貴州黔北某區塊4#、5#煤層合層壓裂可行性研究

鄭家發

（貴州省煤田地質局實驗室，貴陽貴州550008）

貴州黔北某區塊4#、5#煤層合層壓裂可行性研究

鄭家發*

（貴州省煤田地質局實驗室，貴陽貴州550008）

煤層薄、單層資源豐度不足、多層聯合開發費用高的現狀嚴重限制了貴州省煤層氣產業的發展。為降低開發成本、克服地質條件的限制，結合研究區特點，采用理論計算、工程實施驗證的方法探討了4#、5#煤層合層壓裂的可行性。研究結果表明：試驗區4#煤層和5#煤層同時實現破裂是可能的，采用投球封堵的方法可實現均勻壓裂的目的；合層壓裂后排采數據顯示，平均日產量可達1200m3，已達到周邊分層壓裂井的平均水平，說明了此工藝的可行性。

煤層氣；薄煤層；合層壓裂；聯合開發

貴州省煤層氣資源量巨大，噸煤含氣量高，煤層數量多［1］。雖滿足了資源豐度的要求，但其煤層薄、滲透性低的特點不能為煤層氣地面開發提供資源保障。目前主要采取的開采策略是分段射孔壓裂（封隔器、橋塞、封堵球、填砂等）［2］，以實現多煤層聯合開采。但高壓裂費用、高投資風險的現狀使許多投資者望而卻步，嚴重制約了貴州省煤層氣產業的發展。如何采取因地制宜的工藝，實現大規模商業化開發，還是一個亟待解決的重大課題。

蘇現波教授提出“虛擬儲層”概念，提供了一種在煤儲層臨近層進行壓裂抽采煤層氣的新思路［3］。倪曉明等研究了多煤層合層水力壓裂關鍵技術，認為在合適的條件下，合層水力壓裂是一種可行的工藝，可以實現兩層或以上煤層及夾層作為一個壓力系統壓裂的目的［4］，并研究了合層水力壓裂是投球數的確定方法［5］；李勇明、王興文等通過對堵塞球受力分析，建立了破裂壓力計算模型［6-7］；肖輝等研究了施工參數對堵塞球運動的影響［8］。煤層的非均質性強，且具有地域性特點，結合前人研究和此研究區煤層數多、層間距小的特點，通過理論計算、工程實施驗證等討論了本區塊4#、5#煤層實施合層壓裂的可行性，以期實現降低成本和風險、縮短投資周期，高效開采研究區煤層氣的目的。

1　研究區概況

1.1井田地層

研究區含煤地層龍潭組（P3l）出露于井田北部及西部外圍，以灰、深灰色薄—中厚層粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖為主，夾細砂巖、鈣質泥巖及4～7層灰巖、泥質灰巖，含煤9～21層。根據巖性、古生物，可分為上、下2段：

下段（P3l1）以粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖為主，夾細砂巖、灰質泥巖。含煤3～8層，煤層編號為10～15號。

上段（P3l2）以粉砂巖、泥巖、粉砂質泥巖為主，夾細砂巖。含煤5～14層，煤層編號為1～9號，其中9、5、4號煤層普遍發育較好，是井田內主要可采煤層。

1.2構造特征

井田總體呈一向斜構造，少見斷層，向斜位于井田中部，走向70°左右，井田內長約4 km，包括區外其清楚段長約11km，為一寬緩的不對稱向斜，軸面傾向北西，向斜寬約2～4.5km。自西向東，其軸線先后穿過上二疊統、三疊系。北西翼地層傾角較陡，為7°～35°，一般28°；南東翼地層傾角較緩，為4°～12°，一般為9°～10°，總體來看，井田的構造復雜程度中等。

1.3煤層情況

（1）4#煤層：位于龍潭組上段的中部，上距長興灰巖20.1～44.6m，平均28.96m。厚煤帶主要分布于井田中部；可采范圍分布于井田的中深部。煤層結構為簡單—復雜，夾石巖性一般為泥巖，個別為炭質泥巖，其厚度變化大，夾石增厚可造成煤層分岔形成煤層組。

（2）5#煤層：位于龍潭組上段的中下部，厚煤帶主要分布于井田北部，不可采范圍分布于井田的中部。煤層大部為簡單結構，夾石巖性一般為泥巖，厚度一般為0.10～0.30m，最厚為0.68m。頂板為4#煤層底板。直接底板為泥巖、粉砂質泥巖，往下為細砂巖或粉砂巖，局部含2層薄煤層，研究區參數孔取得柱狀如圖1所示，4#煤、5#煤力學性質測試結果如表1所示。

表1　煤樣力學性質測試結果

2　理論驗算

如果把壓裂目的層段作為研究對象，其破裂的情況下，力學條件需滿足下式：

Ppump=Pm-PF≥Pf

式中：Ppump——壓裂施工泵壓，MPa；

Pm——井筒中的靜液壓力，MPa；

Pf——地層破裂壓力，MPa；

PF——孔眼及管線摩阻，MPa。

其中的地層破裂壓力可以通過試井測試得到，靜液壓力可以通過測定井筒中鉆井液密度獲得，孔眼摩阻可以通過線解圖求得（孔眼摩阻和射孔數目、孔眼尺寸、壓裂液密度和經過孔眼的流量等因素有關）。在進行壓裂設計施工時就可以根據已知參數，有的放矢地控制施工排量，以期在安全、經濟的情況下得到更好的儲層改造效果。

研究區通過試井得到4#、5#煤層的破裂壓力分別為16.49、21.38MPa。4#煤層總厚2.30m，5#煤層總厚1.96m，其間干層總厚為6.09m，巖性為細砂巖，可以視為破裂壓力較大，進行水力壓裂作業時不能破裂。在一個特定區域，煤層的破裂壓力基本上是固定不變的，井筒中壓裂液的性質有嚴格要求，靜液壓力也只能在一個很小的范圍內上下浮動，在施工泵壓一定的前提下，通過射孔優化，可以改變孔眼及管線摩阻。為了增加干層段破裂的可能，設計采用96型射孔槍彈，90°相位角螺旋布孔進行射孔作業，4#煤層段16孔/m，5#煤層段32孔/m。4#煤層段射孔46個，5#煤層段射孔62個。

施工最大排量為8m3/min，由于4#煤破裂壓力小于5#煤層，不考慮漏失的情況下，在壓裂初期，壓裂液注滿5#煤層段所射孔眼后，可以視為所有壓裂液都由4#煤層段孔眼進入煤層，此時4#煤層段的單個孔眼流量就為8/46，可以根據壓裂液密度、孔眼直徑和孔眼流量，利用線解圖［9］（圖2）求得此時的單孔孔眼摩阻f1約為0.5MPa，4#煤層段的總孔眼摩阻就為46× 0.5=23（MPa）。

此時St5-St4=4.89MPa＜23MPa（4#煤層段孔眼摩阻），也即是說，在排量達到最大排量之前就可使5#煤層破裂。由于4#、5#煤層都是我們的主要目的層，要求其二者的改造要達到相對均一的要求，這就需要在何時將排量提升至最大方面進行研究。

根據倪曉明［4］等研究，結合本地區實際，裂縫在高破裂壓力段的煤層中延伸的長度應為：

式中：Q——泵注壓裂液總量，m3；

Q1——達到最大排量前注入的液量，m3；

μ——5#煤層泊松比；

h1——4#煤層厚度，m；

h2——5#煤層厚度，m；

σ——排量達到最大時5#煤層段液壓，MPa；

E——5#煤層彈性模量，MPa。

由上式可知，可以根據所需，調節達到最大排量的時間來控制裂縫在5#煤層中延伸的長度，以達到壓裂相對均勻的目的。但單通過此方法調節5#煤層中裂縫延伸的長度具有一定的限制，有上式可看出，當初期直接把排量調節至最大，是裂縫能延伸到最大的極限，此時可能還打不到均勻壓裂的要求。所以就需要采用其他方法進行輔助，我們在實際操作時采用的方法是通過投球封堵，已達到封堵延伸較快的孔，實現均勻壓裂的目的。

圖2　求取孔眼磨阻的線解圖

3　現場實施情況

3.1現場作業

結合上述理論分析，現場實施過程中，直接采用最大排量進行注液作業，當注入量達到600m3時，進行投球封堵，投球數量為57個，壓裂曲線如圖3所示。

圖3　研究區煤層氣井壓裂施工曲線

由圖3可知，該井在初期采用最大排量8m3/min開始注液，在70min附近，壓力開始下降，說明4#煤層裂縫延伸較快。此時停泵進行投球封堵作業，以封堵4#煤層段流量較大的孔眼，之后繼續以最大排量注壓裂液。壓力較投球前有較大幅度增加，說明投球封堵效果顯著，作業進行到130min以后壓裂穩定下降，認為達到均勻壓裂效果，停泵，注入總液量為800m3。

3.2壓裂效果評價

合層壓裂后，進行排采作業，66d開始見氣，平均日產氣量1200m3/d，產氣效果較臨近井（分層壓裂）相當，說明此區塊4#、5#煤合層壓裂效果較好，與分層壓裂井相當。

4　結論

（1）此研究說明，在本區塊，合理選擇射孔方式和注入排量控制摩阻的情況下，4#煤層和5#煤層同時產生破裂是可以實現的；

（2）僅采用控制摩阻和調節達到最大排量時間來控制破裂壓力較大煤層的壓裂規模具有一定的局限性，可以采用其它輔助方法（如投球封堵）以達到均勻壓裂的效果；

（3）合層壓裂后，據排采數據顯示達到了周邊分層壓裂井的產氣量，說明此區塊4#、5#煤層應用合層壓裂技術是可行的。

［1］馮玉勇.貴州省大方縣理化勘查區煤層氣賦存特征及遠景評價［J］.企業技術開發，2014，33（4）：44-45.

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［3］蘇現波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質學與勘探開發［M］.北京：科學出版社，2001.

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［6］李勇明，翟銳，王文耀，等.堵塞球分層壓裂的投球設計與應用［J］.石油地質與工程，2009，23（3）：125-127.

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［8］肖輝，李潔，曾俊.投球壓裂堵塞球運動方程研究［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（5）：163-167.

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A

1004-5716（2016）08-0141-04

2015-08-13

2015-08-16

鄭家發（1984-），男（漢族），貴州遵義人，助理工程師，現從事煤層氣勘探開發及巖石力學性質測試與研究工作。