新型復合壓裂工藝在武鄉煤層氣開采區塊的應用

云 劍

(山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司， 山西 晉城 048000)

我國深部煤層氣資源總量豐富，其地質資源總量約為30.37×1012m3，是淺層煤層氣總量的2倍左右[1]，是我國煤層氣開采的發展方向。深部煤層氣開采價值大，但是隨著埋深增加，地應力顯著增大同時滲透性變差。儲層改造是獲得低滲透煤層氣井高產的重要手段。光套管壓裂技術可實現大規模壓裂,但容易造成儲層污染，且可調性較差導致壓裂效果偏差；連續油管壓裂技術自動化程度和作業效率高，是目前的主流壓裂技術，但是配套設施要求較高、成本高；常規油管壓裂技術可實現射孔、壓裂、封隔一體化作業，且射流效應定向性強，但是不能帶壓作業，容易造成壓力激動、壓后堵前[2]. 沁水盆地中部長治武鄉區塊煤層埋深普遍較大(>1 300 m)，采用連續油管壓裂以及大排量光套管壓裂，施工過程中容易產生砂堵，造成施工困難。從裂縫監測上看，裂縫延伸長度、延展寬度都不太理想。因此，擬在武鄉區塊15#煤層壓裂過程采用新型復合壓裂工藝。

1 區域概況

沁水盆地中部長治武鄉區塊地處太行山西麓，山西高原東南部，地形特征為低山丘陵。地勢呈東西高、中間低。區塊地處榆社—武鄉斷裂背斜構造帶內，東為娘子關—坪頭撓褶帶，西為沁水復向斜與漳源—沁源帶狀斷裂背斜構造帶相接，南為雙頭—襄垣斷裂構造帶，北為天中山—儀城斷裂構造帶[3].

該地區目的煤層為3#上及15#煤層。15#煤層位于太原組下段下部，結構簡單，為全區穩定可采的薄煤層，厚度1.21～6.72 m，平均1.03 m，由南向北煤層厚度逐漸變大，埋深572～2 016 m，平均1 480 m. 15#煤層含氣量東北部較高，向南逐漸降低，最高處含氣量36.99 m3/t. 15#煤層下距K1砂巖1.31～4.89 m，平均3.01 m. 頂板巖性多為砂質泥巖、泥巖及粉砂巖和細粒砂巖；底板為砂質泥巖、泥巖以及粉砂巖。15#煤層滲透率0.434×10-3～7.82×10-3μm2，平均4.127×10-3μm2，15#煤層含氣量等值線見圖1.

2 新型復合壓裂工藝

結合現場經驗，分析原壓裂工藝，發現造成壓裂施工困難以及后期產量不高的原因主要是目的煤層無法有效成縫，壓裂砂只能集中在近井地帶造成加砂困難，且由于射孔數少且是螺旋排布，無法保證壓裂過程中裂縫在煤層中延伸，形成穩定有效的產氣通道。因此最終這些水平井產氣量不高，并且氣量衰減很快。水平井采用原壓裂工藝排采情況見表1.

表1 水平井原壓裂工藝排采情況表

因此，提出新型復合壓裂工藝：分簇定向射孔+泵送橋塞光套管壓裂。首先從壓裂選段上選取煤層伽馬值低、氣測高的煤層段，結合裂縫監測數據，采用相鄰壓裂段間隔60 m左右，這樣在保證充分利用資源的基礎上也防止兩個相鄰壓裂段互相干擾。其次射孔方式由之前的單射孔槍射孔變成分簇射孔，相對于之前提供了多個壓裂通道，并且定向射孔也保障了壓裂過程中裂縫延展盡量在煤層中，避免了砂堵的風險。

2.1 壓裂選段

收集鉆井過程中的測井、錄井、鉆井資料，充分利用煤層氣水平井鉆井過程中的伽馬、氣測錄井、鉆時、巖屑、套管節箍等數據，把數據導入Resform軟件整理成圖。通過與鉆井井斜數據對比，得出鉆井過程中水平段鉆遇煤層情況及與煤層相對位置，結合后續的壓裂工藝進行壓裂選段。WX-L-01井Resform壓裂選點圖見圖2,水平段軌跡圖見圖3. 圖2中黑色虛線是分簇定向射孔段，圖3中箭頭標注了煤層相對位置和實際鉆井軌跡。

圖2 WX-L-01井Resform壓裂選點圖

圖3 WX-L-01井水平段軌跡圖

2.2 分簇定向射孔+泵送橋塞光套管壓裂

分簇定向射孔技術是在一個壓裂點上根據前期得到的水平井鉆遇煤層情況及與煤層相對位置，對射孔點進行準確的向上、兩側或者向下定向射孔。保證壓裂施工中裂縫延展盡量在煤層中，確保壓裂施工順利進行。

具體施工工藝順序：第一段采取連續油管噴砂射孔或者油管傳輸射孔，因為是水平井因此第一段不能采用水力泵送橋塞射孔方式，射孔完畢后取出射孔設備進行光套管壓裂作業，排量10 m3/min. 第二段采用水力泵把橋塞和射孔槍輸送至預定位置，點火坐封橋塞，并且上提射孔槍至目標煤層位置進行射孔作業，射孔完畢后起出射孔槍，對剛完成射孔層位進行光套管壓裂工藝。用上述方式，根據壓裂段數要求，依次下入橋塞及射孔槍、上提射孔槍進行射孔作業、光套管壓裂作業，直至壓裂完所有壓裂選段[4]. 射孔作業過程見圖4.

圖4 WX-L-01井泵送橋塞射孔工藝圖

最后壓裂完使用連續油管鉆塞，在連續油管上安裝鉆磨工具串，做好前期準備工作，下入井中到達橋塞深度起泵并提高排量至鉆磨設計排量，確保鉆磨開始前達到合適的返排排量。下探橋塞位置，開始鉆磨作業，低密度鉆屑隨著循環液返出到井口，可從返出物中看到正在鉆磨的東西及碎屑尺寸，以指導后續鉆磨施工。第一個橋塞鉆完后，繼續進行下一個鉆塞施工，直至全部完成[5]. WX-L-01井連續油管鉆塞示意圖見圖5.

圖5 WX-L-01井連續油管鉆塞示意圖

3 新型復合壓裂效果分析

3.1 鉆井壓裂效果分析

WX-L-01井第二段裂縫延展圖見圖6，從裂縫監測效果來看，裂縫左翼、右翼分別為145 m、157 m，裂縫在煤層中延伸的范圍有了很大程度提升。表明15#煤層實施分簇定向射孔+泵送橋塞光套管壓裂的復合壓裂工藝效果顯著。

3.2 WX-L-01井排采情況

WX-L-01井2020年8月正式下泵排采，截至2021年6月初，該井產氣穩定，井底流壓0.38 MPa，套壓0.22 MPa，產水量7 m3/d，產氣量5 376 m3/d. 在WX-L-01井10個月的見氣穩定排采中，最高產氣量6 501 m3/d，最低產氣量1 900 m3/d，平均產氣量4 750 m3/d，總產氣量135.346 4×104m3. WX-L-01井排采情況見圖7. 對比之前水平井每天最高1 500 m3的產量來看，WX-L-01井的產氣量有很大程度提高。

圖7 WX-L-01井排采曲線圖

4 結 論

1) 新型復合壓裂工藝在壓裂過程中運用Resform軟件，結合鉆井井斜數據、錄井氣測、巖屑數據、隨鉆伽馬、套管數據等，分析得出鉆井過程中水平段鉆遇煤層情況及與煤層相對位置，運用分簇定向射孔技術找準煤層位置。此種方法可以有效降低壓裂施工風險，提高壓裂施工成功率。

2) 在長治武鄉區塊15#煤層WX-L-01排采井實施分簇定向射孔+泵送橋塞光套管壓裂的復合壓裂工藝后，產氣穩定，平均產氣量4 750 m3/d, 總產氣量135.346 4 m3,相比之下平井產氣量提高，為該區塊煤層氣開采摸索出新的路徑，在其他類似條件的煤層氣開采區塊具有借鑒意義和推廣價值。