煤層氣勘探開發的巖石力學與壓裂關鍵技術研究

謝治國 王巧麗 張宇 熊鑫 陳昌渝 張濤

（1.重慶礦產資源開發有限公司，重慶 401123；2.重慶地質礦產研究院，重慶 400042）

煤層氣勘探開發的巖石力學與壓裂關鍵技術研究

謝治國1王巧麗2張宇1熊鑫1陳昌渝1張濤1

（1.重慶礦產資源開發有限公司，重慶 401123；2.重慶地質礦產研究院，重慶 400042）

隨著科學技術的不斷發展，傳統煤層氣勘探開發技術已經不能滿足當前時代發展的需求，所以要對其進行完善與優化。如果煤層的塑性比較強，水力壓裂技術挑戰相對也較大。以當前煤層氣勘探巖石力學以及壓裂關鍵技術的發展情況為基礎，結合近年來的工作經驗，提出技術的優化措施。

煤層氣；勘探；巖石力學；壓裂

油氣需求量的不斷增加，讓煤層氣開采變得越來越重要。煤層氣是來自于烴原巖但還未遷移的油體或氣。因為該物質滲透率相對較低，所以很難通過傳統方法對其進行開采，是非常規油氣的一種。目前最常見的開采方式就是借助水力壓裂的方式對其進行開采。經過多年來的不斷發展，針對目前國內開采環境情況，制定了一系列適用性較強的煤層氣勘探開發技術，而且這些技術也取得了比較理想的使用效果，下文將對相關技術進行分析。

1 水力壓裂技術

水力壓裂屬于煤層氣開發的關鍵技術，且被成功的應用到低滲透率改造以及水平井中，所以大部分工作人員都在努力研究該技術，以起到增產的目的。但是壓裂裂縫的擴展以及壓裂的效果，是會受到地層最大、最小水平主應力影響的，所以要先明確正斷層與滑移斷層的應力情況。如果最大的水平主應力和最小的水平主應力二者之間差距比較大，應沿著最大的水平主應力方向存在的裂縫來延伸裂縫。如果最大的水平主應力和最小的主應力差距比較小，可能會形成十分復雜并且方向性比較差的裂縫。從近年來采排工作開展的情況來看，如果地層處在逆斷層應力狀態下，則水力壓裂會隨著水平裂縫的擴張而延伸。由于受到這種情況的影響，水平井的生產優越性會降低，失去其原有的多段水力壓裂裂縫生產優勢，整體產量不夠理想。為了從根本上提升壓裂的效果，可以考慮向水平井當中垂向射出大孔徑孔，之后在長射孔當中進行壓裂處理，進而產生多層水平裂縫，這也是目前使用起來比較理想的一種壓裂形式。

2 間接水力壓裂技術

目前最為常見的煤層氣開發技術就是水力壓裂技術，并且在近年來的使用中取得了良好的效果。據不完全統計，目前國內的煤層氣平均日產量大約在1000m3左右，絕大部分的垂直井都是通過壓裂技術來開發的，而且一般都會將比較堅硬的一些煤層當成壓裂層來看待。但是仔細對工作過程進行分析不難發現，還是存在許多技術問題的，并且這些技術問題會對煤層氣開采產生負面影響。在正常的條件下，因為煤層大部分都是會受到相互垂直面節理以及端節理切割影響的，所以可能會出現水力壓裂裂縫沿著這些節理不斷擴大的情況，所以如果壓力裂縫比較短，則垂直井的產量必然也不夠理想。

除此之外，如果裂縫比較短，還有可能使壓裂液不斷的滲入到煤層當中，并且如果壓裂液內部有聚合物，這些聚合物必然還會堵塞一些煤層節理，導致煤層滲透性逐漸降低。大多數情況下，如果砂巖、石灰巖處在煤層直接頂底板或者是煤層的夾層當中，則水平應力會比較低，容易導致形成長裂縫。若在砂巖或者是石灰巖當中出現壓裂的情況，則長裂縫和煤層、煤層垂直節理交叉點會因為受到壓裂的影響而順溜到生產井當中，這種技術就是目前經常使用的垂直裂縫連接壓裂技術。各個煤層之間的壓裂并不是煤層壓裂，而是一種對煤層頂底板、對煤層夾層砂巖、碳酸鹽進行壓裂的一種裂縫表現形式。因為煤層的垂直節理其滲透性比較強，而且這種滲透性要明顯超出水平節理的滲透性，所以間接壓裂裂縫也是不需要穿過煤層內部。如果其能夠接觸煤層表面，就可以通過該形式來聯通煤層垂直節理，并通過該方式來采排煤層氣。該技術已經逐漸純熟，并且在許多行業都有應用。針對一些新領域來說，工作人員首先要先確定工作安排計劃的可行性。因為煤層大部分都是會受到相互垂直面節理以及端節理的影響，所以如果煤層當中的水力壓裂只能產生較短的裂縫，會影響到煤層氣整體生產能力。從目前相關技術的發展情況來看，工作人員可以通過間接煤層壓裂技術的方式來解決該問題，提升煤層氣生產能力。間接壓裂技術，就是當壓裂位置處在煤層的直接頂底板或者是壓裂位置處在煤層的夾層中時，砂巖、碳酸巖會形成一些比較長的裂縫，這些裂縫的長度會影響到煤層的開采質量。如果長裂縫和煤層垂直節理相互交叉，則煤層氣就有可能通過壓裂縫流入到生產井當中，進而實現大范圍采排煤層氣，提升工作效率以及產量。

3 結語

上文以目前巖石力學以及壓裂技術的發展情況為基礎，對煤層氣勘探開發方式進行了簡要的分析。首先分析了水力壓裂破裂壓力，之后從多個角度，對煤層氣開發間接水力壓裂技術進行了研究。通過分析可以發現，雖然巖石力學和壓裂技術經過近年來的不斷發展已經得到了完善，但是在實際使用過程中依然存在各種問題，特別是在細節處理上，如果處理方式不當，極有可能導致工作質量不達標。

[1]張金才，尹尚先.頁巖油氣與煤層氣開發的巖石力學與壓裂關鍵技術[J].煤炭學報，2014，08:1691-1699.

[2]賀天才，王保玉，田永東.晉城礦區煤與煤層氣共采研究進展及急需研究的基本問題[J].煤炭學報，2014，09:1779-1785.

[3]秦勇，袁亮，胡千庭等.我國煤層氣勘探與開發技術現狀及發展方向[J].煤炭科學技術，2012，10:1-6.

[4]顏志豐，琚宜文，唐書恒等.沁水盆地南部煤層氣儲層壓裂過程數值模擬研究[J].地球物理學報，2013，05:1734-1744.