湘中煤層氣井水力壓裂改造效果初評(píng)

王先美 李俊峰 徐勝明 林龍波 劉 澤 譚 慧

(湖南華晟能源投資發(fā)展有限公司,湖南 410004)

1 基本情況

洪山殿礦區(qū)位于湖南省雙峰縣境內(nèi)，包括蛇形山、洪家橋、咸沙壩、彭家沖、鯉魚塘、松木沖和雙橋等7個(gè)井田。礦區(qū)含煤面積43km2，海拔100～140m，中心凹陷最大深度約1350m(相對(duì)4號(hào)煤而言)，為一近似北東方向的橢圓形復(fù)式向斜。

礦區(qū)主要上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M含煤6層，其中可采煤層4層，均以構(gòu)造煤為主。煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，底板以中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖等為主。

HC1井設(shè)計(jì)位于復(fù)式向斜葉子塘向斜軸部，于2017年上半年完鉆，采用二開井身結(jié)構(gòu)：一開采用φ311.2mm鉆頭，下φ244.5mm表層套管25m中完；二開φ215.9mm鉆頭，下φ139.7mm鋼級(jí)P110生產(chǎn)套管至750m完井。

該井鉆井揭示主要煤層5層，由下至上編號(hào)分別為6號(hào)、4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)煤，煤系層段地層傾角15°～25°，一般不足20°。

1號(hào)煤頂深547.1m，以塊狀為主，沒有夾矸，鉆井?dāng)U徑明顯；2號(hào)煤層距離上部1號(hào)煤層19.3m，2號(hào)煤中間發(fā)育0.5m炭質(zhì)泥巖夾矸，以構(gòu)造軟煤為主；3號(hào)煤距離2號(hào)煤層16.5m，發(fā)育兩層炭質(zhì)泥巖夾矸，夾矸厚度均為0.5m，煤巖特征與2號(hào)煤一致；4號(hào)煤與3號(hào)煤間距30.5m，4號(hào)煤有明顯的三層結(jié)構(gòu)，頂部以碎裂煤為主，底部為碎粉煤，中間煤巖呈碎裂煤至碎粉煤過渡狀態(tài)；6號(hào)與4號(hào)煤間距67.5m(表1)。

選取2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤頂?shù)装宀糠謳r心進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)分析(表2)。數(shù)據(jù)顯示，炭質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖主要力學(xué)參數(shù)有差異，但不顯著。換言之，與構(gòu)造軟煤相比較，主力煤層頂?shù)装逅樾紟r抗變形力學(xué)參數(shù)差異較小。

表1 HC1井揭示煤層主要參數(shù)表

表2 參數(shù)井頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

限于工作條件，沒有對(duì)該井煤系層巖石進(jìn)行三軸應(yīng)力測(cè)試、分析，但通過區(qū)域地質(zhì)資料分析，以及礦區(qū)野外構(gòu)造解析成果，初步判斷礦區(qū)煤系層主壓應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕颉?/p>

2 射孔壓裂方案

2.1 射孔方案

該井3號(hào)煤及其以上固井質(zhì)量不合格，3號(hào)煤底板及其以下固井質(zhì)量合格。鑒于區(qū)域龍?zhí)督M構(gòu)造軟煤的特點(diǎn)，選擇盡量避開煤層，針對(duì)煤層頂?shù)装寮皧A矸射孔、壓裂方案。采用電纜輸送橋塞+射孔聯(lián)作的工藝技術(shù)(電纜輸送可鉆式橋塞及射孔槍到橋塞坐封位置后點(diǎn)火坐封橋塞，上提射孔槍至射孔位置進(jìn)行射孔)，射孔器材選擇102型射孔槍，裝填127型深穿透射孔彈，以標(biāo)準(zhǔn)孔密度16孔/m，按照初始相位角60°螺旋布孔對(duì)目標(biāo)層段進(jìn)行射孔。橋塞坐封位置要求避開套管結(jié)箍，距離套管結(jié)箍位置2m以上，并盡量選擇固井質(zhì)量合格的井段。

射孔目標(biāo)煤層：2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)煤。具體地，6號(hào)煤選擇煤層底部0.5m+底板細(xì)砂巖2.0m，累計(jì)射孔厚度2.5m；4號(hào)煤選擇煤層1.4m+底板細(xì)砂巖2.0m，累計(jì)射孔厚度3.4m(煤層段孔密8孔/m)；3號(hào)煤選擇頂板泥巖2.0m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m+底板細(xì)砂巖1.0m，累計(jì)射孔厚度4.0m；2號(hào)煤選擇頂板炭質(zhì)泥巖1.0m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m，累計(jì)射孔厚度1.5m。

2.2 壓裂方案

采用活性水作為壓裂液：清水+1.0%KCl+0.05%殺菌劑，性能指標(biāo)要求密度<1.1g/cm3，防膨率≥85%。壓裂支撐劑采用石英砂，先泵入20～40目的中砂，后再采用16～20目的尾追粗砂，粗砂與中砂的使用比例為1:3。

壓裂砂比統(tǒng)一按照11.5%配比進(jìn)行，施工過程中依據(jù)壓力變化情況，可適當(dāng)對(duì)施工排量和施工砂比進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，選擇3號(hào)、6號(hào)煤進(jìn)行壓裂微地震裂縫監(jiān)測(cè)。

2.3 施工程序

采用電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯(lián)作的壓裂工藝方案，對(duì)4段壓裂目標(biāo)進(jìn)行橋塞坐封及射孔作業(yè)(壓裂4層，橋塞封隔3段)。壓裂施工程序如下：

(1)對(duì)6號(hào)煤層段實(shí)施射孔和壓裂：電纜輸送射孔槍，按照壓裂設(shè)計(jì)要求完成6號(hào)煤層段射孔作業(yè)，射孔結(jié)束后將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂6號(hào)煤層段。

(2)對(duì)4號(hào)煤層段實(shí)施射孔和壓裂：6號(hào)煤層段壓裂結(jié)束后，采用電纜輸送方式將壓裂橋塞和射孔槍聯(lián)作工具輸送至第1段橋塞坐封位置后點(diǎn)火坐封，對(duì)6號(hào)煤層段進(jìn)行封隔，上提射孔槍至4號(hào)煤層段進(jìn)行射孔，將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂4號(hào)煤層段。

(3)重復(fù)上述第二步驟，依次完成3號(hào)煤層段和2號(hào)煤層段的射孔和壓裂施工。

3 壓裂施工

為了更好了解儲(chǔ)層相關(guān)參數(shù)，獲得、調(diào)整更加有針對(duì)性的壓裂方案，選取6號(hào)、3號(hào)煤分別進(jìn)行小型測(cè)試壓裂施工(小壓)，分析、求取裂縫延伸壓力、閉合壓力、閉合時(shí)間、液體效率等重要參數(shù)(圖1)。

圖1 煤層氣參數(shù)井小型測(cè)試壓裂施工曲線圖

6號(hào)煤壓裂施工初期快速提液階段，井口壓力快速上升，隨即井筒附近巖石發(fā)生第一次破裂。當(dāng)前置液提升至7m3/min左右時(shí)，井口壓裂迅速增至25MPa以上，巖層產(chǎn)生第二次破裂。半小時(shí)后，排量提至8m3/min，開始加砂并逐步提高砂比，井口壓裂隨著砂比的遞增逐漸增大。最終，6號(hào)煤壓裂施工總液量583.87m3，其中前置液221.02m3，攜砂液353.44m3，頂替液9.41m3；累計(jì)加砂37.92m3(20/40目25.97m3、16/20目9.41m3)，段塞加砂量2.54m3，最高砂比20.93%，平均砂比10.66%；最高施工壓力25.17MPa，停泵瞬時(shí)壓力19.26MPa，最終壓力穩(wěn)定在13.44MPa(圖2)。

4號(hào)煤壓裂施工曲線與6號(hào)較為接近，可能由于煤層厚度偏薄，底板射開厚度相對(duì)偏大(底板射孔厚度2.8m)，再加上清水?dāng)y砂能力差等因素，施工過程中出現(xiàn)加砂困難、砂堵等現(xiàn)象。最終4號(hào)煤壓裂施工總液量626.69m3，其中前置液159.75m3，攜砂液460.80m3，頂替液9.14m3；累計(jì)加砂24.57m3(20/40目16.50m3、16/20目6.55m3)，段塞加砂量1.52m3，最高砂比13.96%，平均砂比5.99%；最高施工壓力36.83MPa，停泵瞬時(shí)壓力19.69MPa，最終壓力穩(wěn)定在13.86MPa(圖2)。

3號(hào)煤與2號(hào)煤的射孔壓裂施工基本按照設(shè)計(jì)進(jìn)行(表3、圖2)。

圖2 煤層氣參數(shù)井壓裂施工曲線圖

表3 參數(shù)井壓裂施工主要參數(shù)表

四層煤累計(jì)總液量2514.80m3，其中累計(jì)前置液808.97m3，攜砂液1506.76m3，頂替液32.51m3； 累計(jì)加砂量141.99m3，其中20/40目砂共97.41m3、16/20目砂共35.77m3，段塞累計(jì)8.81m3。

4 效果淺析

從6號(hào)煤與3號(hào)煤小壓施工曲線上，看不出兩者明顯的差異，破裂點(diǎn)排列整體無序，推測(cè)小壓施工不足以在頂?shù)装寮皧A矸營(yíng)造出延伸一定范圍的裂縫體系，大部分的壓裂液沿著煤層與頂?shù)装褰佑|面突進(jìn)或進(jìn)入煤層。初比較，盡管3號(hào)煤層與6號(hào)煤層小壓累計(jì)排量差不多，但前者的最高施工壓力20.14MPa，遠(yuǎn)小于后者的27.54MPa；而且6號(hào)煤停泵壓力略大于3號(hào)煤停泵壓力，但前者停泵后壓力遞減相對(duì)緩慢，折射出煤儲(chǔ)層壓力、厚度、滲透率等方面的差異影響，同時(shí)射孔方式的不同對(duì)壓降的影響也是不可忽視的重要因素。

除了煤層厚度的因素，6號(hào)煤與4號(hào)煤煤體結(jié)構(gòu)大體相當(dāng)，煤層頂?shù)装鍘r性基本一致，壓裂施工曲線變化也表現(xiàn)出較為相似的一面。從壓力、液量曲線初步判斷，6號(hào)煤與4號(hào)煤初次破裂、再次破裂發(fā)生節(jié)點(diǎn)、間隔較為接近，但從初次破裂的井口壓力數(shù)據(jù)看，4號(hào)煤破裂壓力明顯比6號(hào)煤大，這可能與煤層底板射孔厚度有直接關(guān)系；結(jié)合煤層及其底板巖石特征分析，二次破裂裂縫可能主要是在6號(hào)煤、4號(hào)煤底板細(xì)砂巖中延伸，但前者延伸范圍可能明顯較后者小；壓裂施工過程中，4號(hào)煤層段巖層發(fā)生多次破裂的曲線響應(yīng)特征更清晰。

從微地震數(shù)據(jù)來看，6號(hào)煤壓裂主裂縫清晰地呈現(xiàn)為NNW方向，與推斷龍?zhí)督M主應(yīng)力方向近南北向較為吻合。根據(jù)微地震檢測(cè)結(jié)果初步推測(cè)，6號(hào)煤有效裂縫改造范圍大致為210m×120m，壓裂效果較好；推測(cè)4號(hào)煤裂縫主方向與6號(hào)煤相同，主裂縫延伸長(zhǎng)度及裂縫波及范圍可能更大，但由于4號(hào)壓裂過程中砂比偏低，加砂量低于預(yù)期，有效裂縫分布范圍可能小于預(yù)期(圖3)。

(圖中雙圈為檢測(cè)點(diǎn)，黑點(diǎn)為檢測(cè)破裂位置，坐標(biāo)原點(diǎn)為井口位置)圖3 小型測(cè)試壓裂施工微地震檢測(cè)圖(單位：m)

(圖中雙圈為檢測(cè)點(diǎn)，黑點(diǎn)為檢測(cè)破裂位置；坐標(biāo)原點(diǎn)為井口位置)圖4 壓裂施工微地震檢測(cè)圖(單位：m)

3號(hào)煤與2號(hào)煤厚度較大，有夾矸，壓裂施工壓力曲線隨排量變化形態(tài)較為相似。3號(hào)煤壓裂排量上升至7m3/min時(shí)，井筒周圍巖層隨后發(fā)生初次破裂，穩(wěn)排量過程中，井口壓力遞減；2號(hào)煤累計(jì)射開厚度遠(yuǎn)小于3號(hào)，壓裂初期井口壓力變化與排量之間響應(yīng)關(guān)系稍明顯，但清晰的巖層破裂后曲線形態(tài)變化與3號(hào)煤施工曲線基本一致。整體上，3號(hào)煤、2號(hào)煤井口壓力與砂比、排量之間響應(yīng)不明顯，壓裂施工進(jìn)展順利。

3號(hào)煤壓裂微地震檢測(cè)結(jié)果與6號(hào)煤較為接近(圖4)，主裂縫方向仍然是NNW向，但二者間存在細(xì)微的差異。依據(jù)微地震檢測(cè)圖初步判斷，3號(hào)煤壓裂裂縫波及范圍210m×130m，即3號(hào)煤在垂直主裂縫方向壓裂改造效果更好一些；6號(hào)煤主裂縫軌跡及其方向更加清晰，主裂縫可能更多地出現(xiàn)在煤層底板，而3號(hào)煤主裂縫脈絡(luò)相對(duì)模糊些，與射孔方式、射開地層巖性、煤層厚度等因素有一定關(guān)系，3號(hào)煤停泵后壓力短時(shí)間的快速恢復(fù)也說明這一點(diǎn)。

直觀上，6號(hào)煤壓裂效果優(yōu)于3號(hào)煤，后者在壓裂施工過程中，大部分前置液與攜砂液進(jìn)入煤層，影響其頂?shù)装寮捌鋳A矸層的預(yù)期改造效果。2號(hào)煤射孔方式較3號(hào)煤更為簡(jiǎn)單，壓力曲線與排量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系更為清晰，壓裂效果總體上要優(yōu)于3號(hào)煤。4號(hào) 煤及其底板的裂縫改造效果最好，但由于低砂比可能影響底板裂縫的有效支撐，4號(hào)煤總體壓裂效果可能要打折扣。初步認(rèn)為，參數(shù)井6號(hào)、4號(hào)煤改造效果最好，2號(hào)煤次之，3號(hào)煤最差。

總體上，該井四層煤的水力壓裂施工按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。通過煤層頂?shù)装寰懊簩訆A矸的壓裂改造，人為地?cái)U(kuò)大與改善頂?shù)装辶芽p與煤層的接觸范圍，煤儲(chǔ)層與井筒間建立良好的煤層氣運(yùn)移通道，初步獲得較好的壓裂改造效果。

該煤層氣井于2018年2月6日排采，排采初期便見套壓，連續(xù)排采5個(gè)月后日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1200m3左右。初步認(rèn)為，HC1井射孔、壓裂設(shè)計(jì)針對(duì)性較強(qiáng)，達(dá)到預(yù)期效果，為今后湖南煤層氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)邁出關(guān)鍵一步。

電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯(lián)作工藝技術(shù)對(duì)煤層氣直井改造針對(duì)性強(qiáng)，大大提高多煤層射孔壓裂作業(yè)效率，但限于條件，HC1井主力儲(chǔ)層主要參數(shù)與數(shù)據(jù)(含氣性、滲透性、壓力等)沒有取全，將影響區(qū)域多煤層煤層氣勘探開發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)，也為該井今后排采作業(yè)不同階段的針對(duì)性分析與認(rèn)識(shí)帶來不便。