貴州黔北某區(qū)塊4#、5#煤層合層壓裂可行性研究

鄭家發(fā)

（貴州省煤田地質(zhì)局實驗室，貴陽貴州550008）

貴州黔北某區(qū)塊4#、5#煤層合層壓裂可行性研究

鄭家發(fā)*

（貴州省煤田地質(zhì)局實驗室，貴陽貴州550008）

煤層薄、單層資源豐度不足、多層聯(lián)合開發(fā)費用高的現(xiàn)狀嚴(yán)重限制了貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為降低開發(fā)成本、克服地質(zhì)條件的限制，結(jié)合研究區(qū)特點，采用理論計算、工程實施驗證的方法探討了4#、5#煤層合層壓裂的可行性。研究結(jié)果表明：試驗區(qū)4#煤層和5#煤層同時實現(xiàn)破裂是可能的，采用投球封堵的方法可實現(xiàn)均勻壓裂的目的；合層壓裂后排采數(shù)據(jù)顯示，平均日產(chǎn)量可達(dá)1200m3，已達(dá)到周邊分層壓裂井的平均水平，說明了此工藝的可行性。

煤層氣；薄煤層；合層壓裂；聯(lián)合開發(fā)

貴州省煤層氣資源量巨大，噸煤含氣量高，煤層數(shù)量多［1］。雖滿足了資源豐度的要求，但其煤層薄、滲透性低的特點不能為煤層氣地面開發(fā)提供資源保障。目前主要采取的開采策略是分段射孔壓裂（封隔器、橋塞、封堵球、填砂等）［2］，以實現(xiàn)多煤層聯(lián)合開采。但高壓裂費用、高投資風(fēng)險的現(xiàn)狀使許多投資者望而卻步，嚴(yán)重制約了貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何采取因地制宜的工藝，實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)，還是一個亟待解決的重大課題。

蘇現(xiàn)波教授提出“虛擬儲層”概念，提供了一種在煤儲層臨近層進(jìn)行壓裂抽采煤層氣的新思路［3］。倪曉明等研究了多煤層合層水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為在合適的條件下，合層水力壓裂是一種可行的工藝，可以實現(xiàn)兩層或以上煤層及夾層作為一個壓力系統(tǒng)壓裂的目的［4］，并研究了合層水力壓裂是投球數(shù)的確定方法［5］；李勇明、王興文等通過對堵塞球受力分析，建立了破裂壓力計算模型［6-7］；肖輝等研究了施工參數(shù)對堵塞球運動的影響［8］。煤層的非均質(zhì)性強，且具有地域性特點，結(jié)合前人研究和此研究區(qū)煤層數(shù)多、層間距小的特點，通過理論計算、工程實施驗證等討論了本區(qū)塊4#、5#煤層實施合層壓裂的可行性，以期實現(xiàn)降低成本和風(fēng)險、縮短投資周期，高效開采研究區(qū)煤層氣的目的。

1　研究區(qū)概況

1.1井田地層

研究區(qū)含煤地層龍?zhí)督M（P3l）出露于井田北部及西部外圍，以灰、深灰色薄—中厚層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，夾細(xì)砂巖、鈣質(zhì)泥巖及4～7層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，含煤9～21層。根據(jù)巖性、古生物，可分為上、下2段：

下段（P3l1）以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，夾細(xì)砂巖、灰質(zhì)泥巖。含煤3～8層，煤層編號為10～15號。

上段（P3l2）以粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾細(xì)砂巖。含煤5～14層，煤層編號為1～9號，其中9、5、4號煤層普遍發(fā)育較好，是井田內(nèi)主要可采煤層。

1.2構(gòu)造特征

井田總體呈一向斜構(gòu)造，少見斷層，向斜位于井田中部，走向70°左右，井田內(nèi)長約4 km，包括區(qū)外其清楚段長約11km，為一寬緩的不對稱向斜，軸面傾向北西，向斜寬約2～4.5km。自西向東，其軸線先后穿過上二疊統(tǒng)、三疊系。北西翼地層傾角較陡，為7°～35°，一般28°；南東翼地層傾角較緩，為4°～12°，一般為9°～10°，總體來看，井田的構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

1.3煤層情況

（1）4#煤層：位于龍?zhí)督M上段的中部，上距長興灰?guī)r20.1～44.6m，平均28.96m。厚煤帶主要分布于井田中部；可采范圍分布于井田的中深部。煤層結(jié)構(gòu)為簡單—復(fù)雜，夾石巖性一般為泥巖，個別為炭質(zhì)泥巖，其厚度變化大，夾石增厚可造成煤層分岔形成煤層組。

（2）5#煤層：位于龍?zhí)督M上段的中下部，厚煤帶主要分布于井田北部，不可采范圍分布于井田的中部。煤層大部為簡單結(jié)構(gòu)，夾石巖性一般為泥巖，厚度一般為0.10～0.30m，最厚為0.68m。頂板為4#煤層底板。直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，往下為細(xì)砂巖或粉砂巖，局部含2層薄煤層，研究區(qū)參數(shù)孔取得柱狀如圖1所示，4#煤、5#煤力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果如表1所示。

表1　煤樣力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

2　理論驗算

如果把壓裂目的層段作為研究對象，其破裂的情況下，力學(xué)條件需滿足下式：

Ppump=Pm-PF≥Pf

式中：Ppump——壓裂施工泵壓，MPa；

Pm——井筒中的靜液壓力，MPa；

Pf——地層破裂壓力，MPa；

PF——孔眼及管線摩阻，MPa。

其中的地層破裂壓力可以通過試井測試得到，靜液壓力可以通過測定井筒中鉆井液密度獲得，孔眼摩阻可以通過線解圖求得（孔眼摩阻和射孔數(shù)目、孔眼尺寸、壓裂液密度和經(jīng)過孔眼的流量等因素有關(guān)）。在進(jìn)行壓裂設(shè)計施工時就可以根據(jù)已知參數(shù)，有的放矢地控制施工排量，以期在安全、經(jīng)濟(jì)的情況下得到更好的儲層改造效果。

研究區(qū)通過試井得到4#、5#煤層的破裂壓力分別為16.49、21.38MPa。4#煤層總厚2.30m，5#煤層總厚1.96m，其間干層總厚為6.09m，巖性為細(xì)砂巖，可以視為破裂壓力較大，進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時不能破裂。在一個特定區(qū)域，煤層的破裂壓力基本上是固定不變的，井筒中壓裂液的性質(zhì)有嚴(yán)格要求，靜液壓力也只能在一個很小的范圍內(nèi)上下浮動，在施工泵壓一定的前提下，通過射孔優(yōu)化，可以改變孔眼及管線摩阻。為了增加干層段破裂的可能，設(shè)計采用96型射孔槍彈，90°相位角螺旋布孔進(jìn)行射孔作業(yè)，4#煤層段16孔/m，5#煤層段32孔/m。4#煤層段射孔46個，5#煤層段射孔62個。

施工最大排量為8m3/min，由于4#煤破裂壓力小于5#煤層，不考慮漏失的情況下，在壓裂初期，壓裂液注滿5#煤層段所射孔眼后，可以視為所有壓裂液都由4#煤層段孔眼進(jìn)入煤層，此時4#煤層段的單個孔眼流量就為8/46，可以根據(jù)壓裂液密度、孔眼直徑和孔眼流量，利用線解圖［9］（圖2）求得此時的單孔孔眼摩阻f1約為0.5MPa，4#煤層段的總孔眼摩阻就為46× 0.5=23（MPa）。

此時St5-St4=4.89MPa＜23MPa（4#煤層段孔眼摩阻），也即是說，在排量達(dá)到最大排量之前就可使5#煤層破裂。由于4#、5#煤層都是我們的主要目的層，要求其二者的改造要達(dá)到相對均一的要求，這就需要在何時將排量提升至最大方面進(jìn)行研究。

根據(jù)倪曉明［4］等研究，結(jié)合本地區(qū)實際，裂縫在高破裂壓力段的煤層中延伸的長度應(yīng)為：

式中：Q——泵注壓裂液總量，m3；

Q1——達(dá)到最大排量前注入的液量，m3；

μ——5#煤層泊松比；

h1——4#煤層厚度，m；

h2——5#煤層厚度，m；

σ——排量達(dá)到最大時5#煤層段液壓，MPa；

E——5#煤層彈性模量，MPa。

由上式可知，可以根據(jù)所需，調(diào)節(jié)達(dá)到最大排量的時間來控制裂縫在5#煤層中延伸的長度，以達(dá)到壓裂相對均勻的目的。但單通過此方法調(diào)節(jié)5#煤層中裂縫延伸的長度具有一定的限制，有上式可看出，當(dāng)初期直接把排量調(diào)節(jié)至最大，是裂縫能延伸到最大的極限，此時可能還打不到均勻壓裂的要求。所以就需要采用其他方法進(jìn)行輔助，我們在實際操作時采用的方法是通過投球封堵，已達(dá)到封堵延伸較快的孔，實現(xiàn)均勻壓裂的目的。

圖2　求取孔眼磨阻的線解圖

3　現(xiàn)場實施情況

3.1現(xiàn)場作業(yè)

結(jié)合上述理論分析，現(xiàn)場實施過程中，直接采用最大排量進(jìn)行注液作業(yè)，當(dāng)注入量達(dá)到600m3時，進(jìn)行投球封堵，投球數(shù)量為57個，壓裂曲線如圖3所示。

圖3　研究區(qū)煤層氣井壓裂施工曲線

由圖3可知，該井在初期采用最大排量8m3/min開始注液，在70min附近，壓力開始下降，說明4#煤層裂縫延伸較快。此時停泵進(jìn)行投球封堵作業(yè)，以封堵4#煤層段流量較大的孔眼，之后繼續(xù)以最大排量注壓裂液。壓力較投球前有較大幅度增加，說明投球封堵效果顯著，作業(yè)進(jìn)行到130min以后壓裂穩(wěn)定下降，認(rèn)為達(dá)到均勻壓裂效果，停泵，注入總液量為800m3。

3.2壓裂效果評價

合層壓裂后，進(jìn)行排采作業(yè)，66d開始見氣，平均日產(chǎn)氣量1200m3/d，產(chǎn)氣效果較臨近井（分層壓裂）相當(dāng)，說明此區(qū)塊4#、5#煤合層壓裂效果較好，與分層壓裂井相當(dāng)。

4　結(jié)論

（1）此研究說明，在本區(qū)塊，合理選擇射孔方式和注入排量控制摩阻的情況下，4#煤層和5#煤層同時產(chǎn)生破裂是可以實現(xiàn)的；

（2）僅采用控制摩阻和調(diào)節(jié)達(dá)到最大排量時間來控制破裂壓力較大煤層的壓裂規(guī)模具有一定的局限性，可以采用其它輔助方法（如投球封堵）以達(dá)到均勻壓裂的效果；

（3）合層壓裂后，據(jù)排采數(shù)據(jù)顯示達(dá)到了周邊分層壓裂井的產(chǎn)氣量，說明此區(qū)塊4#、5#煤層應(yīng)用合層壓裂技術(shù)是可行的。

［1］馮玉勇.貴州省大方縣理化勘查區(qū)煤層氣賦存特征及遠(yuǎn)景評價［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，33（4）：44-45.

［2］Webster K R，Goins W C J.A Continuous Multistage Fracturing Technique［J］.JPT，1965，12（6）：19-25.

［3］蘇現(xiàn)波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開發(fā)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［4］倪曉明，蘇現(xiàn)波，李玉魁.多煤層合層水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39（5）：728-732.

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［6］李勇明，翟銳，王文耀，等.堵塞球分層壓裂的投球設(shè)計與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2009，23（3）：125-127.

［7］王興文，楊建英，任山，等.堵塞球選擇性分層壓裂排量控制技術(shù)研究［J］.鉆采工藝，2007，30（1）：75-76.

［8］肖輝，李潔，曾俊.投球壓裂堵塞球運動方程研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，33（5）：163-167.

［9］J L吉德利.水力壓裂技術(shù)新發(fā)展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995：918-822.

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A

1004-5716（2016）08-0141-04

2015-08-13

2015-08-16

鄭家發(fā)（1984-），男（漢族），貴州遵義人，助理工程師，現(xiàn)從事煤層氣勘探開發(fā)及巖石力學(xué)性質(zhì)測試與研究工作。