寺河煤礦煤層氣井水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

李生奇

(晉煤集團鳳凰山礦，山西晉城048007)

1 工程概況

寺河煤礦位于沁水盆地南部的晉煤集團寺河煤礦西南部，項目區(qū)為寺河煤礦預(yù)備采掘區(qū)。主要含煤層為二疊系的山西組和石炭系的太原組。項目目標(biāo)地層為二疊系的山西組的3#和15#煤層，該煤層分布穩(wěn)定、單層厚度大，區(qū)內(nèi)煤層氣勘探井測試結(jié)果表明，煤層氣含量為 23．52 ～29．00 m3/t，平均為26.26 m3/t，分析得出該區(qū)是一個煤層氣高富集區(qū)。產(chǎn)出的煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)在93．1% ～96．3%，CO2的體積分?jǐn)?shù)在0.5% ～2．8%，N2的體積分?jǐn)?shù)在 1．1% ～ 3．1%，C2—C8的體積分?jǐn)?shù)在0～0．43%。該區(qū)3#煤層對甲烷有較強的吸附能力，最大含氣量為35．4 m3/t，最大壓力為2．23 MPa。3#煤層的含氣飽和度基本在90%以上，個別低點接近于80%。由此說明，本區(qū)煤層氣易開發(fā)，在進行排水采氣時，產(chǎn)氣較快，開發(fā)條件非常有利。區(qū)內(nèi)3#煤層特征對煤層氣的開發(fā)很有利，主要表現(xiàn)為煤層分布穩(wěn)定、含氣量高且保存條件好、臨界解吸壓力接近儲層壓力、儲層壓力基本屬正常壓力、滲透率較高、含氣飽和度高等。

2 壓裂工藝技術(shù)應(yīng)用

1)工藝管柱:在常規(guī)壓裂中90%的液體摩擦阻力發(fā)生在井筒中的壓裂管柱內(nèi)，且與進液的面積成反比。在煤層壓裂中由于煤層施工壓力較高，如果摩擦阻力比較大，會對地面設(shè)備(如壓裂泵、井口、管線等)提出較高的要求。因此，除寺河試1井采用封隔器分壓油管、管注注入外，其他5口井均用油套混注。

2)泵注排量:提高泵注排量是壓裂的一個重要方面，它有助于形成比較寬的裂縫，彌補或降低壓裂液在煤層中的濾失量。特別是采用低粘性壓裂液時，更應(yīng)把提高泵注排量作為主要的因素考慮。因此，控制排量范圍在4．0～7．2 m3/min。

3)壓裂液類型:通過室內(nèi)試驗優(yōu)化了2種壓裂液:胍膠壓裂液(凍膠)和活性水。

4)支撐劑:主體砂選用20/40目石英砂，尾追選用18/20目石英砂。

5)泵注程序:采用分段加砂，活性水壓裂液平均砂比為7.2% ～32．3%，胍膠壓裂液(凍膠)平均砂比為17．2% ～34．2%。

3 壓裂施工

寺河試1井組共進行了11井次壓裂施工，使用了凍膠和活性水2種壓裂液，施工參數(shù)見表1。

表1 寺河試1井組壓裂施工參數(shù)

從表1分析，Si－1(3#)施工壓力正常，其他井均出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。4井次出現(xiàn)脫砂現(xiàn)象。

4 壓裂施工分析

4．1 用大地電位法來監(jiān)測裂縫情況

此井組的Si1－1、Si1－5做了底面電位測量，以判斷此區(qū)域裂縫延伸的方向及大小(見表2)。

表2 地面電位測試結(jié)果

從表2中可以看出，活性水壓裂液較胍膠壓裂液的施工摩阻高，液體的流失量比較大，壓后壓力能很快地擴散，發(fā)生脫砂的可能性較大。

4．2 施工壓力分析

從以上施工數(shù)據(jù)分析，破裂壓力為17．6～51．2 MPa。根據(jù)這個破裂壓力計算所得的破裂梯度范圍處在0．034～0．082 MPa/m之間，但此項目區(qū)塊壓裂施工后出現(xiàn)過高的破裂梯度還不能反映地層實際的破裂梯度值。根據(jù)之前進行的壓裂測試得出的破裂梯度:寺河試1井是0．023 MPa/m，Si1－4井是0．0307 MPa/m，Si1－5井是0．028 MPa/m。對此結(jié)果和施工時的壓力曲線分析可發(fā)現(xiàn):除Si1－1(3#)施工壓力表現(xiàn)正常外，此區(qū)塊的其他壓裂施工在起泵開始時就發(fā)生超壓的現(xiàn)象，并且在整個過程中都保持高的壓力值，從而使一些煤層難以注入大量的砂子。出現(xiàn)此高壓現(xiàn)象的較合理的解釋是:

1)近井區(qū)裂縫扭曲。在井筒附近處的裂縫扭曲會降低近井區(qū)裂縫導(dǎo)水能力和寬度，由此會造成高的破裂壓力。

2)煤層多孔彈性效應(yīng)。當(dāng)?shù)孛嫔系母邏阂后w經(jīng)造縫進入煤層之后，微裂縫系統(tǒng)會吸水并張開以至增加了液體的濾失量，濾失量的增加會使煤層(裂縫壁面)的孔隙壓力升高，從而會引起地應(yīng)力增大，隨之裂縫內(nèi)的壓裂液的繼續(xù)延伸受到阻礙，最終誘發(fā)地面的施工壓力升高。

3)多重壓裂縫的出現(xiàn)。根據(jù)測試壓裂所計算的破裂梯度范圍:0.023～0.0309 MPa/m，地層會出現(xiàn)“T”型裂縫，即垂直裂縫和水平裂縫同時生長，會使沿這種裂縫前進的壓裂液流動阻力變大，隨之出現(xiàn)異常的壓力值。

4)煤粉堵塞裂縫末梢。假如在此過程中產(chǎn)生足夠多的煤粉，最終它將會聚集在裂縫末梢處以至妨礙裂縫擴展。

5 結(jié)語

1)在煤層氣水力壓裂中，誘發(fā)地面壓力增大的原因有3種:①煤層的多孔彈性效應(yīng)。②煤粉堵塞裂縫末梢。③煤層產(chǎn)生彎曲、復(fù)雜的裂縫。

2)在近井區(qū)易發(fā)生裂縫扭曲的情況，影響裂縫的導(dǎo)流能力，以至使破裂壓力異常高。

3)對濾失量比較大的煤層需采用:①高注入排量。②用剪切穩(wěn)定、高粘度的交聯(lián)凝膠或者添加具有防濾失功能的添加劑。

4)煤層在水力壓裂后，產(chǎn)生的裂縫不同于砂巖地層，形成的裂縫不止1條，會產(chǎn)生多條復(fù)雜裂縫，水力裂縫長度在100 m以內(nèi)。