基于煤层气井二次压裂的抽采效果分析

张利芳(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋中 045300)

基于煤层气井二次压裂的抽采效果分析

张利芳
(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋中 045300)

通过分析阳泉煤业寺家庄矿区煤系地层的成煤特征及瓦斯赋存规律，对煤层气二次压裂及抽采机理进行了研究，并分析了压裂效果。通过分析影响抽采效果的因素，提出了针对性的改进措施。对该矿YQ-001井15#煤层压裂施工，实际注入液量801.63 m3，加入0.45～0.90 mm石英砂40.26 m3，加砂率100%，符合设计要求，达到了储层改造的目的。

煤层气；二次压裂；抽采机理

寺家庄矿井隶属阳泉煤业(集团)有限责任公司，位于昔阳县境内，井田面积约123 km2，自上而下可采及局部可采煤层有6#、81#、84#、9#及15#煤层，其中15#煤全区稳定可采，为主要可采煤层，最大厚度7.65 m，平均厚度5.48 m. 该区位于沁水煤田的东北边缘，由东向西出露地层为由老至新，于勘探区东部区外大面积出露奥陶系地层；石炭系本溪组、太原组、二迭系山西组地层分布零星；区内二迭系石盒子组地层广泛分布，二迭系石千峰组、三叠系刘家沟组地层出露于勘探区西缘；新生界复于各个时代基岩之上。为了进一步查明区域地质情况，通过样品采集和测试，探明煤层气井控制区域范围内15#煤层的埋深、煤层厚度、煤层结构、煤层的部分物理性质参数、瓦斯含量、瓦斯成分等。15#煤层的实测含气量为6.23～15.63 m3/t，平均为8.6 m3/t.

根据寺家庄矿井下实践，瓦斯富集区域主要集中在宽缓褶皱的翼部，在背向斜轴部瓦斯含量相对较低。井下抽放以负压抽放为主，在巷道内顺煤层施工瓦斯抽放钻孔，利用柱塞泵进行压裂，形成一系列沿煤层层理的羽状小裂隙。受井下施工条件限制，目前没有适合井下施工的压裂设备，且其孔口封闭压力受限，造成抽放区域局限性很大，达不到良好的抽放效果，仅靠密集布孔来弥补压裂覆盖受局限的问题。地面抽放以一次压裂为主，在瓦斯含量相对较低的区域，抽放效果明显降低，研究分析该区域瓦斯抽采工艺具有重要现实意义。对部分煤层气井在钻井过程中配备瓦斯含量检测仪器，监控钻井过程中泥浆中涌出的烃的种类和浓度，以查明15#煤层顶板中是否存在瓦斯，为下一步区域煤层气井勘探提供依据，YQ-001井随钻气测数据见表1. 从表1中可以看出，当穿过煤层段时，钻进速度会明显降低，全烃及气测组分会明显升高，同时槽面会见少量鱼籽状气泡。

1 二次压裂

1.1机理分析

二次压裂机理的提出基于煤系地层的成煤特征，煤系地层在成煤环境中从下至上依次形成一系列较为稳定的层理。就单一煤层来说，其沉积也经历了漫长的地质历史时期，其垂向上层理的结合力要小于水平向煤分子结合力，在煤层受水的压裂作用下，首先破坏的是煤层的层理。

基于这种认识，为提高区域煤层的压裂效果，第一次压裂采用小水量不注砂，尽量破坏煤层层理，形成沿煤层层理的主裂缝，第二次压裂采用大水量增加破裂压力以破坏煤分子结合力为主，增加垂向上的破坏程度，增加与煤层的接触表面积。由于第一次压裂已产生了主裂缝，其携砂效果会有明显的提高。从理论上，二次压裂能够提高煤层气井单井产气量，增加布孔间距，带来良好的经济效益。

表1 YQ-001井随钻气测数据表

1.2压裂效果分析

煤层压裂的主要目的是增加接触煤层的表面积，建立瓦斯运移通道，以利于瓦斯解析释放。煤层气井的产气量与该区域吨煤瓦斯含量、水平向主裂缝的延伸广度、垂向上微裂隙的发育程度密切相关。针对构造较为发育的地区，压裂效果较差，这是因为压裂产生的压力会随构造很快逸散，所获得的与煤层接触的表面积较小，犹如同等重量的块煤与末煤表面积差别很大。由于第一次压裂的水量较小，可近似地得到其煤层层理的破裂压强：

煤层层理的破裂压强=压裂压强+煤层深度的水柱压强-阻力压强

通过对区域第一次压裂时压强的统计发现，由于构造的影响，破裂压强较小或变化较大的气井，产气量亦不会太大。在钻孔布孔时，应坚持由疏到密，增大布孔间距，防止压裂造成的串孔，掌握构造变化，尽量选择在构造简单的区域，抑制压裂能量逸散。其次，构造较为发育的地区，瓦斯含量亦明显降低。如果该孔位于构造破碎带，可适当地增加第二次压裂的压裂能量，加大水量，以便尽可能破坏煤分子结合力， 得到较好的压裂效果。

当井下揭露煤层气井时，应根据距离煤层气井中心的远近，判断断面单位面积的含砂量、裂隙发育的程度，结合压裂数据、开采年限，评估压裂的实际效果，为下一步压裂及抽采工作提供实际依据。

2 抽采机理

煤层经过压裂后，会沿主裂缝形成一系列小裂隙，在一定压力下，煤层中的瓦斯会沿裂隙解析出来，与水形成水气混合物，在裂隙闭合压力的作用下随水进行运移，沿主裂隙排出。煤层气井孔口压力为：

井口压力=裂隙闭合压力+煤层中瓦斯解析压力-气井中水柱产生的压力-瓦斯运移阻力

裂隙闭合压力在地应力的作用下会延续相当长的历史时期，犹如临近采空区的巷道受地应力作用缓慢萎缩。解决裂隙闭合压力与煤层中瓦斯解析的压力以及水柱产生的压力之间的动态平衡是煤层气井抽采的关键，过快地降低煤层气井中水柱的压力，会释放闭合裂隙压力，减少单一煤层气井所覆盖的煤层压裂表面积，虽然压力降低，有利于瓦斯的解析，但表面积降低瓦斯的解析量有限，同时增大了气井的排沙量，不利于煤层气井的长期运营。气井中水柱过高，会增加瓦斯解析的难度，产气量得不到有效保证。研究三者之间的关系，需要在实践中总结，以确定该区域有效的抽采方案。

二次压裂结束后，憋井可以促进微裂隙的发育，增强钻孔所覆盖煤层的瓦斯解析率。瞬间放压却可以降低瓦斯运移阻力，增加主裂缝的通透性，疏通主裂缝，同时使裂隙闭合压力降低。这些都需要在实践中摸索，进行综合考虑。在第二次压裂中，如果不注砂，会导致瓦斯运移阻力增加，主裂缝在没有支撑砂的情况下，短期内迅速闭合，阻塞瓦斯运移通道，不利于对煤层的抽采。

3 影响抽采效果及需要改进的措施

1) 二次压裂中，砂量及砂比的问题。在第一次压裂过程中，前期在煤层中压开的裂缝起到支撑的通道，已经形成后期煤层气产出的通道，二次压裂过程中注砂量及砂比的控制是制约煤层的渗透性和孔隙度最主要的因素。如果不注砂，主裂缝在没有支撑砂的情况下，短期内迅速闭合，阻塞瓦斯运移通道，不利于对煤层的抽采。建议在施工过程中，将砂比由2%逐步升高到10%，以不憋泵、跳泵为前提，排量控制在8 m3/min. 以700 m3压裂液计算为标准，加砂量控制在40 m3. 支撑剂类型为石英砂，粒径0.45～0.90 mm，准备量40.0 m3.

2) 停泵后安装指针式压力表观测井口压力，待井口压力扩散到2.0 MPa时，用3 mm油嘴控制放喷，将液体排入污沟或排水沟。不喷后下d73 mm油管探砂面。

3) 水泥环固。在钻孔施工过程中，遇煤层因禁止使用泥浆，易造成煤层塌孔，下管固井后，在煤层周围极易形成较厚的水泥环固，给射孔带来一定的难度，且在压裂过程中，损失压裂能量，易形成砂堵。裸眼孔压裂效果好，但煤层坍塌破坏，给煤层气井维护带来很大的困难。使用泥浆，部分解决了护壁问题，在压裂过程中，会把泥浆带入煤层形成胶体，影响气井的抽采，同时水泥环周围亦会形成泥坯环，影响压裂效果。研究解决水泥环固的问题，将给煤层气产业带来巨大的效益。

4 结 论

1) YQ-001井15#煤层设计注入液量810.6 m3,加0.45～0.90 mm石英砂40.00 m3；实际注入液量801.63 m3，加入0.45～0.90 mm石英砂40.26 m3，加砂率100%，符合设计要求，达到了储层改造的目的。

2) 本次压裂施工中由于地层引力小，煤层较软，破裂压力较明显；加砂过程中裂缝延伸好，加砂顺利。施工压力9.58～10.34 MPa，施工顺利。

3) 二次压裂及抽采机理是基于对煤系地层的成煤特征及瓦斯赋存规律分析得出的理论概念，还需在实践过程中反复论证，这些机理的提出将对煤层气产业的发展带来积极的影响。

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AnalysisonDrainageEffectofSecondaryFracturinginCoalbedMethaneWell

ZHANGLifang

Analyses the law of the coal forming characteristics and coal bed methane reservoir in Sijiazhuang coal field in Yangquan coal mining, studies the mechanism for gas drainage and secondary fracture, makes a careful assessment on the effect. After a fully analysis on the factors that affect the drainage, targeted measures are put forward. Fracturing engineering is conducted with the total liquid injection of 801.63 m3, quartz sand of 40.26 m3at the size of 0.45～0.90 mm, all of which complies with the design requirement and meets the engineering goal.

Coalbed methane; Secondary fracturing; Mechanism for drainage

·技术经验·

2017-07-21

张利芳(1980—)，女，山西晋城人，2004年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事煤层气地面开发利用工作(E-mail)13903437313@139.com

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