寺河煤礦煤層氣井水力壓裂技術應用研究

李生奇

(晉煤集團鳳凰山礦，山西晉城048007)

1 工程概況

寺河煤礦位于沁水盆地南部的晉煤集團寺河煤礦西南部，項目區為寺河煤礦預備采掘區。主要含煤層為二疊系的山西組和石炭系的太原組。項目目標地層為二疊系的山西組的3#和15#煤層，該煤層分布穩定、單層厚度大，區內煤層氣勘探井測試結果表明，煤層氣含量為 23．52 ～29．00 m3/t，平均為26.26 m3/t，分析得出該區是一個煤層氣高富集區。產出的煤層氣中甲烷的體積分數在93．1% ～96．3%，CO2的體積分數在0.5% ～2．8%，N2的體積分數在 1．1% ～ 3．1%，C2—C8的體積分數在0～0．43%。該區3#煤層對甲烷有較強的吸附能力，最大含氣量為35．4 m3/t，最大壓力為2．23 MPa。3#煤層的含氣飽和度基本在90%以上，個別低點接近于80%。由此說明，本區煤層氣易開發，在進行排水采氣時，產氣較快，開發條件非常有利。區內3#煤層特征對煤層氣的開發很有利，主要表現為煤層分布穩定、含氣量高且保存條件好、臨界解吸壓力接近儲層壓力、儲層壓力基本屬正常壓力、滲透率較高、含氣飽和度高等。

2 壓裂工藝技術應用

1)工藝管柱:在常規壓裂中90%的液體摩擦阻力發生在井筒中的壓裂管柱內，且與進液的面積成反比。在煤層壓裂中由于煤層施工壓力較高，如果摩擦阻力比較大，會對地面設備(如壓裂泵、井口、管線等)提出較高的要求。因此，除寺河試1井采用封隔器分壓油管、管注注入外，其他5口井均用油套混注。

2)泵注排量:提高泵注排量是壓裂的一個重要方面，它有助于形成比較寬的裂縫，彌補或降低壓裂液在煤層中的濾失量。特別是采用低粘性壓裂液時，更應把提高泵注排量作為主要的因素考慮。因此，控制排量范圍在4．0～7．2 m3/min。

3)壓裂液類型:通過室內試驗優化了2種壓裂液:胍膠壓裂液(凍膠)和活性水。

4)支撐劑:主體砂選用20/40目石英砂，尾追選用18/20目石英砂。

5)泵注程序:采用分段加砂，活性水壓裂液平均砂比為7.2% ～32．3%，胍膠壓裂液(凍膠)平均砂比為17．2% ～34．2%。

3 壓裂施工

寺河試1井組共進行了11井次壓裂施工，使用了凍膠和活性水2種壓裂液，施工參數見表1。

表1 寺河試1井組壓裂施工參數

從表1分析，Si－1(3#)施工壓力正常，其他井均出現超壓現象。4井次出現脫砂現象。

4 壓裂施工分析

4．1 用大地電位法來監測裂縫情況

此井組的Si1－1、Si1－5做了底面電位測量，以判斷此區域裂縫延伸的方向及大小(見表2)。

表2 地面電位測試結果

從表2中可以看出，活性水壓裂液較胍膠壓裂液的施工摩阻高，液體的流失量比較大，壓后壓力能很快地擴散，發生脫砂的可能性較大。

4．2 施工壓力分析

從以上施工數據分析，破裂壓力為17．6～51．2 MPa。根據這個破裂壓力計算所得的破裂梯度范圍處在0．034～0．082 MPa/m之間，但此項目區塊壓裂施工后出現過高的破裂梯度還不能反映地層實際的破裂梯度值。根據之前進行的壓裂測試得出的破裂梯度:寺河試1井是0．023 MPa/m，Si1－4井是0．0307 MPa/m，Si1－5井是0．028 MPa/m。對此結果和施工時的壓力曲線分析可發現:除Si1－1(3#)施工壓力表現正常外，此區塊的其他壓裂施工在起泵開始時就發生超壓的現象，并且在整個過程中都保持高的壓力值，從而使一些煤層難以注入大量的砂子。出現此高壓現象的較合理的解釋是:

1)近井區裂縫扭曲。在井筒附近處的裂縫扭曲會降低近井區裂縫導水能力和寬度，由此會造成高的破裂壓力。

2)煤層多孔彈性效應。當地面上的高壓液體經造縫進入煤層之后，微裂縫系統會吸水并張開以至增加了液體的濾失量，濾失量的增加會使煤層(裂縫壁面)的孔隙壓力升高，從而會引起地應力增大，隨之裂縫內的壓裂液的繼續延伸受到阻礙，最終誘發地面的施工壓力升高。

3)多重壓裂縫的出現。根據測試壓裂所計算的破裂梯度范圍:0.023～0.0309 MPa/m，地層會出現“T”型裂縫，即垂直裂縫和水平裂縫同時生長，會使沿這種裂縫前進的壓裂液流動阻力變大，隨之出現異常的壓力值。

4)煤粉堵塞裂縫末梢。假如在此過程中產生足夠多的煤粉，最終它將會聚集在裂縫末梢處以至妨礙裂縫擴展。

5 結語

1)在煤層氣水力壓裂中，誘發地面壓力增大的原因有3種:①煤層的多孔彈性效應。②煤粉堵塞裂縫末梢。③煤層產生彎曲、復雜的裂縫。

2)在近井區易發生裂縫扭曲的情況，影響裂縫的導流能力，以至使破裂壓力異常高。

3)對濾失量比較大的煤層需采用:①高注入排量。②用剪切穩定、高粘度的交聯凝膠或者添加具有防濾失功能的添加劑。

4)煤層在水力壓裂后，產生的裂縫不同于砂巖地層，形成的裂縫不止1條，會產生多條復雜裂縫，水力裂縫長度在100 m以內。