晋城亚行煤层气井水力压裂技术研究

尹清奎，秦俊如，张建丽，焦中华

（1.中国石化中原石油勘探局井下特种作业处，河南 濮阳457001；2.中国石化中原油田分公司信息中心，河南 濮阳 457001）

晋城亚行煤层气井水力压裂技术研究

尹清奎1，秦俊如2，张建丽2，焦中华1

（1.中国石化中原石油勘探局井下特种作业处，河南 濮阳457001；2.中国石化中原油田分公司信息中心，河南 濮阳 457001）

项目区位于晋城无烟煤集团寺河煤矿预备采煤区，地面上已钻煤层气井100口。通过对该项目煤层气井区块地质情况、煤层性质、水力压裂施工入井材料以及施工工艺技术的研究，初步形成了一套适合晋城无烟煤煤层气井压裂施工的工艺技术。该项目100口井的压裂施工，加砂率达100%的占压裂总井数的94.9%，加砂率少于90%的只有2口井。压裂施工后有11口井自喷，排采后平均单井产量超过3 000 m3，取得了较好的施工效果。

煤层气井；水力压裂；人工裂缝；甲烷解吸

1 地质概况

项目区位于沁水盆地南部的晋城无烟煤集团公司寺河煤矿西南部，为寺河煤矿预备采掘区。主要含煤层为石炭系的太原组和二叠系的山西组。项目目标地层为二叠系的山西组的3#煤层。该区煤层气保存条件较好，3#煤层位于山西组下部，厚度5.04～7.16 m，平均6.11 m，埋深250～700 m。煤质为腐殖型无烟煤，煤岩成分以亮煤和暗煤为主，其次为镜煤。煤的硬度大，煤体以原生结构为主，其他结构类型很少，仅底部有一层0.70～1.10 m的软煤，强度小，呈粉状和鳞片状结构，煤层裂隙发育。据室内测试，煤样的渗透率为（0.026 2～9.820 0）×10-3μm2，煤层压力梯度在0.005 1～0.008 0 MPa/m。以储层原地应力NNE—SSW向为主导的主应力场方位同主裂隙组方位接近（近SN向），储层温度为20～30℃。

区内煤层气勘探井测试结果表明，煤层含气量为23.72～29.02 m3/t，平均为26.04 m3/t，显示出该区是一个煤层气高富集区。产出的煤层气中甲烷体积分数在94.1%～96.2%，CO2体积分数在0.5%～2.9%，N2体积分数在1.1%～3.0%，C2—C8体积分数在0～0.42%。该区主要煤层对甲烷具有很强的吸附能力，最大含气量为35.3 m3/t，最大压力为2.22 MPa。区内主要煤层的含气饱和度一般在90%以上，个别低点也接近80%，由此说明，本区煤层气可采性很好，在进行排水采气时，产气较早，开发条件十分有利。

区内煤层特征对煤层气的开发十分有利，主要表现为煤层分布稳定、含气量高且保存条件好、临界解吸压力接近储层压力、储层压力基本属正常压力、渗透率较高、含气饱和度高等。

2 压裂液及支撑剂优选

2.1 压裂液及化学添加剂

依据煤层气区块地质特性及敏感实验结论，该区煤层气井压裂液应具有强防水敏、高效助排、快速返排的特点，在室内对压裂液及主要添加剂进行了优选，从而形成了该项目煤层气井的低伤害压裂液体系。

由于煤层温度较低（一般在20℃左右），在这种温度条件下，即使使用催化、氧化剂，交联压裂液也很难彻底破胶，对煤层渗透率会造成永久性的伤害；另一方面，煤岩对有机物具有较强的吸附性，有机稠化剂大分子会吸附在煤层上，对煤层渗透率造成伤害。

从实验结果看出，活性水压裂液对煤层渗透率的伤害最小。活性水压裂液具有成本低、造成的环境污染小、对后期采煤生产无明显影响等优势；缺点是施工摩阻大、造缝能力差、携砂能力有限。综合多种因素，优选活性水压裂液为该项目的压裂液。

在压裂液中加入表面活性剂，用来降低储层的表面张力和界面张力，改变储层润湿性，促进返排，防止和处理井眼附近的“水锁效应”。分别对国内生产的几种助排剂进行了表面张力、界面张力和人造岩心粉接触角实验，试验数据见表1。通过表1试验数据的比较，通过参数优选，最后选用ZY-09助排剂作为该项目压裂施工助排剂。

表1 助排剂性能对比

KCl是很好的防膨剂，用量为1.0%时，防膨率就可以达到80%以上。压裂液中加入KCl不仅提供了充分的阳离子浓度防止阳离子交换，防止黏土膨胀、分散、运移，有效地减少黏土表面的负电性，还可以提高压裂液矿化度，使压裂液与地层水具有良好配伍性。虽然季铵盐阳离子聚合物具有较高的防止黏土膨胀的效果，但季铵盐阳离子聚合物很容易吸附在煤上，对煤层渗透性造成伤害。

KCl使用质量分数为2.0%比1.0%具有更好防膨效果，但防膨效果提高不明显。因此，采用质量分数1.0%的KCl作为本项目的黏土稳定剂。

由于在压裂施工过程中向煤层注入大量压裂液及支撑剂，改变了原煤层的环境，有可能使随着压裂液注入的微生物和（或）煤层原有微生物在煤层中大量繁殖，堵塞煤层的渗流通道，降低压裂改造的效果。

YT-1杀菌剂是一种季铵盐阳离子表面活性剂，在中原油田压裂施工中广泛应用，采用YT-1杀菌剂作为本项目压裂液的杀菌剂。

配方：清水+1.0%KCl+0.1%YT-1+0.1%ZY-09。

主要性能：密度1 g/cm3，黏度1 mPa·s，表面张力19.3 mN/m，界面张力0.8 mN/m，接触角82.6°。

取晋城地区煤层地下水，与压裂液做配伍性实验。将地层水和压裂液分别按3∶1，1∶1，1∶3的体积比混合，高速搅拌后，恒温在30℃的水浴中，观察记录2 h后，均无沉淀和絮凝现象。由此说明，压裂液与地层流体具有较好的配伍性，可满足地层要求。

2.2 支撑剂

前期压裂施工表明，区内煤层破裂压力一般都在20 MPa以下，储层最小水平应力（即闭合压力）为3.30 MPa，应力梯度为0.988 MPa/100m。用天然石英砂作支撑剂可以满足强度要求，同时天然石英砂价格较低，供应量也大，完全可以满足施工需要。

综合各方面的情况，选择在煤层裂缝不太发育的施工井使用450～900 μm兰州石英砂为主要支撑剂，尾追800～1 200 μm兰州石英砂。

在煤层裂缝较发育的施工井使用450～900 μm兰州石英砂为主要支撑剂，尾追800～1 200 μm兰州石英砂，在前置液中加入适量的150～300 μm兰州石英砂。这样既能够使压裂裂缝具有较高的导流能力，又能够降低压裂液的漏失，保证压裂施工的顺利进行。

3 压裂施工工艺

煤层具有裂缝和空隙双重渗流体系，孔隙度一般只有2%左右，孔隙连通性非常差，基本不具气水渗流能力［1-5］。煤层水力加砂压裂的主要任务是压开和支撑更多的裂缝，使煤层中的裂缝达到有效的连通，为压力的传导和气水的流动提供通道，使得甲烷从煤岩体上顺利解吸和产出。

3.1 煤层气井水力压裂裂缝特征及裂缝形状

由表2可看出，无烟煤的弹性模量不到顶、底板泥岩的二分之一，泊松比明显高于顶、底板泥岩；煤的抗张强度较小，不到顶、底板泥岩的二分之一；煤的抗压强度低，压缩系数大。裂缝的岩石结构特征和力学特征决定了压裂施工人工裂缝发育和展布特征，煤层弹性模量低，裂缝宽度大、缝长小，由于煤岩裂缝割理发育，出现多裂缝和裂缝曲折，降低有效缝长。煤岩抗压（张）强度低，支撑剂嵌入严重，裂缝导流能力伤害严重。

煤岩实验结果证实，裂缝性岩石的裂缝扩展方向受水平应力和天然裂缝双重作用，低围压时，煤岩的天然割理多在开启状况，有很强的渗流能力，裂缝会沿天然裂缝方向发展；高围压时，煤岩天然割理多处于关闭状态，水力裂缝的发展向垂直于最小主应力方向接近。

表2 晋城无烟煤岩石力学实验结果

煤层压裂施工所产生的人工裂缝非常复杂，目前，国内外普遍认为煤层压裂所形成的裂缝为复杂的多裂缝体系［4-6］，既有水平裂缝、垂直裂缝，又有“T”型裂缝、“工”字型裂缝，以及多种裂缝组合的复杂裂缝。

3.2 施工参数的确定

根据井网部署情况及现有设备能力，考虑到煤层气井压裂施工裂缝延伸的复杂性，确定压裂支撑裂缝半长在80 m左右。按煤层厚度平均6 m，根据压裂施工模型进行计算，参考前期该地区压裂施工裂缝情况，加砂强度为每米煤层加入6 m3石英砂，从而给出本项目的压裂施工规模：压裂液注入量在500 m3左右；支撑剂加入量在35 m3左右。根据该地区前期射孔情况，按照经济实用的原则，选用电缆输送89-1枪、89-1弹射孔，孔密16孔/m，相位角90°，螺旋布孔，压井液为清水，井筒液面至井口。从压裂前井温测试及压裂施工中可以看出，射孔效果达到要求。该地区3#煤层地层破裂压力一般在20 MPa左右，采用350型井口可以满足施工需要。由于使用活性水压裂液，要求采用大排量、光套管注入施工方式，考虑到现有设备能力，施工排量确定为7～8 m3/min。

综合考虑煤岩天然缝隙发育、渗透性差、压裂裂缝形态复杂及活性水压裂液较弱的造缝能力和携砂能力等因素，施工过程中不追求高砂比，设计平均混砂比为10%左右。煤层水力加砂压裂存在复杂的裂缝体系，压裂液容易滤失，煤层造缝困难，裂缝的延伸更困难，特别是用活性水作压裂液，这种困难会更大。泵注施工原则：泵注排量由小到大递增，合理控制、相对稳定；携砂液密度由小到大递增，最后阶段提高密度。

由于煤层压裂的特殊性，要求现场操作人员要有丰富的现场操作经验和良好的现场应变能力，同时要求施工之前必须制订应急处置预案。一般情况下，遇到破裂压力高时，要适当降低加砂比，对裂缝进行打磨；根据施工压力变化情况，实时调整加砂比、排量等参数（见图1）；顶替液量以欠顶替为宜，不能过量顶替，施工中途遇到压裂砂堵，要及时进行返排，然后重新进行压裂施工。

图1 YH-027压裂施工曲线

压裂液的返排是压裂工作的延续，在排采初期，必须控制排水采气的强度，因为煤层在压裂施工过程中会产生大量的煤粉，排采强度过大，就会使压裂施工过程中被压裂液推向远井处的煤粉向井筒移动，造成压裂人工裂缝的渗透率大幅度降低。一般情况下，要求井口压力降到2 MPa以下开始控制放喷，压裂液返排量控制在0.5 m3/h以内。

4 现场施工

4.1 施工基本情况

本项目100口井的压裂施工全部一次完成。其中，加砂率达100%的有94口井，占压裂总井数的94%；加砂率大于90%的有97口井，占压裂总井数的97%；只有YH-070井（71%）和YH-061井（80%）加砂率在90%以下。在100口井的压裂施工中，有71口井在前置液中没有加入150～300 μm石英砂，占压裂总井数的71%，有29口井在前置液中分别加入了150～300 μm石英砂5 m3，占压裂总井数的29%。

4.2 压后排采生产情况

压裂后11口井自喷，这在煤层气压裂施工历史上是很少见到的。目前有85口正常生产，稳定采气量达到273 451 m3/d，平均单井产量为3 217 m3/d。

5 结论

1）对区块内地质构造和目的煤层的孔隙度、渗透率、裂缝发育情况、地层温度、地层压力的综合研究，为制定本地区煤层气井压裂方案提供了理论基础，给出了压裂施工现场的操作原则及经验，为今后工作提供了指导。

2）通过对煤层的矿物组成、煤样物性、煤层敏感性进行研究，确定了适合本地区煤层气井压裂入井材料。压裂液选取活性水压裂液，支撑剂选取兰州石英砂，助排剂选取ZY-09，黏土稳定剂选取氯化钾，杀菌剂选取YT-1。

3）通过优化压裂设计、压裂施工工艺，确定了最佳施工方案和施工参数。压裂液注入量在500 m3左右，加入支撑剂450～900 μm石英砂30 m3，850～1 200 μm石英砂5 m3，部分井加大支撑剂加入量。对地层裂缝发育的地层，在前置液中加入5 m3左右的150～300 μm石英砂，平均混砂比确定为10%左右，施工排量确定为7～8 m3/min。

4）现场施工了100口井，全部一次完成。加砂率达100%的占压裂总井数的94%，加砂率大于90%的占压裂总井数的97%。压裂施工后有11口井自喷。目前有85口正常生产，采气量273 451 m3/d，平均单井产量为3 217 m3/d。

［1］贺天才，秦勇.煤层气勘探与开发利用技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：45-68. He Tiancai，Qin Yong.CBM exploration development and application technology［M］.Xuzhou：China University Mining Press，2007：45-68.

［2］许卫，催庆田，彦明友.煤层甲烷气勘探开发工艺技术进展［M］.北京：石油工业出版社，2001：66-72. Xu Wei，CuiQingtian，Yan Mingyou.CBM Exploration and development technology progress ［M］. Beijing：Petroleum Industry Press，2001：66-72.

［3］刘斌，方行，颜晋川，等.低渗致密气藏压裂过程中伤害实验研究［J］.断块油气田，2009，16（1）：81-82. Liu Bin，Fang Xing，Yan Jinchuan，et al.Experimental study on fracturing damage in low permeability tight gas reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2009，16（1）：81-82.

［4］何丽萍，韩锋刚，李文宏，等.多级燃速爆燃气体压裂裂缝扩展耦合作用分析［J］.石油钻探技术，2009，37（2）：66-69. He Liping，Han Fenggang，Li Wenhong，et al.Analysis of fracture extension driven by detonation gas of multi-pulse combustion rate［J］. Petroleum Drilling Techniques，2009，37（2）：66-69.

［5］范薇，胥云，王振铎，等.井下水力喷砂压裂工具典型结构及应用［J］.石油钻探技术，2009，37（6）：74-77. Fan Wei，Xu Yun，Wang Zhenduo，et al.Typical structure and application of downhole sand jet fracturing tools［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37（6）：74-77.

［6］程百利.腰英台油田压裂改造工艺技术研究［J］.断块油气田，2011，18（1）：123-125. Cheng Baili.Study on fracturing technology in Yaoyingtai Oilfield［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（1）：123-125.

（编辑 赵旭亚）

Hydraulic fracturing of coalbed gas well funded by Asia Development Bank in Jincheng

Yin Qingkui1,Qin Junru2,Zhang Jianli2,Jiao Zhonghua1
(1.Downhole Special Operation Department,Zhongyuan Petroleum Exploratoin Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.Information Center,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China)

This program area is located in the preliminary mining district of Sihe Coal Mine of Jincheng Smokeless Coal Group and 100 coalbed gas wells have been drilled.Through the research of geological situation and coal reservoir property of coalbed gas well block,operation material of hydraulic fracturing and operation technology,a set of fracturing technologies for the coalbed gas wells of Jincheng smokeless coal have been initially established.During the fracturing operation of 100 wells,the wells with 100%gravel input rate account for 94.9%of total fracturing wells and only two wells are below 90%of sand proportion.Eleven wells flowed after stimulation treatment.The average production rate of single well exceeds 3,000 m3after production test and good operation effect has been acquired.

coalbed gas well;hydraulic fracturing;artificial fracture;methane desorption

TE357.1+2

：A

1005-8907（2012）02-0257-04

2011-08-29；改回日期：2012-01-30。

尹清奎，男，1963年生，工程师，主要从事石油及煤层气勘探开发工作。E-mail：jxyqk1963@163.com。

尹清奎，秦俊如，张建丽，等.晋城亚行煤层气井水力压裂技术研究［J］.断块油气田，2012，19（2）：257-260. Yin Qingkui，Qin Junru，Zhang Jianli，et al.Hydraulic fracturing of coalbed gas well funded by Asia Development Bank in Jincheng［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：257-260.