煤系储层综合开发中的压裂射孔方案优化研究

张红杰，刘欣佳，张 潇，张遂安，邵冰冰

(1.中联煤层气有限责任公司，北京 100015;2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

煤层气资源在中国能源结构中的重要性日益突出。近50 a的开采实践过程中［1－6］，发现相较于常规的砂岩储层与脆性页岩储层，裂缝在弹塑性、割理与裂隙发育的煤层中的扩展延伸更加困难［7－12］。美国 Uinta 盆地、San Juan 盆地与加拿大Horseshoe盆地先后采取在煤层上覆的砂岩储层射孔的间接压裂措施提高煤层的可改造性［13－18］，取得了显著的增产效果，同时实现了砂岩储层与煤层的同步开发。近年来，多储层综合开发利用的理念逐步得到重视［19－23］，针对纵向上岩性叠置、薄层(夹层)及薄互层发育的煤系气藏，多储层合层压裂模式不仅可以减少压裂次数，降低施工费用，同时能有效地提高薄互层或薄差层的可改造性［13－17，24－25］;邻近层的生产活动所引起的压力干扰还可促进煤层气解吸，缩短煤层气见产时间，提高气井的长期排采能力。作为沟通井筒与储层的通道，射孔参数对水力压裂效果的影响较为明显。张广清、陈勉、张士诚等［26－30］针对单一岩性储层中射孔方位、射孔密度、孔眼直径、孔眼穿透深度等参数对裂缝的起裂应力、近井筒裂缝迂曲度及延伸方向等的影响做了大量研究。Cherian、侯冰等［31－34］利用理论推导、数值模拟与物理模拟方法，研究了原始地应力、岩石力学性质、排量等参数对裂缝穿层扩展能力的影响规律。但针对岩性、力学性质、压力系统各异的多储层压裂中射孔位置的优化研究较少。因此，针对鄂尔多斯盆地东缘临兴－神府区块开展了多储层合层压裂射孔方案优化研究，为现场压裂增产改造试验工作提供参考。

1 区块地质概况

鄂尔多斯盆地东缘临兴－神府区块是典型的含煤盆地，具有纵向上砂岩、煤层、泥页岩相互叠置，多层系交互赋存和薄层(夹层)发育的典型煤系储层特点，主要产层包括山西组、本溪组和太原组。太原组与本溪组8、9号煤层连续成藏，埋深约为1 900 m，薄煤层厚度为0.8～2.0 m，平均厚度为4.0～10.0 m，煤体结构较稳定;8、9号煤层之间分布着不连续的含气砂岩储层与炭质泥岩储层，砂岩储层厚度为1.5～14.2 m，孔隙度为5.3%～11.7%，渗透率为 8×10－5～350×10－5D，属于低孔特低渗储层。泥岩有2种赋存形式，层厚大于10 m的泥岩层作为较好的盖层，可有效防止煤层和砂岩中气体的逸散，另一类薄层泥岩与砂岩互层，其主要为炭质泥岩，物性接近页岩储层，孔隙内含有天然气。因8号与9号煤层之间的砂岩、泥岩及薄煤层分布不连续，且2个煤层的间距波动较大，区块内单井垂向岩性剖面表现出明显的差异性［35］，主要表现为临近层的岩性、含气性与储层厚度差异等。

2 模型建立

临兴－神府区块山西组、太原组和本溪组地层中致密砂岩、煤层和炭质泥岩3种含气储层共同赋存，垂向上分布多个产气层。对20多口气井的井身岩性剖面进行分析，发现研究区内有利于实现致密砂岩气、煤层气和炭质泥岩气3种气体资源同步开发利用的典型岩性组合为:砂岩－煤层接触模式、砂岩－煤层－泥岩互层模式和煤层－砂岩－煤层多煤层模式(图1)，采用Stimplan软件建立相应的储层模型。

图1 临兴－神府区块典型的岩性组合模式示例Fig.1 The example of typical lithological association patterns in the Linxing－Shenfu Block

根据测井曲线与前期小型压裂测试结果分析认为:临兴－神府区块8、9号煤层破裂压力梯度约为0.014 MPa/m，其破裂压力比临近砂岩层的破裂压力低3.0～5.0 MPa;炭质泥岩层破裂压力与砂岩层相近，稍高于砂岩层1.0～2.0 MPa，具体参数见表1。

表1 储层基本力学参数Table 1 The basic mechanical parameters of the reservoir

3 合层压裂射孔方案优化

采用单一变量原则，在压裂液排量为5 m3/min、平均砂比为20%、压裂液总液量为450 m3的 施工泵注程序下［35］，调整射孔位置和目标层射孔打开程度，以裂缝穿层扩展能力和裂缝延伸长度为评价指标，研究3种储层模式进行多储层合层压裂的射孔方案。其中，裂缝穿层扩展能力定义为裂缝扩展总高度与压裂目标层总厚度的比值，稍高于100%为最佳状态。

3.1 砂岩－煤层接触模式

建立砂岩－煤层接触模式储层模型(煤层厚度为9.0 m，砂岩层厚度为15.0 m)，具体射孔方案见表2，部分模拟结果见图2(图中红色线为射孔段)。

表2 不同射孔方案下的裂缝扩展参数Table 2 The fracture propagation parameters under different perforation schemes

图2 射孔位置对砂岩－煤层接触模式储层裂缝扩展的影响Fig.2 The effect of perforation location on fracture propagation in the sandstone－coalseam contact type reservoirs

由图2可知:①在上覆砂岩与下方泥岩隔层的应力遮挡作用下，若仅在煤层射孔(方案1)，裂缝主要在低应力的煤层中延伸，裂缝高度为15.24 m，裂缝穿层扩展能力为63.5%，裂缝向上延伸至部分砂岩中，但未达到砂岩储层同步改造的目的(图2a);②当仅在上覆砂岩层射孔时(方案2)，裂缝在射孔段起裂后迅速扩展至低应力的煤层，并优先在煤层延伸，虽然裂缝高度可达到26.40 m，为拟改造层段总厚度的1.1倍，但此时砂岩层内的裂缝宽度较窄，支撑剂不易进入裂缝深部而是倾向于在裂缝底部沉积，导致裂缝导流能力对砂岩层的贡献降低(图2b);③当目标层砂岩与煤层全部射孔时(方案3)，裂缝在砂岩与煤层中近乎同步扩展，由于研究区泥页岩层的破裂压力与砂岩层相近，致使裂缝垂向上扩展失控，缝内净压力急速降低，所形成的裂缝不仅有效长度短而且宽度窄(图2c);④当煤层与砂岩均射开50%时，裂缝的扩展高度为拟改造层段厚度的88.8%，砂岩的射开程度提高至70%～75%后，裂缝高度增加至25.44～26.88 m，稍大于砂岩与煤层的总厚度(24.0 m)，既实现了2种储层的综合改造又将缝高控制在合理的范围内(图2d)。因此，对于砂岩－煤层接触式的岩性组合储层，适宜采用间接压裂工艺，煤层与砂岩同时射孔有利于裂缝在2种储层中同步扩展延伸，但为了增加裂缝的延伸长度和控制裂缝的扩展高度，需要限制每种储层的射孔打开程度。由表2可知，优化射孔方案为砂岩70%～75%+煤层25%～50%。研究区内任意井位处的储层的岩石力学性质、目标层层(隔层)的厚度等参数不完全相同，因此，单井压裂施工时需根据实际的储层性质及时调整射孔参数。

3.2 砂岩－煤层－泥岩互层模式

建立砂岩－煤层－泥岩互层模式组合的储层模型，目标层段包括砂岩、煤层、泥岩夹层5个小层，总厚度为33.0 m，其中，煤层较厚，厚度为15.0 m。选择目标段中心位置为射孔中心，分别模拟射孔打开程度为25%、35%、45%(此时煤层全部射开)、60%、80%、100%时裂缝在层间与层内的扩展延伸状态(图3)。

由图3可知:与砂岩－煤层接触模式储层合层压裂相比，裂缝在存在多个界面的储层中的垂向扩展能力明显降低［36－38］，缝高为 31.00～48.00 m，射孔打开程度对裂缝高度的影响较小;当射孔打开程度为25%时(煤层中射孔长度为8.3 m)，裂缝高度约为31.00 m，未能将目标层段全部打开，此时裂缝长度为184.3 m;当射孔仅分布在煤层时，裂缝高度虽然随着射孔段长度的增加而增加，但增加幅度很小;当多储层同时射孔，射孔打开程度为45%～80%时，随射孔打开程度的增加，裂缝高度与延伸长度变化较小，穿层扩展能力约为130.0%，裂缝半长约为170.0 m，压裂改造效果较好;随着射开程度继续增加，缝高失控的风险增大，压裂改造效果变差。分析认为，对于砂岩－煤层－泥岩互层模式储层，合层压裂作业时建议以目标层段的中心为射孔中心，目标层段整体打开程度以50%～80%为宜，射孔孔眼尽量分布到每一种岩性储层中，至少需将处于中间位置的岩层全部打开;针对具体压裂井，需根据实际层数、临近岩层力学性质等调整射开程度。

图3 裂缝扩展/延伸能力与射孔方案的关系Fig.3 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

3.3 煤层－砂岩－煤层多煤层模式

多煤层岩性组合模式与上述的砂岩－煤层－泥岩互层式岩性组合模式非常相近，均由多个小层组成，区别在于平均单层厚度普遍大于砂岩－泥岩薄互层模式储层的单层厚度。采用相同的研究方法，选择目标层段中心位置为射孔中心，模拟裂缝在不同射孔方案下的扩展和延伸情况(图4)。由图4可知，合层压裂的射孔方案为目标层段总厚度的50%～80%。

图4 裂缝扩展/延伸能力与射孔方案的关系Fig.4 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

当多个可采条件较好的单煤层组合时，若层间距过大(例如大于20 m)，上述的射孔方案将不再适用。如图5所示，2段主煤层厚度均大于6 m，具有单层开采经济价值，煤层间砂岩与煤层夹层共21 m，当在目标层段中心射孔打开60%储层时(图5a)，裂缝在砂岩起裂，垂向扩展沟通煤层后，裂缝沿着低应力的煤层继续延伸而在砂岩中逐渐停滞;随后泵入的支撑剂优先支撑在近井筒地带，难以进入深部的煤层裂缝，导致裂缝虽然在煤层中延伸了220 m但有效长度却不足100 m，整体压裂效率低;为了提高支撑剂进入煤层裂缝的能力，尝试在煤层射孔(图5b)，此时裂缝优先在砂岩层起裂后迅速进入煤层，导致大段的砂岩储层几乎无改造效果。综上所述，针对具有单层开采条件且层间间隔过大的多煤层岩性组合，合层压裂改造模式不仅增加穿层失败的风险而且过高的裂缝高度将极大地损失裂缝缝长。因此，针对该种储层建议优先考虑采用分段压裂工艺提高储层的综合利用率。

图5 裂缝扩展/延伸能力与射孔方案的关系Fig.5 The relation between fracture propagation/extension capability and perforation scheme

4 现场试验

临兴区块的LX－1井完钻井深为2 132.0 m，在1 988.0～2 010.0 m处钻遇太原组煤层与砂岩，具有合层压裂的储层条件。压裂目标层段包括良好气测显示的砂岩段9.6 m、厚煤层5.4 m、薄煤夹层0.7 m与泥页岩夹层5.1 m，总厚度为20.8 m，属于砂岩－煤层－泥岩互层模式，目标层上下为大段泥岩隔层。鉴于压裂目标段具有较好的隔层遮挡，设计射孔打开80%储层(即射孔16.6 m)，以5 m3/min的压裂液排量实施压裂作业。压裂施工非常顺利，施工砂比为5%～20%，入井液量为678.3 m3，累计加砂量为57.4 m3。压裂施工曲线显示前置液阶段施工压力共出现了3次破裂显示，压裂后井温测井分析显示，裂缝扩展段埋深为1 988.00～2 011.70 m，由此说明采用该射孔方案成功实现了砂岩－泥岩－煤层的合层压裂改造。压裂后返排48 d后见气，104 d后套压为5.3 MPa，井底流压为10 MPa，日产气为115 m3/d，日产水为4.6 m3/d，累计产气为4 754 m3(相同返排时间时邻井累计产气为2 986 m3)，与邻井相比，日产气量增加且见气时间缩短。

5 结论

(1)针对煤系储层资源开发，合层压裂技术可有效提高改造效果与促进煤层气解吸，降低开发成本，具有较好的应用前景。

(2)间接压裂是开发砂岩－煤层接触式储层的有效手段，临兴－神府区块储层同步改造的最佳射孔方案为砂岩70%～75%+煤层25%～50%。

(3)层间界面对能量的传播产生明显的负效应，裂缝在存在多个界面的储层中的垂向扩展能力大幅减弱，对于该类储层目标段射孔打开程度以50%～80%为宜，射孔孔眼尽量分布到每一种岩性储层。

(4)由多个界面、多个薄厚小层组成的多煤层储层组合，单层可采条件较好或层间距过大时，建议优先考虑分段压裂工艺来提高储层的利用率。