沁南盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣開發(fā)工藝適用性分析

薛海飛 王建中 王力 王偉 劉廣景 楊剛

1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

我國煤層氣資源豐富,埋深2 000 m 以淺的煤層氣資源有36.8 萬億m3，煤層氣地面抽采井?dāng)?shù)超過14 000 口［1］。但由于煤儲層具有低壓、低孔、低滲、欠飽和及非均質(zhì)性強(qiáng)等地質(zhì)特點(diǎn)，開發(fā)初期工程技術(shù)不匹配，開發(fā)效果差異性較大，加上排采制度不合理［2］，造成平均單井產(chǎn)量普遍較低，其中80%的煤層氣井產(chǎn)氣量達(dá)不到商業(yè)產(chǎn)氣量的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的增產(chǎn)壓裂工藝在低滲儲層中并未取得如期的效果。以沁水盆地柿莊區(qū)塊為例，采用叢式(直)井活性水壓裂工藝的低產(chǎn)井比例高，產(chǎn)氣井平均單井產(chǎn)量為478 m3/d，產(chǎn)能到位率僅為17%。近年來也有不少專家學(xué)者開展氮?dú)馀菽瓑毫?、清潔壓裂液和深穿透水射流等新型完井工藝試?yàn)，但大都忽略煤層本身的非均質(zhì)性［3］，未提出有針對性的增產(chǎn)措施，理論部分與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合較少。以柿莊區(qū)塊為例，實(shí)施氮?dú)馀菽瓑毫训刃鹿に嚨木骄鶈尉a(chǎn)量低于150 m3/d，增產(chǎn)效果較差。筆者以沁水盆地柿莊南區(qū)塊為例，基于大量的工程實(shí)踐和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出影響煤層氣開發(fā)效果的主導(dǎo)地質(zhì)因素，總結(jié)已實(shí)施鉆完井工藝的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，優(yōu)選出適合研究區(qū)地質(zhì)特征的開發(fā)技術(shù)，以期促進(jìn)區(qū)域煤層氣的高效開發(fā)。

1 地質(zhì)因素分析

國外對中低階煤層氣的研究較多，通常根據(jù)含氣量、滲透率、含水飽和度和地應(yīng)力等地質(zhì)因素優(yōu)選開發(fā)技術(shù)，但對影響高階煤層氣開發(fā)效果的地質(zhì)因素研究較少。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上［4-6］，結(jié)合沁水盆地柿莊南區(qū)塊的開發(fā)實(shí)踐和產(chǎn)出特征，選取了38 口連續(xù)排采井的煤層含氣量等多種地質(zhì)參數(shù)與產(chǎn)氣量進(jìn)行單因素相關(guān)性分析(見表1)，認(rèn)為地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造是影響區(qū)域煤層氣開發(fā)工程技術(shù)效果的三大關(guān)鍵地質(zhì)因素，其不同的特性也決定了區(qū)域煤層氣開采需要采用不同的開發(fā)工藝。

1.1 地應(yīng)力

地應(yīng)力是指存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，其對煤層氣開發(fā)影響主要體現(xiàn)在支撐裂縫閉合和人工裂縫形成兩個方面。

(1)支撐裂縫閉合。楊延輝等［7］對沁南夏店區(qū)塊煤儲層地應(yīng)力及其對滲透性的影響進(jìn)行研究認(rèn)為： 一般地應(yīng)力小的地區(qū)，煤儲層滲透率高，煤層氣井產(chǎn)氣量較高；地應(yīng)力高的地區(qū)，裂縫容易閉合，煤儲層滲透率低，且隨深度增加滲透率呈指數(shù)降低。通過測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算，研究區(qū)平均垂向應(yīng)力18.94 MPa。整體排采趨勢顯示，隨著排采進(jìn)行井底壓力降低，在高垂向應(yīng)力作用下，直井壓裂產(chǎn)生的人工裂縫逐漸閉合，加上煤粉運(yùn)移和嵌入支撐劑的堵塞，無法建立有效的導(dǎo)流通道，產(chǎn)氣量逐漸降低，難以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

表1 地質(zhì)因素相關(guān)性分析Table 1 Analysis on the correlation of geological factors

(2)裂縫延伸。地應(yīng)力對裂縫形成的影響主要體現(xiàn)在水力裂縫的延伸機(jī)理上。低水平主應(yīng)力差條件下，水力裂縫易溝通天然裂縫，并沿天然裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，形成更大的改造體積［8］；而高水平主應(yīng)力差條件下，水力裂縫易在起裂后沿垂直最小水平主應(yīng)力的方位起裂并延伸，形成單一不可控的窄長縫，不利于煤儲層縫網(wǎng)的形成。采用組合彈簧模型計(jì)算地應(yīng)力剖面，最大水平主應(yīng)力7.85～19.00 MPa，最小水平主應(yīng)力4.66～16.00 MPa。根據(jù)研究區(qū)的應(yīng)力分布情況，地應(yīng)力狀態(tài)以σV＞σH＞σh為主，壓裂縫多為垂直裂縫。計(jì)算結(jié)果與煤層不同深度進(jìn)行線性擬合，得出最大、最小水平主應(yīng)力差為

從式(1)可以看出，隨著埋深的增加，應(yīng)力差基本呈線性增長，且柿莊南區(qū)塊局部構(gòu)造應(yīng)力集中現(xiàn)象較多，在大應(yīng)力差條件下，最大水平主應(yīng)力對裂縫擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，壓裂改造中易產(chǎn)生沿最大主應(yīng)力方向的單一窄長縫，不利于天然裂縫的開啟和縫網(wǎng)的形成。

1.2 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)指煤層在地質(zhì)歷史演化過程中受各種地質(zhì)作用后表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。煤體結(jié)構(gòu)經(jīng)過變形和變質(zhì)作用過程后，可分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤［9］。研究表明，煤體結(jié)構(gòu)無論是對煤層氣含氣量、工程開發(fā)以及排采都會產(chǎn)生較大影響。其中，碎粒煤和糜棱煤破壞嚴(yán)重，鉆井中儲層易坍塌，鉆井液容易侵入煤儲層造成儲層污染，直井壓裂無法產(chǎn)生有效的裂縫。

圖1 為研究區(qū)穩(wěn)產(chǎn)3年以上的井位煤體結(jié)構(gòu)特征圖，可以看出通過直井壓裂方式改造排采效果較好的井，其煤體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)2 個特征：(1)穩(wěn)產(chǎn)井碎粒煤比率小于25%，電阻率大于6 400 Ω · m；(2)高產(chǎn)井集中在Ⅳ1型的組合類型中，原生煤比率為40%～70%。碎裂煤-碎粒煤隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加，滲透性差和可改造性變差，壓裂和排采中易產(chǎn)生粉狀和團(tuán)狀的煤粉，無法形成有效的導(dǎo)流通道；當(dāng)?shù)貞?yīng)力破壞達(dá)到一定程度，測井電阻率值小于1 000 Ω · m 時，煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤、糜棱煤為主，壓裂時近井帶的煤層被壓實(shí)，無法形成裂縫，直井壓裂效果很差。

圖1 煤體結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical chart of coal structure and production

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對開發(fā)效果的影響主要表現(xiàn)在兩個方面。

(1)柿莊南區(qū)塊為復(fù)向斜和復(fù)背斜組合型褶曲構(gòu)造，構(gòu)造展布格局以東側(cè)后城腰斷層及寺頭斷層為界的走向NE-NNE 向的寬緩褶曲為主要特征。受控于該構(gòu)造規(guī)律，柿莊南區(qū)塊主要的高含氣區(qū)集中在向斜核部以及靠近向斜核部的斜坡部位，低含氣區(qū)主要分布在背斜的核部附近。研究區(qū)產(chǎn)量趨勢呈條帶性分布，與褶曲構(gòu)造的分布一致，高產(chǎn)井主要集中在向斜核部條帶區(qū)域（圖2）。

圖2 柿莊南區(qū)塊煤層氣藏構(gòu)造示意圖Fig.2 Schematic structure of CBM reservoir in Shizhuang South Block

(2)斷層是影響煤層氣開發(fā)的一個重要因素，主要對儲層物性、鉆完井工程和排采工程3 個方面產(chǎn)生影響(表2)。柿莊南區(qū)塊3#煤最大斷層為中部發(fā)育的寺頭正斷層，斷層沿NE 向展布，在區(qū)內(nèi)延伸長度約為17.5 km。區(qū)內(nèi)還伴生少量小型斷層，以逆斷層為主，受斷層影響無煤井26 口。正斷層拉伸應(yīng)力導(dǎo)致煤儲層應(yīng)力提前釋放，含氣量平均低于14 m3/t，鉆井時巖層松動破碎，出現(xiàn)嚴(yán)重漏失和井壁坍塌，因斷層與上下富水性強(qiáng)的含水層溝通，無法實(shí)現(xiàn)排水降壓。通過對斷層附近1 km 內(nèi)169 口井的排采情況統(tǒng)計(jì)，距離斷層300 m 內(nèi)的煤層氣井平均單井產(chǎn)量低于300 m3/d，隨著距離的增大，產(chǎn)氣量逐漸提高。

表2 斷層對開發(fā)效果的影響Table 2 Influence of faults on development effect

2 鉆完井工藝適用性評價(jià)

沁水盆地南部煤層總體滲透率較低，在初期大都采用直井壓裂投產(chǎn)的開發(fā)方式，其中潘河區(qū)塊取得了較好的效果并成為首個國家煤層氣開發(fā)示范工程，排采10年后平均單井產(chǎn)量仍在2 300 m3/d 以上。柿莊南區(qū)塊相比潘莊地區(qū)，煤層埋深更大，滲透率更低，在開發(fā)工藝上采用直井壓裂的方式，卻忽視了區(qū)域地質(zhì)上存在的差異，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)平均單井產(chǎn)量較低，開發(fā)效益低下。為了解決產(chǎn)量低的問題，先后在區(qū)內(nèi)開展了直井壓裂優(yōu)化、深穿透水射流和U 型水平井等新工藝的嘗試，總體表現(xiàn)出效果不突出和差異性大的特征。針對影響煤層氣開發(fā)效果的主要地質(zhì)因素，列舉3 種典型的試驗(yàn)案例，評價(jià)各類工藝在區(qū)塊內(nèi)的適用性，從而為進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)方式提供依據(jù)。

2.1 叢式(直)井壓裂完井

直井活性水壓裂具有布置靈活、設(shè)備要求低、成本較低的特點(diǎn)，該類開發(fā)方式在柿莊南開發(fā)中占比超過99%。鉆井一般采用二開，?139.7 mm 套管固井完井，在煤層段射孔后套管壓裂，壓裂液采用2%KCl 活性水體系，排量 6～8 m3/min，液量規(guī)模約600 m3。在活性水壓裂規(guī)模開發(fā)的同時，為提高攜砂性能和返排能力，區(qū)內(nèi)開展了各類清潔壓裂液、氮?dú)馀菽途徦偎岬戎本滦蛪毫岩后w系試驗(yàn)。

研究區(qū)壓裂完井(以活性水壓裂為主)投產(chǎn)井991 口，平均產(chǎn)氣量478 m3/d，單井產(chǎn)量小于500 m3/d的井有533 口，占投產(chǎn)井?dāng)?shù)的60%，這與最初預(yù)計(jì)的產(chǎn)氣量可達(dá)1 300～1 800 m3/d 相差較大。結(jié)合影響煤層氣開發(fā)效果的三大地質(zhì)因素，發(fā)現(xiàn)該類完井方式存在2 個關(guān)鍵性問題。

(1)不管壓裂液體系如何優(yōu)化，由于區(qū)內(nèi)煤儲層的水平應(yīng)力差及非均質(zhì)性，實(shí)際產(chǎn)生的裂縫與理想中的形態(tài)不一致，在高應(yīng)力差的作用下，壓裂時所產(chǎn)生的裂縫往往沿著NNE 最大主應(yīng)力方向，形成單一不可控的窄長縫。攜砂液階段，施工壓力在達(dá)到破裂壓力后保持平穩(wěn)，支撐劑均沿著最大主應(yīng)力方向運(yùn)移，無法形成有效縫網(wǎng)，儲層改造體積嚴(yán)重受限，排采后產(chǎn)量長期處于較低水平。

(2)隨著研究區(qū)的煤層埋深加大，構(gòu)造煤比例逐漸提高。對于鏡質(zhì)組反射率較低的煤巖，在直井壓裂高速水流的沖擊下，人工裂縫縫壁形成大量糊狀的碎煤和煤粉，排采階段在高垂向應(yīng)力和煤粉運(yùn)移的共同作用下，極易堵塞人工裂縫和天然裂縫。堵塞裂縫距離井筒的位置在地面無法判斷，而該距離直接影響著整井的排水產(chǎn)氣的效果。如圖3 所示，R為井筒距堵塞位置的距離，受堵塞影響程度與R2成反比 (煤層泄壓面積或供氣面積為 πR2h/N，R為堵塞的隨機(jī)值，N為擴(kuò)展裂縫張開角度在井筒360 度占比，h為煤層高度，即受堵塞影響程度與R2成反比)。若近井筒出現(xiàn)堵塞，無法形成高效的氣水通道，直井壓裂方式形成的遠(yuǎn)端人工裂縫和天然裂縫對整井的貢獻(xiàn)幾乎為0，泄壓面積和產(chǎn)氣面積大幅縮小。該類排采曲線特征的井在構(gòu)造煤區(qū)域較為普遍，隨著碎粒煤和糜棱煤在煤體結(jié)構(gòu)中占比提高，在壓裂和排采中極易產(chǎn)生煤粉，堵塞裂縫通道，呈現(xiàn)出區(qū)域性的低于500 m3/d 的低產(chǎn)特征。

圖3 裂縫堵塞示意圖Fig.3 Schematic fracture plugging

2.2 深穿透水射流完井

徑向深穿透射流鉆孔技術(shù)［10］是利用射流破巖在煤層噴射出多個具有一定長度、一定直徑的水平井眼，理論上有效增加煤層的裸露面積和泄流通道，降低排采壓力，提高采收率與單井產(chǎn)量。該技術(shù)首先用小螺桿馬達(dá)帶動萬向節(jié)與開窗磨銑鉆頭旋轉(zhuǎn)，在煤層位置的套管上鉆出直徑大于20 mm 的圓形窗口，然后利用連續(xù)油管將高壓軟管下入，高壓軟管末端帶有水力破巖鉆頭，該鉆頭產(chǎn)生的前射流用于破巖，反向射流用于產(chǎn)生自進(jìn)力帶動軟管鉆進(jìn)，同時輔助破巖進(jìn)一步擴(kuò)大孔眼。

該工藝在研究區(qū)試驗(yàn)了13 口井，單井設(shè)計(jì)8 個分支徑向孔鉆進(jìn)，孔徑約50 mm，噴射長度100 m。該工藝雖然理論上比直井形成了更好的人工通道，但從施工效果和排采情況來看，效果卻不理想，多井處于不產(chǎn)液不產(chǎn)水狀態(tài)。從煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理看，該工藝存在3 個關(guān)鍵性問題：(1)該工藝在煤層段的鉆孔處于裸眼狀態(tài)，在高閉合應(yīng)力作用下，鉆孔容易坍塌堵塞；(2)噴射鉆進(jìn)形成的鉆孔孔徑過小，煤層裸露面積不夠；(3)水射流產(chǎn)生的煤粉未能及時返排至井口，堵塞近井帶運(yùn)移通道，影響壓裂效果和排采導(dǎo)流能力。

2.3 U 型水平井

U 型水平井技術(shù)亦稱水平連通井技術(shù)，它是由兩口不同位置的水平井與直井或定向井在同一目的層連通，最早于美國煤層氣開發(fā)中獲得應(yīng)用［11-12］。U 型水平井相比直井開發(fā)最大的優(yōu)點(diǎn)，可以最大限度溝通煤層割理系統(tǒng)，增加煤層接觸面積和導(dǎo)流通道。采用U 型水平井套管完井，水平段進(jìn)尺900 m，煤層暴露長度是直井的 6 倍(直井理想壓裂支撐裂縫長度按150 m 計(jì)算)，控制面積達(dá)到直井7.6 倍。

C 井為研究區(qū)中部原生煤占比較低的井，采用U 型水平井套管完井，煤層段總進(jìn)尺 617.00 m，煤層總鉆遇率100%。壓裂采用油管拖動分段壓裂工藝，壓裂7 段，每段液量規(guī)模約為110 m3。排采后日產(chǎn)量峰值達(dá)到15 032 m3，平均產(chǎn)量7 287 m3/d，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到1 370 萬m3，而周邊直井壓裂平均單井產(chǎn)量650 m3/d，水平井壓裂工藝取得了理想的效果。

結(jié)果表明，針對柿莊南煤儲層低滲、煤質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，不管水平井采用篩管完井(可改進(jìn)為大孔徑鋼制套管)或者壓裂完井方式，因其具有更長的煤層暴露面積和更好的導(dǎo)流通道，其開發(fā)效果均好于常規(guī)直井壓裂。

3 核心問題及解決思路

3.1 核心問題的提出

根據(jù)煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理，提高煤層氣單井產(chǎn)量有兩條途徑［13］：(1)形成足夠大的泄壓面積或改造體積,例如水平井、MRC 技術(shù)、壓裂技術(shù)、水平井分段壓裂技術(shù)等均可實(shí)現(xiàn)；(2)保證排采中具有高效的導(dǎo)流通道,加快儲層中氣水向井筒運(yùn)移的速度,提高這一步的速度將直接提高單井產(chǎn)量。通過柿莊南區(qū)塊的地質(zhì)特征分析和已實(shí)施井工藝特點(diǎn)及效果總結(jié)可以看出，研究區(qū)低產(chǎn)存在的核心問題是地應(yīng)力、煤質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造的差異與區(qū)內(nèi)工程不配套造成，以常規(guī)直井壓裂技術(shù)為代表的傳統(tǒng)開發(fā)方式無法滿足上述條件，導(dǎo)致區(qū)域整體產(chǎn)能偏低。

3.2 解決思路

綜合考慮各鉆完井方式的特性，水平井能夠解決柿莊南儲層地應(yīng)力復(fù)雜、煤質(zhì)結(jié)構(gòu)差和裂縫導(dǎo)流能力差的根本性問題。對于原生煤占比高的井，可通過直井壓裂完井或水平井篩管完井方式增大泄壓面積實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，而構(gòu)造煤占比較高的區(qū)域滲透率和導(dǎo)流能力較低，為了獲得更高的產(chǎn)能，優(yōu)先采用水平井方式進(jìn)行開發(fā)(表3)。

表3 低滲煤層氣開發(fā)方式優(yōu)選Table 3 Selection of low-permeability CBM development mode

4 結(jié)論

(1)影響高階煤層氣開發(fā)的主要地質(zhì)因素包括地應(yīng)力、煤質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造，需緊密結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征進(jìn)行工藝優(yōu)選和井網(wǎng)優(yōu)化。

(2)在煤層地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，傳統(tǒng)的直井壓裂工藝并不完全適用，需要突破傳統(tǒng)思路，跳出在直井壓裂工藝中單一調(diào)整施工參數(shù)的思維，從工藝適用性上進(jìn)行改進(jìn)；水平井開發(fā)工藝能夠解決柿莊南儲層地應(yīng)力復(fù)雜、煤質(zhì)結(jié)構(gòu)差和裂縫導(dǎo)流能力差的根本性問題。

(3)地質(zhì)構(gòu)造對煤層氣井開發(fā)影響頗大，在井位部署時應(yīng)避開斷盤和破碎帶。