煤層氣井壓裂施工壓力異常原因分析與技術措施

李特社，張建龍，王理國，唐兆青

（貴州省非常規天然氣勘探開發利用工程研究中心，貴州 貴陽 550081）

由于煤儲層具有低孔、超低滲、非均質性強等特點，只有通過水力壓裂技術，改善煤層氣滲流通道，才能獲得產能。煤層氣井壓裂受地質和工程兩方面因素的影響造成施工壓力異常頻發，導致壓裂失敗。本文以黔西北某區塊煤層氣井為研究對象，分析壓裂施工壓力異常的原因，并提出相應的技術措施，為后期煤層氣井壓裂設計和施工提供指導。

1 工區概況

研究區位于黔西北，主要含煤層系為二疊系龍潭組。煤層多且累計厚度大，一般為31～34層，總厚21.0～26.0 m。主力煤層厚度變化較大，合并、分叉、尖滅等現象并存[1]。煤層割理、層理面等天然微裂縫發育，受構造運動的影響，在煤層頂底板處，發育碎粒煤和糜棱煤。巖心掃描電鏡結果顯示，煤巖灰分含量變化較大，一般為13.4%～54%，多見伊/蒙混層和伊利石。煤層夾矸及頂底板均為弱含水地層，巖性以砂泥巖為主，局部出現碳質泥巖層。

截止目前研究區共計施工 28井次壓裂改造作業，井型為直井和定向井，采用光套管射孔完井、活性水加砂壓裂技術。壓裂液設計注液強度為 200 m3/m，設計加砂強度為12～15 m3/m。前置液階段加70/100目粉砂，主要作用是打磨炮眼和縫口，減少濾失；攜砂液階段加40/70目細砂，主要作用是支撐裂縫，為有效支撐近井地帶裂縫，尾追20/40目中砂，形成具有高導流能力的煤層氣滲流通道。

2 壓裂施工壓力異常原因分析

2.1 煤體結構差

鉆開井眼后井壁出現應力集中，在最小水平主應力方向周向應力最大，易發生井壁坍塌。原生結構煤的煤體結構較為完整，井徑擴大率較小。構造煤外生裂隙發育，煤體結構松散，使煤層破裂壓力大幅降低而發生垮塌，造成井壁嚴重擴徑，形成洞穴。井徑擴徑越大，泥漿污染半徑越大。固井水泥一方面會在擴徑井段形成較厚的水泥環，另一方面由于固井水泥密度較大，會大量進入近井地帶煤層外生裂隙中，對煤層重新固結，增加井筒附近煤層破裂壓力[2]。如圖1所示，X1井煤層埋深775.6 m，上部為碎裂煤，下部為碎粒-糜棱煤，井徑擴大率平均值為 100%。注入純前置液階段初期破裂壓力異常高，最高值為37 MPa，攜砂巖階段平均施工壓力為18 MPa，僅為最高施工壓力的二分之一。

煤體結構差，天然裂縫發育，當裂縫延伸溝通天然裂縫時，裂縫轉向或分叉，形成更加復雜的裂縫系統，導致孔眼摩阻增大，凈壓力降低；或是在裂縫形成過程中產生煤粉，隨著壓裂液的推動在裂縫末端聚集-堵塞，迫使裂縫改道，最終形成不規則的復雜裂縫，造成加砂困難，施工壓裂異常升高。如圖2所示，X2井煤層埋深856.6 m，測井和錄井結果顯示，煤體結構以碎粒煤為主，煤層井段一般擴徑，擴大率平均值為35%。壓裂施工壓力異常高值，處于30～42 MPa之間，遠大于煤層最小主應力。

圖1 X1井壓裂施工曲線

圖2 X2井壓裂施工曲線

2.2 煤層力學特性

在煤層氣井壓裂過程中，人工裂縫的開啟、延伸和閉合很大程度上受地應力以及煤層與其頂底板力學性質差異大小的影響。工區受局部構造運動的影響發育斷層，出現地應力反轉現象，當煤層位于轉換深度附近或三向主應力大小近似相等時，更易形成復雜的網絡裂縫，造成加砂困難，施工壓力異常。與頂底板相比，煤層一般處于低應力區，壓裂裂縫易被控制在煤層中延伸[3]。根據lame方程，壓裂所形成的裂縫寬度和楊氏模量成反比，即在排量一定情況下，裂縫寬度越大，延伸越困難；泊松比越大煤層水平應力越大，起裂越困難[4]。

X3井煤層埋深836.4 m，位于轉換深度附近，射孔井段一般擴徑。在前置液階段，煤層起裂后加砂，壓力持續波動，出現輕度砂堵現象，提排量打段塞后壓力開始波動下降。在攜砂液階段，第一段加砂后期裂縫延伸受阻造成嚴重砂堵，壓裂施工壓力快速上升，如圖3所示。

圖3 X3井壓裂施工曲線

2.3 射孔程度不完善

射孔程度不完善主要由兩方面造成，一方面射孔參數（孔徑、孔密、布孔方式等）不合理，例如射孔彈型選擇不合理，由于射孔井段嚴重擴徑，水泥環厚度大，射孔彈穿深不夠而未能溝通至原狀地層。壓裂時水泥環嚴重破碎，壓裂液大量進入水泥環與煤層貼合疏松地帶，形成高壓水包[4]；另一方面射孔彈質量不合格，有效孔眼數少，孔眼摩阻增大，最終造成壓裂施工壓力異常高值。

圖4 X4井第一次壓裂施工曲線

圖5 X4井第二次壓裂施工曲線

如圖4所示，X3井煤層埋深548.3 m，射孔段553.2～554.7 m存在較嚴重的擴徑現象，平均井徑擴大率為 120%。該井第一次壓裂初期泵車超壓，煤層未壓開。隨后又多次試擠，排量上升至最大排量3 m3/min，期間出現多次超壓，最終由于壓裂泵車油料不足停止施工。第二次壓裂初期經過加粉砂打磨炮眼和縫口，最大排量僅為6.4 m3/min，低于設計排量8～10 m3/min，最高施工壓力達43 MPa，接近施工限壓，停泵壓力32 MPa，如圖5所示。

3 預防施工壓力異常的技術措施

通過對上述主要原因分析提出了以下四點預防技術措施。

（1） 優化鉆井技術，降低井徑擴大率。目前工區鉆井存在的問題主要體現在兩個方面：一是鉆井施工管理不科學，造成鉆井效率低，井眼受泥漿沖刷時間較長；二是采用清水泥漿鉆井，造壁性能差，井眼擴徑嚴重，泥漿污染煤層半徑增大。

采取的技術措施如下： 一是加強鉆井技術管理，縮短鉆井周期，提高鉆井液造壁性能；二是針對煤體結構差的煤層（構造煤），采用空氣和泡沫鉆井技術，保證井壁完整性，降低固井泥漿污染半徑。

（2） 優化射孔技術，提高射孔效率。對于構造煤的井段，建議采用負壓射孔或大孔徑深穿透射孔彈有效溝通煤層。另一方面建議采用間接射孔，避開煤體結構差的井段，擴射頂板，在煤層與頂板弱結構面處形成導流裂縫，溝通煤層外生裂隙，實現對煤層的間接壓裂[5]，降低施工壓力異常的風險。

（3） 優化壓裂液體系，提高攜砂效率。目前活性水壓裂液在煤層氣井壓裂中占主導地位。但應該充分考慮其地區適應性，根據煤層特征和設計最高砂比優化壓裂液配方， 防止出現壓裂液濾失過快、攜砂能力不足，出現砂堵。

（4） 優化壓裂設計，降低施工風險。壓裂設計前建議充分掌握煤層地質特征、煤體結構、地應力特征等，優化壓裂泵注程序和施工參數，如排量、砂比和砂量等。實時分析壓裂施工時的壓力變化，動態了解煤層特征，調整施工參數。

4 結 論

（1） 研究區煤層氣井壓裂施工壓力異常原因包括煤體結構差、射孔程度不完善和煤層力學特性，其中煤體結構差是造成施工壓力異常的主控因素。

（2）分別從鉆井、射孔和壓裂三個方面提出了四種預防措施，預防壓裂施工壓力異常，造成壓裂效果不佳或壓裂失敗。

[1]徐宏杰, 桑樹勛, 楊景芬, 等. 貴州省煤層氣勘探開發現狀與展望[J]. 煤炭科學技術, 2016, 44(2): 1-7.

[2]胡奇, 王生維, 張晨, 等. 沁南地區煤體結構對煤層氣開發的影響[J]. 煤炭科學技術, 2014, 42(8): 65-68.

[3]馬平華, 霍夢穎, 何俊, 等. 煤層氣井壓裂影響因素分析與技術優化[J]. 天然氣地球科學, 2017, 28(2)：296-304.

[4]劉世奇, 桑樹勛, 李仰民, 等. 沁水盆地南部煤層氣井壓裂失敗原因分析[J]. 煤炭科學技術, 2012, 40(6): 108-112.

[5]楊宇, 林璠, 曹煜, 等. 煤層氣直井間接壓裂施工的先導地質分析[J]. 煤田地質與勘探, 2016, 44(3): 46-50.