約4 km,包括區(qū)外其清楚段長約11km,為一寬緩的不對稱向斜,軸面傾向北西,向斜寬約2~4.5km。自西向東,其軸線先后穿過上二疊統(tǒng)、三疊系。北西翼地層傾角較陡,為7°~35°,一般28°;南東翼地層傾角較緩,為4°~12°,一般為9°~10°,總體來看,井田的構(gòu)造復(fù)雜程度中等。
1.3煤層情況
(1)4#煤層:位于龍?zhí)督M上段的中部,上距長興灰?guī)r20.1~44.6m,平均28.96m。厚煤帶主要分布于井田中部;可采范圍分布于井田的中深部。煤層結(jié)構(gòu)為簡單—復(fù)雜,夾石巖性一般為泥巖,個別為炭質(zhì)泥巖,其厚度變化大,夾石增厚可造成煤層分岔形成煤層組。
(2)5#煤層:位于龍?zhí)督M上段的中下部,厚煤帶主要分布于井田北部,不可采范圍分布于井田的中部。煤層大部為簡單結(jié)構(gòu),夾石巖性一般為泥巖,厚度一般為0.10~0.30m,最厚為0.68m。頂板為4#煤層底板。直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,往下為細(xì)砂巖或粉砂巖,局部含2層薄煤層,研究區(qū)參數(shù)孔取得柱狀如圖1所示,4#煤、5#煤力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果如表1所示。
表1 煤樣力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果
如果把壓裂目的層段作為研究對象,其破裂的情況下,力學(xué)條件需滿足下式:
Ppump=Pm-PF≥Pf
式中:Ppump——壓裂施工泵壓,MPa;
Pm——井筒中的靜液壓力,MPa;
Pf——地層破裂壓力,MPa;
PF——孔眼及管線摩阻,MPa。
其中的地層破裂壓力可以通過試井測試得到,靜液壓力可以通過測定井筒中鉆井液密度獲得,孔眼摩阻可以通過線解圖求得(孔眼摩阻和射孔數(shù)目、孔眼尺寸、壓裂液密度和經(jīng)過孔眼的流量等因素有關(guān))。在進(jìn)行壓裂設(shè)計施工時就可以根據(jù)已知參數(shù),有的放矢地控制施工排量,以期在安全、經(jīng)濟(jì)的情況下得到更好的儲層改造效果。
研究區(qū)通過試井得到4#、5#煤層的破裂壓力分別為16.49、21.38MPa。4#煤層總厚2.30m,5#煤層總厚1.96m,其間干層總厚為6.09m,巖性為細(xì)砂巖,可以視為破裂壓力較大,進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時不能破裂。在一個特定區(qū)域,煤層的破裂壓力基本上是固定不變的,井筒中壓裂液的性質(zhì)有嚴(yán)格要求,靜液壓力也只能在一個很小的范圍內(nèi)上下浮動,在施工泵壓一定的前提下,通過射孔優(yōu)化,可以改變孔眼及管線摩阻。為了增加干層段破裂的可能,設(shè)計采用96型射孔槍彈,90°相位角螺旋布孔進(jìn)行射孔作業(yè),4#煤層段16孔/m,5#煤層段32孔/m。4#煤層段射孔46個,5#煤層段射孔62個。
施工最大排量為8m3/min,由于4#煤破裂壓力小于5#煤層,不考慮漏失的情況下,在壓裂初期,壓裂液注滿5#煤層段所射孔眼后,可以視為所有壓裂液都由4#煤層段孔眼進(jìn)入煤層,此時4#煤層段的單個孔眼流量就為8/46,可以根據(jù)壓裂液密度、孔眼直徑和孔眼流量,利用線解圖[9](圖2)求得此時的單孔孔眼摩阻f1約為0.5MPa,4#煤層段的總孔眼摩阻就為46× 0.5=23(MPa)。
此時St5-St4=4.89MPa<23MPa(4#煤層段孔眼摩阻),也即是說,在排量達(dá)到最大排量之前就可使5#煤層破裂。由于4#、5#煤層都是我們的主要目的層,要求其二者的改造要達(dá)到相對均一的要求,這就需要在何時將排量提升至最大方面進(jìn)行研究。
根據(jù)倪曉明[4]等研究,結(jié)合本地區(qū)實際,裂縫在高破裂壓力段的煤層中延伸的長度應(yīng)為:
式中:Q——泵注壓裂液總量,m3;
Q1——達(dá)到最大排量前注入的液量,m3;
μ——5#煤層泊松比;
h1——4#煤層厚度,m;
h2——5#煤層厚度,m;
σ——排量達(dá)到最大時5#煤層段液壓,MPa;
E——5#煤層彈性模量,MPa。
由上式可知,可以根據(jù)所需,調(diào)節(jié)達(dá)到最大排量的時間來控制裂縫在5#煤層中延伸的長度,以達(dá)到壓裂相對均勻的目的。但單通過此方法調(diào)節(jié)5#煤層中裂縫延伸的長度具有一定的限制,有上式可看出,當(dāng)初期直接把排量調(diào)節(jié)至最大,是裂縫能延伸到最大的極限,此時可能還打不到均勻壓裂的要求。所以就需要采用其他方法進(jìn)行輔助,我們在實際操作時采用的方法是通過投球封堵,已達(dá)到封堵延伸較快的孔,實現(xiàn)均勻壓裂的目的。
圖2 求取孔眼磨阻的線解圖
3.1現(xiàn)場作業(yè)
結(jié)合上述理論分析,現(xiàn)場實施過程中,直接采用最大排量進(jìn)行注液作業(yè),當(dāng)注入量達(dá)到600m3時,進(jìn)行投球封堵,投球數(shù)量為57個,壓裂曲線如圖3所示。
圖3 研究區(qū)煤層氣井壓裂施工曲線
由圖3可知,該井在初期采用最大排量8m3/min開始注液,在70min附近,壓力開始下降,說明4#煤層裂縫延伸較快。此時停泵進(jìn)行投球封堵作業(yè),以封堵4#煤層段流量較大的孔眼,之后繼續(xù)以最大排量注壓裂液。壓力較投球前有較大幅度增加,說明投球封堵效果顯著,作業(yè)進(jìn)行到130min以后壓裂穩(wěn)定下降,認(rèn)為達(dá)到均勻壓裂效果,停泵,注入總液量為800m3。
3.2壓裂效果評價
合層壓裂后,進(jìn)行排采作業(yè),66d開始見氣,平均日產(chǎn)氣量1200m3/d,產(chǎn)氣效果較臨近井(分層壓裂)相當(dāng),說明此區(qū)塊4#、5#煤合層壓裂效果較好,與分層壓裂井相當(dāng)。
(1)此研究說明,在本區(qū)塊,合理選擇射孔方式和注入排量控制摩阻的情況下,4#煤層和5#煤層同時產(chǎn)生破裂是可以實現(xiàn)的;
(2)僅采用控制摩阻和調(diào)節(jié)達(dá)到最大排量時間來控制破裂壓力較大煤層的壓裂規(guī)模具有一定的局限性,可以采用其它輔助方法(如投球封堵)以達(dá)到均勻壓裂的效果;
(3)合層壓裂后,據(jù)排采數(shù)據(jù)顯示達(dá)到了周邊分層壓裂井的產(chǎn)氣量,說明此區(qū)塊4#、5#煤層應(yīng)用合層壓裂技術(shù)是可行的。
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A
1004-5716(2016)08-0141-04
2015-08-13
2015-08-16
鄭家發(fā)(1984-),男(漢族),貴州遵義人,助理工程師,現(xiàn)從事煤層氣勘探開發(fā)及巖石力學(xué)性質(zhì)測試與研究工作。