煤层气直井间接压裂施工的先导地质分析_杨宇.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-02-21 基金项目 国家科技重大专项课题（2011ZX05060-002） Foundation itemNational Science and Technology Major Project（2011ZX05060-002） 作者简介 杨宇（1973），男，四川仁寿人，副教授，从事煤层气压裂技术研究工作. E-mailyangyu 引用格式 璠杨宇，林，曹煜，等. 煤层气直井间接压裂施工的先导地质分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）46-50. YANG Yu， LIN Fan， CAO Yu， et al. Pilot geological analysis of indirect fracturing in vertical CBM well［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（3）46-50. 文章编号 1001-1986（2016）03-0046-05 煤层气直井间接压裂施工的先导地质分析 杨 宇 1，林 璠 1，曹 煜1，刘世界2，孙晗森3，吴 翔3，陈万钢3 （1. 成都理工大学能源学院，四川 成都 610059；2. 中海油能源发展工程技术公司， 天津 300457；3. 中联煤层气有限责任公司，北京 100011） 摘要 为了解决在构造煤发育区及其它煤质分布地区，有效利用煤层顶底板间接压裂工艺技术，以 提高煤层气单井产量。从煤粉形成机理、裂缝形成机理以及压裂液滤失机理出发，开展了适用于间 接压裂的储层先导性地质分析。分析结果表明，间接压裂工艺适用于容易产生煤粉、裂隙系统发育、 缝高易失控的煤层；结合地应力场、岩性以及应力剖面特征，详细阐述了如何开展间接压裂设计。 根据山西沁水盆地某区块资料，对比了地质条件相同的两口相邻煤层气井的压裂效果，间接压裂比 常规压裂增产效果更明显，体现出间接压裂在改造煤层气解吸和产出流动通道方面的优势。 关 键 词煤层气；储层改造；间接压裂；先导地质分析 中图分类号TE33.2 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.009 Pilot geological analysis of indirect fracturing in vertical CBM well YANG Yu1， LIN Fan1， CAO Yu1， LIU Shijie2， SUN Hansen3， WU Xiang3， CHEN Wangang3 （1. Energy College of Chengdu University of Technology， Chengdu， 610059， China； 2. CNOOC Energy Tech-Drilling Production Co.， Tianjin 300457， China； 3. China United CBM Co. Ltd， Beijing 100011， China） Abstract The indirect fracturing approach in coal seam roof and floor has been efficiently used in areas of devel- oped tectonic coal and other coal to enhance the production of single well. The pilot geological analysis of coal reservoir was carried out on the basis of the ation mechanism of pulverized coal and cracks， the mechanism of fracturing fluid leak-off . The results indicated that indirect fracturing was suitable for coal seams with developed fracture system easy to produce pulverized coal and to be out of control of fracture height. Combined with the characteristics of ground stress field， lithological section and stress profile， the paper described in detail how to carry out the design of indirect fracturing. Based on the data of a block in Qinshui basin， Shanxi Province， the fracturing effect of two neighboring wells of similar geological conditions was compared as an example， the yield-increasing effect of the indirect fracturing was better than that of the conventional fracturing， showing that the advantages of indirect fracturing in transation of coalbed methan desorption and production of gas flow path. Key words coalbed methane； stimulation； indirect fracturing； pilot geological analysis 国内煤层气直井压裂施工通常遇到施工压力 高，煤层压裂缝有效支撑面积小的问题［1］。较高 施工压力会造成煤层内部天然裂缝膨胀、压裂液 滤失状况加剧；当裂缝中的压力超过上下隔层的 破裂压力时，会导致压裂缝穿过上下隔层，支撑 剂沉降在煤层下部地层中，无效裂缝形成几率增 大［2］。另外，施工压力超过管柱安全极限时容易 引发安全事故。 针对煤层气直井压裂施工过程中的系列问题， 在北美煤层气直井压裂中首先提出并应用了间接 压裂技术［3-5］，即在煤层的顶板砂岩层进行射孔和 压裂。由于顶板的导流裂缝沟通了天然裂缝，实现 对煤层的间接改造，取得了较好效果。然而，根据 北美和国内沁水盆地不同地质条件的煤层气直井 施工经验，间接压裂并不适于所有煤层气直井［4，6］。 因此，针对国内煤层气地质特征，开展间接压裂技 术的适用性研究， 对于我国煤层气压裂开采具有一 定的理论意义和生产效益。 本文对煤层间接压裂的 ChaoXing 第 3 期 杨宇等 煤层气直井间接压裂施工的先导地质分析 47 适用地质条件开展分析，并且讨论了就地应力场、 垂向上的岩性组合等地质因素在间接压裂设计中 的应用。 1 适用间接压裂工艺的煤层类型 由于煤层的地质特性不同于砂岩和碳酸盐岩油 气藏，在压裂过程中具有特殊性。国内的煤层气直 井压裂中，一般是直接射开煤层，采用活性水或瓜 胶等进行加砂压裂，但有的压裂效果不太理想。分 析常规压裂中遇到的困难，总结出适用于间接压裂 的煤层气地质特征。 1.1 压裂时易产生煤粉，施工压力高的煤层 如果煤层中发育有构造煤， 具有超低杨氏模量、 超高泊松比、煤质塑性大易破碎的性质，并且受井 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［6］ （图 1a）；在 压裂缝延伸过程中，有的煤层受排量过大的压裂液 冲刷和砂子挤磨也会有煤粉形成，在裂缝的中部位 置形成堵塞（图 1b）；有的煤中天然缝在水力压裂初 期会开启，在近井地带中形成多条复杂压裂缝；有 的受构造煤等煤质特性影响，压裂砂镶嵌作用使砂 子堆积在井筒周围不能形成长效缝，无法沟通煤层 气解吸流动通道。以上现象会在煤层压裂中导致施 工压力过高或压裂中途停泵，造成加砂困难，压裂 效果差甚至施工失败［7］。 如果采用间接压裂施工工艺， 选择杨氏模量高、 泊松比低的顶板进行射孔，能够有效地减少压裂过 程中煤粉的形成，也可避免煤层压裂中常出现的仅 在井筒附近多条复杂裂缝同时开启现象［1-2］，同时降 低施工压力。 图 1 水力压裂导致煤粉产生示意图 Fig.1 Schematic diagram of pulverized coal induced by hy- draulic fracturing 1.2 厚度较薄、缝高易失控的煤层 由于活性水携砂能力低，在压裂施工过程中一 般采用大排量携砂。如果工区的煤层较薄，裂缝延 伸受限，缝内液体产生憋压，净压力超过顶底板层 的破裂压力，并且上下围岩应力差不足以阻止裂缝 延伸，在煤层中开启的水力裂缝很容易突破隔层， 导致缝高失控。活性水黏度较低，支撑剂沉降容易 堆积在裂缝底部，只有一部分支撑剂处于煤层的压 裂缝中，压裂缝有效支撑面积小［8］（图 2a）。 如果采用间接压裂工艺，在煤层顶板形成压 裂缝后，压裂缝可以通过煤层的主裂隙和次裂隙 与煤层进行有效沟通。支撑剂一部分作用于砂岩 层中的压裂缝，另一部分则由于重力沉降作用， 在裂缝下部的煤层中填砂，显著增加煤层中裂缝 的有效支撑面积，为煤层气渗流提供了一条高渗 通道（图 2b）。 图 2 压裂施工时支撑剂在裂缝中的分布示意图 Fig.2 Distribution of proppants in fractures during hydraulic fracturing 1.3 裂隙发育、压裂液滤失严重的煤层 因为煤层顶板中砂岩、粉砂岩、脆性泥岩等泊 松比低、杨氏模量高，所以煤层顶板砂岩中形成的 压裂缝的延伸效果好，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［9］。 如果直接对裂隙发育、压裂液滤失严重的煤层 进行射孔压裂，压裂液在裂隙系统中滤失较高，压 裂缝很难延伸到煤层远端形成长效缝。如果采用间 接压裂施工，射开顶板砂岩就能够形成好的煤层气 解吸和有效流动通道。 综上所述，对煤层顶板进行间接压裂，适用于 构造煤发育区容易产生煤粉、施工压力高、缝高易 失控、裂隙系统发育的煤层，它能够借助顶板致密 砂岩或脆性泥岩形成与煤层直接连通的高导流能力 裂缝，实现高效开采煤层气。 2 间接压裂施工前的基础应力分析 通常， 在压裂施工设计前， 需收集必要的地质信 息。如需要根据地震和测井资料进行反演，落实工 区的构造特征、 煤层厚度及空间展布形态； 根据勘探 资料、测井解释资料，落实封盖条件、煤层和夹层分 布、 含水层分布层位和煤体结构分布特征等； 充分利 用煤田勘探阶段的钻孔资料； 在煤层气开发阶段， 由 于已经对煤层静态、动态资料有了比较清楚的认识， 并积累大量压裂经验教训， 可以在前述煤层气工区开 展间接压裂并优化压裂施工参数。 间接压裂是对煤层的顶底板进行压裂， 需要对人 工裂缝垂向上的延展进行详细分析，确保压开煤层。 ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 44 卷 所以， 在进行间接压裂设计时， 相对于其它地质参数， 地应力场与岩石力学参数显得十分重要。 主应力场决定了水力压裂缝的产状和延伸方向［8］。 水力压裂裂缝的产状与地层内三个方向的主应力值 的大小有关，裂缝一般在强度最弱、阻力最小的部 位开启，并沿着最大主应力的方向延伸［9］。根据上 覆岩层压力与水平应力之间的关系来判断裂缝的形 态如果最小主应力在水平方向，水力压裂会产生 垂直缝；如果最小主应力为垂向应力，则易形成水 平缝［10-11］。国外采用的间接压裂是在假定形成垂直 缝的基础上开展设计的，只需射开煤层顶板中的低 应力层段［9］（图 3a）。但我国有些煤层气开发区的煤 层埋深较浅，垂向应力较小［12］。若根据煤层气开发 区的应力场判断，压裂过程中容易产生水平缝，应 该同时射开顶板和煤层，在顶板与煤层之间的构造 薄弱面进行压裂，形成水平状的高导长缝（图 3b）。 图 3 射孔与压裂缝产状关系示意图 Fig.3 Schematic diagram of relationship between fracture occurrence and perforation location 通常情况下，岩石力学资料是利用实验室测试 得到，也可利用密度测井曲线计算垂向应力，并结 合差应变，分析煤层气开发区地层的应力状态；可 采用纵、横波测井计算各层段岩石力学的泊松比和 杨氏模量等力学参数值，用于指导压裂设计。 3 适用间接压裂的垂向岩性和物性组合 在特定的原地应力边界条件下，顶底板岩性组 合决定了煤层的含气性和垂向上最小主应力分布。 所以，在评价间接压裂设计前，应首先分析顶底板 岩性，选择适合间接压裂工艺的煤层。煤层顶底板 的岩性大致可分为 4 种基本类型砂岩、泥岩、粉 砂岩和灰岩。其中，有利于间接压裂的是厚度大、 孔渗性差、天然缝不发育的泥岩、粉砂岩、致密灰 岩和致密砂岩。 裂缝在垂向上的延伸与层间最小水平主应力的 差值有密切关系［13］。研究表明两个相邻岩层的最 小主应力差值在大于 4 MPa 时，才会有效遏制裂缝 在垂向上的延伸［14］。国外学者根据构造应力松弛区 的沉积岩地应力测试得出结论地层中最小水平主 应力值与泊松比呈正相关关系，排列顺序为砂岩＜ 粉砂岩＜煤层＜泥岩［15］。煤系的岩性组合决定了各层 段之间的应力差，对控制缝高具有一定的作用。 根据上述分析可知，顶底板岩性组合决定了煤层 的含气性和应力分布。在构造应力松弛区，可以把适 用间接压裂工艺的煤系的岩性组合归结为两点 a. 煤层底板岩性 由于国内多数中、高煤阶地区煤层的单层厚度 较小，一般只有 1～3 m，即使采用间接压裂技术， 也不能保证避免裂缝窜层压开底板，所以煤层底板 岩性为厚层泥岩时，由于其最小主应力高，有利于 阻止裂缝过度向下延伸。 b. 煤层顶板岩性 煤层顶板岩性需分 3 种类别讨论。①煤层顶板 是砂岩。适合间接压裂的砂岩为致密砂岩，或者泥 质含量高于 40％，而且天然裂缝不发育（图 4a）。这 种顶板砂岩适合煤层气保存，含气性好，而且最小 主应力小于煤层的最小主应力，适合裂缝延伸。同 理，如果煤层顶板是致密灰岩，与致密砂岩类似， 都适合用间接压裂工艺。②煤层顶板是粉砂岩、粉 砂质泥岩，或泥岩与粉砂岩互层（图 4b）。这类顶板 有利于煤层气的保存， 但应进行脆性指数计算， 间接 压裂适用于脆性指数高的顶板。 ③煤层顶板是厚层泥 岩。 这类顶板对保存煤层气有利， 但是如果泥岩层的 脆性矿物含量少、 泥质是以蒙脱石或伊蒙石混层为主 时，由于这类泥岩具有较强的可塑性，不适合在顶 板中实施间接压裂；只有脆性指数高的泥岩顶板才 适合采用间接压裂工艺。 图 4 适用于间接压裂技术的岩性组合 Fig.4 Lithological combination suitable for indirect fracturing 4 压裂设计中应考虑的其它影响因素 如果煤层气开发区位于特殊的高构造挤压地 区，垂向上的最小主应力剖面与构造应力松弛区的 情况相反，煤层最小主应力低于相邻岩层。如果不 能确定煤层气开发区是否存在高构造挤压背景，根 据国外的经验总结，建议同时射开顶板和煤层段压 裂［4］，顶板层段射开厚度不应小于 1 m。 进行压裂施工时，压裂井的地理位置选择也十 分重要，要求井筒及井场条件满足大规模压裂施工 条件。另外，如果压裂施工井中的煤层上下靠近弱 含水砂层或弱含水灰岩层，应采用空心微珠或粉陶 ChaoXing 第 3 期 杨宇等 煤层气直井间接压裂施工的先导地质分析 49 等控缝高的压裂工艺，直接对煤层进行压裂施工。 5 间接压裂施工效果分析 山西沁水盆地南端某区块煤层中广泛发育构造 煤，施工易产生煤粉，施工压力高［16］；煤层较薄而且 顶板中致密砂岩较发育，符合间接压裂施工要求。在 该地区已进行上千口煤层气直井的压裂，并进行了多 口煤层气直井的间接压裂施工试验，取得了明显的增 产效果。施工区域内不同岩性的岩石力学参数数据见 表 1。下面以两口煤层气典型试验井为例进行说明。 表 1 沁水盆地某煤层气开发区岩石力学参数平均值 Table 1 Average value of rock mechanical parameters in CBM development zone of Qinshui basin 岩性 泊松比 杨氏模量/MPa 煤岩 0.28 6 230 砂岩 0.26 20 497 泥岩 0.31 26 354 5.1 试验井的地质概况 两口试验井均属于同一个开发井组，开采层 位为 15 号煤层。1 号试验井的煤层厚度 6 m，顶 板为 11.3 m 的厚砂岩层，底板为 4.5 m 的厚泥岩 层；2 号试验井的煤层厚度 5.8 m，顶板为 12.5 m 的厚砂岩层，底板为 3.4 m 的厚泥岩层。根据测井 资料解释得到的岩性和地应力参数如图 5。 利用井 径曲线可以判断在两口井的底部均存在大幅扩径 ［17］，判断 1 号试验井存在 1.2 m 的构造煤（碎粒煤 和糜棱煤），2 号试验井存在 1.5 m 的构造煤，二 者煤质相当。 由图 5 可知， 两口试验井的地质条件相似。 由于 煤层较薄， 而且煤层与顶板砂岩层的最小应力差异较 小（0.5 MPa），如果直接对煤层压裂，缝高容易失控。 5.2 试验井施工分析 两口试验井的开采层位均为 15 号煤层， 均采用 活性水压裂，加入 20/40 目石英砂。其中 1 号试验 井采用常规压裂工艺， 只射开 15 号煤层（煤厚 6 m）， 然后压裂；2 号试验井采用间接压裂工艺，煤层射 开 4 m，顶板砂岩射开 2 m。从两口试验井的压裂施 工对比可以看出， 1 号试验井平均施工压力约为 20.6 MPa，2 号试验井的平均施工压力约为 11.2 MPa（表 2），采用间接压裂的 2 号试验井的施工压力较小。 5.3 试验井压裂效果分析 压裂后， 由于煤层较浅， 井温测井曲线效果差， 无法有效表征裂缝高度。对比 1 号和 2 号试验井 20102014 年的排采曲线（图 6）发现， 1 号试验井于 2010 年 4 月开始排采， 排采初期由于煤粉运移导致卡 图 5 不同试验井的 15 号煤层地应力剖面 Fig.5 In-situ stress profile of NO.15 seam in different CBM wells 表 2 煤层压裂施工参数统计表 Table 2 Statistics of hydraulic fracturing of coal seam 井号 入地液量 /m3 入地砂量 /m3 排量 /（m3min-1） 平均砂比 /％ 施工压力 /MPa 1 650 25 7.5 10.0 15.7～25.6 2 660 25 7.5 10.2 5.8～16.5 图 6 不同煤层气直井生产曲线图 Fig.6 Production curves of different vertical CBM well ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 44 卷 泵或偶尔漏失而多次关井检泵，致使日产水量大起大 落，2010 年 7 月份达到峰值产量约 3 000 m3/d；产量 随后快速递减，到 2011 年 2 月达到稳产，截止 2014 年 11 月，平均日产气量 680 m3/d，分析认为煤层压裂 形成的有效缝部分被煤粉堵塞； 2 号试验井于 2010 年 4 月开始排采，2011 年 3 月达到峰值产量 3 500 m3/d； 产量无明显下降，截止 2014 年 11 月，平均日产气量 2 500 m3/d。分析认为 2 号试验井采用间接压裂工艺， 借助顶板砂岩，形成了与煤层关联性较好的高导流能 力裂缝。 采用常规压裂工艺的 1 号试验井施工压力高、 有效缝较短，从而导致产气量远小于 2 号试验井。所 以，两口井产量之间的对比，进一步突出了间接压裂 在改造煤层、提高煤层气产量方面的优势。 6 结 论 a. 间接压裂技术适用于容易产生煤粉、施工压 力高、裂隙系统发育的煤层。该技术能够减少煤粉 的形成，使压裂缝有效沟通煤层深部，能够借助顶 板致密砂岩或脆性泥岩形成一条与煤层直接连通的 高导流能力裂缝，大幅度提高煤层气单井产量。 b. 间接压裂施工前，应开展先导地质分析。其 中，应力场控制了水力压裂缝的产状和延伸方向； 顶底板岩性组合控制了煤层的含气性和垂向应力分 布；煤质和渗透率控制了间接压裂施工的措施；煤 层气其他相关地质条件也是优化间接压裂施工参数 的重要静态资料。 其中， 地应力场分析和煤层顶底板 的岩性判断是分析的重点， 有助于准确预测裂缝的形 态以及延伸，并选择适当的射孔部位和压裂工艺。 c. 沁水盆地现有井的施工效果表明，如果进一 步加强开展间接压裂工艺研究和试验， 可以降低煤层 压裂施工的难度，提高煤层气单井产量和开发效果。 参考文献 ［1］ MICHAEL J E，MARTIN T. 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