鄂爾多斯盆地東緣柳林地區山西組煤儲層壓裂工藝研究

林亮 劉勇

摘要：壓裂工藝是煤層氣開發中的關鍵技術之一。中聯煤層氣有限責任公司承擔國家科技重大專項項目?—“鄂爾多斯盆地石炭-二疊系煤層氣勘探開發示范工程”，已經在柳林區塊內開展了大量現場工作。利用區內80口煤層氣井山西組煤層壓裂施工資料，結合相關生產數據，對比分析典型井壓裂施工效果，優選了壓裂方式。研究表明，活性水加砂壓裂是較適合柳林地區山西組煤層氣井的增產改造措施。

關鍵詞：柳林區塊;煤層氣;壓裂;活性水;

1區域地質背景

河東煤田處在黃河東岸——呂梁山西坡的南北向構造帶上，屬于李四光指出的“黃河兩岸南北向構造帶”的東岸部分。煤田總體上是一個基本向西傾斜的單斜構造，屬于呂梁復背斜西翼的一部分，在單斜上又發育次一級的褶曲和經向或新華夏系的斷裂構造。

2 壓裂方式

目前多煤層的煤層氣井壓裂方式主要有合壓和分壓兩種，通過對柳林地區前期壓裂方式進行統計，投球分壓技術好于合壓技術，從壓裂效果來看，投球壓裂施工過程中，大多數井投球前后壓裂施工壓力變化比較明顯，甚至出現了明顯的破裂點，以XXX-06井投球壓裂為例，該井3號、4號煤層破裂壓力20.15MPa，投橡膠封堵球35個壓開5號煤層，5號煤層破裂壓力24.26MPa，投球前后壓力變化明顯。

3 壓裂液

中聯公司施工的80口壓裂井，壓裂液都為活性水壓裂液，并添加1%的KCl作為粘土膨脹抑制劑和0.05%的殺菌劑，壓裂效果比較明顯。泡沫壓裂液攜砂能力強，對煤儲層的傷害低，但目前國內泡沫壓裂技術條件有限且成本很高，目前在柳林地區沒有應用。氣體增能壓裂技術（CO2伴注）在柳林地區的FL-EP8和FL-EP9中進行了現場應用，但成本高，增產效果不明顯。

綜合考慮各種因素，選擇活性水壓裂液為柳林地區首選壓裂液。壓裂液配方為：清水+1%KCl+0.05% YT-1。

4支撐劑

氣井壓裂常用的支撐劑有石英砂、陶粒（實心、空心、多孔）、玻璃球、鋁球、樹脂包層砂等，類型選擇主要考慮其強度和成本。柳林地區煤層閉合壓力為6～16MPa，對支撐劑強度要求不高，從降低成本和便于活性水壓裂液輸送的角度考慮，選擇價格適宜的蘭州石英砂作為支撐劑，其強度完全符合該區煤儲層壓裂施工的要求。柳林地區煤層氣井壓裂采用合適粒度組合的石英砂支撐劑，如先泵入20～40目的中砂，再泵入12～20目粗砂，粒徑較大的石英砂將使近井范圍的裂縫具有較高的導流能力。

5 壓裂規模

總的來說，柳林地區前期的加砂規模及砂比并不高，同時由于煤儲層相對比較軟，石英砂極易被嵌入，降低了石英砂的支撐效果;另一方面，石英砂具有很強的磨細作用，容易產生大量的煤粉，運移后一起充填到中粗砂空隙中，從而降低壓裂改造效果。為此，后期在該區進行壓裂施工時，適當提高了加砂規模及砂比，平均砂比達到15%，每米加砂規模不低于8 m3/m。

6 施工排量

為了有效提高壓裂液的造縫效果，提高壓裂加砂規模和砂比，實現造長縫和寬縫效果，后期將施工排量設計提高到不低于7m3/min，并且所有井的設計都采用光套管注入、大排量壓裂技術，除個別井出現暫時性的砂堵外，均順利完成壓裂。

7 降濾失工藝

考慮到有機高分子添加劑對煤儲層的傷害較大，因此壓裂中都采用前置液加砂降濾失工藝，在煤層前置液壓裂中加入70～100目的粉砂作為降濾失劑。粉砂的滲透率遠遠高于試驗區煤層的原始滲透率，壓裂70～100目的粉砂可以充填天然裂縫，降低壓裂液的濾失，壓裂后這些天然裂縫受粉砂的支撐不能重新閉合，從而可提高目標煤層的滲透性，適合柳林區塊煤層壓裂的地質條件。

8 典型井施工分析

XXX-1D井為定向井，2012年3月壓裂，壓裂層位山西組煤層，射孔位置平面投影距離井口約150米，注入方式為套管注入，采用投球分層壓裂工藝。先用活性水灌滿井筒，做小型測試壓裂，小型測試采用階梯升排量法，最大排量8m3，最大壓力20.50Mpa，測壓降60min，壓力降至13.43Mpa。該井3號煤層破裂壓力23.70MPa，3號煤層施工壓力穩定在22.00Mpa左右，第一層加砂按設計順利完成。

第一層壓裂完成后，打投球液并投橡膠封堵球102個封堵3號煤層，計劃壓開4號、5號煤層。4號、5號煤層破裂壓力25.83MPa，施工壓力穩定在22.70MPa左右，當壓裂作業進行到143分鐘時，距離施工井口西南方向約30米處發生壓裂液攜煤塊、石英砂噴涌出地面的異常情況，隨之加砂尾追1.18-0.85mm石英砂3m3，打頂替液6m3后停止施工。停泵壓力14.45MPa，壓后測壓降92min降至11.45Mpa，加砂量總計44.81m3，完成設計砂量的82.98%。

研究區域資料后，發現井口附近有一口山西煤田地質局148隊于1989年施工的煤田勘探孔，孔號19，終孔深度676.89m，全孔取芯，終孔層位入O2 16.93m。

通過分析數據，XXX-1D井（定向井）的壓裂煤層平面投影距離19號煤田勘探孔（直井）對應的煤層平面投影直線距離約114米，表明在壓裂過程中隨著主裂縫的形成和不斷擴大，當裂縫延伸114米到19號孔處，由于該孔可能存在的封孔問題，壓裂液攜煤粉沿原有的裸眼段噴涌出地面，此次壓裂施工從側面上表明已有的壓裂方案在柳林區塊有較好的造縫能力，最大主應力方向上主裂縫延伸長度超過100米。

9 結論

活性水壓裂改造技術能改善儲層的滲透性以及與井筒的連通性，提高單井產量;壓裂產生的裂縫可以通過改變井眼周圍和儲層中的滲流模式，提高“有效井眼半徑”，擴大泄流面積;壓裂還可以在一定程度上消除鉆井施工對近井帶儲層的傷害。該壓裂工藝技術適應性廣，尤其是低壓低滲煤層，大多采用這種增產措施。綜合分析柳林地區的地質條件、煤層特征和開采因素，認為活性水加砂壓裂技術較適合柳林區塊的煤地質條件，是該地區煤層氣井增產改造的首選技術

參考文獻：

[1] 劉新社，席勝利，周煥順.鄂爾多斯盆地東部上古生界煤層氣儲層特征[J].煤田地質與勘探，2007，35（1）