郑庄区块二次压裂煤层气井低产原因及改进措施

侯安琪

(山西燃气集团有限公司，山西 太原 030032)

沁水盆地南部郑庄区块是煤层气规模化发展较成熟地区之一，前人针对研究区煤层气井低产因素及增产措施开展了大量研究工作。但是，对二次压裂增产效果影响因素研究较少。在前人研究的基础上，笔者结合郑庄区块的地质及实际生产资料，对二次压裂井低产原因进行分析，并给出了优化建议和其他行之有效的增产手段，指导郑庄区块煤层气井实际生产开发[1-3]。

1 区域概况

郑庄区块位于沁水复式向斜的轴部南端，晋-获褶断带西部，沁水盆地南缘东西-北东向断裂带的北部。区域地层自下而上为：上元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界上第三系(即新近系)及第四系。

该区块总体上呈一倾向N～NNE的单斜构造，地层倾角为10°左右。井田构造以次级褶皱发育为特点，表现为宽缓、波幅不大的一系列波状起伏，东南部还见零星分布的NE向、近EW向和NW向的小断层。该区块煤层气开发主力煤层为3号煤，平均厚度5.5 m，平均埋深802.5 m，总体构造形态为一马蹄形斜坡，北深南浅(图1)，受封闭断层控制，含气量14.35～25.65 m3/t，平均含气量20.3 m3/t。

图1 郑庄区块3号煤总体形态

2 改造井低产原因分析

2.1 地质因素

2.1.1 位于两翼较陡的向、背斜轴部

位于两翼较陡的向、背斜轴部的煤层气直井，二次压裂效果普遍较差，一方面向斜轴部煤层底板及背斜轴部煤层顶部在构造应力的作用下张性裂隙发育，致使煤层气易于扩散，含气量较低，不利于煤层气富集；另一方面，在这些区域地应力作用较强，水平主应力差值大，煤体结构在地应力作用下多为碎裂煤或糜棱煤，煤体碎软低渗，这种煤储层在水力压裂(尤其是二次压裂)过程中不利于造缝及裂缝的延伸。

以沁水盆地南部100口煤层气二次压裂井为例，二次压裂后有增产效果的井80%位于宽缓向斜、背斜轴部及两翼，增产范围39～1 200 m3/d，平均增产316 m3/d；而二次压裂后产气效果差的煤层气井多处于两翼较陡的向、背斜轴部，减产范围为48～720 m3/d，平均减产287m3/d。

2.1.2 位于陷落柱或断层附近

陷落柱和断层的存在使地层上下层位发生交错沟通，煤储层保存条件差，吸附在煤体孔裂隙中的气体发生解吸扩散，导致储层含气饱和度降低。同时，煤层气井再次压裂，压裂裂缝易扩展到邻近断层或者陷落柱，沟通上下含水层，造成排采阶段持续大量产水，井底流压无法降低，气体不能从煤层中解吸出来，从而低产或不产气。以郑庄区块邻近陷落柱及断层的8口井为例，J-01、J-02、J-03、J-04、J-07、J-08井靠近断层，J-05、J-06井靠近陷落柱。J-01井二次压裂前后产气量变化很小，稳产后日均产水量4.3 m3/d；J-02井二次压裂后产气量下降79%，稳产后日均产水量5.7 m3/d；J-03、J-04、J-05、J-06、J-07、J-08井二次压裂稳产后日均产水量分别为27、14、8.6、9.5、8.7和7.3 m3/d，产气量降为0(图1)。由此可见，煤层气井产水量越大，产气量越小，当煤层气井产水量在5 m3/d以上时，产气量大幅度降低，甚至为0。

图2 二次压裂前后产气量对比及产水量

2.2 工程因素

2.2.1 压窜井

通过压裂裂缝监测资料可知，郑庄区块主构造压力和裂缝的优势发育方向为NE向。受局部小构造和区域应力集中影响，在大排量施工下，二次压裂沿已有裂缝扩展，一些间距较小的井易发生压裂窜井，导致二次压裂没有起到改造储层效果。为预防压窜事故发生，依据原生裂隙的发育情况确定合理井间距，北东-南西向井间距控制在350～400 m范围内，南北方向可以控制在200～300 m范围内。同时被压窜井前期井筒压力会迅速上升，施工人员在压裂期间应注意观察并及时调整压裂方案。

2.2.2 压裂施工

压裂曲线反映了压裂施工情况，通过压裂曲线得到的砂比、排量、液量和破裂压力等一系列参数，是分析压裂施工效果成败的重要依据。它主要由压力、排量和砂比3条曲线构成，其中压力曲线是监测的重点，它能反映了二次压裂过程中煤储层裂缝动态发育情况。通过以下4口煤层气井压裂曲线分析。

表1 二次压裂参数

分析郑庄区块4口典型低产井压裂曲线，J-09、J-10、J-11、J-12这4口井埋深在700～770 m之间，井筒周围没有特殊构造，二次压裂施工采用中砂比(5.58%～7.12%)、大排量(9 m3/min)。一次压裂破裂压力范围为24～37.5MPa，二次压裂破裂压力范围为16.06～21.16 MPa，入地液量在959.9～1 551.7 m3之间，二次压裂后产气量减少72～720 m3(图3)。

图3 四口典型低产井二次压裂曲线

对比四组压裂数据发现，一次压裂普遍有明显破裂压力，人工造缝过程中沟通天然裂缝或形成新缝。二次压裂曲线多为波动型，破裂压力不明显，或明显小于一次压裂破裂压力。这是由于井筒周围煤体在第一次水力压裂过程中结构已经被破坏，煤体破碎，二次压裂刚开始时施工压力维持在较低水平。经过一段时间，大排量压裂液及砂子的冲击作用使煤体破碎形成煤粉，由于煤粉和支撑剂的镶嵌作用使之在井筒周围堆积，因此压裂曲线中套压在后期激增，为保障套管安全，暂停加砂，套压随之下降，但重新加砂后套压瞬间升高。最终停止加砂，施工结束，裂缝扩展有限，几乎没有或很少有新裂缝产生，因此没有起到改造储层效果。

3 二次压裂适宜条件

从二次压裂井低产因素的分析来看，为取得较好的增产改造效果，二次压裂应从地质、数学建模和井史等方面优化。

3.1 地 质

二次压裂井位优选地质构造简单部位，如宽缓向斜、背斜轴部及两翼，地应力作用较弱，煤体结构以原生结构为主，有利于造缝及裂缝延展。且宽缓背斜部聚气，区域含气量较高。

3.2 数学建模

依据郑庄区块压裂裂缝监测数据，建立适用于郑庄区块实际情况的裂缝扩展模型，通过数学模型分析煤岩力学性质、地应力、综合滤失系数、施工方式、埋深及天然裂缝等因素对裂缝扩展形态的影响，在可选范围内寻找最优解并指导二次压裂施工。

3.3 井 史

优选产气潜力好，历史上有过较高产气量，但因某些因素产量骤降，当前日均产气量小于同井组其他产气井。

4 其他增产改造措施

4.1 可控冲击波技术

可控冲击波增产技术的基本原理是运用高压脉冲作用于煤层气井内液体，使其产生高强度冲击波，通过破裂、撕裂、弹性声波扰动等方式改造煤储层。可控冲击波技术具有作业周期短、成本相对低、影响范围广的优势。2011年，郑庄区块曾对4口低产井进行了电脉冲试验，试验后4口井的套压、产水量、产气量均有所提升，产气增量为240～878 m3/d之间，平均单井增产气量为472 m3/d。可控冲击波增产技术改造效果主要取决于其波幅、加载次数以及与煤储层物性匹配度，因此对井位选择要求较高[4]。

4.2 煤层气直井间接压裂

二次压裂无法取得好的解堵造缝效果主要是由于煤层具有低强度、低弹性模量和高泊松比的力学特征。而煤层的顶底板一般为中细砂岩、粉砂岩的脆性岩层，其高弹性模量、低泊松比的力学特征较煤层有更好的可塑性。因此，在煤层顶底板压裂施工，易达到较好的造缝延展效果，形成良好的运移通道。间接压裂工艺需要结合地应力和数字模拟分析，优选射孔位置及压裂参数以达到理想的裂缝扩展形态。目前，煤层气直井间接压裂技术已在湖南洪山殿矿区HC01井取得较高成果，单井产气量到达1 850 m3/d[5-6]。

5 结 语

1) 从地质因素和工程因素两方面分析了郑庄区块二次压裂低产井产生原因。

2) 从二次压裂井低产因素的分析来看，为取得较好的增产改造效果，二次压裂应从地质、数学建模和井史等方面优化。

3) 低产井增产改造手段除了二次压裂外，还有可控冲击波及煤层气直井间接压裂技术。