煤層氣直井壓裂規(guī)模對排采典型指標(biāo)的影響

李全中，倪小明，胡海洋

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉045000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；4.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽550081）

煤層氣井通過儲層改造溝通煤儲層的原生裂隙，增加煤儲層的導(dǎo)流能力，實(shí)現(xiàn)煤基質(zhì)表面吸附態(tài)甲烷氣體的解吸產(chǎn)出，其中水力壓裂是儲層改造方法中最常用、技術(shù)最成熟的方法。煤層氣井排采過程中，通過地面排采設(shè)備，將煤層水持續(xù)產(chǎn)出，降低煤儲層的儲層壓力，當(dāng)煤儲層某點(diǎn)處的壓力低于臨界解吸壓力時，煤層開始解吸產(chǎn)氣。煤層氣井的壓裂、排采屬于煤層氣開發(fā)的2個環(huán)節(jié)，但二者之間并非相互孤立的。研究表明，影響煤層氣井產(chǎn)能的因素包括地質(zhì)、壓裂工程、排采工程因素，其中壓裂液總量和加砂總量是影響煤層氣井產(chǎn)能的主要壓裂工程因素[1-3]。針對單一煤層及多煤層合采的煤層氣開發(fā)實(shí)踐表明，壓裂規(guī)模顯著影響煤層氣井產(chǎn)氣效果，提高壓裂改造效果是煤層氣有效開發(fā)的重要手段之一[4-7]。煤層氣井壓裂施工規(guī)?？刂泼簝恿芽p延伸的長度、裂縫縫寬、縫高等參數(shù)，影響壓裂改造后的煤儲層滲透率，同時影響排采過程中的氣、水產(chǎn)出難易程度[8-10]。煤層氣井排采過程中不合理排采控制造成的儲層傷害會顯著降低煤層氣井的煤層產(chǎn)水和產(chǎn)氣，可以通過二次改造實(shí)現(xiàn)正常產(chǎn)液來提高產(chǎn)氣量[11-12]。煤層氣井排采過程中基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力帶來的滲透率正、負(fù)效應(yīng)會進(jìn)一步影響煤儲層的滲透率[13-14]，影響煤儲層的壓裂后導(dǎo)流能力和氣水產(chǎn)出。因此，以山西沁水盆地某區(qū)塊的60口煤層氣井為例，對煤層氣井排采過程中的排采典型指標(biāo)進(jìn)行分析，研究煤層氣井壓裂規(guī)模與排采典型指標(biāo)的影響，探究不同壓裂規(guī)模對排采典型指標(biāo)影響的機(jī)理，為煤層氣井制定合理壓裂規(guī)模提供參考。

1 排采典型指標(biāo)的選取及意義

煤層氣井的排采以產(chǎn)水為手段，煤儲層降壓為目的，實(shí)現(xiàn)煤儲層的連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣為目標(biāo)，煤層氣井排采過程的重點(diǎn)是對煤層水和煤層氣產(chǎn)出的監(jiān)測。影響煤層氣井煤儲層氣、水產(chǎn)出量大小的因素很多，包括煤儲層的原始滲透率、壓裂改造后的滲透率、儲層壓力、臨界解吸壓力、煤儲層氣體解吸性等。

煤層水和煤層氣是反映煤儲層地質(zhì)條件及開發(fā)工程實(shí)際效果的有效載體，溝通煤層氣井的地質(zhì)+工程，通過對煤層氣井排采過程中的煤層水和煤層氣的產(chǎn)出指標(biāo)分析[15]，能夠?qū)γ簩託饩刭|(zhì)工程一體化的實(shí)施效果進(jìn)行掌控，同時也便于對煤層氣井的排采控制進(jìn)行指導(dǎo)，改進(jìn)工程實(shí)施效果。

煤層氣井排采過程中煤層水和煤層氣的產(chǎn)出典型指標(biāo)包括以下5個方面：

1）累計(jì)產(chǎn)水量。煤層氣井排采到某一階段時的總產(chǎn)水量，反映了地層綜合產(chǎn)水能力大小。通過累計(jì)產(chǎn)水指標(biāo)反映煤層氣井每米煤層的綜合產(chǎn)水量高低，消除煤層厚度對累計(jì)產(chǎn)水量的影響。

2）見套壓前累計(jì)產(chǎn)水量。煤儲層在壓力降低到臨界解吸壓力之前，持續(xù)產(chǎn)水，此過程的總產(chǎn)水量為見套壓前累計(jì)產(chǎn)水量。該值大小反映了煤儲層在解吸前的產(chǎn)水半徑大小。

3）見套壓前產(chǎn)水返排率。煤儲層在解吸見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量與壓裂液總量的比值。該值的大小反映了煤儲層在解吸前的壓裂液返排比例及產(chǎn)水半徑大小。

4）累計(jì)產(chǎn)氣量。煤儲層解吸產(chǎn)氣后至排采到某一階段的總產(chǎn)氣量，反映了地層綜合產(chǎn)氣能力大小。

5）平均產(chǎn)氣。煤儲層解吸產(chǎn)氣后的總產(chǎn)氣量與解吸產(chǎn)氣持續(xù)時間的比值，反映了地層實(shí)際產(chǎn)氣能力大小。平均產(chǎn)氣越高，煤層氣開發(fā)投資回收期越短，對煤層氣開發(fā)的促進(jìn)效果越明顯。

2 壓裂規(guī)模對排采典型指標(biāo)的影響

2.1 研究區(qū)煤儲層特征

該區(qū)塊位于沁水盆地南部，區(qū)塊內(nèi)地層總的趨勢由南向北傾斜，地層傾角一般在10°以內(nèi)，局部受構(gòu)造影響可達(dá)20°。區(qū)內(nèi)斷層較少，無巖漿活動，屬構(gòu)造相對簡單的斜坡帶。區(qū)塊內(nèi)煤層氣井開發(fā)主力煤層為山西組3#煤層，其底板深度在340.67～639.71 m之間，煤層厚度在2.04～7.42 m之間，平均4.11 m，破裂壓力在8.00～25.65 MPa之間，平均14.88 MPa，煤層閉合壓力在3.11～14.00 MPa之間，平均5.54 MPa，臨界解吸壓力在0.89～1.57 MPa之間，平均1.32 MPa。區(qū)塊內(nèi)2口參數(shù)井測試化驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)井測試化驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of parameter well

根據(jù)2口參數(shù)井及區(qū)塊開發(fā)井的資料可以看出，該區(qū)塊3#煤層的滲透率較好，煤層含氣量超過16.00 m3/t，煤層含氣量較高，煤層平均厚度4.11 m，煤層氣資源豐度達(dá)到1.11×108m3/km2，屬于中等資源豐度的煤層氣開發(fā)區(qū)塊，煤層埋深不超過700 m，煤層埋深相對較淺，有利于煤層氣開發(fā)。

2.2 壓裂規(guī)模的影響

2.2.1 壓裂規(guī)模對總產(chǎn)水量的影響

研究區(qū)內(nèi)60口煤層氣井的單井壓裂液總量分布在372～770 m3之間，平均524 m3，每米煤層厚度的壓裂規(guī)模指數(shù)在58～280 m3/m之間，平均為138 m3/m。壓裂規(guī)模指數(shù)與累計(jì)產(chǎn)水指數(shù)分布散點(diǎn)圖如圖1，壓裂規(guī)模指數(shù)分布柱狀圖如圖2。

根據(jù)圖1、圖2可以看出，煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)主要分布在75～190 m3/m之間，壓裂規(guī)模指數(shù)低于75 m3/m或高于190 m3/m的煤層氣井較少，且煤層氣井的累計(jì)產(chǎn)水指數(shù)與壓裂規(guī)模指數(shù)之間沒有明顯的相關(guān)性，即壓裂規(guī)模大小對煤層氣井的產(chǎn)水量高低沒有直接的影響。根據(jù)壓裂規(guī)模指數(shù)分布柱狀圖（圖2），研究區(qū)煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)集中在80～200 m3/m之間，其分布數(shù)量的比例超過86%，分布比例較大。

圖2 壓裂規(guī)模指數(shù)分布柱狀圖Fig.2 Fracture scale index distribution histogram

2.2.2 壓裂規(guī)模對見套壓前產(chǎn)水量的影響

煤層氣井的排采過程，根據(jù)流體相態(tài)的變化，可以劃分為3個大的階段：單相產(chǎn)水階段、以水為主的氣水兩相流階段、以氣為主的氣水兩相流階段。單相產(chǎn)水階段，水相相對滲透率為1，氣相滲透率為0；氣水兩相流階段，水相滲透率下降，氣相滲透率升高，導(dǎo)致地層產(chǎn)出水減少[16]，煤層氣井產(chǎn)水主要集中在單相產(chǎn)水階段。壓裂規(guī)模指數(shù)與見套壓前累計(jì)產(chǎn)水量分布散點(diǎn)圖如圖3，壓裂規(guī)模指數(shù)與見套壓前產(chǎn)水返排率分布散點(diǎn)圖如圖4。

圖3 壓裂規(guī)模指數(shù)與見套壓前累計(jì)產(chǎn)水量分布散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of fracturing scale index and cumulative water production before casing fracturing

圖4 壓裂規(guī)模指數(shù)與見套壓前產(chǎn)水返排率分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of fracturing scale index and water production flowback rate before casing fracturing

從圖3可以看出，研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)與見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量散點(diǎn)主要分布在2條斜線與橫坐標(biāo)軸之間的三角形區(qū)域內(nèi)，見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量一般不高于300 m3，且煤層氣井的在見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量與壓裂規(guī)模指數(shù)之間沒有明顯的相關(guān)性，即壓裂規(guī)模大小對煤層氣井的產(chǎn)水量高低沒有直接的影響。從圖4可知，研究區(qū)煤層氣井見套壓前的產(chǎn)水返排率一般不高于50%，且壓裂規(guī)模指數(shù)對見套壓前的產(chǎn)水返排率沒有直接的影響。

2.2.3 壓裂規(guī)模對產(chǎn)氣量的影響

煤層氣井通過持續(xù)排水，降低煤儲層的壓力，當(dāng)煤儲層的壓力降低到臨界解吸壓力以下，煤儲層基質(zhì)吸附態(tài)的氣體脫附變?yōu)橛坞x態(tài)，在生產(chǎn)壓差及濃度差的作用下隨水流向井筒而產(chǎn)出。壓裂規(guī)模指數(shù)與累計(jì)產(chǎn)氣量分布散點(diǎn)圖如圖5。壓裂規(guī)模指數(shù)與平均產(chǎn)氣分布散點(diǎn)圖如圖6。

從圖5可以看出，研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)與累計(jì)產(chǎn)氣量散點(diǎn)主要分布在2條斜線與橫坐標(biāo)軸之間的三角形區(qū)域內(nèi)。隨著累計(jì)產(chǎn)氣量隨著壓裂規(guī)模指數(shù)的增加，累計(jì)產(chǎn)氣量呈上升的趨勢，但壓裂規(guī)模指數(shù)超過140 m3/m左右時，累計(jì)產(chǎn)氣量隨壓裂規(guī)模指數(shù)的增加呈下降的趨勢。壓裂規(guī)模指數(shù)與平均產(chǎn)氣分布散點(diǎn)圖（圖6）的變化趨勢與圖5的基本相同，此處不再贅述。

圖5 壓裂規(guī)模指數(shù)與累計(jì)產(chǎn)氣量分布散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of fracture scale index and cumulative gas production distribution

圖6 壓裂規(guī)模指數(shù)與平均產(chǎn)氣分布散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of fracturing scale index and average gas production distribution

3 壓裂規(guī)模對排采典型指標(biāo)的影響

根據(jù)研究區(qū)煤層氣井的壓裂規(guī)模對排采典型指標(biāo)的影響可以看出，壓裂規(guī)模與產(chǎn)水指標(biāo)之間不具有相關(guān)性，但與產(chǎn)氣指標(biāo)之間具有相關(guān)性，且壓裂指標(biāo)上升，排采指標(biāo)上升；壓裂指標(biāo)超過一定值，排采指標(biāo)下降。

煤層氣井壓裂之后煤儲層氣水產(chǎn)出主要依靠2個方面：壓裂后的地層能量條件和壓裂后的地層通道條件。壓裂后的地層能量越高、通道越好，越有利于煤儲層中的氣水流體產(chǎn)出。壓裂規(guī)模指數(shù)反映煤層氣井的壓裂程度，壓裂規(guī)模指數(shù)越高，煤儲層的改造范圍越大、改造效果越強(qiáng)，對煤層的破壞程度也越高。煤層氣井排采過程中產(chǎn)出的水來源于2個方面：壓裂液和地層中原始的水。針對沒有越流補(bǔ)給的煤層氣井而言，產(chǎn)出水的主體是壓裂液。煤層氣井壓裂結(jié)束后，壓裂液存儲在壓裂形成的裂縫中，開抽后，裂縫中的壓裂液及地層中原始的水，在地層能量和地層通道的共同作用下產(chǎn)出，即壓裂規(guī)模的大小不影響煤儲層產(chǎn)水，煤層氣井的累計(jì)產(chǎn)水量、見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量、見套壓前產(chǎn)水返排率主要依賴于煤儲層地層能量和地層通道條件。不同壓裂規(guī)模指數(shù)時的壓裂效果及煤體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7。

圖7 不同壓裂規(guī)模指數(shù)時的壓裂效果及煤體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Fracturing effect and coal structure with different fracturing scale indexes

煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)偏低時，壓裂液及支撐劑在煤儲層中改造范圍及支撐范圍有限，壓裂形成的裂縫未全部與煤儲層的原生裂隙通道連通（圖7（a）），原生裂隙通道缺少支撐劑的支撐，裂隙易閉合，導(dǎo)流能力較差。壓裂改造后，由于煤儲層的改造范圍有限，煤儲層有效解吸半徑小，可解吸資源量不足，導(dǎo)致排采過程中的累計(jì)產(chǎn)氣量及平均產(chǎn)氣受到影響。

煤層氣井在合適的壓裂規(guī)模指數(shù)條件下，壓裂液及支撐劑撐開壓裂裂縫，溝通煤儲層的原生裂隙通道（圖7（b）），并在煤儲層中形成次生裂隙網(wǎng)絡(luò)，但對煤儲層的原生結(jié)構(gòu)破壞較小，壓裂過程中生的煤粉顆粒較少，排采過程中煤粉不會對煤儲層的裂隙通道造成堵塞傷害。此時煤儲層的壓裂改造范圍及地層的通道條件均較好，煤層氣井的累計(jì)產(chǎn)氣量及平均產(chǎn)氣均較好。

煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)偏高時，煤層氣井壓裂施工過程中，壓裂液溝通煤儲層的原生裂隙通道，增強(qiáng)煤儲層的導(dǎo)流能力，但是煤儲層壓裂規(guī)模過大，造成了煤層氣井筒附近的煤體結(jié)構(gòu)破碎，產(chǎn)生的煤粉較多，聚集在井筒附近（圖7（c））。煤層氣井在排采過程中，由于煤粉堵塞原生通道及壓裂通道，對煤層氣井的產(chǎn)水、產(chǎn)氣效果造成不利影響，另一方面由于煤粉較多，增加了卡泵的風(fēng)險(xiǎn)，影響煤層氣井排采的連續(xù)性。

4結(jié)語

1）煤層氣井壓裂后產(chǎn)水產(chǎn)氣主要依靠煤儲層的能量和通道條件，煤儲層的能量/通道來源于煤儲層的原始地層能量/通道和壓裂施工過程中增加的能量/通道。

2）研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的壓裂規(guī)模指數(shù)分布在58～280 m3/m之間，平均為138 m3/m，主要集中在80～200 m3/m之間，占研究區(qū)煤層氣總井?dāng)?shù)的86%。

3）研究區(qū)內(nèi)煤層氣井壓裂改造后煤儲層到導(dǎo)流能力顯著提高，產(chǎn)水阻力減小，累計(jì)產(chǎn)水指數(shù)、見套壓前的累計(jì)產(chǎn)水量及返排率與壓裂規(guī)模指數(shù)無關(guān)。

4）研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的累計(jì)產(chǎn)氣量、平均產(chǎn)氣量與壓裂規(guī)模指數(shù)有關(guān)，隨著壓裂規(guī)模指數(shù)上升，累計(jì)產(chǎn)氣量、平均產(chǎn)氣量上升，但是當(dāng)壓裂規(guī)模指數(shù)超過140 m3/m時，累計(jì)產(chǎn)氣量、平均產(chǎn)氣量整體出現(xiàn)下降，其主要原因是壓裂規(guī)模過大，對煤體結(jié)構(gòu)的破壞較大，影響煤層氣井的產(chǎn)氣效果。