大佛寺井田煤層氣井壓裂參數優化方案

馬東民，王傳濤，夏玉成，張嘉睿，邵 凱，楊 甫

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安710054；2.西安科技大學煤炭綠色開采地質研究院，陜西西安710054；3.陜西新泰能源有限公司，陜西咸陽712000；4.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安710021）

0 引 言

大佛寺井田自2009年以來實施地面煤層氣開發試驗，多口煤層氣試驗井排采結果顯示井田低煤階煤具有較好的產氣潛力［1-2］。大佛寺井田2014年所推行的“26+1”（26口直井及1組多分支水平井的地面煤層氣開發工程）項目中多數煤層氣井產氣量不穩定，高產井較少，認為儲層改造措施不夠完善。

合理選擇儲層改造措施以及工程參數對煤層氣井后續產氣量有著重大的影響［3］。壓裂是強化儲層行之有效的措施之一，目前使用最多的壓裂方式是水力壓裂［4-7］。為提高煤儲層水力壓裂效果，許多學者針對壓裂技術和壓裂參數優化設計做了大量研究。Wu等提出了“體積壓裂技術”，討論了其內涵、優化及應用，并指出改進的體積壓裂技術是未來非常規資源的應用方向［8］；Liu等運用有限元法對不同宏觀煤巖類型中的水力壓裂裂縫進行了檢測，監測結果顯示，光亮煤中裂縫受煤巖限制，暗淡煤中的主裂縫高度通常大于暗淡煤厚度［9］；張勇年等在研究煤層氣水平井壓裂參數影響因素時，基于數值模擬方法，通過分析壓裂裂縫條數、長度、間距和分布規律對產能的影響，提出水平井裂縫參數優化方案，優化后增產效果明顯［10］；Roussel NP等在研究多裂縫水平井壓裂時，討論了連續壓裂、交替壓裂和相鄰井同時壓裂3種壓裂次序對水平井產能的影響，結果表明交替壓裂更有利于增產［11］；李春等根據厚度、壓力和孔滲特征等儲層參數提出了壓裂施工改造方案，最終提出了適用于沁南地區的壓裂液體系、支撐劑組合等施工參數［12］。

前人從壓裂技術、壓裂參數和壓裂次序等方面討論了壓裂施工工藝的改進或優化，研究多側重于水平井壓裂施工，針對某一壓裂參數或某一地區特定的儲層條件進行優化設計。對于煤層氣直井而言，井位確定之后，壓裂效果由施工排量、壓裂液用量、加砂強度以及砂比等多種工程因素共同控制［13-15］。文中在統計并分析大佛寺井田采用水力壓裂增產技術的24口直井各施工參數的基礎上，提出了與之配套的壓裂工藝的優化方案，相關工程參數的合理優化，對大佛寺井田煤層氣井后期產能的提高具有重大意義。

1 煤層氣井產氣現狀

礦區大佛寺井田“26+1”項目中采用水力壓裂技術增產的24口直井產氣效果差異性較大（表1）。除 DFS-45井、DFS-105井以及 DFS-153井對4#煤、4上煤均進行了壓裂之外，其余直井僅對4#煤進行了壓裂。其中，DFS-C01井、DFS-128井、DFS-134井以及DFS-148井平均日產氣量已超過1000 m3，DFS-133井平均日產氣量已超過 2 000 m3；DFS-62井、DFS-67井、DFS-117井、DFS-120井、DFS-151井以及DFS-153井已停井；其余煤層氣直井平均日產氣量在200～700 m3之間。總體來講，多數煤層氣井解吸后產氣量不斷持續增大，初步顯示出較好的產氣效果。

表1 大佛寺井田水力壓裂直井產氣情況Table 1 Gas production of verticalwells in DafosiM inefield

2 煤層氣井壓裂施工參數

水力壓裂主要是利用地面設備將壓裂液在大排量條件下注入井內，壓開煤層裂縫，加入支撐劑并形成滲流帶，溝通煤層裂隙，通過排水、降壓，促使煤層氣解吸，達到正常排氣的目的。

2. 1 壓裂液和支撐劑的選擇

煤層氣井常用的壓裂液見表2［16-17］。考慮到大佛寺井田煤巖吸附性強、濾失大、規模大及壓力系數低等特征，低傷害、低成本的活性水壓裂液更為適用。其配方為：清水+1%KCl+0.05%殺菌劑。

表2 不同壓裂液性能特征Table 2 Performance characteristics of different fracturing fluids

支撐劑類型的選擇主要考慮其強度和成本。由于大佛寺井田煤層閉合壓力低于10 MPa，對支撐劑的強度要求不高，從降低成本和便于活性水壓裂液輸送的角度考慮，所有目標層壓裂均采用單顆粒抗壓強度為60～70 MPa的石英砂（視密度1.60 g/cm3，密度 2.67 g/cm3，濁度 77.6）作為壓裂支撐劑。在壓裂增產技術中使用20～40目的中粒石英砂和16～20目的粗粒石英砂作為支撐劑，使用比例約為3∶1.先泵入20～40目的中砂，后再采用16～20目的尾追粗砂。20～40目支撐劑深穿透煤層能力強，16～20目支撐劑將使近井范圍的裂縫具有較高的導流能力。

2. 2 施工排量、加砂強度、平均砂比與施工壓力

煤層氣井壓裂與油井壓裂不同，煤層存在大量的天然割理系統，使得其一個突出的特點是壓裂液濾失量大、液體效率低［18-20］。為了提高液體效率，必須要求煤層的壓裂排量要足夠大，因此大佛寺井田煤層氣井采用了套管注入大排量的施工方式，施工排量在5～9 m3/min之間，多數煤層氣井施工排量為8～9 m3/min.

考慮到井田內煤層厚度大、埋藏淺、滲透性較好等特點，壓裂施工的加砂強度為：目的煤層厚度大于12 m，加砂強度7 m3/m；目的煤層厚度10～12 m，加砂強度8 m3/m；目的煤層厚度8～10 m，加砂強度9 m3/m；目的煤層厚度小于8 m，加砂強度10 m3/m.DFS-71井與DFS-135井兩口井由于第1次施工過程中出現復雜情況，都進行了二次壓裂；最終DFS-71井、DFS-74井與DFS-84井三口井壓裂沒能完成加砂任務，其余井均已完成設計加砂任務。根據現場施工數據分析，平均砂比基本上在10%～13%之間。

通過對大佛寺井田24口直井27層煤的壓裂施工情況進行分析，結果表明，正常施工壓力均低于20 MPa，停泵壓力基本低于15 MPa，停泵1 h后的壓力下降很快，煤層氣井的井口壓力直接降到0或在幾個小時之內就降到0，這說明該地區煤層具有較好的滲透性，為煤層氣擴散、運移提供了有利條件。煤層滲透率大，壓裂液濾失量也較大，對壓裂施工造成一定影響。為此，在前置液施工階段增加1～2個細砂段塞，不僅起到降濾失的作用，同時也提高了壓裂液的造縫和攜砂的效率，減少了壓裂施工過程中施工砂堵的發生。

3 煤層氣井壓裂參數優化

3. 1 煤層氣井壓裂效果的影響因素

煤層氣井壓裂效果主要受煤儲層內部因素和壓裂施工參數的影響。儲層參數包括煤儲層含氣量、滲透率、儲層壓力、含氣飽和度、煤階和沉積環境等。壓裂施工參數包括壓裂液、支撐劑性能、施工排量、加砂強度和砂比等。儲層內部因素不可改變，因此，由實際地層條件來制定合理的壓裂設計方案，盡可能地改善裂縫導流能力，是壓裂施工的主要目的。

3.1.1 施工排量對壓裂效果的影響

煤層氣井壓裂施工排量的大小影響壓裂液的攜砂能力和壓裂裂縫的幾何形態。增加施工排量將不可避免地使裂縫凈壓力升高，從而引起壓裂裂縫幾何形態的變化，特別是對縫高影響最大。合理控制施工排量則有可能使壓裂裂縫限制在壓裂層中。

由于上述6口已停井的煤層氣井未顯示出穩產階段，只統計了目前處于生產過程中的18口直井的日均穩產量。對井田內不同施工排量下壓裂的煤層氣井日均產氣量以及穩定日均產氣量情況進行了統計分析（圖1），結果顯示，日均產氣量較大的煤層氣井，其施工排量在8～8.5 m3/min之間；施工排量為5～8 m3/min時，煤層氣井產氣量幾乎不受其影響。

3.1.2 壓裂規模對壓裂效果的影響

壓裂裂縫是煤層排水產氣的主要通道。加大壓裂規模，意味著進入煤層的外來物質增多，裂縫在長度、寬度及高度3個方向均有不同程度的延伸，尤其是長度方向。通常，壓裂效果與施工規模成正比，但是壓裂規模過大會使裂縫擴展到煤層頂底板，這樣容易溝通含水層，不利于排水降壓采氣，同時也會使煤體結構受到破壞，降低煤層滲透率。因此，壓裂液用量以及加砂強度的合理選擇對壓裂效果至關重要。

圖1 施工排量與日均產氣量和穩產量的關系Fig.1 Relationship between operational discharge average daily and steady gas production

前期施工加砂強度與煤厚相關，統計其與產氣量關系時，以12 m煤厚為界分別進行了統計。加砂強度和壓裂液用量與平均日產氣量和穩產量統計散點分布結果分別如圖2和圖3所示。結合排采報表等相關資料的統計分析得出：煤層厚度大于12 m時，產氣量較大的煤層氣井的加砂強度為5～7 m3/m；煤層厚度小于12 m時，產氣量較大的煤層氣井的加砂強度為8～9 m3/m.除DFS-133井外（產氣量好，壓裂液用量約為1 200 m3），其他產氣量較大的煤層氣井的壓裂液用量約為950～1 100 m3，施工效果較好。其余加砂強度及用液量對日產氣量影響較小。

3.1.3 砂比對壓裂效果的影響

砂比與縫內支撐劑的濃度及裂縫導流能力呈正相關關系。煤層楊氏模量較低，在實際生產過程中，支撐劑嵌入煤層將減小支撐劑裂縫寬度。增加砂比會給攜砂液的運移帶來困難，當支撐劑在裂縫中形成砂丘時易造成砂堵，影響壓裂施工，因此，需要綜合考慮合理選擇砂比和支撐劑使用比例。

大佛寺井田施工砂比和支撐劑使用比例與產氣量的關系如圖4和圖5所示。由圖可知，產氣量較大的煤層氣井砂比為10%～11%，支撐劑中中砂與粗砂的使用量比值為2～3.其它砂比及支撐劑使用比例，除DFS-C01井砂比約為17%時日產氣量較大外，對日產氣量影響均較小。

3. 2 壓裂施工參數優化方案

基于上述實際施工參數及其對壓裂效果影響的對比分析，大佛寺井田煤層氣直井壓裂施工參

數優化方案如下。

3.2.1 壓裂液與支撐劑

大佛寺井田煤中黏土礦物分布較廣，在壓裂過程中應考慮外來液體侵入造成黏土膨脹，從而導致煤儲層的傷害問題。KCl的加入對不同煤階儲層具有普遍、有效的積極作用，不僅能起到防膨作用，而且能增大液體與煤巖基質接觸后的接觸角，有利于外來液體的返排。考慮到施工成本與效果，建議使用活性水作為壓裂液，其配方為：清水+1%KC1+0.05%殺菌劑。

圖2 加砂強度與日均產氣量和穩產量的關系Fig.2 Relationship between sand strength and average daily and steady gas production

圖3 壓裂液用量與日均產氣量和穩產量的關系Fig.3 Relationship between fracturing fluid dosage and average daily and steady gas production

圖4 砂比與日均產氣量和穩產量的關系Fig.4 Relationship between sand ratio and average daily and steady gas production

圖5 支撐劑中砂/粗砂與平均日產氣量的關系Fig.5 Relationship betweenmedium sand/coarse sand and average daily gas production

大佛寺井田煤層閉合壓力較低，對支撐劑強度要求不高，從降低成本和便于清水壓裂液輸送的角度考慮，選擇價格便宜的石英砂作為支撐劑，其強度完全符合該區煤儲層壓裂施工的要求。

3.2.2 施工排量

通過對大佛寺井田煤層氣井的壓裂情況進行分析，日產氣量均值較大的井，施工排量在8～9 m3/min之間。實際施工過程中，施工砂堵經常發生，為了提高液體效率、壓裂液的造縫效果，將施工排量設計為8～10 m3/min，以滿足壓裂要求。研究區煤層的滲透性好，壓裂液濾失快，壓裂施工時應在前置液階段增加1～2個細砂段塞，用以降濾失、防砂堵，同時提高壓裂液的造縫和攜砂的效率。

3.2.3 用液量

用液量包括前置液量、攜砂液量和頂替液量。根據施工數據統計和壓裂分析總結表明，壓裂液用量在950～1 100 m3之間，施工效果較好。一般前置液量占總液量的25%～40%左右；攜砂液量由加砂量和砂比決定；頂替液的作用是將殘留在井筒中的攜砂液擠入地層裂縫當中，它是由井筒的進液管柱結構計算得來的，一般為6～7 m3.

3.2.4 加砂強度及砂比

通過對壓裂施工數據進行分析總結，結合大佛寺井田4#煤層厚度大、滲透性好等特點，建議壓裂施工的加砂強度為：煤層厚度大于12m時，加砂強度5～7 m3/m；煤層厚度小于12 m時，加砂強度8～9 m3/m.大佛寺地區煤層比較厚，壓裂難度較大，施工要求高，基于上文的分析，進行壓裂時建議砂比在10%～11%之間，支撐劑中中砂與粗砂的比值建議為2～3.

4 結 論

1）大佛寺井田24口使用壓裂增產技術的煤層氣直井產氣差異性較大，多數產氣井煤層氣解吸后產氣量不斷增大，部分井顯示出良好的產氣效果；

2）大佛寺井田煤層氣井產量主要受儲層內部因素和壓裂施工參數的控制，影響煤層氣產量壓裂施工參數主要包括施工排量、壓裂液用量、加砂強度、砂比以及支撐劑使用量等；

3）通過對排采數據和壓裂施工參數的統計分析，建議壓裂工藝優化方案如下：施工排量建議為8～10 m3/min；細砂段塞1～2個；壓裂液用量建議為950～1 100 m3（前置液占25%～40%）；加砂強度建議為5～7 m3/m（煤厚＞12 m）或8～9 m3/m（煤厚＜12 m）；砂比建議為10%～11%之間；支撐劑中中砂/粗砂為2～3.