湘中煤層氣井水力壓裂改造效果初評

王先美 李俊峰 徐勝明 林龍波 劉 澤 譚 慧

(湖南華晟能源投資發(fā)展有限公司,湖南 410004)

1 基本情況

洪山殿礦區(qū)位于湖南省雙峰縣境內(nèi)，包括蛇形山、洪家橋、咸沙壩、彭家沖、鯉魚塘、松木沖和雙橋等7個井田。礦區(qū)含煤面積43km2，海拔100～140m，中心凹陷最大深度約1350m(相對4號煤而言)，為一近似北東方向的橢圓形復式向斜。

礦區(qū)主要上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M含煤6層，其中可采煤層4層，均以構(gòu)造煤為主。煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，底板以中砂巖、細砂巖、粉砂巖等為主。

HC1井設計位于復式向斜葉子塘向斜軸部，于2017年上半年完鉆，采用二開井身結(jié)構(gòu)：一開采用φ311.2mm鉆頭，下φ244.5mm表層套管25m中完；二開φ215.9mm鉆頭，下φ139.7mm鋼級P110生產(chǎn)套管至750m完井。

該井鉆井揭示主要煤層5層，由下至上編號分別為6號、4號、3號、2號、1號煤，煤系層段地層傾角15°～25°，一般不足20°。

1號煤頂深547.1m，以塊狀為主，沒有夾矸，鉆井擴徑明顯；2號煤層距離上部1號煤層19.3m，2號煤中間發(fā)育0.5m炭質(zhì)泥巖夾矸，以構(gòu)造軟煤為主；3號煤距離2號煤層16.5m，發(fā)育兩層炭質(zhì)泥巖夾矸，夾矸厚度均為0.5m，煤巖特征與2號煤一致；4號煤與3號煤間距30.5m，4號煤有明顯的三層結(jié)構(gòu)，頂部以碎裂煤為主，底部為碎粉煤，中間煤巖呈碎裂煤至碎粉煤過渡狀態(tài)；6號與4號煤間距67.5m(表1)。

選取2號、3號、4號煤頂?shù)装宀糠謳r心進行力學性質(zhì)分析(表2)。數(shù)據(jù)顯示，炭質(zhì)泥巖與細砂巖主要力學參數(shù)有差異，但不顯著。換言之，與構(gòu)造軟煤相比較，主力煤層頂?shù)装逅樾紟r抗變形力學參數(shù)差異較小。

表1 HC1井揭示煤層主要參數(shù)表

表2 參數(shù)井頂?shù)装鍘r石力學性質(zhì)試驗成果表

限于工作條件，沒有對該井煤系層巖石進行三軸應力測試、分析，但通過區(qū)域地質(zhì)資料分析，以及礦區(qū)野外構(gòu)造解析成果，初步判斷礦區(qū)煤系層主壓應力方向為近南北向。

2 射孔壓裂方案

2.1 射孔方案

該井3號煤及其以上固井質(zhì)量不合格，3號煤底板及其以下固井質(zhì)量合格。鑒于區(qū)域龍?zhí)督M構(gòu)造軟煤的特點，選擇盡量避開煤層，針對煤層頂?shù)装寮皧A矸射孔、壓裂方案。采用電纜輸送橋塞+射孔聯(lián)作的工藝技術(電纜輸送可鉆式橋塞及射孔槍到橋塞坐封位置后點火坐封橋塞，上提射孔槍至射孔位置進行射孔)，射孔器材選擇102型射孔槍，裝填127型深穿透射孔彈，以標準孔密度16孔/m，按照初始相位角60°螺旋布孔對目標層段進行射孔。橋塞坐封位置要求避開套管結(jié)箍，距離套管結(jié)箍位置2m以上，并盡量選擇固井質(zhì)量合格的井段。

射孔目標煤層：2號、3號、4號和6號煤。具體地，6號煤選擇煤層底部0.5m+底板細砂巖2.0m，累計射孔厚度2.5m；4號煤選擇煤層1.4m+底板細砂巖2.0m，累計射孔厚度3.4m(煤層段孔密8孔/m)；3號煤選擇頂板泥巖2.0m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m+底板細砂巖1.0m，累計射孔厚度4.0m；2號煤選擇頂板炭質(zhì)泥巖1.0m+炭質(zhì)泥巖夾矸0.5m，累計射孔厚度1.5m。

2.2 壓裂方案

采用活性水作為壓裂液：清水+1.0%KCl+0.05%殺菌劑，性能指標要求密度<1.1g/cm3，防膨率≥85%。壓裂支撐劑采用石英砂，先泵入20～40目的中砂，后再采用16～20目的尾追粗砂，粗砂與中砂的使用比例為1:3。

壓裂砂比統(tǒng)一按照11.5%配比進行，施工過程中依據(jù)壓力變化情況，可適當對施工排量和施工砂比進行調(diào)整。同時，選擇3號、6號煤進行壓裂微地震裂縫監(jiān)測。

2.3 施工程序

采用電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯(lián)作的壓裂工藝方案，對4段壓裂目標進行橋塞坐封及射孔作業(yè)(壓裂4層，橋塞封隔3段)。壓裂施工程序如下：

(1)對6號煤層段實施射孔和壓裂：電纜輸送射孔槍，按照壓裂設計要求完成6號煤層段射孔作業(yè)，射孔結(jié)束后將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂6號煤層段。

(2)對4號煤層段實施射孔和壓裂：6號煤層段壓裂結(jié)束后，采用電纜輸送方式將壓裂橋塞和射孔槍聯(lián)作工具輸送至第1段橋塞坐封位置后點火坐封，對6號煤層段進行封隔，上提射孔槍至4號煤層段進行射孔，將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂4號煤層段。

(3)重復上述第二步驟，依次完成3號煤層段和2號煤層段的射孔和壓裂施工。

3 壓裂施工

為了更好了解儲層相關參數(shù)，獲得、調(diào)整更加有針對性的壓裂方案，選取6號、3號煤分別進行小型測試壓裂施工(小壓)，分析、求取裂縫延伸壓力、閉合壓力、閉合時間、液體效率等重要參數(shù)(圖1)。

圖1 煤層氣參數(shù)井小型測試壓裂施工曲線圖

6號煤壓裂施工初期快速提液階段，井口壓力快速上升，隨即井筒附近巖石發(fā)生第一次破裂。當前置液提升至7m3/min左右時，井口壓裂迅速增至25MPa以上，巖層產(chǎn)生第二次破裂。半小時后，排量提至8m3/min，開始加砂并逐步提高砂比，井口壓裂隨著砂比的遞增逐漸增大。最終，6號煤壓裂施工總液量583.87m3，其中前置液221.02m3，攜砂液353.44m3，頂替液9.41m3；累計加砂37.92m3(20/40目25.97m3、16/20目9.41m3)，段塞加砂量2.54m3，最高砂比20.93%，平均砂比10.66%；最高施工壓力25.17MPa，停泵瞬時壓力19.26MPa，最終壓力穩(wěn)定在13.44MPa(圖2)。

4號煤壓裂施工曲線與6號較為接近，可能由于煤層厚度偏薄，底板射開厚度相對偏大(底板射孔厚度2.8m)，再加上清水攜砂能力差等因素，施工過程中出現(xiàn)加砂困難、砂堵等現(xiàn)象。最終4號煤壓裂施工總液量626.69m3，其中前置液159.75m3，攜砂液460.80m3，頂替液9.14m3；累計加砂24.57m3(20/40目16.50m3、16/20目6.55m3)，段塞加砂量1.52m3，最高砂比13.96%，平均砂比5.99%；最高施工壓力36.83MPa，停泵瞬時壓力19.69MPa，最終壓力穩(wěn)定在13.86MPa(圖2)。

3號煤與2號煤的射孔壓裂施工基本按照設計進行(表3、圖2)。

圖2 煤層氣參數(shù)井壓裂施工曲線圖

表3 參數(shù)井壓裂施工主要參數(shù)表

四層煤累計總液量2514.80m3，其中累計前置液808.97m3，攜砂液1506.76m3，頂替液32.51m3； 累計加砂量141.99m3，其中20/40目砂共97.41m3、16/20目砂共35.77m3，段塞累計8.81m3。

4 效果淺析

從6號煤與3號煤小壓施工曲線上，看不出兩者明顯的差異，破裂點排列整體無序，推測小壓施工不足以在頂?shù)装寮皧A矸營造出延伸一定范圍的裂縫體系，大部分的壓裂液沿著煤層與頂?shù)装褰佑|面突進或進入煤層。初比較，盡管3號煤層與6號煤層小壓累計排量差不多，但前者的最高施工壓力20.14MPa，遠小于后者的27.54MPa；而且6號煤停泵壓力略大于3號煤停泵壓力，但前者停泵后壓力遞減相對緩慢，折射出煤儲層壓力、厚度、滲透率等方面的差異影響，同時射孔方式的不同對壓降的影響也是不可忽視的重要因素。

除了煤層厚度的因素，6號煤與4號煤煤體結(jié)構(gòu)大體相當，煤層頂?shù)装鍘r性基本一致，壓裂施工曲線變化也表現(xiàn)出較為相似的一面。從壓力、液量曲線初步判斷，6號煤與4號煤初次破裂、再次破裂發(fā)生節(jié)點、間隔較為接近，但從初次破裂的井口壓力數(shù)據(jù)看，4號煤破裂壓力明顯比6號煤大，這可能與煤層底板射孔厚度有直接關系；結(jié)合煤層及其底板巖石特征分析，二次破裂裂縫可能主要是在6號煤、4號煤底板細砂巖中延伸，但前者延伸范圍可能明顯較后者小；壓裂施工過程中，4號煤層段巖層發(fā)生多次破裂的曲線響應特征更清晰。

從微地震數(shù)據(jù)來看，6號煤壓裂主裂縫清晰地呈現(xiàn)為NNW方向，與推斷龍?zhí)督M主應力方向近南北向較為吻合。根據(jù)微地震檢測結(jié)果初步推測，6號煤有效裂縫改造范圍大致為210m×120m，壓裂效果較好；推測4號煤裂縫主方向與6號煤相同，主裂縫延伸長度及裂縫波及范圍可能更大，但由于4號壓裂過程中砂比偏低，加砂量低于預期，有效裂縫分布范圍可能小于預期(圖3)。

(圖中雙圈為檢測點，黑點為檢測破裂位置，坐標原點為井口位置)圖3 小型測試壓裂施工微地震檢測圖(單位：m)

(圖中雙圈為檢測點，黑點為檢測破裂位置；坐標原點為井口位置)圖4 壓裂施工微地震檢測圖(單位：m)

3號煤與2號煤厚度較大，有夾矸，壓裂施工壓力曲線隨排量變化形態(tài)較為相似。3號煤壓裂排量上升至7m3/min時，井筒周圍巖層隨后發(fā)生初次破裂，穩(wěn)排量過程中，井口壓力遞減；2號煤累計射開厚度遠小于3號，壓裂初期井口壓力變化與排量之間響應關系稍明顯，但清晰的巖層破裂后曲線形態(tài)變化與3號煤施工曲線基本一致。整體上，3號煤、2號煤井口壓力與砂比、排量之間響應不明顯，壓裂施工進展順利。

3號煤壓裂微地震檢測結(jié)果與6號煤較為接近(圖4)，主裂縫方向仍然是NNW向，但二者間存在細微的差異。依據(jù)微地震檢測圖初步判斷，3號煤壓裂裂縫波及范圍210m×130m，即3號煤在垂直主裂縫方向壓裂改造效果更好一些；6號煤主裂縫軌跡及其方向更加清晰，主裂縫可能更多地出現(xiàn)在煤層底板，而3號煤主裂縫脈絡相對模糊些，與射孔方式、射開地層巖性、煤層厚度等因素有一定關系，3號煤停泵后壓力短時間的快速恢復也說明這一點。

直觀上，6號煤壓裂效果優(yōu)于3號煤，后者在壓裂施工過程中，大部分前置液與攜砂液進入煤層，影響其頂?shù)装寮捌鋳A矸層的預期改造效果。2號煤射孔方式較3號煤更為簡單，壓力曲線與排量數(shù)據(jù)對應關系更為清晰，壓裂效果總體上要優(yōu)于3號煤。4號 煤及其底板的裂縫改造效果最好，但由于低砂比可能影響底板裂縫的有效支撐，4號煤總體壓裂效果可能要打折扣。初步認為，參數(shù)井6號、4號煤改造效果最好，2號煤次之，3號煤最差。

總體上，該井四層煤的水力壓裂施工按照設計要求進行。通過煤層頂?shù)装寰懊簩訆A矸的壓裂改造，人為地擴大與改善頂?shù)装辶芽p與煤層的接觸范圍，煤儲層與井筒間建立良好的煤層氣運移通道，初步獲得較好的壓裂改造效果。

該煤層氣井于2018年2月6日排采，排采初期便見套壓，連續(xù)排采5個月后日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1200m3左右。初步認為，HC1井射孔、壓裂設計針對性較強，達到預期效果，為今后湖南煤層氣實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)邁出關鍵一步。

電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯(lián)作工藝技術對煤層氣直井改造針對性強，大大提高多煤層射孔壓裂作業(yè)效率，但限于條件，HC1井主力儲層主要參數(shù)與數(shù)據(jù)(含氣性、滲透性、壓力等)沒有取全，將影響區(qū)域多煤層煤層氣勘探開發(fā)潛力綜合評價，也為該井今后排采作業(yè)不同階段的針對性分析與認識帶來不便。