煤層氣頂板水平井穿層壓裂技術的應用

范明福

中國石化中原石油工程公司

0 引言

中國具有豐富的煤層氣資源量，約占世界總量的14%，其中埋藏淺于2 000 m的煤層氣資源量高達36.81 104m3，但煤層氣產(chǎn)量遠低于其他富煤國家[1]。由于煤層滲透性較差，為了獲得較高的煤層氣產(chǎn)量，煤層一般需經(jīng)過壓裂改造方式來增產(chǎn)。

我國煤層氣儲層地質(zhì)條件相對復雜，大量煤層氣賦存于構造變形嚴重、煤體破碎、質(zhì)地松軟的構造煤層中，地面煤層氣抽采難度很大[2]，例如安徽的淮北、淮南，河南的焦作[3]、平頂山，江西的豐城等礦區(qū)。對于構造煤層，采用常規(guī)的在煤層內(nèi)部進行水平井鉆井和壓裂改造方法難以實現(xiàn)有效的改造，主要原因在于：①由于構造煤煤層碎軟，水平井眼極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌，甚至引發(fā)卡鉆、埋鉆事故；②由于構造煤低楊氏模量、高泊松比的力學性質(zhì)及裂隙發(fā)育的特點，使得裂縫長度受到限制，加之煤層裂縫中支撐劑的鑲嵌明顯[4]、 煤粉堵塞等原因，壓裂縫的有效長度更短，其壓裂增產(chǎn)效果很不盡人意。構造煤層壓裂改造難度大、增產(chǎn)效果差，制約了國內(nèi)煤層氣大規(guī)模工業(yè)開發(fā)步伐。

針對構造煤層壓裂改造難題，筆者根據(jù)煤層頂板水平井穿層壓裂技術，即在煤層頂板選擇距離煤層合適距離進行水平井鉆井、定向射孔和分段壓裂施工，可以造出較長且與煤層溝通良好的壓裂裂縫，形成高導流滲流通道，并有效降低入井液對煤層的傷害，提高煤層氣排采效果的作用，建立了煤層及其頂?shù)装鍘r層水力壓裂數(shù)值模擬模型，開展了穿層壓裂縫擴展規(guī)律模擬計算，優(yōu)化了水平井分段參數(shù)、射孔參數(shù)及壓裂工藝參數(shù)，并在安徽淮北進行了現(xiàn)場應用實踐。結果表明在煤層頂板進行水平鉆井和分段壓裂具有較好的優(yōu)越性。

1 煤層頂板壓裂機理及優(yōu)勢

1.1 構造煤層壓裂裂縫特點

水力壓裂過程中，壓裂液首先在井筒附近憋壓，當壓力大于地層巖石的破裂極限時，裂縫起裂，并在裂縫尖端延伸；由于在裂縫尖端存在應力集中現(xiàn)象，故裂縫延伸壓力小于裂縫起裂壓力[5]。 然而對于煤層來說，尤其是構造煤，由于其中存在天然裂隙或構造破碎裂縫，水力壓裂縫將在原有裂隙處開啟并延伸，這時破裂壓力不明顯[6]。

構造煤結構分散松軟，具有相對較差的力學強度，水力壓裂縫在構造煤中的延伸比較困難。由于各種裂縫（隙）的存在，且這些裂縫（隙）相互交，叉分布不均勻，導致壓裂縫延伸極易轉(zhuǎn)向并形成更為復雜的裂縫，后續(xù)壓裂液在這些復雜裂縫中流動阻力增加，縫內(nèi)凈壓力也增加，從而進一步造成新的壓裂縫，并在整個壓裂過程中煤中的不同位置不斷發(fā)生，造成構造煤中很難形成簡單而長的壓裂縫。因此，煤層水力壓裂縫的起裂和延伸特點表現(xiàn)為極易起裂但難以延伸，壓裂增產(chǎn)的效果較差[7]。

1.2 壓裂裂縫溝通煤層機理

煤層頂?shù)装逡话銥槟鄮r、泥質(zhì)砂巖、細砂巖或灰?guī)r[8]。由于煤層脆性大、強度低，極易破碎，在后期構造作用下極易遭到破壞而演變?yōu)闃嬙烀海漤數(shù)装鍘r層由于強度高或柔性強受破壞程度較小，故保存完整。煤層頂板壓裂就是在煤層頂板巖層內(nèi)進行水平井鉆井，并通過定向射孔及分段壓裂對頂板和煤層進行改造，在頂板與煤層之間建立具有高導流能力的裂縫通道和網(wǎng)絡，達到有效溝通富含甲烷、塑性強、不易成縫的煤層的目的。

當對煤層頂板進行壓裂作業(yè)時，裂縫首先在頂板巖層中產(chǎn)生，裂縫在這些巖層較容易延伸，能形成長的壓裂縫，同時壓裂縫能夠在垂向上從高應力值的頂板巖層向下穿層擴展到較低應力值的煤層[9]，在垂向上進入煤層后，裂縫同時在巖層和煤層中橫向擴展，裂縫在頂板巖層中表現(xiàn)為脆性斷裂擴展，而煤層中表現(xiàn)為韌性斷裂擴展，所以煤層雖然易起裂但不易延伸，壓裂縫在煤層中僅擴展一定范圍[10]。圖1展示了裂縫在頂板巖層與煤層中的擴展過程，表明裂縫橫向擴展是由頂板巖層中脆性擴展主導的，在擴展過程中裂縫尖端始終位于煤層頂板巖層中，即頂板巖層中裂縫擴展更快更長，尖端擴展造成“拉扯”作用帶動煤層中的裂縫橫向同時擴展，這樣在煤層中形成的裂縫比直接在煤層中壓裂形成的裂縫要長得多，改造煤層體積更大，壓裂效果更好。

圖1 煤層頂板壓裂裂縫形態(tài)模擬圖

1.3 水平井穿層壓裂技術優(yōu)勢

煤層頂板水平井穿層壓裂優(yōu)勢主要體現(xiàn)在降低鉆井風險、降低入井液（鉆井液和壓裂液）對煤層的傷害、造縫效果好和利于后期排采等5個方面[11-15]：①煤層頂板具有較高的力學強度，在頂板巖層中進行水平井鉆井，井眼的穩(wěn)定性較高，降低鉆進過程中發(fā)生鉆孔坍塌、埋鉆等風險；②對于頂板水平井，由于井筒在鉆井階段不與煤層接觸，避免了鉆井液對煤層的浸泡和傷害，這一點對于欠壓高滲儲層尤為重要；③煤層頂板巖性為砂巖、砂泥巖、石灰?guī)r或脆性泥巖時，其脆性礦物含量遠高于煤層，可壓裂指數(shù)遠高于煤層，易形成長度更長、更加穩(wěn)定的導流裂縫，溝通更大的煤層體積；④壓裂后由于支撐劑的重力沉降作用，大量支撐劑在頂板與煤層交界處的裂縫中充填，這種形態(tài)的裂縫鋪砂剖面更加利于煤層氣的產(chǎn)出；⑤在頂板巖層中壓裂產(chǎn)生的煤粉很少，對壓裂通道的堵塞降到最低；在排采過程中砂粒和煤粉在重力的作用下難以向上運移進入井筒，煤層氣排采通道流暢，排采效果提高。

2 煤層頂板水平井分段壓裂技術

2.1 水平井眼軌跡與煤層距離優(yōu)化

碎軟低滲煤層頂板巖層水平井壓裂裂縫垂向上能否穿層進入煤層及其擴展范圍在很大程度上取決于水平井井眼與煤層距離，它是決定壓裂成敗的一個關鍵因素[16]。

一般在中（頂板上覆巖層）—高（頂板）—低（煤層）應力剖面條件下，水力裂縫更趨向于往地應力小的層位延伸。應用壓裂軟件模擬水平井眼距煤層不同距離時裂縫形態(tài)（圖2），計算出水平井眼距煤層不同距離時在煤層內(nèi)的裂縫占總的裂縫面積比例（圖3）。從圖2中可以得到一般規(guī)律，既水平井眼距煤層頂面的距離越大，擴展進煤層的裂縫面積越??；由圖3可以看出，當水平段距離煤層頂面1 m時，煤層裂縫的面積占總改造面積的90%以上；而當水平段距離煤層頂面7 m時，煤層裂縫的面積僅占總改造面積的25%左右，由此可見在低—高—低應力剖面下水平段距煤層頂面的距離對有效裂縫面積及有效裂縫面積比例有較大影響。這是由于頂板處于高應力層，裂縫在頂板內(nèi)擴展受到阻力最大，因此裂縫一旦突破頂板層進入到低應力的煤層，裂縫將會主要在煤層擴展。水平井離頂面距離越小，裂縫從頂板層擴展到煤層的距離越小，更容易進入煤層，提高改造煤層的能力。

圖2 水平井眼距煤層不同距離的裂縫形態(tài)示意圖（分三簇射孔）

圖3 距煤層不同距離的煤層裂縫有效面積比例變化圖

在現(xiàn)場施工時，一般有效裂縫面積占總改造面積的比例大于70 %時即認為該地應力剖面適合進行頂板壓裂施工，則在常規(guī)中（頂板上覆巖層）—高（頂板）—低（煤層）應力剖面下，水平井眼軌跡距離煤層頂面1～3 m較為合適。

2.2 射孔工藝參數(shù)優(yōu)化

為有利于壓裂縫穿透煤層頂板并延伸至目的煤層，采用垂直向下的定向射孔方式、并配合超深穿透復合射孔工藝[17]。垂直向下射孔有利于誘導裂縫縱向上向煤層延伸，確保壓開煤層，提高壓裂施工的成功率和壓裂效果。

應用壓裂軟件模擬不同射孔簇數(shù)（3、4、6、8簇）對有效裂縫面積（裂縫總面積）及其比例（擴展進煤層的裂縫面積與總裂縫面積之比）的影響。

由圖4、圖5可以看出，裂縫簇數(shù)對總有效面積影響較小，對有效面積比例影響較為明顯。隨著裂縫簇數(shù)增多（從3簇增加到8簇），有效裂縫面積比例呈逐漸減小趨勢，射孔簇數(shù)越小，溝通煤層效果越好。此外由于煤層壓裂活性水造縫性能差，煤層層理、裂縫發(fā)育致使液體效率低，若采用密切割多簇射孔（6～8簇/段），在一定的排量下，壓裂液流量被多條裂縫擁有，各條裂縫縫長將變得更短，縫寬將更窄，會導致加砂難度大，溝通煤層效果差。所以保證頂板壓裂每段主裂縫的長度和寬度，并有效溝通煤層，宜采用少簇（2～4簇/段）射孔分段壓裂，每簇射孔長度1.0～1.5 m，孔密10 m/孔，具體射孔參數(shù)如表1所示。

圖4 不同射孔簇時的裂縫形態(tài)展示圖

圖5 不同射孔簇數(shù)時煤層裂縫總有效面積和有效面積比例圖

表1 煤層頂板壓裂射孔參數(shù)一覽表

2.3 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 排量優(yōu)化

頂板壓裂溝通煤層的效果與施工排量密切相關，排量的大小在一定程度上可以反映凈壓力的大小[18]。通過壓裂軟件模擬可知（圖6），隨著排量的增加，縫高增大，且頂界變淺、底界變深，當水平井與煤層的距離為3 m時，施工排量越小，裂縫壓開煤層的程度越小，當排量為10.0 m3/min時，縫高貫穿整個煤厚，當施工排量小于 6.0 m3/min時，頂板壓裂裂縫幾乎不能溝通煤層。排量可以促使裂縫垂向向下擴展，當最小主應力差相差不大時或煤層塑性較大時，可以通過加大排量促使裂縫擴展，表明必須較高的施工排量能使一定范圍內(nèi)的頂板水平井取得較好的壓裂效果。綜合可得最佳施工排量10～ 12 m3/min。

圖6 三簇裂縫下不同施工排量時的裂縫形態(tài)圖

2.3.2 施工規(guī)模優(yōu)化

利用壓裂軟件模擬優(yōu)化施工規(guī)模。壓裂施工選取3種不同規(guī)模的施工用量，輸入相關地層參數(shù)，裂縫模擬結果如表2所示。

表2 不同壓裂規(guī)模下裂縫模擬結果統(tǒng)計表

從表2可以看到，當壓裂規(guī)模達到一定規(guī)模時，隨著規(guī)模的增加，半縫長和在煤層內(nèi)的裂縫體積的增加趨勢逐步減緩。綜合考慮，壓裂施工規(guī)模采用方案3：液量 1 000 m3+支撐劑70 m3。

2.3.3 施工砂比優(yōu)化

應用壓裂軟件模擬分析不同加砂濃度（10%、15%、20%、25%）對頂板壓裂效果的影響（圖7）。由圖7可以看出，加砂濃度超過20%后，由于加砂濃度較高，靠近水平井井筒區(qū)域支撐劑濃度接近100%，遠離水平井井筒區(qū)域支撐劑濃度遠低于50%，造成支撐劑極不均勻分布，近井地帶出現(xiàn)高濃度支撐劑分布，容易造成砂堵，導致裂縫滲透率降低，影響裂縫導流能力，從而影響增產(chǎn)效果。此外，由于煤層的高濾失性，壓裂液易于濾失入煤層，失去了壓裂液的攜帶作用，支撐劑容易在裂縫端部積聚，造成“端部脫砂”效應[19-20]，受到重力作用，密度較大的石英砂支撐劑容易沉積在裂縫底部。綜上所述，支撐劑的砂比推薦為10%～15%。

圖7 不同加砂砂比時的裂縫形態(tài)圖

3 現(xiàn)場應用

LG-X-H井位于安徽省淮北蘆嶺煤礦區(qū)，完鉆井深1 558 m，水平段長676 m。壓裂改造目的層為上石盒子組的8煤，埋深723.92～737.33 m。8號煤層為特厚煤層，全區(qū)可采，平均厚度8.96 m。

該井共分9段進行射孔及壓裂，采用泵送橋塞—射孔聯(lián)作方式進行分段壓裂工藝技術；射孔彈采用102深穿透彈，垂直向下定向射孔，孔密10孔/m，每段射孔1～3簇，射孔總長度3.0 m/段，一般施工排量10～12 m3/min，壓裂施工共注入活性水18 502.6 m3，共加入石英砂723.6 m3，平均單段加砂量80.3 m3，平均砂比達到13.5%。

該井整個壓裂施工過程中來看，第1段、第2段的水平井軌跡距離煤層較遠（3～6 m），施工壓力較高，加砂困難，排量提升慢，砂比低，此2段都進行了3次壓裂施工，期間出現(xiàn)5次砂堵（圖8-a），施工砂比一般在7%～10%，施工泵壓34.4～38.1 MPa，溝通煤層效果較差。第3段至第9段井眼軌跡距離煤層較近（1～3 m）施工較為順利，細砂（40/70目石英砂）砂比3%～14%，中砂（20/40目石英砂）砂比8%～18%，單段加砂量在75～85 m3，單段液量在1 000～1 100 m3一般施工壓力在19.2～33.1 MPa（圖8-b），溝通煤層效果較好。表明了水平井眼軌跡與煤層頂面的距離是壓裂成功的關鍵。

圖8 LG-X-H井壓裂施工曲線圖

淮北礦區(qū)LG-X-H井在正式排采半年后最高產(chǎn)氣量達到4 200 m3/d，井口套壓0.35 MPa；目前穩(wěn)產(chǎn)2 000 m3/d左右，井口套壓0.19 MPa，而且產(chǎn)氣量穩(wěn)定，已經(jīng)連續(xù)產(chǎn)氣518 d，截至2021年7月，已累計產(chǎn)氣量達到100 104m3/d，壓后效果顯著。

4 結論

1）煤層頂板水平井穿層壓裂技術可以避免水平井鉆進時煤層易垮塌的問題，可以產(chǎn)生較長且與煤層溝通良好的壓裂裂縫，具有降低入井液對煤層的傷害、提高排采效果的優(yōu)勢。

2）在淮北礦區(qū)LG-X-H井進行現(xiàn)場應用中，取得了好的效果。水平井眼軌跡控制在距離煤層頂面1～3 m最為合適；最佳射孔方式是定向垂直向下射孔，2～4簇/段，每簇射孔長度1.0～1.5 m；最佳壓裂施工排量10～12 m3/min，單段注入液量1 000 m3、加砂量70 m3，加砂平均砂比10%～15%。