鄭莊區(qū)塊二次壓裂煤層氣井低產(chǎn)原因及改進措施

侯安琪

(山西燃氣集團有限公司，山西 太原 030032)

沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊是煤層氣規(guī)?；l(fā)展較成熟地區(qū)之一，前人針對研究區(qū)煤層氣井低產(chǎn)因素及增產(chǎn)措施開展了大量研究工作。但是，對二次壓裂增產(chǎn)效果影響因素研究較少。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合鄭莊區(qū)塊的地質(zhì)及實際生產(chǎn)資料，對二次壓裂井低產(chǎn)原因進行分析，并給出了優(yōu)化建議和其他行之有效的增產(chǎn)手段，指導(dǎo)鄭莊區(qū)塊煤層氣井實際生產(chǎn)開發(fā)[1-3]。

1 區(qū)域概況

鄭莊區(qū)塊位于沁水復(fù)式向斜的軸部南端，晉-獲褶斷帶西部，沁水盆地南緣東西-北東向斷裂帶的北部。區(qū)域地層自下而上為：上元古界震旦系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系(即新近系)及第四系。

該區(qū)塊總體上呈一傾向N～NNE的單斜構(gòu)造，地層傾角為10°左右。井田構(gòu)造以次級褶皺發(fā)育為特點，表現(xiàn)為寬緩、波幅不大的一系列波狀起伏，東南部還見零星分布的NE向、近EW向和NW向的小斷層。該區(qū)塊煤層氣開發(fā)主力煤層為3號煤，平均厚度5.5 m，平均埋深802.5 m，總體構(gòu)造形態(tài)為一馬蹄形斜坡，北深南淺(圖1)，受封閉斷層控制，含氣量14.35～25.65 m3/t，平均含氣量20.3 m3/t。

圖1 鄭莊區(qū)塊3號煤總體形態(tài)

2 改造井低產(chǎn)原因分析

2.1 地質(zhì)因素

2.1.1 位于兩翼較陡的向、背斜軸部

位于兩翼較陡的向、背斜軸部的煤層氣直井，二次壓裂效果普遍較差，一方面向斜軸部煤層底板及背斜軸部煤層頂部在構(gòu)造應(yīng)力的作用下張性裂隙發(fā)育，致使煤層氣易于擴散，含氣量較低，不利于煤層氣富集；另一方面，在這些區(qū)域地應(yīng)力作用較強，水平主應(yīng)力差值大，煤體結(jié)構(gòu)在地應(yīng)力作用下多為碎裂煤或糜棱煤，煤體碎軟低滲，這種煤儲層在水力壓裂(尤其是二次壓裂)過程中不利于造縫及裂縫的延伸。

以沁水盆地南部100口煤層氣二次壓裂井為例，二次壓裂后有增產(chǎn)效果的井80%位于寬緩向斜、背斜軸部及兩翼，增產(chǎn)范圍39～1 200 m3/d，平均增產(chǎn)316 m3/d；而二次壓裂后產(chǎn)氣效果差的煤層氣井多處于兩翼較陡的向、背斜軸部，減產(chǎn)范圍為48～720 m3/d，平均減產(chǎn)287m3/d。

2.1.2 位于陷落柱或斷層附近

陷落柱和斷層的存在使地層上下層位發(fā)生交錯溝通，煤儲層保存條件差，吸附在煤體孔裂隙中的氣體發(fā)生解吸擴散，導(dǎo)致儲層含氣飽和度降低。同時，煤層氣井再次壓裂，壓裂裂縫易擴展到鄰近斷層或者陷落柱，溝通上下含水層，造成排采階段持續(xù)大量產(chǎn)水，井底流壓無法降低，氣體不能從煤層中解吸出來，從而低產(chǎn)或不產(chǎn)氣。以鄭莊區(qū)塊鄰近陷落柱及斷層的8口井為例，J-01、J-02、J-03、J-04、J-07、J-08井靠近斷層，J-05、J-06井靠近陷落柱。J-01井二次壓裂前后產(chǎn)氣量變化很小，穩(wěn)產(chǎn)后日均產(chǎn)水量4.3 m3/d；J-02井二次壓裂后產(chǎn)氣量下降79%，穩(wěn)產(chǎn)后日均產(chǎn)水量5.7 m3/d；J-03、J-04、J-05、J-06、J-07、J-08井二次壓裂穩(wěn)產(chǎn)后日均產(chǎn)水量分別為27、14、8.6、9.5、8.7和7.3 m3/d，產(chǎn)氣量降為0(圖1)。由此可見，煤層氣井產(chǎn)水量越大，產(chǎn)氣量越小，當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水量在5 m3/d以上時，產(chǎn)氣量大幅度降低，甚至為0。

圖2 二次壓裂前后產(chǎn)氣量對比及產(chǎn)水量

2.2 工程因素

2.2.1 壓竄井

通過壓裂裂縫監(jiān)測資料可知，鄭莊區(qū)塊主構(gòu)造壓力和裂縫的優(yōu)勢發(fā)育方向為NE向。受局部小構(gòu)造和區(qū)域應(yīng)力集中影響，在大排量施工下，二次壓裂沿已有裂縫擴展，一些間距較小的井易發(fā)生壓裂竄井，導(dǎo)致二次壓裂沒有起到改造儲層效果。為預(yù)防壓竄事故發(fā)生，依據(jù)原生裂隙的發(fā)育情況確定合理井間距，北東-南西向井間距控制在350～400 m范圍內(nèi)，南北方向可以控制在200～300 m范圍內(nèi)。同時被壓竄井前期井筒壓力會迅速上升，施工人員在壓裂期間應(yīng)注意觀察并及時調(diào)整壓裂方案。

2.2.2 壓裂施工

壓裂曲線反映了壓裂施工情況，通過壓裂曲線得到的砂比、排量、液量和破裂壓力等一系列參數(shù)，是分析壓裂施工效果成敗的重要依據(jù)。它主要由壓力、排量和砂比3條曲線構(gòu)成，其中壓力曲線是監(jiān)測的重點，它能反映了二次壓裂過程中煤儲層裂縫動態(tài)發(fā)育情況。通過以下4口煤層氣井壓裂曲線分析。

表1 二次壓裂參數(shù)

分析鄭莊區(qū)塊4口典型低產(chǎn)井壓裂曲線，J-09、J-10、J-11、J-12這4口井埋深在700～770 m之間，井筒周圍沒有特殊構(gòu)造，二次壓裂施工采用中砂比(5.58%～7.12%)、大排量(9 m3/min)。一次壓裂破裂壓力范圍為24～37.5MPa，二次壓裂破裂壓力范圍為16.06～21.16 MPa，入地液量在959.9～1 551.7 m3之間，二次壓裂后產(chǎn)氣量減少72～720 m3(圖3)。

圖3 四口典型低產(chǎn)井二次壓裂曲線

對比四組壓裂數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一次壓裂普遍有明顯破裂壓力，人工造縫過程中溝通天然裂縫或形成新縫。二次壓裂曲線多為波動型，破裂壓力不明顯，或明顯小于一次壓裂破裂壓力。這是由于井筒周圍煤體在第一次水力壓裂過程中結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，煤體破碎，二次壓裂剛開始時施工壓力維持在較低水平。經(jīng)過一段時間，大排量壓裂液及砂子的沖擊作用使煤體破碎形成煤粉，由于煤粉和支撐劑的鑲嵌作用使之在井筒周圍堆積，因此壓裂曲線中套壓在后期激增，為保障套管安全，暫停加砂，套壓隨之下降，但重新加砂后套壓瞬間升高。最終停止加砂，施工結(jié)束，裂縫擴展有限，幾乎沒有或很少有新裂縫產(chǎn)生，因此沒有起到改造儲層效果。

3 二次壓裂適宜條件

從二次壓裂井低產(chǎn)因素的分析來看，為取得較好的增產(chǎn)改造效果，二次壓裂應(yīng)從地質(zhì)、數(shù)學(xué)建模和井史等方面優(yōu)化。

3.1 地 質(zhì)

二次壓裂井位優(yōu)選地質(zhì)構(gòu)造簡單部位，如寬緩向斜、背斜軸部及兩翼，地應(yīng)力作用較弱，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主，有利于造縫及裂縫延展。且寬緩背斜部聚氣，區(qū)域含氣量較高。

3.2 數(shù)學(xué)建模

依據(jù)鄭莊區(qū)塊壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立適用于鄭莊區(qū)塊實際情況的裂縫擴展模型，通過數(shù)學(xué)模型分析煤巖力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、綜合濾失系數(shù)、施工方式、埋深及天然裂縫等因素對裂縫擴展形態(tài)的影響，在可選范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解并指導(dǎo)二次壓裂施工。

3.3 井 史

優(yōu)選產(chǎn)氣潛力好，歷史上有過較高產(chǎn)氣量，但因某些因素產(chǎn)量驟降，當(dāng)前日均產(chǎn)氣量小于同井組其他產(chǎn)氣井。

4 其他增產(chǎn)改造措施

4.1 可控沖擊波技術(shù)

可控沖擊波增產(chǎn)技術(shù)的基本原理是運用高壓脈沖作用于煤層氣井內(nèi)液體，使其產(chǎn)生高強度沖擊波，通過破裂、撕裂、彈性聲波擾動等方式改造煤儲層。可控沖擊波技術(shù)具有作業(yè)周期短、成本相對低、影響范圍廣的優(yōu)勢。2011年，鄭莊區(qū)塊曾對4口低產(chǎn)井進行了電脈沖試驗，試驗后4口井的套壓、產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量均有所提升，產(chǎn)氣增量為240～878 m3/d之間，平均單井增產(chǎn)氣量為472 m3/d?？煽貨_擊波增產(chǎn)技術(shù)改造效果主要取決于其波幅、加載次數(shù)以及與煤儲層物性匹配度，因此對井位選擇要求較高[4]。

4.2 煤層氣直井間接壓裂

二次壓裂無法取得好的解堵造縫效果主要是由于煤層具有低強度、低彈性模量和高泊松比的力學(xué)特征。而煤層的頂?shù)装逡话銥橹屑毶皫r、粉砂巖的脆性巖層，其高彈性模量、低泊松比的力學(xué)特征較煤層有更好的可塑性。因此，在煤層頂?shù)装鍓毫咽┕?，易達到較好的造縫延展效果，形成良好的運移通道。間接壓裂工藝需要結(jié)合地應(yīng)力和數(shù)字模擬分析，優(yōu)選射孔位置及壓裂參數(shù)以達到理想的裂縫擴展形態(tài)。目前，煤層氣直井間接壓裂技術(shù)已在湖南洪山殿礦區(qū)HC01井取得較高成果，單井產(chǎn)氣量到達1 850 m3/d[5-6]。

5 結(jié) 語

1) 從地質(zhì)因素和工程因素兩方面分析了鄭莊區(qū)塊二次壓裂低產(chǎn)井產(chǎn)生原因。

2) 從二次壓裂井低產(chǎn)因素的分析來看，為取得較好的增產(chǎn)改造效果，二次壓裂應(yīng)從地質(zhì)、數(shù)學(xué)建模和井史等方面優(yōu)化。

3) 低產(chǎn)井增產(chǎn)改造手段除了二次壓裂外，還有可控沖擊波及煤層氣直井間接壓裂技術(shù)。