新疆阜康礦區(qū)X井臺(tái)煤層氣井儲(chǔ)層壓裂改造簡(jiǎn)析

張 軍

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830009)

阜康礦區(qū)煤層氣井的增產(chǎn)主要靠?jī)?chǔ)層改造，而儲(chǔ)層改造的主要工程手段為水力加砂壓裂。現(xiàn)對(duì)阜康礦區(qū)X井臺(tái)四口定向井儲(chǔ)層壓裂改造效果簡(jiǎn)析，指導(dǎo)本礦區(qū)及其他區(qū)塊煤層氣井儲(chǔ)層改造工程工藝。

1 地質(zhì)特點(diǎn)

1.1 地質(zhì)構(gòu)造情況

阜康礦區(qū)X井臺(tái)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，區(qū)內(nèi)煤層呈南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻鼥|西向，地層傾角45°～53°，含煤地層在走向上和傾向上變化不大，工作區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度劃分為簡(jiǎn)單構(gòu)造類(lèi)型。

1.2 煤層情況

礦區(qū)內(nèi)煤層發(fā)育，目的煤層位于侏羅系下統(tǒng)八道灣組下段(J1b1)，共含煤8層，其中以42號(hào)、41號(hào)和39號(hào)煤層為本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的目的層，開(kāi)發(fā)深度為520～1200m。煤層為湖沼相沉積的腐植煤，熱演化程度低，鏡質(zhì)組反射率：42號(hào)煤平均0.70%、 41號(hào)煤平均0.85%、 39號(hào)煤平均0.90%，屬低煤階(長(zhǎng)焰煤-氣煤)。

1.3 主力煤層厚度及含氣量

(1)煤層厚度

39號(hào)煤：4.16～14.93m，平均10.52m；41號(hào)煤：4.75～10.31m，平均7.31m；42號(hào)煤：8.67～22.39m，平均18.32m。39號(hào)煤與41號(hào)煤的間距為13.19～24.15m，41號(hào)煤與42號(hào)煤的間距為24.91～35.66m。

(2)含氣量

39號(hào)煤測(cè)試平均含氣量6.9～9.08m3/t；41號(hào)煤測(cè)試平均含氣量4.33m3/t；42號(hào)煤測(cè)試平均含氣量4.46～10.94m3/t。

1.4 主力煤層等溫吸附特征

本區(qū)域煤層具有較高的吸附氣量和較強(qiáng)的吸附能力，其中41號(hào)煤蘭氏體積33.45m3/t、蘭氏壓力2.48MPa，42號(hào)煤蘭氏體積34.60m3/t、蘭氏壓力2.52MPa。

1.5 主力煤層割理發(fā)育情況

主力煤層39號(hào)煤、41號(hào)煤、42號(hào)煤割理較發(fā)育～發(fā)育，連通性中等～好,孔隙度3%～8%。

1.6 煤巖特征

主力煤層宏觀煤巖成分大致相同，類(lèi)型為半亮型煤～半暗型煤，顯微組分顯示有機(jī)質(zhì)含量89.9%～92.4%，粘土礦物含量6.2%～9.0%，測(cè)井GR值結(jié)果：39號(hào)煤4～13API；41號(hào)煤10～23API；42號(hào)煤5.3～27API，整體說(shuō)明煤層煤質(zhì)較純，有機(jī)質(zhì)含量高，泥質(zhì)含量低。

1.7 煤體結(jié)構(gòu)及夾矸情況

(1)煤體結(jié)構(gòu)

根據(jù)取芯測(cè)試及測(cè)井曲線數(shù)據(jù)顯示：煤層的密度較低、井徑規(guī)則，煤體結(jié)構(gòu)較好、煤硬度大。

(2)夾矸情況

39號(hào)煤夾矸0～4層，粉砂巖、碳質(zhì)泥巖，41號(hào)煤夾矸0～4層，粉砂巖，42號(hào)煤夾矸0～3層，粉砂巖。

1.8 頂?shù)装鍘r性及含水情況

39號(hào)煤層頂板巖性為中細(xì)砂巖、礫巖，可能含水；底板巖性是粉砂巖，為隔水層。

41號(hào)煤層板巖性是粉砂巖、細(xì)砂巖，為隔水層；底板巖性是砂巖，為隔水層。

42號(hào)煤層板巖性是粉砂巖、細(xì)砂巖，為隔水層；底板巖性是粉砂巖、中砂巖，為隔水層。

1.9 儲(chǔ)層溫度及壓力情況

井溫測(cè)試結(jié)果：地溫梯度在3.0℃/100m左右，主力煤層溫度15.6～36℃；注入壓降結(jié)果：儲(chǔ)層壓力梯度9.42～9.56×103MPa/m，接近靜水壓力；主力煤層儲(chǔ)層壓力：4.90～11.30MPa。

2 壓裂情況

2.1 井位部署

煤層氣田直井的布井方式通常采用矩形井網(wǎng)(正方形為其特殊形式)和梅花型井網(wǎng)。此次X井臺(tái)采用了梅花型井網(wǎng)布井(圖1)。39號(hào)、41號(hào)、42號(hào)、44號(hào)煤層儲(chǔ)層物性及流體性質(zhì)、壓力系統(tǒng)、構(gòu)造形態(tài)基本一致，煤層厚度大，含氣量高，均為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。其中42號(hào)煤層試采成果也證實(shí)了這套煤層具有較好的產(chǎn)氣能力，本次X井田四口煤層氣井選擇其中最有利的一層或者數(shù)層進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖1 井位示意圖(井距250～300m)

2.2 壓裂施工參數(shù)

優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂對(duì)儲(chǔ)層的高效改造，具體施工參數(shù)如下。

① 裂縫規(guī)模：100～120m。

② 前置液量：總液量的40%～50%。

③ 壓裂液總量：活性水約1500m3。

④ 注入方式：光套管注入。

⑤ 施工排量：活性水施工排量10～12m3；階梯式提升排量。

⑥ 加砂量及砂比：砂比9%～11%，單層砂量50～70m3；階梯式提升砂比，楔形加砂。

⑦ 支撐劑類(lèi)型：支撐劑的粒徑：40～70目中細(xì)砂、20～40目中砂、16～30目覆膜變形砂。中細(xì)砂用于前置液中對(duì)裂縫進(jìn)行打磨和降濾；中砂用于攜砂液，主要用于支撐裂縫；覆膜變形砂用于增加近井筒地帶裂縫導(dǎo)流能力及防治支撐劑回流。

2.3 壓裂施工情況

按照壓裂施工參數(shù)總體進(jìn)行了X井臺(tái)4口井共計(jì)9次壓裂工作(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)，除X-3井41號(hào)煤未達(dá)到設(shè)計(jì)要求支撐劑量，其他均到達(dá)設(shè)計(jì)要求支撐劑量。

表1 X井臺(tái)煤層氣井壓裂施工情況一覽表

2.4 壓后放噴情況

X井臺(tái)4口井壓裂施工完成后均進(jìn)行了壓后放噴工作，放噴數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 X井臺(tái)煤層氣井壓后放噴情況一覽表

3 排采情況

經(jīng)過(guò)近半年的生產(chǎn)，X井臺(tái)4口井均產(chǎn)氣，除X-2井外，其余3口井日產(chǎn)量均超過(guò)1000m3/d，具體產(chǎn)氣情況見(jiàn)表3。

表3 X井臺(tái)煤層氣井生產(chǎn)情況一覽表

4.壓裂分析

4.1 X-1井壓裂42、41號(hào)煤層

(1)42號(hào)煤層

42號(hào)煤層射開(kāi)6m，活性水壓裂總液量1553m3、總砂量69m3，每米射孔段液量259m3、砂量11.5m3，平均砂比8.2%，攜砂液階段施工壓力34.63～40.15MPa，排量11m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量1.83m3/min(圖2)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)，并在加砂過(guò)程中多次上升，表明裂縫在向前端受限擴(kuò)展并多次在裂縫中形成砂橋后突破，但縫高正常，多裂縫發(fā)育。整體支撐劑鋪設(shè)效果一般，基本屬于連續(xù)鋪砂，裂縫遠(yuǎn)端鋪設(shè)差，近井地帶鋪設(shè)過(guò)多。

圖2 X-1井42號(hào)煤壓裂施工曲線圖

圖3 X-1井41號(hào)煤壓裂施工曲線圖

停泵壓力24.53MPa，30～45分鐘壓降至17.25MPa，30～45分鐘壓降7.28MPa，由于儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率較差，表明支撐裂縫溝通儲(chǔ)層體積大，整體儲(chǔ)層改造效果好。

(2)41號(hào)煤層

41號(hào)煤層射開(kāi)5m，活性水壓裂總液量1489m3、總砂量60m3，每米射孔段液量298m3、砂量12m3，平均砂比8.3%，攜砂液階段施工壓力26.69～34.12MPa，排量12m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量2.4m3/min(圖3)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)上升，并在加砂過(guò)程中持續(xù)上升，表明裂縫在向前端良好延伸，支撐劑鋪設(shè)好呈楔形鋪設(shè)，連續(xù)鋪砂，縫高正常，炮眼處同裂縫溝通順暢，且形成長(zhǎng)主縫。

停泵壓力19.67MPa，30～45分鐘壓降至15.39MPa，30～45分鐘壓降4.28MPa，儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率較差，但支撐裂縫長(zhǎng)且鋪砂好，整體儲(chǔ)層改造效果非常好。

4.2 X-2井壓裂42號(hào)煤層

42號(hào)煤層射開(kāi)4m，活性水壓裂總液量1513m3、總砂量68m3，每米射孔段液量328m3、砂量17m3，平均砂比7.39%，攜砂液階段施工壓力24.27～40.16MPa，排量12.5m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量3.13m3/min(圖4)，符合“大排量+大液量+大砂量”壓裂工藝，壓裂過(guò)程中總體壓力上升到后期突降，表明裂縫高度失控，可能溝通上部地層。

通過(guò)后期排采可知本井產(chǎn)水量高于本井臺(tái)其他3口井，判斷溝通了上部含水層，儲(chǔ)層壓力降無(wú)法向遠(yuǎn)端傳遞，產(chǎn)氣效果差。

4.3 X-3井壓裂42、41號(hào)煤層

(1)42號(hào)煤層

42號(hào)煤層射開(kāi)11m，活性水壓裂總液量1332m3、總砂量30m3，每米射孔段液量121m3、砂量2.7m3，平均砂比4.5%，攜砂液階段施工壓力38.08～44.48MPa，排量11m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量1m3/min(圖5)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)上升，并在加砂過(guò)程中數(shù)次上升，表明裂縫在向前端受限擴(kuò)展，前幾次在裂縫中形成砂橋后突破，最后一次未形成突破造成砂堵，但縫高正常。整體支撐劑鋪設(shè)效果差，段塞式加砂，鋪砂不連續(xù)，裂縫遠(yuǎn)端鋪設(shè)差，近井地帶鋪設(shè)一般。整體儲(chǔ)層改造效果一般。

圖4 X-2井42號(hào)煤壓裂施工曲線圖

圖5 X-3井42號(hào)煤壓裂施工曲線圖

圖6 X-4井42號(hào)煤下段壓裂施工曲線圖

停泵壓力28.72MPa，30～45分鐘壓降至18.54MPa，30～45分鐘壓降10.18MPa，儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率好，支撐裂縫差，整體儲(chǔ)層改造效果一般。

(2)41號(hào)煤層

41號(hào)煤層兩次壓裂施工，施工壓力高、排量小、基本未加砂，壓裂施工未達(dá)到目的。

4.4 X-4井壓裂42、41號(hào)煤層

(1)42號(hào)煤層

42號(hào)煤層下段，射開(kāi)6m，活性水壓裂總液量766m3、總砂量16m3，每米射孔段液量128m3、砂量2.7m3，平均砂比4.2%，攜砂液階段施工壓力38.68～44.68MPa，排量11m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量1.83m3/min(圖6)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)，并在加砂過(guò)程中數(shù)次上升，表明裂縫在向前端受限擴(kuò)展并數(shù)次在裂縫中形成砂橋，前幾次突破砂橋但最后一次未突破形成砂堵，縫高正常，炮眼處同裂縫溝通不暢存在扼流效應(yīng)。整體支撐劑鋪設(shè)效果差，段塞式加砂，鋪砂不連續(xù)。

圖7 X-4井42號(hào)煤上段壓裂施工曲線圖

圖8 X-4井41號(hào)煤上段壓裂施工曲線圖

停泵壓力29.58MPa，30～45分鐘壓降至18.19MPa，30～45分鐘壓降10.18MPa，儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率較好，支撐裂縫溝通儲(chǔ)層體積小，整體儲(chǔ)層改造效果差。

42號(hào)煤層上段，射開(kāi)5m，活性水壓裂總液量762m3、總砂量40m3，每米射孔段液量152m3、砂量8m3，平均砂比8.8%，攜砂液階段施工壓力34.53～35.79MPa，排量11m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量2.2m3/min(圖7)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)微升，裂縫正常向遠(yuǎn)端延伸形成長(zhǎng)主縫，縫高正常。整體支撐劑鋪設(shè)效果好，連續(xù)鋪砂，鋪砂效果好。

停泵壓力21.34MPa，30～45分鐘壓降至16.45MPa，30～45分鐘壓降4.89MPa，儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率一般，支撐裂縫溝通儲(chǔ)層體積大，整體儲(chǔ)層改造效果好。

(2)41號(hào)煤層

41號(hào)煤層射開(kāi)3m，活性水壓裂總液量1382m3、總砂量67m3，每米射孔段液量460m3、砂量22.3m3，平均砂比9%，攜砂液階段施工壓力25.46～29.61MPa，排量12.5m3/min，每米射孔段平均進(jìn)液排量4.17m3/min(圖8)，壓裂過(guò)程中總體壓力平穩(wěn)，裂縫正常向遠(yuǎn)端延伸形成長(zhǎng)主縫，縫高正常。整體支撐劑鋪設(shè)效果好，連續(xù)鋪砂，鋪砂效果好。

停泵壓力13.41MPa，30～45分鐘壓降至11.11MPa，30～45分鐘壓降2.30MPa，儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率差，支撐裂縫溝通儲(chǔ)層體積大，整體儲(chǔ)層改造效果好。

5 結(jié)論

(1)水力壓裂是阜康礦區(qū)煤層氣井獲得高產(chǎn)的有效儲(chǔ)層改造工藝。

(2)X井臺(tái)采用的“活性水+大排量+大液量+大砂量+低砂比”適用于阜康礦區(qū)及類(lèi)似的大厚度、低孔滲、煤體結(jié)構(gòu)好的區(qū)塊。

(3)對(duì)于阜康礦區(qū)的淺井，要注意裂縫控高，避免溝通上部含水層。