新型复合压裂工艺在武乡煤层气开采区块的应用

云 剑

(山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司， 山西 晋城 048000)

我国深部煤层气资源总量丰富，其地质资源总量约为30.37×1012m3，是浅层煤层气总量的2倍左右[1]，是我国煤层气开采的发展方向。深部煤层气开采价值大，但是随着埋深增加，地应力显著增大同时渗透性变差。储层改造是获得低渗透煤层气井高产的重要手段。光套管压裂技术可实现大规模压裂,但容易造成储层污染，且可调性较差导致压裂效果偏差；连续油管压裂技术自动化程度和作业效率高，是目前的主流压裂技术，但是配套设施要求较高、成本高；常规油管压裂技术可实现射孔、压裂、封隔一体化作业，且射流效应定向性强，但是不能带压作业，容易造成压力激动、压后堵前[2]. 沁水盆地中部长治武乡区块煤层埋深普遍较大(>1 300 m)，采用连续油管压裂以及大排量光套管压裂，施工过程中容易产生砂堵，造成施工困难。从裂缝监测上看，裂缝延伸长度、延展宽度都不太理想。因此，拟在武乡区块15#煤层压裂过程采用新型复合压裂工艺。

1 区域概况

沁水盆地中部长治武乡区块地处太行山西麓，山西高原东南部，地形特征为低山丘陵。地势呈东西高、中间低。区块地处榆社—武乡断裂背斜构造带内，东为娘子关—坪头挠褶带，西为沁水复向斜与漳源—沁源带状断裂背斜构造带相接，南为双头—襄垣断裂构造带，北为天中山—仪城断裂构造带[3].

该地区目的煤层为3#上及15#煤层。15#煤层位于太原组下段下部，结构简单，为全区稳定可采的薄煤层，厚度1.21～6.72 m，平均1.03 m，由南向北煤层厚度逐渐变大，埋深572～2 016 m，平均1 480 m. 15#煤层含气量东北部较高，向南逐渐降低，最高处含气量36.99 m3/t. 15#煤层下距K1砂岩1.31～4.89 m，平均3.01 m. 顶板岩性多为砂质泥岩、泥岩及粉砂岩和细粒砂岩；底板为砂质泥岩、泥岩以及粉砂岩。15#煤层渗透率0.434×10-3～7.82×10-3μm2，平均4.127×10-3μm2，15#煤层含气量等值线见图1.

2 新型复合压裂工艺

结合现场经验，分析原压裂工艺，发现造成压裂施工困难以及后期产量不高的原因主要是目的煤层无法有效成缝，压裂砂只能集中在近井地带造成加砂困难，且由于射孔数少且是螺旋排布，无法保证压裂过程中裂缝在煤层中延伸，形成稳定有效的产气通道。因此最终这些水平井产气量不高，并且气量衰减很快。水平井采用原压裂工艺排采情况见表1.

表1 水平井原压裂工艺排采情况表

因此，提出新型复合压裂工艺：分簇定向射孔+泵送桥塞光套管压裂。首先从压裂选段上选取煤层伽马值低、气测高的煤层段，结合裂缝监测数据，采用相邻压裂段间隔60 m左右，这样在保证充分利用资源的基础上也防止两个相邻压裂段互相干扰。其次射孔方式由之前的单射孔枪射孔变成分簇射孔，相对于之前提供了多个压裂通道，并且定向射孔也保障了压裂过程中裂缝延展尽量在煤层中，避免了砂堵的风险。

2.1 压裂选段

收集钻井过程中的测井、录井、钻井资料，充分利用煤层气水平井钻井过程中的伽马、气测录井、钻时、岩屑、套管节箍等数据，把数据导入Resform软件整理成图。通过与钻井井斜数据对比，得出钻井过程中水平段钻遇煤层情况及与煤层相对位置，结合后续的压裂工艺进行压裂选段。WX-L-01井Resform压裂选点图见图2,水平段轨迹图见图3. 图2中黑色虚线是分簇定向射孔段，图3中箭头标注了煤层相对位置和实际钻井轨迹。

图2 WX-L-01井Resform压裂选点图

图3 WX-L-01井水平段轨迹图

2.2 分簇定向射孔+泵送桥塞光套管压裂

分簇定向射孔技术是在一个压裂点上根据前期得到的水平井钻遇煤层情况及与煤层相对位置，对射孔点进行准确的向上、两侧或者向下定向射孔。保证压裂施工中裂缝延展尽量在煤层中，确保压裂施工顺利进行。

具体施工工艺顺序：第一段采取连续油管喷砂射孔或者油管传输射孔，因为是水平井因此第一段不能采用水力泵送桥塞射孔方式，射孔完毕后取出射孔设备进行光套管压裂作业，排量10 m3/min. 第二段采用水力泵把桥塞和射孔枪输送至预定位置，点火坐封桥塞，并且上提射孔枪至目标煤层位置进行射孔作业，射孔完毕后起出射孔枪，对刚完成射孔层位进行光套管压裂工艺。用上述方式，根据压裂段数要求，依次下入桥塞及射孔枪、上提射孔枪进行射孔作业、光套管压裂作业，直至压裂完所有压裂选段[4]. 射孔作业过程见图4.

图4 WX-L-01井泵送桥塞射孔工艺图

最后压裂完使用连续油管钻塞，在连续油管上安装钻磨工具串，做好前期准备工作，下入井中到达桥塞深度起泵并提高排量至钻磨设计排量，确保钻磨开始前达到合适的返排排量。下探桥塞位置，开始钻磨作业，低密度钻屑随着循环液返出到井口，可从返出物中看到正在钻磨的东西及碎屑尺寸，以指导后续钻磨施工。第一个桥塞钻完后，继续进行下一个钻塞施工，直至全部完成[5]. WX-L-01井连续油管钻塞示意图见图5.

图5 WX-L-01井连续油管钻塞示意图

3 新型复合压裂效果分析

3.1 钻井压裂效果分析

WX-L-01井第二段裂缝延展图见图6，从裂缝监测效果来看，裂缝左翼、右翼分别为145 m、157 m，裂缝在煤层中延伸的范围有了很大程度提升。表明15#煤层实施分簇定向射孔+泵送桥塞光套管压裂的复合压裂工艺效果显著。

3.2 WX-L-01井排采情况

WX-L-01井2020年8月正式下泵排采，截至2021年6月初，该井产气稳定，井底流压0.38 MPa，套压0.22 MPa，产水量7 m3/d，产气量5 376 m3/d. 在WX-L-01井10个月的见气稳定排采中，最高产气量6 501 m3/d，最低产气量1 900 m3/d，平均产气量4 750 m3/d，总产气量135.346 4×104m3. WX-L-01井排采情况见图7. 对比之前水平井每天最高1 500 m3的产量来看，WX-L-01井的产气量有很大程度提高。

图7 WX-L-01井排采曲线图

4 结 论

1) 新型复合压裂工艺在压裂过程中运用Resform软件，结合钻井井斜数据、录井气测、岩屑数据、随钻伽马、套管数据等，分析得出钻井过程中水平段钻遇煤层情况及与煤层相对位置，运用分簇定向射孔技术找准煤层位置。此种方法可以有效降低压裂施工风险，提高压裂施工成功率。

2) 在长治武乡区块15#煤层WX-L-01排采井实施分簇定向射孔+泵送桥塞光套管压裂的复合压裂工艺后，产气稳定，平均产气量4 750 m3/d, 总产气量135.346 4 m3,相比之下平井产气量提高，为该区块煤层气开采摸索出新的路径，在其他类似条件的煤层气开采区块具有借鉴意义和推广价值。