鄭莊區塊二次壓裂煤層氣井低產原因及改進措施

侯安琪

(山西燃氣集團有限公司，山西 太原 030032)

沁水盆地南部鄭莊區塊是煤層氣規模化發展較成熟地區之一，前人針對研究區煤層氣井低產因素及增產措施開展了大量研究工作。但是，對二次壓裂增產效果影響因素研究較少。在前人研究的基礎上，筆者結合鄭莊區塊的地質及實際生產資料，對二次壓裂井低產原因進行分析，并給出了優化建議和其他行之有效的增產手段，指導鄭莊區塊煤層氣井實際生產開發[1-3]。

1 區域概況

鄭莊區塊位于沁水復式向斜的軸部南端，晉-獲褶斷帶西部，沁水盆地南緣東西-北東向斷裂帶的北部。區域地層自下而上為：上元古界震旦系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系(即新近系)及第四系。

該區塊總體上呈一傾向N～NNE的單斜構造，地層傾角為10°左右。井田構造以次級褶皺發育為特點，表現為寬緩、波幅不大的一系列波狀起伏，東南部還見零星分布的NE向、近EW向和NW向的小斷層。該區塊煤層氣開發主力煤層為3號煤，平均厚度5.5 m，平均埋深802.5 m，總體構造形態為一馬蹄形斜坡，北深南淺(圖1)，受封閉斷層控制，含氣量14.35～25.65 m3/t，平均含氣量20.3 m3/t。

圖1 鄭莊區塊3號煤總體形態

2 改造井低產原因分析

2.1 地質因素

2.1.1 位于兩翼較陡的向、背斜軸部

位于兩翼較陡的向、背斜軸部的煤層氣直井，二次壓裂效果普遍較差，一方面向斜軸部煤層底板及背斜軸部煤層頂部在構造應力的作用下張性裂隙發育，致使煤層氣易于擴散，含氣量較低，不利于煤層氣富集；另一方面，在這些區域地應力作用較強，水平主應力差值大，煤體結構在地應力作用下多為碎裂煤或糜棱煤，煤體碎軟低滲，這種煤儲層在水力壓裂(尤其是二次壓裂)過程中不利于造縫及裂縫的延伸。

以沁水盆地南部100口煤層氣二次壓裂井為例，二次壓裂后有增產效果的井80%位于寬緩向斜、背斜軸部及兩翼，增產范圍39～1 200 m3/d，平均增產316 m3/d；而二次壓裂后產氣效果差的煤層氣井多處于兩翼較陡的向、背斜軸部，減產范圍為48～720 m3/d，平均減產287m3/d。

2.1.2 位于陷落柱或斷層附近

陷落柱和斷層的存在使地層上下層位發生交錯溝通，煤儲層保存條件差，吸附在煤體孔裂隙中的氣體發生解吸擴散，導致儲層含氣飽和度降低。同時，煤層氣井再次壓裂，壓裂裂縫易擴展到鄰近斷層或者陷落柱，溝通上下含水層，造成排采階段持續大量產水，井底流壓無法降低，氣體不能從煤層中解吸出來，從而低產或不產氣。以鄭莊區塊鄰近陷落柱及斷層的8口井為例，J-01、J-02、J-03、J-04、J-07、J-08井靠近斷層，J-05、J-06井靠近陷落柱。J-01井二次壓裂前后產氣量變化很小，穩產后日均產水量4.3 m3/d；J-02井二次壓裂后產氣量下降79%，穩產后日均產水量5.7 m3/d；J-03、J-04、J-05、J-06、J-07、J-08井二次壓裂穩產后日均產水量分別為27、14、8.6、9.5、8.7和7.3 m3/d，產氣量降為0(圖1)。由此可見，煤層氣井產水量越大，產氣量越小，當煤層氣井產水量在5 m3/d以上時，產氣量大幅度降低，甚至為0。

圖2 二次壓裂前后產氣量對比及產水量

2.2 工程因素

2.2.1 壓竄井

通過壓裂裂縫監測資料可知，鄭莊區塊主構造壓力和裂縫的優勢發育方向為NE向。受局部小構造和區域應力集中影響，在大排量施工下，二次壓裂沿已有裂縫擴展，一些間距較小的井易發生壓裂竄井，導致二次壓裂沒有起到改造儲層效果。為預防壓竄事故發生，依據原生裂隙的發育情況確定合理井間距，北東-南西向井間距控制在350～400 m范圍內，南北方向可以控制在200～300 m范圍內。同時被壓竄井前期井筒壓力會迅速上升，施工人員在壓裂期間應注意觀察并及時調整壓裂方案。

2.2.2 壓裂施工

壓裂曲線反映了壓裂施工情況，通過壓裂曲線得到的砂比、排量、液量和破裂壓力等一系列參數，是分析壓裂施工效果成敗的重要依據。它主要由壓力、排量和砂比3條曲線構成，其中壓力曲線是監測的重點，它能反映了二次壓裂過程中煤儲層裂縫動態發育情況。通過以下4口煤層氣井壓裂曲線分析。

表1 二次壓裂參數

分析鄭莊區塊4口典型低產井壓裂曲線，J-09、J-10、J-11、J-12這4口井埋深在700～770 m之間，井筒周圍沒有特殊構造，二次壓裂施工采用中砂比(5.58%～7.12%)、大排量(9 m3/min)。一次壓裂破裂壓力范圍為24～37.5MPa，二次壓裂破裂壓力范圍為16.06～21.16 MPa，入地液量在959.9～1 551.7 m3之間，二次壓裂后產氣量減少72～720 m3(圖3)。

圖3 四口典型低產井二次壓裂曲線

對比四組壓裂數據發現，一次壓裂普遍有明顯破裂壓力，人工造縫過程中溝通天然裂縫或形成新縫。二次壓裂曲線多為波動型，破裂壓力不明顯，或明顯小于一次壓裂破裂壓力。這是由于井筒周圍煤體在第一次水力壓裂過程中結構已經被破壞，煤體破碎，二次壓裂剛開始時施工壓力維持在較低水平。經過一段時間，大排量壓裂液及砂子的沖擊作用使煤體破碎形成煤粉，由于煤粉和支撐劑的鑲嵌作用使之在井筒周圍堆積，因此壓裂曲線中套壓在后期激增，為保障套管安全，暫停加砂，套壓隨之下降，但重新加砂后套壓瞬間升高。最終停止加砂，施工結束，裂縫擴展有限，幾乎沒有或很少有新裂縫產生，因此沒有起到改造儲層效果。

3 二次壓裂適宜條件

從二次壓裂井低產因素的分析來看，為取得較好的增產改造效果，二次壓裂應從地質、數學建模和井史等方面優化。

3.1 地 質

二次壓裂井位優選地質構造簡單部位，如寬緩向斜、背斜軸部及兩翼，地應力作用較弱，煤體結構以原生結構為主，有利于造縫及裂縫延展。且寬緩背斜部聚氣，區域含氣量較高。

3.2 數學建模

依據鄭莊區塊壓裂裂縫監測數據，建立適用于鄭莊區塊實際情況的裂縫擴展模型，通過數學模型分析煤巖力學性質、地應力、綜合濾失系數、施工方式、埋深及天然裂縫等因素對裂縫擴展形態的影響，在可選范圍內尋找最優解并指導二次壓裂施工。

3.3 井 史

優選產氣潛力好，歷史上有過較高產氣量，但因某些因素產量驟降，當前日均產氣量小于同井組其他產氣井。

4 其他增產改造措施

4.1 可控沖擊波技術

可控沖擊波增產技術的基本原理是運用高壓脈沖作用于煤層氣井內液體，使其產生高強度沖擊波，通過破裂、撕裂、彈性聲波擾動等方式改造煤儲層。可控沖擊波技術具有作業周期短、成本相對低、影響范圍廣的優勢。2011年，鄭莊區塊曾對4口低產井進行了電脈沖試驗，試驗后4口井的套壓、產水量、產氣量均有所提升，產氣增量為240～878 m3/d之間，平均單井增產氣量為472 m3/d。可控沖擊波增產技術改造效果主要取決于其波幅、加載次數以及與煤儲層物性匹配度，因此對井位選擇要求較高[4]。

4.2 煤層氣直井間接壓裂

二次壓裂無法取得好的解堵造縫效果主要是由于煤層具有低強度、低彈性模量和高泊松比的力學特征。而煤層的頂底板一般為中細砂巖、粉砂巖的脆性巖層，其高彈性模量、低泊松比的力學特征較煤層有更好的可塑性。因此，在煤層頂底板壓裂施工，易達到較好的造縫延展效果，形成良好的運移通道。間接壓裂工藝需要結合地應力和數字模擬分析，優選射孔位置及壓裂參數以達到理想的裂縫擴展形態。目前，煤層氣直井間接壓裂技術已在湖南洪山殿礦區HC01井取得較高成果，單井產氣量到達1 850 m3/d[5-6]。

5 結 語

1) 從地質因素和工程因素兩方面分析了鄭莊區塊二次壓裂低產井產生原因。

2) 從二次壓裂井低產因素的分析來看，為取得較好的增產改造效果，二次壓裂應從地質、數學建模和井史等方面優化。

3) 低產井增產改造手段除了二次壓裂外，還有可控沖擊波及煤層氣直井間接壓裂技術。