鐵法煤田煤層氣開發關鍵技術研究

葛 勇

東北煤田地質局沈陽煤層甲烷氣開發中心，遼寧沈陽 110013

0 引言

鐵法煤田屬長焰、氣煤煤田，區內賦存煤層氣資源量107億m3，1996 年～2012 年間共施工煤層氣井35 口，屬典型煤礦區煤層氣開發，并服務于煤礦瓦斯治理需要，煤層氣井儲層改造其關鍵技術為：煤層壓裂分段組合，水力攜砂壓裂完井。區內1996 年施工的DT3 井截止2013 年2 月已累計開采煤層氣1 540 萬m3，2004 年施工的DT4 井已累計開采煤層氣2016 萬m3，氣井平均產氣量2 000m3/d 以上，外輸供氣量5 300 萬m3。

1 鐵法煤田煤層氣賦存特征

1.1 煤層

鐵法煤田含煤地層為下白堊統阜新組，從巖性、巖相組合及含煤性可分上、下兩個含煤段，其沉積特點為辮狀河流及三角洲類型。多階性旋回結構特征明顯，表現為煤層多，以中厚煤層為主，且連續性較差的特點。下含煤段巖相空間配置為從盆緣向盆內依次為沖積扇—扇三角洲—三角洲平原或淺湖沉積環境，煤層多且厚度大，以泥巖沉積為主，含煤10 層，其中12、13、14、15 號煤層為主要可采煤層；上含煤段巖相配置與下含煤段相似，其中三角洲平原為主要聚煤環境，含煤10 層，其中4、7、8、9 號煤層為主要可采層。

1.2 構造特征

鐵法盆地為一主體展布方向呈北北東向的半地塹或斷坳盆地，它的形成和演化均受區域各構造體系控制，盆地基底的沉降又受盆緣斷裂及松遼盆地區域沉降的雙重因素影響，盆緣斷裂走向為北北東向，它不但控制著鐵法盆地的展布，而且對盆地內部沉積環境聚煤和遷移等均具有控制作用，導致鐵法煤田西部沉積幅度始終較大，為盆地的沉積中心帶，大興井田為盆地的沉積中心，形成鐵法煤田的聚煤中心，是煤層氣勘探與開發的主要區域。

1.3 煤儲層特征及含煤性

鐵法煤田阜新組含煤巖系含煤層數較多，煤田中西部煤層發育較好，呈北北東向條帶狀分布。煤層比較穩定，盆地西部邊緣各煤層結構區域復雜，均有分叉、變薄、尖滅等現象出現。

煤層割理發育中等，面割理約4-15 條/5cm，端割理2-4條/5cm，組成以孤立—網狀為主的割理系統，割理發育程度與煤巖類型關系密切，主要以光亮型煤的7、9、12、13 和14 號煤層其割理發育較好。

煤層含氣量經煤田地質鉆孔及煤層氣井煤層煤芯采樣通過解吸法測試結果如下：

煤層號 含氣量m3/t 4 3.01-14.19 8.43 7 2.29-17.20 7.24 12 3.91-23.30 8.85 15 2.17-26.28 8.34

煤層滲透率通過煤層氣井對煤層采用注入/壓降法進行試井，獲得了一些煤儲層的參考資料，其中煤層滲透率在0.01-1.507 毫達西之間，其差異性較大。

1.4 煤層氣資源豐度

鐵法煤田煤層氣資源豐富，有利于煤層氣勘探開發。現保有煤炭儲量達14 億噸，煤層氣資源量約107 億m3，單位面積資源豐度為1.26 億m3/km2，屬于開發條件較好的中小型煤層氣田，煤層氣資源具有小而肥的特點，適于煤層氣勘探與開發。

2 儲層改造關鍵技術應用

2.1 多煤層壓裂組合及技術原理

煤層氣地面鉆井開采其要素條件為：建立煤儲層降壓——解吸——擴散——滲流條件。水力攜砂壓裂的目的為通過高壓水進入煤儲層，溝通擴張煤層的裂縫系統，利用大排量的壓裂液體攜壓裂支撐劑，待壓裂結束后將壓裂支撐砂支撐裂縫通道，以形成煤儲層人為網絡系統，降低氣體流通阻力，達到增產的作用。而多煤層大跨度的間隔條件，導致壓裂段過長，液體分流壓差變化大，液體分配具有相當的局限性，限制了縫長半徑的伸展，因此合理組合煤層，分層段進行壓裂改造是鐵法煤田煤層氣開發的技術關鍵。

2.2 技術參數優化

分層原則：煤層分層組合一般視煤層條件組合段厚為35m左右，填砂上返厚度一般為15m 以上，以防止竄砂，煤層射孔采用ф89mm 槍102 彈，相位90°，16 彈/m，砂巖頂底板及夾層可以進行輔助射孔，以尋求更有效堅固的煤層氣滲流通道。煤層組合段超過15m 以上時均采用投球分壓，或段塞加砂，以進行人為分流，克服壓力梯度差對壓裂分流的影響，達到儲層改造范圍的最大化。

壓裂基本參數選擇

1）泵排量：8m3/min～10m3/min；

2）攜砂比：平均10%以上；

3）加砂方式：采用階梯加砂；

4）壓裂方式：采用套管壓裂；

5）分層組合壓裂方式：采用上返填砂分層；

6）支撐劑選擇：20/40 目石英砂（尾砂16/20 目）；

7）壓裂液配置：選用清水+2%KLC 加1‰助排劑，加入KLC 具有防煤層灰分遇水膨脹，保持裂縫的作用。加入助排劑主要是可以一定程度上降低壓裂液的返排阻力，并克服水張力對微細通道的阻力影響。

2.3 壓裂層段組合及射孔壓裂典型設計

本文僅以鐵法煤田煤層氣DT3 井為例，介紹煤儲層改造相關關鍵技術及設計理念。（見圖1）

圖1

DT3 井壓裂組合及射孔壓裂設計（自下而上）第一壓裂層段：754.55m～719.85m（15、16、17 煤），段厚34.70m，煤厚10.20m，射孔厚度14.70m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚38.00m。

第二壓裂層段：681.36m～640.60m（12、13、14 煤），段厚40.75m，煤厚16.04m，射孔厚度28.20m，壓裂總液量1000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚109.00m。

第三壓裂層段：531.85m～501.65m（6、7、9 煤），段厚20.30m，煤厚10.87m，射孔厚度19.76m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓，上返填砂段厚21.98m。

第四壓裂層段：479.67-461.60（3、4 煤），段厚18.07m，煤厚8.22m，射孔厚度12.86m，壓裂總液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分壓。

2.4 儲層改造效果分析

2.4.1 多煤層分層壓裂組合可以實現對煤儲層的有效利用

合理組合壓裂層段對儲層改造可以實現全方位、多元化有效抑制儲層壓力差導致的壓裂液體分配隨意的現象，人為制造壓裂方向更有效的實現儲層改造的最大化。

2.4.2 壓裂規模決定了儲層改造的效果

壓裂規模一定程度上決定了儲層改造的范圍，而儲層改造的范圍決定了煤層氣井的產能，設計中考慮煤層對壓裂液的濾失影響，加大了前置液的注入規模，使其前置液的溝通作用明顯，后期加砂順利，以提高有效支撐裂縫的形成。

2.4.3 砂巖頂底板和夾層實施射孔壓裂對氣井產能有貢獻作用

煤儲層的直接頂底板射孔后參與壓裂一定程度上對建立煤儲層裂縫通道有重要的影響作用，煤層氣的滲流方向既有水平方向，又有垂直方向，砂巖層不僅可以成為滲流層，同時也是游離氣的儲層。

3 排水采氣綜合分析及產能預測

DT3 井施工于1996 年，1997 年5 月開始進行排水采氣實驗，截止1998 年8 月（15 個月）累計產氣150 萬m3，產水12 600m3，平均日產氣3300m3/d，平均日產水28m3/d，完成排水采氣試驗后關井，后于2007 年4 月重新開井，截止2013 年2 月，累計產氣1 540 萬m3，目前該井日產氣量平均在3 500m3/d 以上，預測氣井單井最終總產氣量可達到2 000 萬m3以上。

鐵法煤田DT3 井是迄今我國煤層氣井開發最早、服務年限最高、壓裂完井產氣量最高的一口煤層氣井，其所投入的儲層改造關鍵技術具有高產能的重要支持作用。

[1]鮮寶安，高德利，陳彩虹，等.煤層氣高效開發技術[J].特種油氣藏，2004，11(4)：63-64.

[2]張文群，劉通義.煤層壓裂液和支撐劑的研究與應用[J].油田化學，1999，16(1)：17-20.

[3]汪永利，叢連鑄，李安啟，等.煤層氣井用壓裂液技術研究[J].煤田地質與勘探，2002，30(6)：27-30.