贵州黔北某区块4#、5#煤层合层压裂可行性研究

郑家发

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳贵州550008）

贵州黔北某区块4#、5#煤层合层压裂可行性研究

郑家发*

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳贵州550008）

煤层薄、单层资源丰度不足、多层联合开发费用高的现状严重限制了贵州省煤层气产业的发展。为降低开发成本、克服地质条件的限制，结合研究区特点，采用理论计算、工程实施验证的方法探讨了4#、5#煤层合层压裂的可行性。研究结果表明：试验区4#煤层和5#煤层同时实现破裂是可能的，采用投球封堵的方法可实现均匀压裂的目的；合层压裂后排采数据显示，平均日产量可达1200m3，已达到周边分层压裂井的平均水平，说明了此工艺的可行性。

煤层气；薄煤层；合层压裂；联合开发

贵州省煤层气资源量巨大，吨煤含气量高，煤层数量多［1］。虽满足了资源丰度的要求，但其煤层薄、渗透性低的特点不能为煤层气地面开发提供资源保障。目前主要采取的开采策略是分段射孔压裂（封隔器、桥塞、封堵球、填砂等）［2］，以实现多煤层联合开采。但高压裂费用、高投资风险的现状使许多投资者望而却步，严重制约了贵州省煤层气产业的发展。如何采取因地制宜的工艺，实现大规模商业化开发，还是一个亟待解决的重大课题。

苏现波教授提出“虚拟储层”概念，提供了一种在煤储层临近层进行压裂抽采煤层气的新思路［3］。倪晓明等研究了多煤层合层水力压裂关键技术，认为在合适的条件下，合层水力压裂是一种可行的工艺，可以实现两层或以上煤层及夹层作为一个压力系统压裂的目的［4］，并研究了合层水力压裂是投球数的确定方法［5］；李勇明、王兴文等通过对堵塞球受力分析，建立了破裂压力计算模型［6-7］；肖辉等研究了施工参数对堵塞球运动的影响［8］。煤层的非均质性强，且具有地域性特点，结合前人研究和此研究区煤层数多、层间距小的特点，通过理论计算、工程实施验证等讨论了本区块4#、5#煤层实施合层压裂的可行性，以期实现降低成本和风险、缩短投资周期，高效开采研究区煤层气的目的。

1　研究区概况

1.1井田地层

研究区含煤地层龙潭组（P3l）出露于井田北部及西部外围，以灰、深灰色薄—中厚层粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主，夹细砂岩、钙质泥岩及4～7层灰岩、泥质灰岩，含煤9～21层。根据岩性、古生物，可分为上、下2段：

下段（P3l1）以粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主，夹细砂岩、灰质泥岩。含煤3～8层，煤层编号为10～15号。

上段（P3l2）以粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩为主，夹细砂岩。含煤5～14层，煤层编号为1～9号，其中9、5、4号煤层普遍发育较好，是井田内主要可采煤层。

1.2构造特征

井田总体呈一向斜构造，少见断层，向斜位于井田中部，走向70°左右，井田内长约4 km，包括区外其清楚段长约11km，为一宽缓的不对称向斜，轴面倾向北西，向斜宽约2～4.5km。自西向东，其轴线先后穿过上二叠统、三叠系。北西翼地层倾角较陡，为7°～35°，一般28°；南东翼地层倾角较缓，为4°～12°，一般为9°～10°，总体来看，井田的构造复杂程度中等。

1.3煤层情况

（1）4#煤层：位于龙潭组上段的中部，上距长兴灰岩20.1～44.6m，平均28.96m。厚煤带主要分布于井田中部；可采范围分布于井田的中深部。煤层结构为简单—复杂，夹石岩性一般为泥岩，个别为炭质泥岩，其厚度变化大，夹石增厚可造成煤层分岔形成煤层组。

（2）5#煤层：位于龙潭组上段的中下部，厚煤带主要分布于井田北部，不可采范围分布于井田的中部。煤层大部为简单结构，夹石岩性一般为泥岩，厚度一般为0.10～0.30m，最厚为0.68m。顶板为4#煤层底板。直接底板为泥岩、粉砂质泥岩，往下为细砂岩或粉砂岩，局部含2层薄煤层，研究区参数孔取得柱状如图1所示，4#煤、5#煤力学性质测试结果如表1所示。

表1　煤样力学性质测试结果

2　理论验算

如果把压裂目的层段作为研究对象，其破裂的情况下，力学条件需满足下式：

Ppump=Pm-PF≥Pf

式中：Ppump——压裂施工泵压，MPa；

Pm——井筒中的静液压力，MPa；

Pf——地层破裂压力，MPa；

PF——孔眼及管线摩阻，MPa。

其中的地层破裂压力可以通过试井测试得到，静液压力可以通过测定井筒中钻井液密度获得，孔眼摩阻可以通过线解图求得（孔眼摩阻和射孔数目、孔眼尺寸、压裂液密度和经过孔眼的流量等因素有关）。在进行压裂设计施工时就可以根据已知参数，有的放矢地控制施工排量，以期在安全、经济的情况下得到更好的储层改造效果。

研究区通过试井得到4#、5#煤层的破裂压力分别为16.49、21.38MPa。4#煤层总厚2.30m，5#煤层总厚1.96m，其间干层总厚为6.09m，岩性为细砂岩，可以视为破裂压力较大，进行水力压裂作业时不能破裂。在一个特定区域，煤层的破裂压力基本上是固定不变的，井筒中压裂液的性质有严格要求，静液压力也只能在一个很小的范围内上下浮动，在施工泵压一定的前提下，通过射孔优化，可以改变孔眼及管线摩阻。为了增加干层段破裂的可能，设计采用96型射孔枪弹，90°相位角螺旋布孔进行射孔作业，4#煤层段16孔/m，5#煤层段32孔/m。4#煤层段射孔46个，5#煤层段射孔62个。

施工最大排量为8m3/min，由于4#煤破裂压力小于5#煤层，不考虑漏失的情况下，在压裂初期，压裂液注满5#煤层段所射孔眼后，可以视为所有压裂液都由4#煤层段孔眼进入煤层，此时4#煤层段的单个孔眼流量就为8/46，可以根据压裂液密度、孔眼直径和孔眼流量，利用线解图［9］（图2）求得此时的单孔孔眼摩阻f1约为0.5MPa，4#煤层段的总孔眼摩阻就为46× 0.5=23（MPa）。

此时St5-St4=4.89MPa＜23MPa（4#煤层段孔眼摩阻），也即是说，在排量达到最大排量之前就可使5#煤层破裂。由于4#、5#煤层都是我们的主要目的层，要求其二者的改造要达到相对均一的要求，这就需要在何时将排量提升至最大方面进行研究。

根据倪晓明［4］等研究，结合本地区实际，裂缝在高破裂压力段的煤层中延伸的长度应为：

式中：Q——泵注压裂液总量，m3；

Q1——达到最大排量前注入的液量，m3；

μ——5#煤层泊松比；

h1——4#煤层厚度，m；

h2——5#煤层厚度，m；

σ——排量达到最大时5#煤层段液压，MPa；

E——5#煤层弹性模量，MPa。

由上式可知，可以根据所需，调节达到最大排量的时间来控制裂缝在5#煤层中延伸的长度，以达到压裂相对均匀的目的。但单通过此方法调节5#煤层中裂缝延伸的长度具有一定的限制，有上式可看出，当初期直接把排量调节至最大，是裂缝能延伸到最大的极限，此时可能还打不到均匀压裂的要求。所以就需要采用其他方法进行辅助，我们在实际操作时采用的方法是通过投球封堵，已达到封堵延伸较快的孔，实现均匀压裂的目的。

图2　求取孔眼磨阻的线解图

3　现场实施情况

3.1现场作业

结合上述理论分析，现场实施过程中，直接采用最大排量进行注液作业，当注入量达到600m3时，进行投球封堵，投球数量为57个，压裂曲线如图3所示。

图3　研究区煤层气井压裂施工曲线

由图3可知，该井在初期采用最大排量8m3/min开始注液，在70min附近，压力开始下降，说明4#煤层裂缝延伸较快。此时停泵进行投球封堵作业，以封堵4#煤层段流量较大的孔眼，之后继续以最大排量注压裂液。压力较投球前有较大幅度增加，说明投球封堵效果显著，作业进行到130min以后压裂稳定下降，认为达到均匀压裂效果，停泵，注入总液量为800m3。

3.2压裂效果评价

合层压裂后，进行排采作业，66d开始见气，平均日产气量1200m3/d，产气效果较临近井（分层压裂）相当，说明此区块4#、5#煤合层压裂效果较好，与分层压裂井相当。

4　结论

（1）此研究说明，在本区块，合理选择射孔方式和注入排量控制摩阻的情况下，4#煤层和5#煤层同时产生破裂是可以实现的；

（2）仅采用控制摩阻和调节达到最大排量时间来控制破裂压力较大煤层的压裂规模具有一定的局限性，可以采用其它辅助方法（如投球封堵）以达到均匀压裂的效果；

（3）合层压裂后，据排采数据显示达到了周边分层压裂井的产气量，说明此区块4#、5#煤层应用合层压裂技术是可行的。

［1］冯玉勇.贵州省大方县理化勘查区煤层气赋存特征及远景评价［J］.企业技术开发，2014，33（4）：44-45.

［2］Webster K R，Goins W C J.A Continuous Multistage Fracturing Technique［J］.JPT，1965，12（6）：19-25.

［3］苏现波，陈江峰，孙俊民，等.煤层气地质学与勘探开发［M］.北京：科学出版社，2001.

［4］倪晓明，苏现波，李玉魁.多煤层合层水力压裂关键技术研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39（5）：728-732.

［5］倪晓明，贾炳，王延斌.合层水力压裂煤层投球数的确定［J］.天然气工业，2012，32（7）：33-37.

［6］李勇明，翟锐，王文耀，等.堵塞球分层压裂的投球设计与应用［J］.石油地质与工程，2009，23（3）：125-127.

［7］王兴文，杨建英，任山，等.堵塞球选择性分层压裂排量控制技术研究［J］.钻采工艺，2007，30（1）：75-76.

［8］肖辉，李洁，曾俊.投球压裂堵塞球运动方程研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（5）：163-167.

［9］J L吉德利.水力压裂技术新发展［M］.北京：石油工业出版社，1995：918-822.

P618

A

1004-5716（2016）08-0141-04

2015-08-13

2015-08-16

郑家发（1984-），男（汉族），贵州遵义人，助理工程师，现从事煤层气勘探开发及岩石力学性质测试与研究工作。