黔西北地區(qū)多薄煤儲層壓裂改造技術研究及應用

王理國，李特社，張建龍，胡剛, 唐兆青

（貴州省非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)利用工程研究中心，貴州 貴陽 550081）

黔西北煤炭資源豐富， 主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組， 是南方煤及煤層氣最富集的地區(qū)。目前已探明地質儲量 236.8 億t，預測儲量522.9億t，居全省煤炭儲量第一位[1]。據預測1 500 m以淺煤層氣資源量可達1萬億方以上，是貴州省最具有煤層氣規(guī)模開發(fā)潛力的地區(qū)。

黔西北地區(qū)煤層氣資源開發(fā)也有一定局限性，如煤層單層厚度一般較薄（多數煤層厚 0.5～2.5 m，局部地區(qū)少數煤層單層厚度達到3 m以上），煤巖演化程度高、滲透率較低，構造形態(tài)復雜，斷層較發(fā)育，煤層遭受構造破壞嚴重，儲層物性非均質性強，局部地區(qū)構造煤發(fā)育，煤儲層壓裂改造難度大，當前煤層氣開發(fā)技術對高效開發(fā)此類煤層氣藏尚有很大難度。

1 煤層地質特征

1.1 構造背景

黔西北地區(qū)位于揚子板塊的西南緣，是我國南部地區(qū)一個相對穩(wěn)定的構造單元。晚二疊世時，云、貴、川是一個統(tǒng)一的聚煤盆地，西面是川滇古陸，北有淮陽古陸，東為雪峰、江南古陸，南面是馬關～大新古陸。滇東黔西地區(qū)靠近西部，是沉積坳陷和聚煤中心，總的地勢呈西北高東南低略向南東傾斜的斜坡，物源來自川滇古陸。

1.2 區(qū)域地層

貴州省境內從前震旦系至第四系均有發(fā)育，絕大部分屬海相沉積，厚度巨大。其中，黔西北地區(qū)出露的地層主要有：下二疊統(tǒng)茅口組，上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、長興組，下三疊統(tǒng)夜郞組、茅草鋪組及第四系，各地層簡況見表1。

表1 勘查區(qū)地層簡表

1.3 含煤地層

黔西北地區(qū)含煤地層分布于下寒武統(tǒng)（牛蹄塘組，石煤）、下石炭統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、上三疊統(tǒng)、古近系和新近系。其中上二疊統(tǒng)是貴州最主要的含煤地層，分布廣泛，發(fā)育完好，化石豐富；沉積類型多樣，自西向東，依次發(fā)育陸相、海陸過渡相和海相沉積。

過渡相區(qū)分布于畢節(jié)、水城、盤縣一線以西，以碎屑巖沉積為主，偶夾泥灰?guī)r和透鏡狀菱鐵巖。一般含煤40～50余層，可采10余層，多分布于煤組中～上部，厚5.16～32 m。煤質為中灰、低硫～中硫，煤種為氣煤～無煙煤。

海陸交互相區(qū)位于過渡相區(qū)以東，桐梓、貴陽、興仁一線以西。由碎屑巖、灰?guī)r、煤層組成，灰?guī)r層數，厚度自西向東遞增。煤組厚度、煤層層數變化較大。六枝礦區(qū)煤組一般厚 360 m，含煤 8～32層，可采一般6層，厚12 m左右。多為中灰、中～高硫煤。以無煙煤為多，也有部分煙煤。

海相區(qū)位于桐梓、貴陽、興仁一線以東的貴州東部地區(qū)，自西向東龍?zhí)督M逐漸過渡為吳家坪組，以灰?guī)r為主，夾碎屑巖、煤層。含煤 1～數層，可采1層，厚約1 m。煤質為中灰、富～高硫煤，煤種肥煤～貧煤。

2 煤層力學參數分析

煤層與頂底板巖石由于物質結構的不同，其巖石力學性質及其各自的影響因素也會有所差異。煤巖力學性質的影響因素很多，主要包括兩個方面，一是煤巖自身特征（顯微組分、煤級、煤體結構等）對其力學性質的影響，二是煤巖賦存環(huán)境（溫度、圍壓、含水量等）對其力學性質的影響。針對黔西北地區(qū)（遵義地區(qū)、大方地區(qū)和六盤水地區(qū)）10口探井取心進行煤巖力學參數分析。

綜合對比分析結果表明，受煤層沉積環(huán)境和后期構造運動的影響，黔西北地區(qū)煤巖力學性質差異，具體表現在以下三個方面：

1）黔西北三個地區(qū)煤巖楊氏模量差異較大，但遠遠低于砂巖地層：

煤巖的楊氏模量在1 366～13 398 MPa之間，平均較常規(guī)砂巖小一個數量級，這種差異有利于裂縫在煤層內有效延伸，提高煤儲層改造程度。

2）煤巖泊松比接近常規(guī)砂巖：

煤巖的泊松比較小，基本處于 0.10～0.337之間，平均0.216，與常規(guī)砂巖相近。

3）煤的抗壓強度低，壓縮系數大：

煤的抗壓強度從10～158 MPa，大部分在20～80 MPa之間，明顯低于砂巖。

綜上，黔西北煤儲層煤巖的楊氏模量低、泊松比大、抗拉強度低，壓裂時易形成短、寬縫，降低煤層解析面積[2]。

3 多薄煤儲層壓裂改造技術

黔西北地區(qū)煤層以“多、近、薄”為主要特點，多煤層聯(lián)合開發(fā)成為貴州煤層氣井開發(fā)的必然選擇。根據黔西北多薄煤儲層的地質特征和巖石力學特征，采取了一系列的壓裂改造措施。

3.1 壓裂工藝的選擇

根據煤層厚度、煤層的間距、煤層的層數、針對性以及時效等因素，選擇不同的壓裂工藝。多煤層聯(lián)合開發(fā)中，為了節(jié)約成本，對于多個臨近薄煤層（單獨改造又不劃算的煤層）累計厚度（或者是資源量）又很厚的煤層段，可以采用光套管合層壓裂；多煤層聯(lián)合開發(fā)中，對于不能進行合層壓裂的層段，需要分段壓裂。目前采用可撈式橋塞分段壓裂技術，即每壓裂完一段進行下段壓裂時下入橋塞，整口井各層段全部改造完成后，統(tǒng)一下打撈工具取出橋塞。其工藝可靠、安全、簡單、方便，得到了大規(guī)模推廣；連續(xù)油管拖動壓裂具有壓裂層數不受限制、定位噴砂射孔、可以實現環(huán)空加砂大規(guī)模壓裂、施工快速高效、可通過油管串實時監(jiān)測井底壓力、工藝簡單、時間成本低、效率高等優(yōu)點，在層數較多的煤層壓裂中得到了應用。

3.2 暫堵轉向壓裂技術

由于貴州煤層氣具有儲層厚度薄、應力高、低滲透、低孔隙的特點，常規(guī)的壓裂技術對該地區(qū)煤層改造的程度較低，獲得的改造體積和降壓面積有限，針對這一問題，引入了暫堵轉向壓裂技術，并獲得成功，這對于煤層氣的勘探開發(fā)和儲層改造的研究具有重要意義。

暫堵轉向壓裂分為縫口轉向和縫內轉向，暫堵轉向壓裂技術是較大暫堵劑顆粒在介質的攜帶作用下進入井筒的炮眼，部分進入地層中的裂縫或高滲透層，或者使用較小粒徑的暫堵劑顆粒裂縫端部，膨脹的暫堵劑顆粒的高粘附性和抗拉強度在炮眼和高滲透帶、裂縫端部產生濾餅橋堵，從而形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使后續(xù)工作液不能向裂縫和高滲透帶進入，在井底形成暫時高壓區(qū)，從而壓裂液進入高應力區(qū)或者新裂縫層，促使新縫的產生和支撐劑的鋪置變化，進而形成更為復雜和規(guī)模較大的空間網狀裂縫。從而提高煤層動用率和改造效果。

3.3 支撐劑優(yōu)化組合

煤層氣壓裂的目的是連通儲層的割理系統(tǒng)。煤基質的滲透率很低，割理是煤層中流體滲流的主要通道，因此不需要太高導流能力的裂縫。要獲得高產，煤層中除了有充足的資源外，還必須有從超微型、微型、小型、中型、大型直到巨型的割理，并且割理之間要互相連通成網絡，對于原生的煤層達到如此完美組合的很少，因此通過后期的強化改造使煤層的割理系統(tǒng)得到連通，形成網絡連通的割理系統(tǒng)是十分必要的措施[3-4]。為了實現這樣這一目的，對支撐劑組合做了優(yōu)化。

前置液采用 70～100目的石英粉砂段塞降低濾失、孔眼摩阻及支撐微裂縫；攜砂液前期采用40～70目低密度細砂，主要用于支撐次裂縫；攜砂液后期采用20～40目的石英中砂，主要用于支撐水力主裂縫和提高近井裂縫的導流能力。

3.4 防煤粉壓裂技術

煤粉堵塞的危害：（1）煤粉對煤層氣的生產有巨大的危害；（2）壓裂階段會產生大量的煤粉，如圖1；（3）控制壓裂中煤粉的產生是非常重要的。

圖1 壓裂裂縫煤粉運移示意圖

針對煤層壓裂出煤粉的情況，主要采取了以下幾點：（1）前置液階段：大液量活性水壓裂液，將煤粉沖至裂縫遠端；（2）攜砂液階段：降排量注入高粘度低傷害壓裂液，既可少產生煤粉，又能將砂攜帶得更遠，且將煤粉阻擋在裂縫的遠端。（2）間接壓裂技術：直接壓裂煤層時，煤層中高的施工壓力、以及煤層割理和天然裂縫等會促使非平面的復雜裂縫形成，從而大大降低改造效果。應用于煤層氣井的間接壓裂技術，顧名思義，即不再直接壓裂目的煤層，而是通過裂縫在緊鄰煤層的常規(guī)巖層中起裂、通過裂縫擴展將煤層有效聯(lián)通的技術方法。這樣煤層既得到了改造，又減少了煤粉的產生。

3.5 壓裂施工參數優(yōu)化

a.施工排量

煤層壓裂施工需要較高的施工排量，雖然較高的施工排量會導致施工壓力較高，但是較高的施工壓力下煤層裂縫容易發(fā)生扭轉，產生較多的復雜裂縫，有利于提高壓裂的效果。綜合考慮套管承壓和施工壓力的影響，確定的排量為8～12 m3/min。

b.加砂強度

根據已排采產氣井的施工數據進行分析，得出加砂強度和產氣量的變化規(guī)律，在控制成本的基礎上，加砂強度設計為每米射孔段加砂量12～15 m3。

c.加砂梯度（平均體積比）

壓裂施工采用由低到高分 6～9個階梯進行加砂：前置液排量達到6 m3/min后加入2～4個段砂塞，段塞砂目數為70～100目，砂比為5%～7%；攜砂液采用 40～70目和 70～100目的石英砂低到高分 5～7個階梯進行加砂，平均砂比為8%～12%。

d.前置液比例及用液量

壓裂施工中造縫主要發(fā)生在前置液階段，因此提高前置液占總液量的百分比就可以獲得更長的裂縫，但是前置液百分比需要確定一個合理的范圍才能保證動態(tài)裂縫和支撐裂縫都能最優(yōu)化。通過分析已排采井的壓裂施工數據，根據產氣井的施工數據，定為前置液的比例在50%～60%左右。整體施工液量在800 m3以上。

4 應用效果

目前在黔西北地區(qū)共壓裂施工38井次，針對不同的煤層特征和井況，采用了不同的壓裂改造措施。其中5井次采用暫堵轉向壓裂技術，3井次采用連續(xù)油管油管拖動壓裂，4井次采用投球分層壓裂，10井次采用防煤粉間接壓裂技術，8井次采用光套管合壓，33井次采用可撈式橋塞分層壓裂，2井次采用投球分層和可撈式橋塞分層壓裂，所有井都采用粉砂、細砂、中砂的支撐劑組合，實際施工排量8～10 m3/min，加砂強度都高于12 m3/m，平均砂比為9%～12%之間，前置液的比例高于50%。

根據施工來看，所有井的施工都很順利，說明采取的工藝和施工參數合理；從排采情況來看，日產氣量平均在1 000 m3左右，最高可達1 800 m3。說明壓裂改造取得了初步成效。

5 結 論

（1）黔西北沒儲層具有構造復雜、煤層薄、間距小、煤層層數多、滲透率低、孔隙度小、煤質軟以及煤巖楊氏模量低、泊松比大等特點。

（2）黔西北煤儲層煤巖的楊氏模量低、泊松比大，壓裂時易形成短、寬縫，降低煤層解析面積。

（3）采用合理的壓裂工藝，結合暫堵轉向壓裂技術、防煤粉壓裂技術以及壓裂施工參數的優(yōu)化，對于多薄煤層壓裂改造具有很好的效果。

[1]張茂鳴.黔西北煤層氣開發(fā)利用研究[J].烏蒙論壇，2010，0（3）：65-67.

[2]劉貽軍，曾祥洲，胡剛.等貴州貴州煤層氣儲層特征及勘探開發(fā)技術對策——以比德—三塘盆地為例[J].煤田地質與勘探，2017，45（1）：71-74.

[3]李玉魁，王峰明，姚小勤.煤層壓裂中微裂縫支撐作用的研究[J].中國煤層氣，2005,2（3）:32-33,31．

[4]張偉，周梓新.準噶爾盆地南緣XX勘查區(qū)煤層氣直井壓裂工藝分析[J].煤，2016，25（4）：63-65.