基于煤層氣井二次壓裂的抽采效果分析

張利芳(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300)

基于煤層氣井二次壓裂的抽采效果分析

張利芳
(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300)

通過分析陽(yáng)泉煤業(yè)寺家莊礦區(qū)煤系地層的成煤特征及瓦斯賦存規(guī)律，對(duì)煤層氣二次壓裂及抽采機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了壓裂效果。通過分析影響抽采效果的因素，提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。對(duì)該礦YQ-001井15#煤層壓裂施工，實(shí)際注入液量801.63 m3，加入0.45～0.90 mm石英砂40.26 m3，加砂率100%，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了儲(chǔ)層改造的目的。

煤層氣；二次壓裂；抽采機(jī)理

寺家莊礦井隸屬陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，位于昔陽(yáng)縣境內(nèi)，井田面積約123 km2，自上而下可采及局部可采煤層有6#、81#、84#、9#及15#煤層，其中15#煤全區(qū)穩(wěn)定可采，為主要可采煤層，最大厚度7.65 m，平均厚度5.48 m. 該區(qū)位于沁水煤田的東北邊緣，由東向西出露地層為由老至新，于勘探區(qū)東部區(qū)外大面積出露奧陶系地層；石炭系本溪組、太原組、二迭系山西組地層分布零星；區(qū)內(nèi)二迭系石盒子組地層廣泛分布，二迭系石千峰組、三疊系劉家溝組地層出露于勘探區(qū)西緣；新生界復(fù)于各個(gè)時(shí)代基巖之上。為了進(jìn)一步查明區(qū)域地質(zhì)情況，通過樣品采集和測(cè)試，探明煤層氣井控制區(qū)域范圍內(nèi)15#煤層的埋深、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤層的部分物理性質(zhì)參數(shù)、瓦斯含量、瓦斯成分等。15#煤層的實(shí)測(cè)含氣量為6.23～15.63 m3/t，平均為8.6 m3/t.

根據(jù)寺家莊礦井下實(shí)踐，瓦斯富集區(qū)域主要集中在寬緩褶皺的翼部，在背向斜軸部瓦斯含量相對(duì)較低。井下抽放以負(fù)壓抽放為主，在巷道內(nèi)順煤層施工瓦斯抽放鉆孔，利用柱塞泵進(jìn)行壓裂，形成一系列沿煤層層理的羽狀小裂隙。受井下施工條件限制，目前沒有適合井下施工的壓裂設(shè)備，且其孔口封閉壓力受限，造成抽放區(qū)域局限性很大，達(dá)不到良好的抽放效果，僅靠密集布孔來彌補(bǔ)壓裂覆蓋受局限的問題。地面抽放以一次壓裂為主，在瓦斯含量相對(duì)較低的區(qū)域，抽放效果明顯降低，研究分析該區(qū)域瓦斯抽采工藝具有重要現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)部分煤層氣井在鉆井過程中配備瓦斯含量檢測(cè)儀器，監(jiān)控鉆井過程中泥漿中涌出的烴的種類和濃度，以查明15#煤層頂板中是否存在瓦斯，為下一步區(qū)域煤層氣井勘探提供依據(jù)，YQ-001井隨鉆氣測(cè)數(shù)據(jù)見表1. 從表1中可以看出，當(dāng)穿過煤層段時(shí)，鉆進(jìn)速度會(huì)明顯降低，全烴及氣測(cè)組分會(huì)明顯升高，同時(shí)槽面會(huì)見少量魚籽狀氣泡。

1 二次壓裂

1.1機(jī)理分析

二次壓裂機(jī)理的提出基于煤系地層的成煤特征，煤系地層在成煤環(huán)境中從下至上依次形成一系列較為穩(wěn)定的層理。就單一煤層來說，其沉積也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，其垂向上層理的結(jié)合力要小于水平向煤分子結(jié)合力，在煤層受水的壓裂作用下，首先破壞的是煤層的層理。

基于這種認(rèn)識(shí)，為提高區(qū)域煤層的壓裂效果，第一次壓裂采用小水量不注砂，盡量破壞煤層層理，形成沿煤層層理的主裂縫，第二次壓裂采用大水量增加破裂壓力以破壞煤分子結(jié)合力為主，增加垂向上的破壞程度，增加與煤層的接觸表面積。由于第一次壓裂已產(chǎn)生了主裂縫，其攜砂效果會(huì)有明顯的提高。從理論上，二次壓裂能夠提高煤層氣井單井產(chǎn)氣量，增加布孔間距，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 YQ-001井隨鉆氣測(cè)數(shù)據(jù)表

1.2壓裂效果分析

煤層壓裂的主要目的是增加接觸煤層的表面積，建立瓦斯運(yùn)移通道，以利于瓦斯解析釋放。煤層氣井的產(chǎn)氣量與該區(qū)域噸煤瓦斯含量、水平向主裂縫的延伸廣度、垂向上微裂隙的發(fā)育程度密切相關(guān)。針對(duì)構(gòu)造較為發(fā)育的地區(qū)，壓裂效果較差，這是因?yàn)閴毫旬a(chǎn)生的壓力會(huì)隨構(gòu)造很快逸散，所獲得的與煤層接觸的表面積較小，猶如同等重量的塊煤與末煤表面積差別很大。由于第一次壓裂的水量較小，可近似地得到其煤層層理的破裂壓強(qiáng)：

煤層層理的破裂壓強(qiáng)=壓裂壓強(qiáng)+煤層深度的水柱壓強(qiáng)-阻力壓強(qiáng)

通過對(duì)區(qū)域第一次壓裂時(shí)壓強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于構(gòu)造的影響，破裂壓強(qiáng)較小或變化較大的氣井，產(chǎn)氣量亦不會(huì)太大。在鉆孔布孔時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持由疏到密，增大布孔間距，防止壓裂造成的串孔，掌握構(gòu)造變化，盡量選擇在構(gòu)造簡(jiǎn)單的區(qū)域，抑制壓裂能量逸散。其次，構(gòu)造較為發(fā)育的地區(qū)，瓦斯含量亦明顯降低。如果該孔位于構(gòu)造破碎帶，可適當(dāng)?shù)卦黾拥诙螇毫训膲毫涯芰浚哟笏?，以便盡可能破壞煤分子結(jié)合力， 得到較好的壓裂效果。

當(dāng)井下揭露煤層氣井時(shí)，應(yīng)根據(jù)距離煤層氣井中心的遠(yuǎn)近，判斷斷面單位面積的含砂量、裂隙發(fā)育的程度，結(jié)合壓裂數(shù)據(jù)、開采年限，評(píng)估壓裂的實(shí)際效果，為下一步壓裂及抽采工作提供實(shí)際依據(jù)。

2 抽采機(jī)理

煤層經(jīng)過壓裂后，會(huì)沿主裂縫形成一系列小裂隙，在一定壓力下，煤層中的瓦斯會(huì)沿裂隙解析出來，與水形成水氣混合物，在裂隙閉合壓力的作用下隨水進(jìn)行運(yùn)移，沿主裂隙排出。煤層氣井孔口壓力為：

井口壓力=裂隙閉合壓力+煤層中瓦斯解析壓力-氣井中水柱產(chǎn)生的壓力-瓦斯運(yùn)移阻力

裂隙閉合壓力在地應(yīng)力的作用下會(huì)延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期，猶如臨近采空區(qū)的巷道受地應(yīng)力作用緩慢萎縮。解決裂隙閉合壓力與煤層中瓦斯解析的壓力以及水柱產(chǎn)生的壓力之間的動(dòng)態(tài)平衡是煤層氣井抽采的關(guān)鍵，過快地降低煤層氣井中水柱的壓力，會(huì)釋放閉合裂隙壓力，減少單一煤層氣井所覆蓋的煤層壓裂表面積，雖然壓力降低，有利于瓦斯的解析，但表面積降低瓦斯的解析量有限，同時(shí)增大了氣井的排沙量，不利于煤層氣井的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。氣井中水柱過高，會(huì)增加瓦斯解析的難度，產(chǎn)氣量得不到有效保證。研究三者之間的關(guān)系，需要在實(shí)踐中總結(jié)，以確定該區(qū)域有效的抽采方案。

二次壓裂結(jié)束后，憋井可以促進(jìn)微裂隙的發(fā)育，增強(qiáng)鉆孔所覆蓋煤層的瓦斯解析率。瞬間放壓卻可以降低瓦斯運(yùn)移阻力，增加主裂縫的通透性，疏通主裂縫，同時(shí)使裂隙閉合壓力降低。這些都需要在實(shí)踐中摸索，進(jìn)行綜合考慮。在第二次壓裂中，如果不注砂，會(huì)導(dǎo)致瓦斯運(yùn)移阻力增加，主裂縫在沒有支撐砂的情況下，短期內(nèi)迅速閉合，阻塞瓦斯運(yùn)移通道，不利于對(duì)煤層的抽采。

3 影響抽采效果及需要改進(jìn)的措施

1) 二次壓裂中，砂量及砂比的問題。在第一次壓裂過程中，前期在煤層中壓開的裂縫起到支撐的通道，已經(jīng)形成后期煤層氣產(chǎn)出的通道，二次壓裂過程中注砂量及砂比的控制是制約煤層的滲透性和孔隙度最主要的因素。如果不注砂，主裂縫在沒有支撐砂的情況下，短期內(nèi)迅速閉合，阻塞瓦斯運(yùn)移通道，不利于對(duì)煤層的抽采。建議在施工過程中，將砂比由2%逐步升高到10%，以不憋泵、跳泵為前提，排量控制在8 m3/min. 以700 m3壓裂液計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)，加砂量控制在40 m3. 支撐劑類型為石英砂，粒徑0.45～0.90 mm，準(zhǔn)備量40.0 m3.

2) 停泵后安裝指針式壓力表觀測(cè)井口壓力，待井口壓力擴(kuò)散到2.0 MPa時(shí)，用3 mm油嘴控制放噴，將液體排入污溝或排水溝。不噴后下d73 mm油管探砂面。

3) 水泥環(huán)固。在鉆孔施工過程中，遇煤層因禁止使用泥漿，易造成煤層塌孔，下管固井后，在煤層周圍極易形成較厚的水泥環(huán)固，給射孔帶來一定的難度，且在壓裂過程中，損失壓裂能量，易形成砂堵。裸眼孔壓裂效果好，但煤層坍塌破壞，給煤層氣井維護(hù)帶來很大的困難。使用泥漿，部分解決了護(hù)壁問題，在壓裂過程中，會(huì)把泥漿帶入煤層形成膠體，影響氣井的抽采，同時(shí)水泥環(huán)周圍亦會(huì)形成泥坯環(huán)，影響壓裂效果。研究解決水泥環(huán)固的問題，將給煤層氣產(chǎn)業(yè)帶來巨大的效益。

4 結(jié) 論

1) YQ-001井15#煤層設(shè)計(jì)注入液量810.6 m3,加0.45～0.90 mm石英砂40.00 m3；實(shí)際注入液量801.63 m3，加入0.45～0.90 mm石英砂40.26 m3，加砂率100%，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了儲(chǔ)層改造的目的。

2) 本次壓裂施工中由于地層引力小，煤層較軟，破裂壓力較明顯；加砂過程中裂縫延伸好，加砂順利。施工壓力9.58～10.34 MPa，施工順利。

3) 二次壓裂及抽采機(jī)理是基于對(duì)煤系地層的成煤特征及瓦斯賦存規(guī)律分析得出的理論概念，還需在實(shí)踐過程中反復(fù)論證，這些機(jī)理的提出將對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來積極的影響。

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AnalysisonDrainageEffectofSecondaryFracturinginCoalbedMethaneWell

ZHANGLifang

Analyses the law of the coal forming characteristics and coal bed methane reservoir in Sijiazhuang coal field in Yangquan coal mining, studies the mechanism for gas drainage and secondary fracture, makes a careful assessment on the effect. After a fully analysis on the factors that affect the drainage, targeted measures are put forward. Fracturing engineering is conducted with the total liquid injection of 801.63 m3, quartz sand of 40.26 m3at the size of 0.45～0.90 mm, all of which complies with the design requirement and meets the engineering goal.

Coalbed methane; Secondary fracturing; Mechanism for drainage

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

2017-07-21

張利芳(1980—)，女，山西晉城人，2004年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤層氣地面開發(fā)利用工作(E-mail)13903437313@139.com

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1672-0652(2017)10-0034-03