煤層氣壓裂施工質量與地質原因分析

邵凱 王東東 張治倉 冉少峰 何倩

摘 要：煤層氣壓裂是一種重要的煤層氣增產措施，通過壓裂施工可以有效地溝通煤層中的裂隙，增加煤層氣的解析面積，從而提高煤層氣井的產氣量。由于各個地區的煤層物理性質不同，煤體結構以及上覆巖層的物理性質不同，進而導致煤層氣壓裂施工質量不同，文章通過一系列的壓裂資料、地質資料、微地震資料等資料對大佛寺地區的煤層氣水力壓裂情況進行了分析，為后續的煤層氣井壓裂施工提供了一定的經驗。

關鍵詞：煤層氣；水力壓裂；施工質量；地質原因

1 區域背景介紹

大佛寺井田位于陜西省咸陽市北部的彬縣和長武縣境內，距彬縣約10km，長約14km，最寬處約6.5km，面積71.48km2。

本區地層區劃屬于華北地層區鄂爾多斯盆地分區正寧-佳縣小區，區內地表絕大部分被第四系黃土覆蓋。區內地層由老至新依次為三疊系胡家村組，侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組，白堊系宜君組、洛河組、華池環河組，新近系，第四系等。煤層主要為侏羅系的延安組，其中主要的含煤地層為4號煤層，根據沉積組合特征、物性特征及含煤性特征，以4上煤層之上的厚層河道砂巖為界，將延安組分為上、下兩段，上含煤段厚度0-45.71m，一般厚度為20m，含3-1、3-2兩層煤，下含煤段厚度0-100m，一般厚度為40-80m。研究區的構造結構相對簡單，煤層傾角一般為3-5°。斷裂以落差小于5m的正斷層為主。

2 水力壓裂工藝技術介紹及應用

煤層氣壓裂是從油井壓裂延伸而來的技術，自我國與1955年在玉門油田完成第一口的壓裂已經有60年歷史。隨著油氣田的開發，已經單純從油井壓裂逐漸過渡為煤層氣井壓裂，水平井壓裂，頁巖氣井壓裂，致密砂巖氣壓裂等技術。我國煤層氣資源豐富，大佛寺井田更是多年被評為高瓦斯礦井。壓裂是指作為一項有效的增產措施，在該研究區使用最多的是水力壓裂。水力壓裂可以消除井筒附近儲層在鉆井，固井，完井中的對煤層造成的傷害，同時使得井筒與煤儲層的裂隙系統進行更好的溝通，增加煤層氣的解析面積。

煤層氣井與常規的油氣井不同，我國的煤層氣具有滲透率低，壓裂低，豐度低的特征，產氣難度大于國外的煤層氣井，需要對煤層氣進行壓裂增產。由于常規的煤層氣井水力壓裂較為完善，所有利用水力壓裂對煤層氣井進行改造是我國開發煤層氣的主要手段。在水力壓裂中需要考慮形成較長的水力裂縫，使得壓力能傳遞到井筒的遠端位置，并且提高通道的長度和直徑；增加煤層的滲透性，保持原有地層的水力特征，不能因壓裂規模過大而導通上下的含水地層，使得地層壓力難以釋放。

2.1 壓裂液的選配

壓裂液在煤層氣井的改造過程中有著非常重要的作用，常見壓裂液通過使用的分為五類，即活性水壓裂液技術、清潔壓裂液、泡沫壓裂液、凍膠壓裂液、線性膠壓裂液。壓裂液技術關鍵是要考慮到造縫能力，攜砂能力，返排效率，成本等方面。

選用凍膠和清潔壓裂液體系有利于裂縫展布，增大煤層內裂縫、裂隙和孔隙溝通面積。但泡沫壓裂液和凍結壓裂液有可能導致煤層隔理的堵塞，以及液體吸附，對煤層的滲透率造成不可逆的傷害。為了降低壓裂液對煤層吸附性傷害和堵塞性的傷害，提高攜砂及造縫的效率，同時提高返排率，本次使用低傷害、低成本的活性水體。配方主要為：清水+1% KC1+0.05%殺菌劑。

2.2 支撐劑的選型

壓裂時支撐劑的選擇非常重要，為了使得地層中壓裂的縫隙在停止壓裂后繼續保留，需要在縫隙內填入支撐劑，是提高裂縫導流能力的重要環節。常用的煤層氣支撐劑有石英砂、陶粒、玻璃球、鉛球、樹脂包層砂等。支撐劑應當具備密度小、強度大、圓球度高、在高溫水中呈化學惰性等特點。

支撐劑類型的選擇主要考慮其強度和成本。由于大佛寺井田煤層閉合壓力較小，對支撐劑的強度要求不高，另外石英砂的相對密度較低，便于施工，可以減少泵和設備的磨損，另外球度較好的石英砂破碎后仍然可以保持一定的導流能力。前置液階段加入40-70目石英砂段塞，攜砂液階段加入20-40目石英砂，最后加入16-20目石英砂。儲層滲透性中，同等的加砂規模下較低的砂比可得到更長的裂縫長度，平均砂比為13-15%。

2.3 壓裂施工參數

研究區的煤層厚度大、埋藏淺、滲透性較好，壓裂施工的加砂強度為：目的煤層厚度大于12m，加砂強度7m3/m；目的煤層厚度10-12m，加砂強度8m3/m；目的煤層厚度8-10m，加砂強度9m3/m；目的煤層厚度小于8m，加砂強度10m3/m。

3 壓裂施工工程質量

煤層氣井的壓裂效果，除了受到上述的煤層氣壓裂施工參數影響外，也受到煤氣的沉積環境影響，本次以本地區的兩口煤層氣井DFS-74井和DFS-153井水力壓裂為例進行說明，如圖1所示。

圖1 大佛寺礦區煤層氣段沉積與壓裂效果分析圖

研究區的延安組4號煤層是主要的產氣煤層氣，其主要的沉積環境為三曲流河角洲沉積的間灣沼澤環境。三角洲的發育過程中分流河道和河口壩較為發育，使得煤層的厚度以及頂底板的煤層結構都會發生一定的變化。從圖中可以看出DFS-74井的成煤沉積環境更為穩定，煤層段發育較好；DFS-153井的煤層段巖性上可以看出在煤層段的上部粉砂巖和泥質粉砂巖較發育。沉積環境較中可發現分流河道、河口壩異常發育。從效果來看DFS-74井左右裂縫分支均比DFS-153井的裂縫更長。從排采情況分析，DFS-74井的排采效果要好于DFS-153井，驗證了沉積相的分布對煤層氣井壓裂效果的影響。

4 結束語

文章對大佛寺煤層氣井的壓裂施工質量以及地質原因進行了分析，壓裂作為煤層氣施工的重要環節，需要綜合考慮地質因素，如構造特征和沉積背景，在隨后的壓裂施工中，可考慮先進行微地震分析以及劃分出沉積相。同時不斷優化壓裂參數，提高煤層氣井的壓裂效果。

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