煤層氣開發壓裂技術在沁水煤田的實踐與應用

侯景龍，劉志東，劉建中

(1.大慶油田有限責任公司井下作業公司壓裂大隊，黑龍江 大慶 163712;2.北京科若思技術開發有限公司，北京 100083)

煤層氣開發壓裂技術在沁水煤田的實踐與應用

侯景龍1，劉志東1，劉建中2

(1.大慶油田有限責任公司井下作業公司壓裂大隊，黑龍江 大慶 163712;2.北京科若思技術開發有限公司，北京 100083)

針對煤層氣特點以及開發過程中壓裂工藝技術存在的問題，研究了一項以套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術。該技術在山西沁水盆地SH煤田現場應用實踐了6口井，并獲得成功，壓后正處于排水階段，出氣效果明顯。

煤層氣;節理;吸附;清水壓裂

1 前言

煤層氣是一類生成、儲集都在煤層及其圍巖中，以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙或溶解于煤層水中的烴類非常規天然氣體，主要成分是甲烷，是近年來崛起的優質潔凈新能源。我國是煤炭資源大國，煤層氣資源豐富。開發利用好煤層氣資源，可以從根本上消除煤礦生產中的瓦斯爆炸災難，減少因大量瓦斯排放造成的環境污染，彌補我國常規能源的不足，具有十分重要的社會及經濟意義。

20世紀80年代初期，美國、加拿大、澳大利亞先后在煤層氣開發方面取得成功。國內絕大多數煤層氣井產量低、產量遞減快，其主要原因是煤層低滲透、解吸速度慢，煤層氣在儲層中運移困難，必須經過壓裂改造才能獲得穩定的氣源。目前，已經成型的煤層氣儲層壓裂技術主要有線形膠加砂壓裂技術、活性水加砂壓裂技術、液氮泡沫壓裂技術和二氧化碳泡沫壓裂技術。針對目標區煤層的特點，筆者研究開發了一項以套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術。該技術在現場中進行了實踐應用并獲得成功，取得了良好的效果。

2 煤層氣開發壓裂工藝技術

2.1 煤層氣儲層特點

煤層氣成藏機理復雜，儲層基質具有明顯的低孔、低滲［沁水煤田一般情況為1 mD(注:1 D=0.986923 ×10－12m2)以下］特點;煤巖較軟，其楊氏模量為1135～4602 MPa，一般在3000 MPa左右;泊松比變化無明顯規律，為0.18 ～0.42，平均為 0.33;楊氏模量小而泊松比大易產生形變;節理、裂縫極其發育。另外，煤層是一個具有很強吸附能力的介質，極易受到傷害，吸附外來流體后會引起煤層孔隙的堵塞和基質的膨脹，嚴重影響產氣量。

2.2 煤層氣賦存機理

煤層氣以三種狀態存在于煤層中，即吸附態、溶解態、游離態，三態處于一個動態平衡中;吸附態占70% ～95%，游離態占5% ～20%，溶解態極少;可以說煤層氣主要以分子形態吸附在煤巖裂隙和基質內表面，吸附量的大小與儲層氣體壓力正相關，可用朗格繆爾等溫吸附方程來描述［1］:

式(1)中，C(P)為吸附氣體質量;VL為朗格繆爾體積，是最大吸附氣體質量;PL為朗格繆爾壓力，是達到最大吸附氣體質量二分之一時的氣體壓力;P為儲層煤層氣壓力。

由式(1)可以看出，只有降低儲層氣體壓力，才能有大量煤層氣析出，形成工業氣流。壓裂、排水是降低儲層氣體壓力、形成采氣通道的最好方法。

2.3 工藝難點

針對以上煤層特征，壓裂增產改造中存在以下技術難點［2］:

1)節理、裂縫發育，造成壓裂液效率低、濾失增加，易造成砂堵而使施工停止;

2)儲層基質低孔、低滲，常規的水基線性膠壓裂液易破膠后形成殘渣，對煤層造成傷害;

3)裂縫中煤屑的產生增加了液體的阻力并使裂縫端部堵塞;

4)煤巖較軟，人工裂縫形態復雜，形成的裂縫不規則，易形成T形或I形裂縫，施工中壓力會升高，不利于加砂［3］(見圖1)。

圖1 煤層T形(a)和I形(b)裂縫形態Fig.1 T shaped(a)and I shaped(b)fracture in coal seam

2.4 工藝技術

根據以上該儲層壓裂的技術難點，在充分調研國內外煤層氣增產改造工藝技術的基礎上，針對施工過程中的壓力易升高、加砂困難問題，對應的技術措施是大排量，提高凈壓力，保證足夠縫寬，形成復雜裂縫;針對儲層強吸附性易傷害的特點，對應的技術措施是清水攜砂，提高砂比，保證規模，以求長期導流效果，研究應用了以套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術［4］。

該工藝特征:

1)施工排量保持在 7.5 ～8.5 m3/min，遠大于油田壓裂施工排量;

2)單層最大規模加砂達到45 m3，平均砂比為7.4% ～8.5%，最高砂比為15% ～18%;

3)主加砂前采用粒徑為0.15～0.30 mm的細砂進行預處理，支撐劑為粒徑為0.45～0.90 mm的蘭州砂;

4)存在多個煤層時采用填砂分層單壓工藝;

5)壓裂液為活性水，其中加入一定量的活性劑、殺菌劑，實驗室內測得表面張力為26.9 mN/m、界面張力為1.9 mN/m，對煤芯傷害率低于15%，腐生菌、鐵細菌、硫酸鹽還原菌三類細菌數量均為零，數據表明該體系具有傷害率低、返排能力良好、避免二次傷害的特點，保證活性水與煤層配伍。

3 現場應用及分析

該項配套工藝技術在現場綜合應用，在SH煤田進行了6口井的現場試驗，施工順利完成，施工一次成功率達到100.0%(見表1)。對于煤層較薄、煤層非均質性嚴重、局部構造影響強烈的儲層，現場采用調整施工排量、延長中低砂比注入時間甚至及時停砂等綜合配套措施，有效提高了施工成功率，保證了壓裂改造施工的完成。

例如，SHx－156井目的層3號煤層，設計加砂量為 35.0 m3，施工完成時共注入液體 572.0 m3，加入石英砂 35.0 m3(0.15 ～0.30 mm 石英砂 5.0 m3，0.45 ～ 0.90 mm 石英砂 30.0 m3)，破裂壓力為10.2 MPa(見圖2)。裂縫監測表明:主縫北東東向;有4個支縫，分別為北東向、北西向、東西向;主縫東西向;裂縫的底部顯示出水平裂縫的趨勢;監測裂縫符合煤層氣壓裂多裂縫、裂縫形態復雜的特點［5］(見圖3)。進水裂縫長度為133.3 m。壓后每天產氣3466 m3。

表1 煤層氣壓裂現場試驗施工統計表Table 1 Construction statistics for CBM hydraulic fracturing field test

4 結語

圖2 SHx－156井3號煤層壓裂施工曲線Fig.2 Construction curve for No.3 layer of SHx－156 Well CBM hydraulic fracturing

圖3 SHx－156井3號煤層裂縫監測結果Fig.3 Monitoring result for No.3 layer crack of SHx－156 Well CBM hydraulic fracturing

1)壓裂施工改造是開采煤層氣的重要方法，以套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術基本滿足了沁水煤田煤層氣對壓裂改造的技術需求。

2)目前該工藝技術還不完善，在施工參數優化、支撐劑鑲嵌評價等方面有待于在今后的研究應用中進一步探索完善。

3)現場試驗的6口井，經過壓后排水階段，目前已經規模產氣，但最終產氣量數據還需要時間才能獲得。該壓裂工藝技術在煤層氣開采中有廣泛的應用前景。

4)微地震壓裂監測結果表明，煤層氣壓裂裂縫形態復雜，多裂縫，存在T形、I形裂縫。

［1］趙 旭，王毅力，郭瑾瓏，等.顆粒物微界面吸附模型的分形修正——朗格繆爾LANGMUIR、弗倫德利希FREUNDLICH和表面絡合模型［J］.環境科學學報，2005，25(1):52 －57.

［2］郭大立，紀祿軍，趙金洲，等.煤層壓裂裂縫三維延伸模擬及產量預測研究［J］.應用數學和力學，2001，22(4):5 －10.

［3］郝艷麗，王河清，李玉魁.煤層氣井壓裂施工壓力與裂縫形態簡析［J］.煤田地質與勘探，2001，29(3):21 －22.

［4］修書志，江新民.煤層壓裂工藝技術初探［J］.油氣井測試，1999(1):51－55.

［5］劉建中，孫慶友，徐國明，等.油氣田儲層裂縫研究［M］.北京:石油工業出版社，2008:67－82.

Application of hydraulic fracturing techniques for CBM wells in Qinshui coal field

Hou Jinglong1，Liu Zhidong1，Liu Jianzhong2

(1.Fracturing Group of Down －hole Work Department of Daqing Oil Field Co.，Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163712，China;2.Beijing Traverse Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100083，China)

According to the CBM(coal bed methane)features and possible difficulties in fracturing techniques，a new hydraulic fracturing method with casing injection，high output and activated water carrying sand was developed.It showed great effect in the Qinshui coal field.

CBM(coal bed methane);natural joint;adsorption;hydraulic fracturing

TD82

A

1009－1742(2011)01－0089－04

2009－11－26

侯景龍(1974—)，男，河南長垣縣人，工程師，從事壓裂增產改造技術工作;E－mail:houjl74@163.com