鄂爾多斯盆地東緣柳林地區(qū)山西組煤儲(chǔ)層壓裂工藝研究

林亮 劉勇

摘要：壓裂工藝是煤層氣開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司承擔(dān)國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目?—“鄂爾多斯盆地石炭-二疊系煤層氣勘探開發(fā)示范工程”，已經(jīng)在柳林區(qū)塊內(nèi)開展了大量現(xiàn)場工作。利用區(qū)內(nèi)80口煤層氣井山西組煤層壓裂施工資料，結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比分析典型井壓裂施工效果，優(yōu)選了壓裂方式。研究表明，活性水加砂壓裂是較適合柳林地區(qū)山西組煤層氣井的增產(chǎn)改造措施。

關(guān)鍵詞：柳林區(qū)塊;煤層氣;壓裂;活性水;

1區(qū)域地質(zhì)背景

河?xùn)|煤田處在黃河?xùn)|岸——呂梁山西坡的南北向構(gòu)造帶上，屬于李四光指出的“黃河兩岸南北向構(gòu)造帶”的東岸部分。煤田總體上是一個(gè)基本向西傾斜的單斜構(gòu)造，屬于呂梁復(fù)背斜西翼的一部分，在單斜上又發(fā)育次一級的褶曲和經(jīng)向或新華夏系的斷裂構(gòu)造。

2 壓裂方式

目前多煤層的煤層氣井壓裂方式主要有合壓和分壓兩種，通過對柳林地區(qū)前期壓裂方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，投球分壓技術(shù)好于合壓技術(shù)，從壓裂效果來看，投球壓裂施工過程中，大多數(shù)井投球前后壓裂施工壓力變化比較明顯，甚至出現(xiàn)了明顯的破裂點(diǎn)，以XXX-06井投球壓裂為例，該井3號(hào)、4號(hào)煤層破裂壓力20.15MPa，投橡膠封堵球35個(gè)壓開5號(hào)煤層，5號(hào)煤層破裂壓力24.26MPa，投球前后壓力變化明顯。

3 壓裂液

中聯(lián)公司施工的80口壓裂井，壓裂液都為活性水壓裂液，并添加1%的KCl作為粘土膨脹抑制劑和0.05%的殺菌劑，壓裂效果比較明顯。泡沫壓裂液攜砂能力強(qiáng)，對煤儲(chǔ)層的傷害低，但目前國內(nèi)泡沫壓裂技術(shù)條件有限且成本很高，目前在柳林地區(qū)沒有應(yīng)用。氣體增能壓裂技術(shù)（CO2伴注）在柳林地區(qū)的FL-EP8和FL-EP9中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，但成本高，增產(chǎn)效果不明顯。

綜合考慮各種因素，選擇活性水壓裂液為柳林地區(qū)首選壓裂液。壓裂液配方為：清水+1%KCl+0.05% YT-1。

4支撐劑

氣井壓裂常用的支撐劑有石英砂、陶粒（實(shí)心、空心、多孔）、玻璃球、鋁球、樹脂包層砂等，類型選擇主要考慮其強(qiáng)度和成本。柳林地區(qū)煤層閉合壓力為6～16MPa，對支撐劑強(qiáng)度要求不高，從降低成本和便于活性水壓裂液輸送的角度考慮，選擇價(jià)格適宜的蘭州石英砂作為支撐劑，其強(qiáng)度完全符合該區(qū)煤儲(chǔ)層壓裂施工的要求。柳林地區(qū)煤層氣井壓裂采用合適粒度組合的石英砂支撐劑，如先泵入20～40目的中砂，再泵入12～20目粗砂，粒徑較大的石英砂將使近井范圍的裂縫具有較高的導(dǎo)流能力。

5 壓裂規(guī)模

總的來說，柳林地區(qū)前期的加砂規(guī)模及砂比并不高，同時(shí)由于煤儲(chǔ)層相對比較軟，石英砂極易被嵌入，降低了石英砂的支撐效果;另一方面，石英砂具有很強(qiáng)的磨細(xì)作用，容易產(chǎn)生大量的煤粉，運(yùn)移后一起充填到中粗砂空隙中，從而降低壓裂改造效果。為此，后期在該區(qū)進(jìn)行壓裂施工時(shí)，適當(dāng)提高了加砂規(guī)模及砂比，平均砂比達(dá)到15%，每米加砂規(guī)模不低于8 m3/m。

6 施工排量

為了有效提高壓裂液的造縫效果，提高壓裂加砂規(guī)模和砂比，實(shí)現(xiàn)造長縫和寬縫效果，后期將施工排量設(shè)計(jì)提高到不低于7m3/min，并且所有井的設(shè)計(jì)都采用光套管注入、大排量壓裂技術(shù)，除個(gè)別井出現(xiàn)暫時(shí)性的砂堵外，均順利完成壓裂。

7 降濾失工藝

考慮到有機(jī)高分子添加劑對煤儲(chǔ)層的傷害較大，因此壓裂中都采用前置液加砂降濾失工藝，在煤層前置液壓裂中加入70～100目的粉砂作為降濾失劑。粉砂的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)區(qū)煤層的原始滲透率，壓裂70～100目的粉砂可以充填天然裂縫，降低壓裂液的濾失，壓裂后這些天然裂縫受粉砂的支撐不能重新閉合，從而可提高目標(biāo)煤層的滲透性，適合柳林區(qū)塊煤層壓裂的地質(zhì)條件。

8 典型井施工分析

XXX-1D井為定向井，2012年3月壓裂，壓裂層位山西組煤層，射孔位置平面投影距離井口約150米，注入方式為套管注入，采用投球分層壓裂工藝。先用活性水灌滿井筒，做小型測試壓裂，小型測試采用階梯升排量法，最大排量8m3，最大壓力20.50Mpa，測壓降60min，壓力降至13.43Mpa。該井3號(hào)煤層破裂壓力23.70MPa，3號(hào)煤層施工壓力穩(wěn)定在22.00Mpa左右，第一層加砂按設(shè)計(jì)順利完成。

第一層壓裂完成后，打投球液并投橡膠封堵球102個(gè)封堵3號(hào)煤層，計(jì)劃壓開4號(hào)、5號(hào)煤層。4號(hào)、5號(hào)煤層破裂壓力25.83MPa，施工壓力穩(wěn)定在22.70MPa左右，當(dāng)壓裂作業(yè)進(jìn)行到143分鐘時(shí)，距離施工井口西南方向約30米處發(fā)生壓裂液攜煤塊、石英砂噴涌出地面的異常情況，隨之加砂尾追1.18-0.85mm石英砂3m3，打頂替液6m3后停止施工。停泵壓力14.45MPa，壓后測壓降92min降至11.45Mpa，加砂量總計(jì)44.81m3，完成設(shè)計(jì)砂量的82.98%。

研究區(qū)域資料后，發(fā)現(xiàn)井口附近有一口山西煤田地質(zhì)局148隊(duì)于1989年施工的煤田勘探孔，孔號(hào)19，終孔深度676.89m，全孔取芯，終孔層位入O2 16.93m。

通過分析數(shù)據(jù)，XXX-1D井（定向井）的壓裂煤層平面投影距離19號(hào)煤田勘探孔（直井）對應(yīng)的煤層平面投影直線距離約114米，表明在壓裂過程中隨著主裂縫的形成和不斷擴(kuò)大，當(dāng)裂縫延伸114米到19號(hào)孔處，由于該孔可能存在的封孔問題，壓裂液攜煤粉沿原有的裸眼段噴涌出地面，此次壓裂施工從側(cè)面上表明已有的壓裂方案在柳林區(qū)塊有較好的造縫能力，最大主應(yīng)力方向上主裂縫延伸長度超過100米。

9 結(jié)論

活性水壓裂改造技術(shù)能改善儲(chǔ)層的滲透性以及與井筒的連通性，提高單井產(chǎn)量;壓裂產(chǎn)生的裂縫可以通過改變井眼周圍和儲(chǔ)層中的滲流模式，提高“有效井眼半徑”，擴(kuò)大泄流面積;壓裂還可以在一定程度上消除鉆井施工對近井帶儲(chǔ)層的傷害。該壓裂工藝技術(shù)適應(yīng)性廣，尤其是低壓低滲煤層，大多采用這種增產(chǎn)措施。綜合分析柳林地區(qū)的地質(zhì)條件、煤層特征和開采因素，認(rèn)為活性水加砂壓裂技術(shù)較適合柳林區(qū)塊的煤地質(zhì)條件，是該地區(qū)煤層氣井增產(chǎn)改造的首選技術(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉新社，席勝利，周煥順.鄂爾多斯盆地東部上古生界煤層氣儲(chǔ)層特征[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（1）