碎软低渗煤层煤层气直井间接压裂技术及应用实践_周加佳.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY coalbed methane; indirect fracturing; bridge plug perfora- tion combination technique; Hongshandian mining area; Hunan Province 我国陆上煤层埋深 2 000 m 以浅煤层气原地资 源量为 32.86 万亿 m3，煤层气资源量十分丰富[1-2]。 但是，碎软低渗煤层在我国分布却非常广泛，约占 我国煤炭资源总量的 60，碎软低渗煤层具有低强 度、低弹性模量和高泊松比的力学特征，煤体塑性 大且易破碎，其压裂裂缝很难延伸到煤层远端形成 长效缝，整体不利于压裂改造。截至目前，包括安 徽、河南、山西以及湖南等地进行了大量的碎软低 渗煤层煤层气开发工程实践，抽采效果主要表现为 单井产量低、稳产期短、衰减快、抽采效率低等特 点[3-4]，制约我国煤层气产业化快速发展且难以满足 煤矿安全生产对快速降低煤层瓦斯含量的要求。针 ChaoXing 第 4 期 周加佳 碎软低渗煤层煤层气直井间接压裂技术及应用实践 7 对碎软低渗煤层压裂中存在的问题，在国内外煤层 气直井压裂中提出并应用了间接压裂技术[5-9]，选择 对高弹性模量和低泊松比的煤层顶底板岩层进行射 孔和压裂，可有效提高压裂裂缝的延伸长度和导流 能力，实现对煤层的间接压裂改造，取得了良好效 果。通过对间接压裂技术的适应性和裂缝展布规律 分析，并结合间接压裂技术在湖南洪山殿矿区的工 程实践，旨在探索一套适合碎软低渗煤层煤层气直 井间接压裂高效抽采技术工艺，为湖南以及类似地 区的煤层气开发探索新的方法和思路。 1 碎软低渗煤层压裂改造技术瓶颈 a. 煤粉产出 碎软煤层受井筒应力集中和钻井中钻头挤压、 钻井液冲刷作用的影响，会在近井地带形成煤屑、 煤粉；在压裂裂缝延伸过程中，煤层受排量过大的 压裂液冲刷及砂子的挤磨会形成煤粉，堵塞裂缝通 道；且煤粉和压裂砂的镶嵌作用使砂子堆积在井筒 周围不能形成长效缝，无法形成有效的渗流通道 [10-12]。以上原因造成的煤粉产出会导致碎软煤层压 裂裂缝较短，裂缝通道堵塞较严重，压裂效果差。 同时，在排采过程中大量产出的煤粉堵塞煤层气运 移通道，导致排采稳产期短，产气量衰减迅速。 b. 压裂裂缝不易延伸 碎软煤层具有低弹性模量、高泊松比以及煤体 塑性大的特征，直接对煤层进行射孔压裂，产生的 煤粉易堵塞通道，裂缝很难延伸到煤层远端形成长 效缝，导致压裂改造效果差，单井产量较低。 针对碎软低渗煤层压裂改造存在的技术瓶颈， 提出了煤层气直井间接压裂技术。采取对高弹性模 量和低泊松比的煤层顶底板岩层进行射孔和压裂， 减少压裂过程中煤粉的产出， 有利于裂缝长度延伸， 增加泄流面积图 1。 通过压裂改造在煤层及其顶底 板中形成“高速渗流通道”，提高压裂裂缝的导流能 力，从而实现有效增产。 2 煤层间接压裂适应性及裂缝展布规律分析 2.1 间接压裂适应性 煤层间接压裂技术适应性取决于煤层顶底板岩 性组合，煤层顶底板岩性大致可分为砂岩、粉砂岩、 细砂岩及泥岩。由于地层的应力分布决定了水力压 裂裂缝的产状和延伸方向，压裂裂缝在垂向上的延 伸与层间最小水平主应力大小有关[13-14]。根据沉积 岩地应力测试认为地层中最小水平主应力值与岩 层泊松比呈正相关关系，各岩性泊松比大小依次为 砂岩细砂岩粉砂岩煤层泥岩[15-16]。 图 1 碎软低渗煤层压裂裂缝对比示意图 Fig.1 Fracturing fracture contrast of broken and soft coal seam with low permeability 综上可知，煤层顶底板岩性为砂岩、细砂岩和 粉砂岩的脆性岩层，其泊松比低、弹性模量高，岩 层最小主应力小于煤层的最小主应力，适合压裂裂 缝延伸，此类岩性顶底板比较适于进行间接压裂施 工，其压裂裂缝的延伸效果好，能够形成好的煤层 气解吸和渗流通道。而脆性矿物含量少的厚层泥岩 比煤层的可塑性更强，最小主应力大于煤层，此类 泥岩是很好的遮挡层，不适合实施间接压裂，只有 当顶底板泥岩脆性指数高于 40 时， 间接压裂相比于 直接压裂的优势才得以体现[17-18]。 2.2 间接压裂裂缝展布规律 水力压裂裂缝形态受地应力大小、岩石力学特 性和压裂工艺技术的综合影响，其中地应力和岩石 力学特性是控制裂缝形态的本质地质因素[19-20]。湖 南洪山殿矿区 HC01 井 6 煤厚度 2.74 m，其顶板为 5.87 m 泥岩，底板为 4.2 m 细砂岩，适合进行间接 压裂施工。通过地应力测井和顶底板岩石力学测试 得到 6 煤及其底板岩石力学参数表 1。 由表 1 可知 ① 煤层及其底板的垂向应力均大于水平应力， 表明 压裂过程中将形成垂直裂缝，有利于压裂裂缝从底 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 47 卷 板向上延伸到 6 煤中；② 6 煤底板相对煤层的泊松比 低、弹性模量高，底板最小主应力小于煤层的最小主 应力，有利于压裂裂缝沿脆性较大的底板细砂岩横向 延伸形成长缝，有效提高裂缝导流能力。因此，采取 间接压裂施工工艺对 6 煤及其底板进行压裂改造，形 成的裂缝有利于纵向上向煤层延伸，同时也能形成较 长的压裂裂缝，达到较好的增产效果。 为了进一步研究煤储层间接压裂施工工艺技术 对裂缝展布规律的影响， 对湖南洪山殿矿区 HC01 井6煤进行压裂裂缝模拟分析， 模拟排量为8 m3/min， 压裂施工规模相同的条件下，分别设计不同压裂 方式下 4 种不同射孔位置表 1的压裂模拟方案， 运用 FracproPT 压裂模拟软件对 6 煤 4 种不同射孔 压裂方案进行裂缝模拟分析，得到不同的压裂裂 缝数据表 2和展布图图 2以 6 煤和 6 煤2 m 底 板为例。 表 1 湖南洪山殿矿区 HC01 井 6 煤及其底板岩石力学参数 Table 1 Rock mechanics parameters of No.6 coal seam and its floor in well HC01 地层 厚度/m 垂直应力/MPa 最小水平主应力/MPa弹性模量/104 MPa 泊松比 6号煤 2.74 16.75 10.29 0.83 0.38 底板细砂岩 4.20 16.78 9.78 3.73 0.26 表 2 不同射孔位置压裂裂缝参数数据表 Table 2 Fracturing parameters of different perforation position 压裂方式 射孔位置 裂缝长度/m 支撑缝长/m 裂缝高度/m支撑缝高/m 裂缝顶深/m 裂缝底深/m 直接压裂 6煤 55.0 54.5 18.3 18.2 685.9 704.2 6煤底部1 m 底板 73.0 72.5 23.7 23.5 685.2 708.7 6煤底部2 m 底板 115.0 112.7 22.9 22.4 685.6 708.5 间接压裂 6煤底部3 m 底板 121.8 118.5 24.2 23.5 685.0 709.2 图 2 不同射孔位置压裂裂缝展布对比示意图 Fig.2 Fracturing fracture distribution contrast diagram of different perforation position ChaoXing 第 4 期 周加佳 碎软低渗煤层煤层气直井间接压裂技术及应用实践 9 根据 4 种不同射孔位置的压裂裂缝模拟结果可 以看出，直接对 6 号煤层进行射孔压裂改造，裂缝 长度较短，压裂裂缝很难延伸到煤层远端形成长效 缝；采用间接压裂方式对 6 煤底部和底板进行射孔 压裂改造，压裂形成的裂缝延伸效果好，能够相对 延伸到煤层远端，更加有利于提高压裂缝的导流能 力；从表2可以看出，射孔 6 煤底部3 m 底板的裂 缝长度比射孔 6 煤底部2 m底板的裂缝长度增幅不 大。因此，采用间接压裂方式，选择射孔 6 煤底部 2 m 底板的射孔方式，有利于压裂裂缝沿底板细砂 岩横向延伸形成长缝并沟通煤层，以达到增产改造 的最佳效果。 3 工程实践及其抽采效果 3.1 地质概况 为了推动湖南省煤层气勘探开发的进程，结合 “十三五”国家科技重大专项碎软低渗煤层地面煤 层气抽采技术与装备的研究，在湖南娄底市洪山 殿矿区部署 1 口煤层气试验直井 HC01 井，旨在深 入了解研究区主要可采煤层的煤储层特征和煤层气 勘探开发潜力。 HC01 井含煤地层主要位于二叠系龙潭组P2l， 该井完井深度 750 m，自上而下共钻遇 6 层煤层， 其中，压裂改造目标煤层为 2、3、4 和 6 煤。对 6 号煤进行注入/压降试井， 测试 6 煤的渗透率为 0.01 10-3 μm2，结合钻井取心观测，2、3、4 和 6 煤煤体 结构整体呈现为糜棱结构煤，手捻成粒状、粉状。 煤层顶板多为泥岩，底板以砂质泥岩、细砂岩和粉 砂岩为主。通过气含量测试分析，煤层整体气含量 较高，其中，4 煤气含量最高为 16.29 m3/t。 3.2 压裂工艺技术分析 3.2.1 煤层气间接压裂技术 湖南洪山殿矿区 HC01 井压裂改造目标煤层为 2 煤、3 煤、4 煤和 6 煤，整体表现为碎软低渗的特 点。根据煤层顶底板岩性特征可知，3 煤顶底板均 为泥岩，不适合进行间接压裂施工，选择直接对 3 煤进行射孔压裂；对 2 煤、4 煤和 6 煤及其底板细 砂岩进行间接压裂施工。压裂施工均采用活性水压 裂液，并采用复合支撑剂技术，加入 2040 目 425850 μm和 1620 目8501 000 μm石英砂。前 置液比例大于 45，施工排量 78 m3/min，加砂规 模 915 m3/m，平均砂比 1012表 4。对比施工 压力分析可知，3 煤平均施工压力 16.69 MPa 为该 地区对 3 煤直接压裂的正常施工压力，而对 2 号、4 号和 6 号煤进行间接压裂的施工压力均大于 3 煤的 施工压力，且远大于各煤层的正常施工压力。由此 可见，对 2、4 和 6 煤进行间接压裂有利于压裂裂缝 沿底板细砂岩横向延伸形成长缝并沟通煤层，达到 良好的增产改造效果。 同时，压裂施工过程中对 HC01 井 3 煤和 6 煤进 行了微地震裂缝监测，监测结果显示，采用间接压裂 施工的 6 煤层平均裂缝半长为 100.9 m，大于直接压 裂的 3 煤层平均裂缝半长 70.6 m。因此，针对碎软低 渗煤层所采用的“大排量、大砂量、高前置液比、中砂 比”的活性水间接压裂工艺技术能够有效解决压裂施 工过程中碎软低渗煤层易伤害、压裂液滤失量大、压 裂缝短、支撑剂镶嵌严重的难题，增加压裂裂缝的延 伸长度和导流能力，实现高效压裂改造的目的。 表 3 湖南洪山殿矿区 HC01 井目标煤层基本参数表 Table 3 Basic parameters of the target coal seams in well HC01 煤层 煤层深度/m 煤层厚度/m 气含量/m3t-1 顶板岩性 底板岩性 2煤 567.78570.76 2.98 14.66 炭质泥岩 细砂岩 3煤 587.27592.32 5.05 11.09 泥岩 泥岩 4煤 622.85624.27 1.42 16.29 泥岩 细砂岩 6煤 691.74694.48 2.74 15.68 泥岩 细砂岩 表 4 湖南洪山殿矿区 HC01 井煤层压裂施工参数统计表 Table 4 Statistics of fracturing operation parameters of coal seams in well HC01 煤层 压裂方式 施工压力/MPa 排量/m3min-1 砂量/m3 平均砂比/ 2煤 间接压裂 16.8319.15/17.33 78 32.59 12.53 3煤 直接压裂 16.0117.61/16.69 78 46.91 10.95 4煤 间接压裂 18.6036.83/24.83 78 24.57 10.15 6煤 间接压裂 20.3925.17/22.21 78 37.92 10.66 注表中 16.8319.15/17.33 表示最小最大值/平均值，其他同。 3.2.2 煤层气井可钻桥塞电缆射孔联作技术 由于 HC01 井需要进行多层段压裂施工，采用 常规的填砂分压方式，存在填砂难度大、封隔效果 差及压裂施工作业工期长等问题。在贵州官寨多煤 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 47 卷 层地区，2014-10-25 至 2014-12-06 采用填砂分压方 式对 GZ01 井的 4 煤、69 煤及 111213 煤层进行 多层段压裂施工，由于碎软煤层放喷时间长造成 GZ01 井整个压裂施工周期共耗时 43 d[21]。因此， 为了实现多层段压裂改造， 保证分层压裂的针对性、 准确性和时效性，本次 HC01 井压裂采用煤层气直 井可钻桥塞电缆射孔联作技术图 3，于 2017-12-04 至 2017-12-07 对 2 煤、3 煤、4 煤和 6 煤进行多层 段压裂施工，压裂施工周期 4 d，可在带压情况下进 行作业施工，4 段压裂目标煤层可实现连续压裂， 压后同时放喷，一趟钻塞，相比填砂分压可大幅缩 短压裂作业周期，提高压裂施工的时效性。 图 3 可钻桥塞电缆射孔联作技术示意图 Fig.3 Diagram of drillable bridge plug cable perforation co-operated technology 可钻桥塞电缆射孔联作技术在洪山殿矿区 HC01 井多层压裂施工的成功应用表明，该技术工艺在煤 层气直井多煤层段压裂改造施工中有较好的适用 性，可有效缩短煤层气井多煤层段压裂改造的施工 周期，提高压裂施工时效性。 3.3 抽采效果评价 湖南省前期煤层气勘探开发程度较低且单井产 量低。 国土资源部中南石油地质局于 19911995 年 在洪山殿矿区实施了两口煤层气试验井湘煤 1 井和 湘煤 2 井，其瞬时最高产气量为 158600 m3/d，且 稳产时间较短[22]。与之进行对比，本次 HC01 井选 用 GLB120-CBM-18 型螺杆泵进行排采作业，整个 排采过程采用定压稳排方式， 严格把握“平稳、 安全、 阶段性调整”的原则，进行分阶段精细化排采管理， 最大限度地使煤层充分解吸， 达到高产稳产的效果。 自 2018-02-05 开始排采，初期上产速度快，单井最 高产气量达到 1 850 m3/d，实现了该地区煤层气井 单井产气量的巨大突破。截至 2018-10-15，稳定产 气量为 1 138 m3/d，累计产气量 19.09 万 m3，且仍 保持高产稳产的产气潜力图 4。 图 4 湖南洪山殿矿区 HC01 井生产数据曲线图 Fig.4 Production curve of well HC01 in Hongshandian min- ing area of Hunan 煤层气直井间接压裂技术在湖南洪山殿矿区 HC01 井进行工程实践并取得了良好的产气效果， 其 成功应用对湖南及类似地区碎软低渗煤储层煤层气 开发具有一定的借鉴和实践指导意义。 4 结 论 a. 碎软低渗煤层具有低强度、低弹性模量和高 泊松比的力学性质，煤粉产出和压裂裂缝不易延伸 是制约煤层气压裂改造效果的主要技术瓶颈。 b. 间接压裂可有效提高碎软低渗煤层的压裂 改造效果，增压裂裂缝长度。当煤层顶底板为脆性 砂岩岩层时，更有利于进行间接压裂改造，其压裂 裂缝的延伸效果较好。 c. 可钻桥塞电缆射孔联作技术工艺可有效缩 短煤层气井多煤层段压裂改造的施工周期，提高压 裂施工的时效性。 d. 湖南洪山殿矿区地面煤层气开发取得了单 井产气量达到 1 850 m3/d 的良好产气效果，工程实 践表明“大排量、大砂量、高前置液比、中砂比”的 活性水间接压裂工艺技术适用于碎软低渗煤层的增 产改造，对湖南以及类似地区的煤层气开发具有一 定的指导意义。 参考文献 [1] 张新民，赵靖舟，张培河，等. 中国煤层气技术可采资源潜力[J]. 煤田地质与勘探，2007，35423–26. 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