寺河煤矿煤层气井水力压裂技术应用研究

李生奇

(晋煤集团凤凰山矿，山西晋城048007)

1 工程概况

寺河煤矿位于沁水盆地南部的晋煤集团寺河煤矿西南部，项目区为寺河煤矿预备采掘区。主要含煤层为二叠系的山西组和石炭系的太原组。项目目标地层为二叠系的山西组的3#和15#煤层，该煤层分布稳定、单层厚度大，区内煤层气勘探井测试结果表明，煤层气含量为 23．52 ～29．00 m3/t，平均为26.26 m3/t，分析得出该区是一个煤层气高富集区。产出的煤层气中甲烷的体积分数在93．1% ～96．3%，CO2的体积分数在0.5% ～2．8%，N2的体积分数在 1．1% ～ 3．1%，C2—C8的体积分数在0～0．43%。该区3#煤层对甲烷有较强的吸附能力，最大含气量为35．4 m3/t，最大压力为2．23 MPa。3#煤层的含气饱和度基本在90%以上，个别低点接近于80%。由此说明，本区煤层气易开发，在进行排水采气时，产气较快，开发条件非常有利。区内3#煤层特征对煤层气的开发很有利，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 压裂工艺技术应用

1)工艺管柱:在常规压裂中90%的液体摩擦阻力发生在井筒中的压裂管柱内，且与进液的面积成反比。在煤层压裂中由于煤层施工压力较高，如果摩擦阻力比较大，会对地面设备(如压裂泵、井口、管线等)提出较高的要求。因此，除寺河试1井采用封隔器分压油管、管注注入外，其他5口井均用油套混注。

2)泵注排量:提高泵注排量是压裂的一个重要方面，它有助于形成比较宽的裂缝，弥补或降低压裂液在煤层中的滤失量。特别是采用低粘性压裂液时，更应把提高泵注排量作为主要的因素考虑。因此，控制排量范围在4．0～7．2 m3/min。

3)压裂液类型:通过室内试验优化了2种压裂液:胍胶压裂液(冻胶)和活性水。

4)支撑剂:主体砂选用20/40目石英砂，尾追选用18/20目石英砂。

5)泵注程序:采用分段加砂，活性水压裂液平均砂比为7.2% ～32．3%，胍胶压裂液(冻胶)平均砂比为17．2% ～34．2%。

3 压裂施工

寺河试1井组共进行了11井次压裂施工，使用了冻胶和活性水2种压裂液，施工参数见表1。

表1 寺河试1井组压裂施工参数

从表1分析，Si－1(3#)施工压力正常，其他井均出现超压现象。4井次出现脱砂现象。

4 压裂施工分析

4．1 用大地电位法来监测裂缝情况

此井组的Si1－1、Si1－5做了底面电位测量，以判断此区域裂缝延伸的方向及大小(见表2)。

表2 地面电位测试结果

从表2中可以看出，活性水压裂液较胍胶压裂液的施工摩阻高，液体的流失量比较大，压后压力能很快地扩散，发生脱砂的可能性较大。

4．2 施工压力分析

从以上施工数据分析，破裂压力为17．6～51．2 MPa。根据这个破裂压力计算所得的破裂梯度范围处在0．034～0．082 MPa/m之间，但此项目区块压裂施工后出现过高的破裂梯度还不能反映地层实际的破裂梯度值。根据之前进行的压裂测试得出的破裂梯度:寺河试1井是0．023 MPa/m，Si1－4井是0．0307 MPa/m，Si1－5井是0．028 MPa/m。对此结果和施工时的压力曲线分析可发现:除Si1－1(3#)施工压力表现正常外，此区块的其他压裂施工在起泵开始时就发生超压的现象，并且在整个过程中都保持高的压力值，从而使一些煤层难以注入大量的砂子。出现此高压现象的较合理的解释是:

1)近井区裂缝扭曲。在井筒附近处的裂缝扭曲会降低近井区裂缝导水能力和宽度，由此会造成高的破裂压力。

2)煤层多孔弹性效应。当地面上的高压液体经造缝进入煤层之后，微裂缝系统会吸水并张开以至增加了液体的滤失量，滤失量的增加会使煤层(裂缝壁面)的孔隙压力升高，从而会引起地应力增大，随之裂缝内的压裂液的继续延伸受到阻碍，最终诱发地面的施工压力升高。

3)多重压裂缝的出现。根据测试压裂所计算的破裂梯度范围:0.023～0.0309 MPa/m，地层会出现“T”型裂缝，即垂直裂缝和水平裂缝同时生长，会使沿这种裂缝前进的压裂液流动阻力变大，随之出现异常的压力值。

4)煤粉堵塞裂缝末梢。假如在此过程中产生足够多的煤粉，最终它将会聚集在裂缝末梢处以至妨碍裂缝扩展。

5 结语

1)在煤层气水力压裂中，诱发地面压力增大的原因有3种:①煤层的多孔弹性效应。②煤粉堵塞裂缝末梢。③煤层产生弯曲、复杂的裂缝。

2)在近井区易发生裂缝扭曲的情况，影响裂缝的导流能力，以至使破裂压力异常高。

3)对滤失量比较大的煤层需采用:①高注入排量。②用剪切稳定、高粘度的交联凝胶或者添加具有防滤失功能的添加剂。

4)煤层在水力压裂后，产生的裂缝不同于砂岩地层，形成的裂缝不止1条，会产生多条复杂裂缝，水力裂缝长度在100 m以内。