彬長礦區(qū)煤層氣井水力壓裂效果影響因素分析

吳信波，王 謙，張 俊.

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054；2.陜西新泰能源有限公司，陜西咸陽713500；3.中國石油天然氣股份有限公司長治煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長治 046000)

彬長礦區(qū)煤層氣井水力壓裂效果影響因素分析

吳信波1，王 謙2，張 俊3.*

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054；2.陜西新泰能源有限公司，陜西咸陽713500；3.中國石油天然氣股份有限公司長治煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長治 046000)

彬長礦區(qū)已經(jīng)實施了30多口煤層氣井的開發(fā)工作，大部分煤層氣井采用水力壓裂施工工藝進行增產(chǎn)改造。為了研究煤層氣井水力壓裂效果的影響因素，依據(jù)彬長礦區(qū)3口煤層氣井地質(zhì)、壓裂及試井資料，采用統(tǒng)計學方法，確定了影響水力壓裂效果的各獨立因素。研究結(jié)果表明，煤儲層厚度、滲透率以及壓裂施工過程中的排量、砂比、加砂強度、前置液比等因素對煤層氣井壓裂效果產(chǎn)生影響。然后采用灰色關(guān)聯(lián)法進行分析，確定了壓裂效果影響因素的優(yōu)先順序及影響程度大小。研究結(jié)果表明，影響彬長礦區(qū)煤層氣井壓裂效果的各因素依次為排量、砂比、煤層厚度、加砂強度、前置液比、滲透率。在其他條件相同的情況下，提高排量和砂比能夠生成更多的有效改造體積、更好的改造儲層。

彬長礦區(qū)；煤層氣井；壓裂效果；影響因素；灰色關(guān)聯(lián)分析

彬長礦區(qū)已經(jīng)施工了30多口煤層氣井，為實現(xiàn)煤層氣的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，大多數(shù)煤層氣開發(fā)井都通過水力壓裂的方式實現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)，因此研究煤儲層壓裂效果影響因素具有重要意義。但是通過對壓裂效果影響因素的分析發(fā)現(xiàn)，影響煤層氣井水力壓裂效果的因素很多，既有地質(zhì)因素又有工程因素[1]，這些因素何為主要因素何為次要因素不得而知，這給分析煤層氣井壓后效果帶來了極大的不便，因此需要一種方法來明確各個因素的主次地位，也就是對這些數(shù)據(jù)進行定量分析，探索各因素的顯著性。根據(jù)前人經(jīng)驗，在評價油氣田壓裂改造效果方面，大多數(shù)采用無阻流量或者產(chǎn)量作為評價指標[2-3]，關(guān)于煤儲層壓裂改造效果一般采用單一的裂縫幾何形態(tài)作為評價指標[4]。但是，產(chǎn)氣量的影響因素不止壓裂施工因素，還有地質(zhì)因素、鉆井和排采施工因素等，單一的裂縫幾何形態(tài)不能完全概括壓裂效果，因此本文提出采用有效改造體積作為壓裂改造效果的評價指標。其中，有效改造體積是指采用GDK裂縫模型，結(jié)合裂縫監(jiān)測過程中的縫長、縫高等數(shù)據(jù)計算出的實際壓裂改造體積。采用有效改造體積評價指標更能全面地反映壓裂改造效果，并且利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對影響壓裂改造效果的地質(zhì)因素和工程因素進行定量分析，為彬長礦區(qū)煤層氣藏的高效開發(fā)提供了依據(jù)。

1 礦區(qū)概述

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北隆起北緣的彬縣—黃陵坳褶帶，構(gòu)造較簡單，總體上為一走向NE，傾向NW-NNW的單斜構(gòu)造，發(fā)育方向單一的次級寬緩褶曲，地層和煤層形態(tài)主要受這些寬緩褶曲控制，礦區(qū)內(nèi)斷層少見。礦區(qū)含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)，含煤4～8層，自上而下編號為1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4煤，其中4煤層平均厚度為10.64 m，厚度較大，且全區(qū)可采，為煤層氣開發(fā)的主要目標煤層。礦區(qū)4煤層特征見表1。該區(qū)煤的變質(zhì)程度較低，煤的鏡質(zhì)組最大反射率為0.50%～0.75%，其中4煤層最大鏡質(zhì)體反射率為0.59%～0.68%，屬低變質(zhì)長焰煤，局部為氣煤。該區(qū)水文地質(zhì)條件總體屬簡單，含煤地層和煤層富水性較弱。

表1 礦區(qū)4煤發(fā)育特征表Table 1 The characteristics of No.4 coal development

4煤層結(jié)構(gòu)為簡單～復雜，一般上部與底部夾矸1～2層，最多5層。頂板為深灰色泥巖、砂巖，有時見炭質(zhì)泥巖偽頂。底板為灰色、灰褐色鮞狀結(jié)構(gòu)鋁土質(zhì)泥巖，少見炭質(zhì)泥巖偽底，最大厚度為1.90 m，底板多為泥質(zhì)巖，向下過度為砂質(zhì)泥巖。

彬長礦區(qū)主采煤層4煤的空氣干燥基含氣量為0.12～6.38 m3/t，平均為1.32 m3/t，屬于含氣量較低的煤層；但煤層氣的成分大部分以CH4為主，氣質(zhì)量相對較好。礦區(qū)內(nèi)煤層煤體結(jié)構(gòu)相對較好，主要為原生～碎裂結(jié)構(gòu)；宏觀和微觀裂隙比較發(fā)育，裂隙寬度大，4煤層的滲透率為0.10～5.73 mD，較好的滲透率有利于煤層氣的滲流。彬長礦區(qū)煤儲層整體屬于欠壓～常壓儲層，地應力為3.80～15.42 MPa，屬于中、低應力水平；裂縫閉合壓力為1～15 MPa，屬于中、低閉合壓力水平[5]。

彬長礦區(qū)已經(jīng)施工的30多口井大多數(shù)采用水力加砂壓裂改造技術(shù)。在壓裂施工過程中用微地震法對壓裂層段進行了裂縫實時監(jiān)測，獲取了壓裂產(chǎn)生的裂縫方位、長度、高度和產(chǎn)狀等資料(表2)。壓后2 h、4 h分別進行了井溫測試。

表2 壓裂實時監(jiān)測結(jié)果Table 2 The real-time fracturing monitoring results

2 壓裂效果影響因素分析

統(tǒng)計彬長礦區(qū)3口壓裂井的有效改造體積與滲透率、煤層厚度、加砂量、前置液比、砂比、排量的關(guān)系(表3)，為后續(xù)灰色關(guān)聯(lián)分析提供依據(jù)和參考[6]。

2.1 滲透率對壓裂效果的影響

圖1為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的滲透率與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖1可知，彬長礦區(qū)煤層氣井滲透率集中于1～6 mD，有效改造體積在200～600 m3；位于該層位的煤層氣井滲透率較高，儲層微裂縫發(fā)育，隨著滲透率增加，儲層有效改造體積先增加后減少。分析原因認為，隨著滲透率的增加，儲層連通性越好，漏失越大，越不利于產(chǎn)生較大的有效改造體積。

表3 彬長礦區(qū)3口井的參數(shù)取值Table 3 The parameters of three wells in Binchang mining area

圖1 滲透率與有效改造體積關(guān)系Fig.1 The relationship between permeability and effective reforming volume

2.2 煤層厚度對壓裂效果的影響

圖2為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的煤層厚度與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖2可知，彬長礦區(qū)煤層氣井煤層厚度集中于6～19 m，有效改造體積在200～600 m3；彬長礦區(qū)煤層厚度分布范圍較廣，隨著煤層厚度的增加，儲層有效改造體積基本呈先上升后下降的趨勢。分析原因認為，隨著煤層厚度的增加，壓裂越不容易產(chǎn)生長裂縫，限制了儲層的有效改造體積。

圖2 煤層厚度與有效改造體積關(guān)系Fig.2 The relationship between coal seam thickness and effective reforming volume

2.3 加砂強度對壓裂效果的影響

圖3為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的加砂強度與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖3可知，彬長礦區(qū)煤層氣井加砂強度集中于7～11 m3/m，有效改造體積在200～600 m3；隨著加砂強度的增加，儲層有效改造體積呈下降趨勢。分析原因認為，加砂強度越高，支撐劑越不容易運移到遠處，越不利于產(chǎn)生較好的有效改造體積。

圖3 加砂強度與有效改造體積關(guān)系Fig.3 The relationship between sand strength and effective reforming volume

2.4 前置液比對壓裂效果的影響

圖4為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的前置液比與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖4可知，彬長礦區(qū)煤層氣井前置液比為20%～40%，有效改造體積在200～600 m3；隨著前置液比的增加，儲層有效改造體積呈先增加后減少的趨勢。分析原因認為，前置液比的增加，減少了攜砂液的比例，壓開的裂縫得不到有效的支撐，儲層改造的效果就差，但存在一個較為合理的前置液比，可以為后續(xù)施工提供一個較好的決策依據(jù)。

圖4 前置液比與有效改造體積關(guān)系Fig.4 The relationship between anterior liquid ratio and effective reforming volume

2.5 砂比對壓裂效果的影響

圖5為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的砂比與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖5可知，彬長礦區(qū)煤層氣井砂比為7%～18%，有效改造體積在200～600 m3；隨著砂比的增加，儲層有效改造體積基本呈先上升后下降的趨勢。分析原因認為，隨著砂比的增加，前置液造的縫越能被很好地支撐，但砂比超過13%后，容易造成加砂困難，越不利于產(chǎn)生較大的有效改造體積。

圖5 砂比與有效改造體積關(guān)系Fig.5 The relationship between sand ratio and effective reforming volume

2.6 排量對壓裂效果的影響

圖6為統(tǒng)計的彬長礦區(qū)3口煤層氣井的排量與有效改造體積的關(guān)系曲線。由圖6可知，彬長礦區(qū)煤層氣井施工排量集中于7.4～8.4 m3/min，有效改造體積在200～600 m3；隨著施工排量的增加，儲層有效改造體積呈先上升后下降的趨勢。分析原因認為，施工排量越高，越易在長、寬、高方向上擴展裂縫，但存在一個較好的施工排量，可以為后續(xù)的壓裂施工提供決策依據(jù)。

圖6 排量與有效改造體積關(guān)系Fig.6 The relationship between displacement and effective reforming volume

3 影響因素顯著性分析

灰色關(guān)聯(lián)分析法是對灰色系統(tǒng)(信息不夠全面并且信息之間關(guān)系不確定的系統(tǒng))，利用灰色關(guān)聯(lián)度(兩個因素之間關(guān)聯(lián)度大小的量度)進行各個因素的定量化分析，并進行排序化處理，得出影響煤層壓后效果的各個因素之間的顯著性關(guān)系[7-9]。

根據(jù)表3中彬長礦區(qū)3口煤層氣井的參數(shù)取值，選取滲透率、煤層厚度、加砂量、前置液比、砂比、排量對壓裂效果產(chǎn)生獨立影響的6個因素[10-11]，以煤儲層有效改造體積為考核標準，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對彬長礦區(qū)煤儲層壓裂影響效果因素進行分析[12-15]。

灰色關(guān)聯(lián)度法一般包括以下幾個計算步驟：首先，選定參考序列和比較序列，并對原始數(shù)據(jù)進行標準化變換；然后，計算各比較序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，并統(tǒng)計平均值；最后，根據(jù)平均值排出各個比較序列的關(guān)聯(lián)序，得出各因素的主次順序。

(1)確定煤儲層有效改造體積為參考序列x0(k)，滲透率、煤層厚度、加砂強度、前置液比、砂比、排量6個因素作為比較序列xi(k)，i=1,2,…,8。其中，在確定煤儲層有效改造體積時，依據(jù)對1#井、2#井和3#井的壓裂模擬裂縫參數(shù)進行計算。

(2)將參考序列和比較序列數(shù)據(jù)進行標準化變換(表4)。先計算出參考序列和各個比較序列的平均值以及標準差，然后將各個序列的原始數(shù)據(jù)減去其相應的平均值，得到的結(jié)果再除以其標準差，此時得到的一個新數(shù)據(jù)序列即為標準化序列。其特點是：量綱和方差均為1，而平均值為0。

表4 各口井不同序列的標準化Table 4 The standardization in various wells of different sequences

(3)計算各序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)(表5)：

ξi(k)=

(1)

式中ρ——分辨系數(shù)，ρ∈(0，1)，一般取0.5。

表5 各口井比較序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 5 The gray correlation coefficient of comparison sequence of each well

(4)求關(guān)聯(lián)度γi，即計算各比較序列關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值(表6)：

(2)

表6 各口井比較序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值Table 6 The average of the gray correlation coefficients for each well compared to the sequence

(5)排序。依據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小進行排序，形成關(guān)聯(lián)序，明確各比較序列對參考序列的主次排序(表7)。

表7 各口井比較序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的主次排序Table 7 The primary and secondary rankings of the gray relational coefficients of each well are compared

由上表可以看出，影響煤層氣壓裂效果的因素的顯著性依次為：排量、砂比、煤層厚度、加砂強度、前置液比、滲透率。壓裂施工排量是影響煤層有效改造體積的主要因素。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)彬長礦區(qū)地質(zhì)、壓裂及試井資料，通過定性分析表明，滲透率、煤層厚度、加砂強度、前置液比、砂比、排量對壓裂效果均有不同程度的影響。

(2)根據(jù)彬長礦區(qū)煤層氣開發(fā)的特點，選擇壓裂后煤層氣井有效改造體積為參考序列，滲透率、煤層厚度、加砂強度、前置液比、砂比、排量等6個因素作為比較序列，將參考序列和比較序列的數(shù)據(jù)進行標準化處理，并進行各影響因素關(guān)聯(lián)度的計算與分析。

(3)基于灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，確定壓裂效果影響因素優(yōu)先順序依次為：排量、砂比、煤層厚度、加砂強度、前置液比、滲透率。

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AnalysisonInfluencingFactorsofHydraulicFracturingEffectofCoalbedMethaneWellsinBinchangMiningArea

Wu Xinbo1, Wang Qian2, Zhang Jun3

(1.CCTEGXi＇anResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710054,China; 2.ShaanxiXintaiEnergyCo.,Ltd.,Xianyang,Shaanxi713500,China; 3.ChangzhiCoalbedMethaneExplorationandDevelopmentBranch,PetroChinaCo.,Ltd.,Changzhi,Shanxi046000,China)

The development of more than thirty coalbed methane wells has been carried out in Binchang mining area, most coalbed methane wells have been improved by hydraulic fracturing construction. In order to study the influencing factors of the hydraulic fracturing effect of coalbed methane wells, the independent factors influencing the hydraulic fracturing effect were determined by statistical methods based on geological, fracturing and well test data of three coalbed methane wells in Binchang mining area. The results showed that, the thickness of coal reservoir, the permeability and the displacement, sand ratio, sand strength and pre-liquid ratio during fracturing construction have an effect on the fracturing effect of coalbed methane. The gray relational method was used to analyze the priority of the factors influencing the fracturing effect and the influence degree. The results showed that the factors influencing the fracturing effect of coalbed methane wells in Binchang mining area are displacement, sand ratio, coal seam thickness, sand strength, pre-liquid ratio and permeability. Under the same conditions in other conditions, increasing the displacement and sand ratio can produce more effective remodeling volumes and better reconstruct the reservoir.

Binchang mining area; coalbed methane well; fracturing effect; influencing factor; gray relational analysis

吳信波(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事煤層氣開發(fā)研究工作。郵箱：wuxinbo@cctegxian.com.

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