鐵法煤田煤層氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

葛 勇

東北煤田地質(zhì)局沈陽(yáng)煤層甲烷氣開(kāi)發(fā)中心，遼寧沈陽(yáng) 110013

0 引言

鐵法煤田屬長(zhǎng)焰、氣煤煤田，區(qū)內(nèi)賦存煤層氣資源量107億m3，1996 年～2012 年間共施工煤層氣井35 口，屬典型煤礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)，并服務(wù)于煤礦瓦斯治理需要，煤層氣井儲(chǔ)層改造其關(guān)鍵技術(shù)為：煤層壓裂分段組合，水力攜砂壓裂完井。區(qū)內(nèi)1996 年施工的DT3 井截止2013 年2 月已累計(jì)開(kāi)采煤層氣1 540 萬(wàn)m3，2004 年施工的DT4 井已累計(jì)開(kāi)采煤層氣2016 萬(wàn)m3，氣井平均產(chǎn)氣量2 000m3/d 以上，外輸供氣量5 300 萬(wàn)m3。

1 鐵法煤田煤層氣賦存特征

1.1 煤層

鐵法煤田含煤地層為下白堊統(tǒng)阜新組，從巖性、巖相組合及含煤性可分上、下兩個(gè)含煤段，其沉積特點(diǎn)為辮狀河流及三角洲類型。多階性旋回結(jié)構(gòu)特征明顯，表現(xiàn)為煤層多，以中厚煤層為主，且連續(xù)性較差的特點(diǎn)。下含煤段巖相空間配置為從盆緣向盆內(nèi)依次為沖積扇—扇三角洲—三角洲平原或淺湖沉積環(huán)境，煤層多且厚度大，以泥巖沉積為主，含煤10 層，其中12、13、14、15 號(hào)煤層為主要可采煤層；上含煤段巖相配置與下含煤段相似，其中三角洲平原為主要聚煤環(huán)境，含煤10 層，其中4、7、8、9 號(hào)煤層為主要可采層。

1.2 構(gòu)造特征

鐵法盆地為一主體展布方向呈北北東向的半地塹或斷坳盆地，它的形成和演化均受區(qū)域各構(gòu)造體系控制，盆地基底的沉降又受盆緣斷裂及松遼盆地區(qū)域沉降的雙重因素影響，盆緣斷裂走向?yàn)楸北睎|向，它不但控制著鐵法盆地的展布，而且對(duì)盆地內(nèi)部沉積環(huán)境聚煤和遷移等均具有控制作用，導(dǎo)致鐵法煤田西部沉積幅度始終較大，為盆地的沉積中心帶，大興井田為盆地的沉積中心，形成鐵法煤田的聚煤中心，是煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域。

1.3 煤儲(chǔ)層特征及含煤性

鐵法煤田阜新組含煤巖系含煤層數(shù)較多，煤田中西部煤層發(fā)育較好，呈北北東向條帶狀分布。煤層比較穩(wěn)定，盆地西部邊緣各煤層結(jié)構(gòu)區(qū)域復(fù)雜，均有分叉、變薄、尖滅等現(xiàn)象出現(xiàn)。

煤層割理發(fā)育中等，面割理約4-15 條/5cm，端割理2-4條/5cm，組成以孤立—網(wǎng)狀為主的割理系統(tǒng)，割理發(fā)育程度與煤巖類型關(guān)系密切，主要以光亮型煤的7、9、12、13 和14 號(hào)煤層其割理發(fā)育較好。

煤層含氣量經(jīng)煤田地質(zhì)鉆孔及煤層氣井煤層煤芯采樣通過(guò)解吸法測(cè)試結(jié)果如下：

煤層號(hào) 含氣量m3/t 4 3.01-14.19 8.43 7 2.29-17.20 7.24 12 3.91-23.30 8.85 15 2.17-26.28 8.34

煤層滲透率通過(guò)煤層氣井對(duì)煤層采用注入/壓降法進(jìn)行試井，獲得了一些煤儲(chǔ)層的參考資料，其中煤層滲透率在0.01-1.507 毫達(dá)西之間，其差異性較大。

1.4 煤層氣資源豐度

鐵法煤田煤層氣資源豐富，有利于煤層氣勘探開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)保有煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)14 億噸，煤層氣資源量約107 億m3，單位面積資源豐度為1.26 億m3/km2，屬于開(kāi)發(fā)條件較好的中小型煤層氣田，煤層氣資源具有小而肥的特點(diǎn)，適于煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)。

2 儲(chǔ)層改造關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 多煤層壓裂組合及技術(shù)原理

煤層氣地面鉆井開(kāi)采其要素條件為：建立煤儲(chǔ)層降壓——解吸——擴(kuò)散——滲流條件。水力攜砂壓裂的目的為通過(guò)高壓水進(jìn)入煤儲(chǔ)層，溝通擴(kuò)張煤層的裂縫系統(tǒng)，利用大排量的壓裂液體攜壓裂支撐劑，待壓裂結(jié)束后將壓裂支撐砂支撐裂縫通道，以形成煤儲(chǔ)層人為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，降低氣體流通阻力，達(dá)到增產(chǎn)的作用。而多煤層大跨度的間隔條件，導(dǎo)致壓裂段過(guò)長(zhǎng)，液體分流壓差變化大，液體分配具有相當(dāng)?shù)木窒扌裕拗屏丝p長(zhǎng)半徑的伸展，因此合理組合煤層，分層段進(jìn)行壓裂改造是鐵法煤田煤層氣開(kāi)發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2 技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

分層原則：煤層分層組合一般視煤層條件組合段厚為35m左右，填砂上返厚度一般為15m 以上，以防止竄砂，煤層射孔采用ф89mm 槍102 彈，相位90°，16 彈/m，砂巖頂?shù)装寮皧A層可以進(jìn)行輔助射孔，以尋求更有效堅(jiān)固的煤層氣滲流通道。煤層組合段超過(guò)15m 以上時(shí)均采用投球分壓，或段塞加砂，以進(jìn)行人為分流，克服壓力梯度差對(duì)壓裂分流的影響，達(dá)到儲(chǔ)層改造范圍的最大化。

壓裂基本參數(shù)選擇

1）泵排量：8m3/min～10m3/min；

2）攜砂比：平均10%以上；

3）加砂方式：采用階梯加砂；

4）壓裂方式：采用套管壓裂；

5）分層組合壓裂方式：采用上返填砂分層；

6）支撐劑選擇：20/40 目石英砂（尾砂16/20 目）；

7）壓裂液配置：選用清水+2%KLC 加1‰助排劑，加入KLC 具有防煤層灰分遇水膨脹，保持裂縫的作用。加入助排劑主要是可以一定程度上降低壓裂液的返排阻力，并克服水張力對(duì)微細(xì)通道的阻力影響。

2.3 壓裂層段組合及射孔壓裂典型設(shè)計(jì)

本文僅以鐵法煤田煤層氣DT3 井為例，介紹煤儲(chǔ)層改造相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)理念。（見(jiàn)圖1）

圖1

DT3 井壓裂組合及射孔壓裂設(shè)計(jì)（自下而上）第一壓裂層段：754.55m～719.85m（15、16、17 煤），段厚34.70m，煤厚10.20m，射孔厚度14.70m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚38.00m。

第二壓裂層段：681.36m～640.60m（12、13、14 煤），段厚40.75m，煤厚16.04m，射孔厚度28.20m，壓裂總液量1000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚109.00m。

第三壓裂層段：531.85m～501.65m（6、7、9 煤），段厚20.30m，煤厚10.87m，射孔厚度19.76m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚21.98m。

第四壓裂層段：479.67-461.60（3、4 煤），段厚18.07m，煤厚8.22m，射孔厚度12.86m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓。

2.4 儲(chǔ)層改造效果分析

2.4.1 多煤層分層壓裂組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤儲(chǔ)層的有效利用

合理組合壓裂層段對(duì)儲(chǔ)層改造可以實(shí)現(xiàn)全方位、多元化有效抑制儲(chǔ)層壓力差導(dǎo)致的壓裂液體分配隨意的現(xiàn)象，人為制造壓裂方向更有效的實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造的最大化。

2.4.2 壓裂規(guī)模決定了儲(chǔ)層改造的效果

壓裂規(guī)模一定程度上決定了儲(chǔ)層改造的范圍，而儲(chǔ)層改造的范圍決定了煤層氣井的產(chǎn)能，設(shè)計(jì)中考慮煤層對(duì)壓裂液的濾失影響，加大了前置液的注入規(guī)模，使其前置液的溝通作用明顯，后期加砂順利，以提高有效支撐裂縫的形成。

2.4.3 砂巖頂?shù)装搴蛫A層實(shí)施射孔壓裂對(duì)氣井產(chǎn)能有貢獻(xiàn)作用

煤儲(chǔ)層的直接頂?shù)装迳淇缀髤⑴c壓裂一定程度上對(duì)建立煤儲(chǔ)層裂縫通道有重要的影響作用，煤層氣的滲流方向既有水平方向，又有垂直方向，砂巖層不僅可以成為滲流層，同時(shí)也是游離氣的儲(chǔ)層。

3 排水采氣綜合分析及產(chǎn)能預(yù)測(cè)

DT3 井施工于1996 年，1997 年5 月開(kāi)始進(jìn)行排水采氣實(shí)驗(yàn)，截止1998 年8 月（15 個(gè)月）累計(jì)產(chǎn)氣150 萬(wàn)m3，產(chǎn)水12 600m3，平均日產(chǎn)氣3300m3/d，平均日產(chǎn)水28m3/d，完成排水采氣試驗(yàn)后關(guān)井，后于2007 年4 月重新開(kāi)井，截止2013 年2 月，累計(jì)產(chǎn)氣1 540 萬(wàn)m3，目前該井日產(chǎn)氣量平均在3 500m3/d 以上，預(yù)測(cè)氣井單井最終總產(chǎn)氣量可達(dá)到2 000 萬(wàn)m3以上。

鐵法煤田DT3 井是迄今我國(guó)煤層氣井開(kāi)發(fā)最早、服務(wù)年限最高、壓裂完井產(chǎn)氣量最高的一口煤層氣井，其所投入的儲(chǔ)層改造關(guān)鍵技術(shù)具有高產(chǎn)能的重要支持作用。

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