淺析煤體結(jié)構(gòu)對壓裂的影響

王青川 金國輝 王 琪

(山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

淺析煤體結(jié)構(gòu)對壓裂的影響

王青川 金國輝 王 琪

(山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

國內(nèi)外煤層氣開發(fā)，針對低滲煤層，為了提高單井產(chǎn)量，通常實施壓裂改造，但是通過生產(chǎn)實踐與室內(nèi)實驗認識到煤體結(jié)構(gòu)是決定壓裂效果的關鍵因素之一。論文分析了井間煤體結(jié)構(gòu)差異及煤層內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)的分層特征對壓裂效果的影響，認為針對硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤)的常規(guī)壓裂適應性較好，而針對軟煤(碎粒煤、糜棱煤)的常規(guī)改造效果較差。最后筆者根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)差異特征，提出了針對性改造工藝措施，并進行了現(xiàn)場試驗，提高了壓裂改造效果，對國內(nèi)其它煤層氣田的開發(fā)具有借鑒意義。

煤層氣 壓裂 煤體結(jié)構(gòu) 層內(nèi)矛盾

國內(nèi)外煤層氣開發(fā)，低滲透煤層的主要儲層改造方式為壓裂，國內(nèi)對煤層壓裂的研究基本都是針對整個煤層進行的籠統(tǒng)壓裂，對于不同煤體結(jié)構(gòu)對壓裂的影響在現(xiàn)場實踐中報道很少。目前在理論方面的研究不多，基本上只針對單一的煤體結(jié)構(gòu)煤的實驗室研究，從理論上解釋煤體結(jié)構(gòu)對壓裂的影響，主要是模仿壓裂過程實施，描述煤不同階段的煤體結(jié)構(gòu)與滲透率的關系確定，進而確定出煤體結(jié)構(gòu)與壓裂之間的關系，認為軟媒不適合壓裂改造，硬煤適合壓裂改造。針對現(xiàn)場實際情況，煤層多數(shù)情況下都是多煤體結(jié)構(gòu)的煤組成的復雜煤體結(jié)構(gòu)的煤層，這樣的煤層對壓裂如何影響，影響程度有多大。針對這一問題，結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)的特征淺析多煤體結(jié)構(gòu)組合煤層對壓裂影響，并提出解決的措施，在提高工藝適應性的同時提高單井產(chǎn)氣量。

1 不同煤體結(jié)構(gòu)煤的特征及其與壓裂的關系

與砂巖相比，煤巖彈性模量低，但是泊松比相對較高，脆性較大，容易破碎，受壓易縮，因此，煤巖受構(gòu)造運動的作用后，構(gòu)造運動的類型及強弱影響著煤巖的破壞程度，不同煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度、形態(tài)特征以及力學性質(zhì)差異較大。此外，煤巖的割理裂隙的發(fā)育，助推了這種差異加大。故此，在進行壓裂改造時，不同煤體結(jié)構(gòu)的煤巖成縫及裂縫展布會存在很大差異。在工藝方面表現(xiàn)為壓裂工藝的適應性強弱，同時這也決定了在含氣量相同的區(qū)域，其產(chǎn)氣效果存在很大差異。

1.1 硬煤的特征及其與壓裂的關系

硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤)其特點是堅固性系數(shù)一般大于0.5，硬度相對較高，強度較高；原生煤發(fā)育的硬煤，割理裂隙不發(fā)育，所以滲透性較差，碎裂煤發(fā)育的硬煤割理裂隙較發(fā)育，滲透性相對原生煤比較高，高階煤一般滲透率較低；硬煤的層理比較明顯。由于硬煤的強度較高，堅固性好，塑性強，滲透率相對砂巖較低，割理裂隙不發(fā)育，煤的這些特點決定了在壓裂施工時，煤層壓裂時破裂壓力較高，裂縫起裂時主要受煤層應力控制，但是在隨后的裂縫展布時會受到煤層層理界面及割理裂隙的控制而發(fā)生轉(zhuǎn)變，有可能形成所謂的網(wǎng)格狀。由于強度高，形成裂縫后，加入支撐劑能形成有效的人工裂縫，滲透率偏低利于造成長的裂縫?？傊?，硬煤的特點決定了壓裂時能造出長的高導流能力的人工裂縫，這樣的裂縫正是我們改造煤層的目的。因此，硬煤比較適合壓裂改造，以提高滲透率。

1.2 軟煤的特征及其與壓裂的關系

軟煤(原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤)其特點是堅固性系數(shù)一般下于0.5，軟煤由于受破壞程度嚴重，因此硬度相對較低，強度較低；割理裂隙發(fā)育，但由于裂隙受充填物充填，裂縫連通性差，滲透性很差，軟煤的層理很難辨別。由于軟煤的強度較低，堅固性差，塑性強，滲透率相對硬煤較低，割理裂隙發(fā)育但不聯(lián)通，煤的這些特點決定了在壓裂施工時，煤層壓裂時破裂壓力較低，容易形成多裂縫，很難形成主裂縫，支撐劑不能攜帶較遠，濾失大，施工出現(xiàn)砂堵的可能性大；煤軟支撐劑易嵌入，形成的人工裂縫的導流能力降低快，裂縫有效期短?？傊?，軟煤的特點決定了壓裂時不能造出長的高導流能力的人工裂縫。所以說，軟煤不適合壓裂改造。

2 多煤體結(jié)構(gòu)的煤層對壓裂的影響及防治措施

2.1 不同煤體結(jié)構(gòu)煤組成的煤層類型

煤體結(jié)構(gòu)不僅在平面上分布差異大，其在煤層內(nèi)部特征也存在較大的不同，軟煤與硬煤組合能形成多種情況的煤層組合，但總體上可以歸結(jié)為三類：上下型、中間間隔型、多層疊加型(見圖1)。無論是哪種類型的煤，其最大特點是軟煤的強度低，破裂壓力低于硬煤，而煤層壓裂改造的目的是要改造硬煤煤層部分，如何提高多煤體結(jié)構(gòu)煤層壓裂效果，需要分析多煤體結(jié)構(gòu)煤層對壓裂的影響規(guī)律，是制定壓裂措施的依據(jù)。

圖1 煤體結(jié)構(gòu)垂向組合類型圖

2.2 煤體結(jié)構(gòu)組合類型對壓裂的影響

由于軟煤與硬煤的煤體結(jié)構(gòu)不同，導致他們的物理性質(zhì)也不相同。對于軟煤，煤體破碎嚴重，煤強度低、整體滲透率低，破裂時容易產(chǎn)生煤粉，表現(xiàn)在壓裂上就是易于破裂，并且壓裂過程濾失嚴重，不能形成主裂縫，只能形成一個裂縫帶或是多裂縫，支撐劑難于攜帶遠及鋪置均勻，支撐劑嵌入嚴重，煤粉的產(chǎn)能容易出現(xiàn)砂堵。對于硬煤，保持原生結(jié)構(gòu)或雖然割理發(fā)育但條形層理清晰，煤的強度比軟煤高，不易破碎，滲透率也高于軟煤，破裂時產(chǎn)生煤粉較少，表現(xiàn)在壓裂時煤層破裂壓力較高，壓裂過程中煤層濾失少，造縫效率高，壓后能形成一條長的高導流能力的裂縫，支撐劑攜帶較遠，支撐劑嵌入少，由于產(chǎn)生煤粉少形成的人工裂縫有效期較長。

基于以上原因，只要有軟煤與硬煤出現(xiàn)在同一煤層中，壓裂時會造成煤層內(nèi)不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的層間矛盾。以上下型煤層為例，煤層上部為硬煤，下部為軟煤，壓裂時對整個煤層射孔壓裂，煤層首先破裂的是軟煤層，由于軟煤與硬煤的差別，硬煤層得不到壓裂改造，而軟煤改造的適應性差，總體的壓裂效果表現(xiàn)為壓裂無效或是效果差。

對于多煤體結(jié)構(gòu)的煤層壓裂在現(xiàn)場實踐中也證實以上的認識。在煤礦井下巷道觀察3口壓裂后的煤層氣井的裂縫展布情況，煤層下部的軟煤層部分壓裂砂充填較多，并且以帶狀呈現(xiàn)，而硬煤部分幾乎沒有支撐劑充填。這一現(xiàn)象充分說明軟煤與硬煤的物理性質(zhì)差異較大，壓裂時軟煤與硬煤的層間矛盾突出。在生產(chǎn)井GC-105井上通過井下電視進行觀察，發(fā)現(xiàn)該井主要產(chǎn)氣在煤層上部，而下部產(chǎn)氣量很少。通過對比該井的煤體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該井的上部主要是原生結(jié)構(gòu)煤，下部以軟煤為主。進一步證實了煤體結(jié)構(gòu)對壓裂效果的影響，硬煤適宜于常規(guī)壓裂改造，軟煤不適用常規(guī)壓裂改造。鑒于對煤體結(jié)構(gòu)的認識進行了現(xiàn)場實驗，GC-014井為已生產(chǎn)井，初期開采選擇的是只對下部軟煤的煤層射孔活性水壓裂，壓后排采生產(chǎn)8個月后才產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量只有100m3/d，水量0.1 m3/d，流壓為0.01MPa，而采取針對硬煤壓裂措施進行改造后3個月開始產(chǎn)氣，經(jīng)過7月后達到900 m3/d以上，并已穩(wěn)產(chǎn)3月以上，水量0.1m3/d，流壓還有0.55MPa，還有一定的降壓空間提氣。通過對比本區(qū)塊的200多口井的產(chǎn)量與煤體結(jié)構(gòu)的之間的關系(見圖2)，發(fā)現(xiàn)當硬煤占煤層比例大于70%以上時，即隨著在煤層中，原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度的增加，日產(chǎn)氣量也隨之變高，常規(guī)壓裂較適應。

圖2 煤體結(jié)構(gòu)與日產(chǎn)氣關系圖

根據(jù)以上對不同煤體結(jié)構(gòu)和多媒體結(jié)構(gòu)組成的煤層淺析可知，不同煤體結(jié)構(gòu)對壓裂的影響不同，總體上可以分為兩大類軟煤和硬煤，軟煤層在目前的壓裂技術(shù)條件下還不能達到有效改造目的，硬煤在目前的壓裂技術(shù)條件下采用壓裂手段能取得較好的效果。對于多煤體結(jié)構(gòu)的煤層，由于不同煤體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)差異，導致采用常規(guī)煤層段整體壓裂時出現(xiàn)不同煤體結(jié)構(gòu)的煤層間矛盾，常常造成改造效果好的硬煤得不到改造。

2.3 多煤體結(jié)構(gòu)煤層影響壓裂的防治措施

基于煤體結(jié)構(gòu)的分布特征及其對壓裂的影響，綜合考慮軟煤與硬煤物理性質(zhì)的差異，射孔壓裂時應盡量考慮其差異性，確定需要改造的目標層位，對于上下型煤層，采用只壓裂上部硬煤層部分；對于中間間隔型煤層，采用分段射孔壓裂技術(shù)，射開中部原生煤層；對于多層疊加的煤層，采用間接頂板壓裂。

3 現(xiàn)場實例應用及效果

3.1 壓裂工藝方案設計及實施

根據(jù)煤層中煤體結(jié)構(gòu)的類型，結(jié)合本區(qū)的煤層煤體結(jié)構(gòu)情況，設計壓裂工藝方案。本區(qū)煤層為上下型煤層，已生產(chǎn)井，需要重復壓裂的井，設計為填砂封堵軟煤層，只針對硬煤層部分用重復壓裂或者集中射孔壓裂；硬煤層未改造的井，選擇填砂封堵已生產(chǎn)層，對上部硬煤層進行射孔，再進行水壓裂；多層疊加型井，采用填砂封生產(chǎn)層，頂板射孔壓裂技術(shù)。壓裂施工參數(shù)方面，主要考慮該井及周邊井的生產(chǎn)情況確定，規(guī)模大小不能影響周圍井的產(chǎn)氣量，對于300m的井距一般控制在400m3左右，支撐劑一般使用15～20m3。而對于沒有改造的煤層則可加大規(guī)模，一般控制在500～550m3之間。支撐劑用量為30m3左右。施工排量要求2～6m3/min；泵注程序選擇階梯提升排量。根據(jù)該方案，現(xiàn)場試驗了10口井，其中目標層填砂封層壓裂實施8口，中上部集中射孔壓裂1口，間接頂板壓裂1口。

3.2 實施效果

增產(chǎn)措施在本地區(qū)實施后，經(jīng)過5～10個月的排采，平均單井日產(chǎn)氣量增加489m3，平均井底流壓為0.433MPa； 其中一口井日產(chǎn)氣量增加了950m3。

到目前累計增氣50萬m3。其中間接頂板壓裂試驗1口井，日產(chǎn)氣量由措施前日產(chǎn)氣量100m3增加達到了896m3，增氣量達到了796m3，流壓還有0.37MPa，預測具備1500m3/d的產(chǎn)氣能力。通過現(xiàn)場實施來看，針對軟硬煤垂向差異特征實施的改造措施見到了一定的效果，為下步本地區(qū)高階煤的開發(fā)奠定了基礎。

[1] 湯友誼,田高嶺,孫四清，等. 對煤體結(jié)構(gòu)形態(tài)及成因分類的改進和完善[J]. 焦作工學院報(自然科學版)，2004,23(3)：161-164.

[2] 白鴿,張遂安,張帥，等. 煤層氣選區(qū)評價的關鍵性地質(zhì)條件———煤體結(jié)構(gòu)[J]. 中國煤炭地質(zhì)，2012,24(5)：26-29.

[3] 王青川，金國輝，等. 煤層氣井活性水壓裂效果影響因素的探討[J].中國煤層氣,2015,12(4):17-19.

[4] 湯友誼,張國成,孫四清.不同煤體結(jié)構(gòu)煤的f 值分布特征 [J]. 焦作工學院報(自然科學版)，2004,23(2)：81-84.

[5] 郭紅玉,蘇現(xiàn)波,夏大平. 煤儲層滲透率與地質(zhì)強度指標的關系研究及意義[J]. 煤炭學報，2010,35(8)：1319-1322.

[6] 孫贊東,賈承運,李相方，等編著. 非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)(下冊)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社,2011:722-724.

(責任編輯 王一然)

Elementary Analysis of the Effect of Coal Structure on Fracturing Results

WANG Qingchuan，JIN Guohui，WANG Qi

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，Shanxi 048000)

In order to improve gas production of single coalbed methane well where low-permeability reservoirs preserved，hydraulic fracturing have been widely used in domestic and overseas. Difference between coal structures of different wells and layered characteristics of coal structure in reservoir as well as the corresponding effect of those two factors on fracturing results were discussed in this article. The result showed that hard coals(primary structure coal and cataclastic structure coal)were adapted to the conventional fracturing while the soft coals(coal pieces and mylonite)were completely not adapted to that. Stimulating technologies，which was tested in the field afterward，was proposed based on the difference characteristic of coal structure. Fracturing results were improved due to the application of the technology which was also useful to other coalbed methane field.

Coalbed methane；fracturing；coal structure；inner contradictions

山西煤層氣勘探開發(fā)分公司生產(chǎn)性科研項目“薄煤層壓裂工藝優(yōu)化”。

王青川，男，本科，高級工程師，現(xiàn)從事煤層氣井改造研究工作。