煤層氣壓裂施工質(zhì)量與地質(zhì)原因分析

邵凱 王東東 張治倉 冉少峰 何倩

摘 要：煤層氣壓裂是一種重要的煤層氣增產(chǎn)措施，通過壓裂施工可以有效地溝通煤層中的裂隙，增加煤層氣的解析面積，從而提高煤層氣井的產(chǎn)氣量。由于各個地區(qū)的煤層物理性質(zhì)不同，煤體結(jié)構(gòu)以及上覆巖層的物理性質(zhì)不同，進(jìn)而導(dǎo)致煤層氣壓裂施工質(zhì)量不同，文章通過一系列的壓裂資料、地質(zhì)資料、微地震資料等資料對大佛寺地區(qū)的煤層氣水力壓裂情況進(jìn)行了分析，為后續(xù)的煤層氣井壓裂施工提供了一定的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：煤層氣；水力壓裂；施工質(zhì)量；地質(zhì)原因

1 區(qū)域背景介紹

大佛寺井田位于陜西省咸陽市北部的彬縣和長武縣境內(nèi)，距彬縣約10km，長約14km，最寬處約6.5km，面積71.48km2。

本區(qū)地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)正寧-佳縣小區(qū)，區(qū)內(nèi)地表絕大部分被第四系黃土覆蓋。區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為三疊系胡家村組，侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組，白堊系宜君組、洛河組、華池環(huán)河組，新近系，第四系等。煤層主要為侏羅系的延安組，其中主要的含煤地層為4號煤層，根據(jù)沉積組合特征、物性特征及含煤性特征，以4上煤層之上的厚層河道砂巖為界，將延安組分為上、下兩段，上含煤段厚度0-45.71m，一般厚度為20m，含3-1、3-2兩層煤，下含煤段厚度0-100m，一般厚度為40-80m。研究區(qū)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)相對簡單，煤層傾角一般為3-5°。斷裂以落差小于5m的正斷層為主。

2 水力壓裂工藝技術(shù)介紹及應(yīng)用

煤層氣壓裂是從油井壓裂延伸而來的技術(shù)，自我國與1955年在玉門油田完成第一口的壓裂已經(jīng)有60年歷史。隨著油氣田的開發(fā)，已經(jīng)單純從油井壓裂逐漸過渡為煤層氣井壓裂，水平井壓裂，頁巖氣井壓裂，致密砂巖氣壓裂等技術(shù)。我國煤層氣資源豐富，大佛寺井田更是多年被評為高瓦斯礦井。壓裂是指作為一項有效的增產(chǎn)措施，在該研究區(qū)使用最多的是水力壓裂。水力壓裂可以消除井筒附近儲層在鉆井，固井，完井中的對煤層造成的傷害，同時使得井筒與煤儲層的裂隙系統(tǒng)進(jìn)行更好的溝通，增加煤層氣的解析面積。

煤層氣井與常規(guī)的油氣井不同，我國的煤層氣具有滲透率低，壓裂低，豐度低的特征，產(chǎn)氣難度大于國外的煤層氣井，需要對煤層氣進(jìn)行壓裂增產(chǎn)。由于常規(guī)的煤層氣井水力壓裂較為完善，所有利用水力壓裂對煤層氣井進(jìn)行改造是我國開發(fā)煤層氣的主要手段。在水力壓裂中需要考慮形成較長的水力裂縫，使得壓力能傳遞到井筒的遠(yuǎn)端位置，并且提高通道的長度和直徑；增加煤層的滲透性，保持原有地層的水力特征，不能因壓裂規(guī)模過大而導(dǎo)通上下的含水地層，使得地層壓力難以釋放。

2.1 壓裂液的選配

壓裂液在煤層氣井的改造過程中有著非常重要的作用，常見壓裂液通過使用的分為五類，即活性水壓裂液技術(shù)、清潔壓裂液、泡沫壓裂液、凍膠壓裂液、線性膠壓裂液。壓裂液技術(shù)關(guān)鍵是要考慮到造縫能力，攜砂能力，返排效率，成本等方面。

選用凍膠和清潔壓裂液體系有利于裂縫展布，增大煤層內(nèi)裂縫、裂隙和孔隙溝通面積。但泡沫壓裂液和凍結(jié)壓裂液有可能導(dǎo)致煤層隔理的堵塞，以及液體吸附，對煤層的滲透率造成不可逆的傷害。為了降低壓裂液對煤層吸附性傷害和堵塞性的傷害，提高攜砂及造縫的效率，同時提高返排率，本次使用低傷害、低成本的活性水體。配方主要為：清水+1% KC1+0.05%殺菌劑。

2.2 支撐劑的選型

壓裂時支撐劑的選擇非常重要，為了使得地層中壓裂的縫隙在停止壓裂后繼續(xù)保留，需要在縫隙內(nèi)填入支撐劑，是提高裂縫導(dǎo)流能力的重要環(huán)節(jié)。常用的煤層氣支撐劑有石英砂、陶粒、玻璃球、鉛球、樹脂包層砂等。支撐劑應(yīng)當(dāng)具備密度小、強(qiáng)度大、圓球度高、在高溫水中呈化學(xué)惰性等特點。

支撐劑類型的選擇主要考慮其強(qiáng)度和成本。由于大佛寺井田煤層閉合壓力較小，對支撐劑的強(qiáng)度要求不高，另外石英砂的相對密度較低，便于施工，可以減少泵和設(shè)備的磨損，另外球度較好的石英砂破碎后仍然可以保持一定的導(dǎo)流能力。前置液階段加入40-70目石英砂段塞，攜砂液階段加入20-40目石英砂，最后加入16-20目石英砂。儲層滲透性中，同等的加砂規(guī)模下較低的砂比可得到更長的裂縫長度，平均砂比為13-15%。

2.3 壓裂施工參數(shù)

研究區(qū)的煤層厚度大、埋藏淺、滲透性較好，壓裂施工的加砂強(qiáng)度為：目的煤層厚度大于12m，加砂強(qiáng)度7m3/m；目的煤層厚度10-12m，加砂強(qiáng)度8m3/m；目的煤層厚度8-10m，加砂強(qiáng)度9m3/m；目的煤層厚度小于8m，加砂強(qiáng)度10m3/m。

3 壓裂施工工程質(zhì)量

煤層氣井的壓裂效果，除了受到上述的煤層氣壓裂施工參數(shù)影響外，也受到煤氣的沉積環(huán)境影響，本次以本地區(qū)的兩口煤層氣井DFS-74井和DFS-153井水力壓裂為例進(jìn)行說明，如圖1所示。

圖1 大佛寺礦區(qū)煤層氣段沉積與壓裂效果分析圖

研究區(qū)的延安組4號煤層是主要的產(chǎn)氣煤層氣，其主要的沉積環(huán)境為三曲流河角洲沉積的間灣沼澤環(huán)境。三角洲的發(fā)育過程中分流河道和河口壩較為發(fā)育，使得煤層的厚度以及頂?shù)装宓拿簩咏Y(jié)構(gòu)都會發(fā)生一定的變化。從圖中可以看出DFS-74井的成煤沉積環(huán)境更為穩(wěn)定，煤層段發(fā)育較好；DFS-153井的煤層段巖性上可以看出在煤層段的上部粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖較發(fā)育。沉積環(huán)境較中可發(fā)現(xiàn)分流河道、河口壩異常發(fā)育。從效果來看DFS-74井左右裂縫分支均比DFS-153井的裂縫更長。從排采情況分析，DFS-74井的排采效果要好于DFS-153井，驗證了沉積相的分布對煤層氣井壓裂效果的影響。

4 結(jié)束語

文章對大佛寺煤層氣井的壓裂施工質(zhì)量以及地質(zhì)原因進(jìn)行了分析，壓裂作為煤層氣施工的重要環(huán)節(jié)，需要綜合考慮地質(zhì)因素，如構(gòu)造特征和沉積背景，在隨后的壓裂施工中，可考慮先進(jìn)行微地震分析以及劃分出沉積相。同時不斷優(yōu)化壓裂參數(shù)，提高煤層氣井的壓裂效果。

參考文獻(xiàn)

[1]傅雪海，秦勇，韋重韜.煤層氣地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]張亞蒲，楊正明，鮮保安，等.煤層氣增產(chǎn)技術(shù)[J].特種油氣藏，2006，13（1）：95-98.

[3]劉長延.煤層氣井N2泡沫壓裂技術(shù)探討[J].特種油氣藏，2011，18（5）：114-116.

[4]戴林.煤層氣井水力壓裂設(shè)計研究[D].長江大學(xué)，2012.

[5]McDniel B W.Hydraulic Fracturing Techniques Used for Stimulation of Coalbed Methane Wells[Z].SPE 21292，1990.