煤層氣井壓裂施工壓力異常原因分析與技術(shù)措施

李特社，張建龍，王理國(guó)，唐兆青

（貴州省非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)利用工程研究中心，貴州 貴陽 550081）

由于煤儲(chǔ)層具有低孔、超低滲、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，只有通過水力壓裂技術(shù)，改善煤層氣滲流通道，才能獲得產(chǎn)能。煤層氣井壓裂受地質(zhì)和工程兩方面因素的影響造成施工壓力異常頻發(fā)，導(dǎo)致壓裂失敗。本文以黔西北某區(qū)塊煤層氣井為研究對(duì)象，分析壓裂施工壓力異常的原因，并提出相應(yīng)的技術(shù)措施，為后期煤層氣井壓裂設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

1 工區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西北，主要含煤層系為二疊系龍?zhí)督M。煤層多且累計(jì)厚度大，一般為31～34層，總厚21.0～26.0 m。主力煤層厚度變化較大，合并、分叉、尖滅等現(xiàn)象并存[1]。煤層割理、層理面等天然微裂縫發(fā)育，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，在煤層頂?shù)装逄帲l(fā)育碎粒煤和糜棱煤。巖心掃描電鏡結(jié)果顯示，煤巖灰分含量變化較大，一般為13.4%～54%，多見伊/蒙混層和伊利石。煤層夾矸及頂?shù)装寰鶠槿鹾貙樱瑤r性以砂泥巖為主，局部出現(xiàn)碳質(zhì)泥巖層。

截止目前研究區(qū)共計(jì)施工 28井次壓裂改造作業(yè)，井型為直井和定向井，采用光套管射孔完井、活性水加砂壓裂技術(shù)。壓裂液設(shè)計(jì)注液強(qiáng)度為 200 m3/m，設(shè)計(jì)加砂強(qiáng)度為12～15 m3/m。前置液階段加70/100目粉砂，主要作用是打磨炮眼和縫口，減少濾失；攜砂液階段加40/70目細(xì)砂，主要作用是支撐裂縫，為有效支撐近井地帶裂縫，尾追20/40目中砂，形成具有高導(dǎo)流能力的煤層氣滲流通道。

2 壓裂施工壓力異常原因分析

2.1 煤體結(jié)構(gòu)差

鉆開井眼后井壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，在最小水平主應(yīng)力方向周向應(yīng)力最大，易發(fā)生井壁坍塌。原生結(jié)構(gòu)煤的煤體結(jié)構(gòu)較為完整，井徑擴(kuò)大率較小。構(gòu)造煤外生裂隙發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)松散，使煤層破裂壓力大幅降低而發(fā)生垮塌，造成井壁嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑，形成洞穴。井徑擴(kuò)徑越大，泥漿污染半徑越大。固井水泥一方面會(huì)在擴(kuò)徑井段形成較厚的水泥環(huán)，另一方面由于固井水泥密度較大，會(huì)大量進(jìn)入近井地帶煤層外生裂隙中，對(duì)煤層重新固結(jié)，增加井筒附近煤層破裂壓力[2]。如圖1所示，X1井煤層埋深775.6 m，上部為碎裂煤，下部為碎粒-糜棱煤，井徑擴(kuò)大率平均值為 100%。注入純前置液階段初期破裂壓力異常高，最高值為37 MPa，攜砂巖階段平均施工壓力為18 MPa，僅為最高施工壓力的二分之一。

煤體結(jié)構(gòu)差，天然裂縫發(fā)育，當(dāng)裂縫延伸溝通天然裂縫時(shí)，裂縫轉(zhuǎn)向或分叉，形成更加復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)，導(dǎo)致孔眼摩阻增大，凈壓力降低；或是在裂縫形成過程中產(chǎn)生煤粉，隨著壓裂液的推動(dòng)在裂縫末端聚集-堵塞，迫使裂縫改道，最終形成不規(guī)則的復(fù)雜裂縫，造成加砂困難，施工壓裂異常升高。如圖2所示，X2井煤層埋深856.6 m，測(cè)井和錄井結(jié)果顯示，煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤為主，煤層井段一般擴(kuò)徑，擴(kuò)大率平均值為35%。壓裂施工壓力異常高值，處于30～42 MPa之間，遠(yuǎn)大于煤層最小主應(yīng)力。

圖1 X1井壓裂施工曲線

圖2 X2井壓裂施工曲線

2.2 煤層力學(xué)特性

在煤層氣井壓裂過程中，人工裂縫的開啟、延伸和閉合很大程度上受地應(yīng)力以及煤層與其頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)差異大小的影響。工區(qū)受局部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)育斷層，出現(xiàn)地應(yīng)力反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當(dāng)煤層位于轉(zhuǎn)換深度附近或三向主應(yīng)力大小近似相等時(shí)，更易形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，造成加砂困難，施工壓力異常。與頂?shù)装逑啾龋簩右话闾幱诘蛻?yīng)力區(qū)，壓裂裂縫易被控制在煤層中延伸[3]。根據(jù)lame方程，壓裂所形成的裂縫寬度和楊氏模量成反比，即在排量一定情況下，裂縫寬度越大，延伸越困難；泊松比越大煤層水平應(yīng)力越大，起裂越困難[4]。

X3井煤層埋深836.4 m，位于轉(zhuǎn)換深度附近，射孔井段一般擴(kuò)徑。在前置液階段，煤層起裂后加砂，壓力持續(xù)波動(dòng)，出現(xiàn)輕度砂堵現(xiàn)象，提排量打段塞后壓力開始波動(dòng)下降。在攜砂液階段，第一段加砂后期裂縫延伸受阻造成嚴(yán)重砂堵，壓裂施工壓力快速上升，如圖3所示。

圖3 X3井壓裂施工曲線

2.3 射孔程度不完善

射孔程度不完善主要由兩方面造成，一方面射孔參數(shù)（孔徑、孔密、布孔方式等）不合理，例如射孔彈型選擇不合理，由于射孔井段嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑，水泥環(huán)厚度大，射孔彈穿深不夠而未能溝通至原狀地層。壓裂時(shí)水泥環(huán)嚴(yán)重破碎，壓裂液大量進(jìn)入水泥環(huán)與煤層貼合疏松地帶，形成高壓水包[4]；另一方面射孔彈質(zhì)量不合格，有效孔眼數(shù)少，孔眼摩阻增大，最終造成壓裂施工壓力異常高值。

圖4 X4井第一次壓裂施工曲線

圖5 X4井第二次壓裂施工曲線

如圖4所示，X3井煤層埋深548.3 m，射孔段553.2～554.7 m存在較嚴(yán)重的擴(kuò)徑現(xiàn)象，平均井徑擴(kuò)大率為 120%。該井第一次壓裂初期泵車超壓，煤層未壓開。隨后又多次試擠，排量上升至最大排量3 m3/min，期間出現(xiàn)多次超壓，最終由于壓裂泵車油料不足停止施工。第二次壓裂初期經(jīng)過加粉砂打磨炮眼和縫口，最大排量?jī)H為6.4 m3/min，低于設(shè)計(jì)排量8～10 m3/min，最高施工壓力達(dá)43 MPa，接近施工限壓，停泵壓力32 MPa，如圖5所示。

3 預(yù)防施工壓力異常的技術(shù)措施

通過對(duì)上述主要原因分析提出了以下四點(diǎn)預(yù)防技術(shù)措施。

（1） 優(yōu)化鉆井技術(shù)，降低井徑擴(kuò)大率。目前工區(qū)鉆井存在的問題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是鉆井施工管理不科學(xué)，造成鉆井效率低，井眼受泥漿沖刷時(shí)間較長(zhǎng)；二是采用清水泥漿鉆井，造壁性能差，井眼擴(kuò)徑嚴(yán)重，泥漿污染煤層半徑增大。

采取的技術(shù)措施如下： 一是加強(qiáng)鉆井技術(shù)管理，縮短鉆井周期，提高鉆井液造壁性能；二是針對(duì)煤體結(jié)構(gòu)差的煤層（構(gòu)造煤），采用空氣和泡沫鉆井技術(shù)，保證井壁完整性，降低固井泥漿污染半徑。

（2） 優(yōu)化射孔技術(shù)，提高射孔效率。對(duì)于構(gòu)造煤的井段，建議采用負(fù)壓射孔或大孔徑深穿透射孔彈有效溝通煤層。另一方面建議采用間接射孔，避開煤體結(jié)構(gòu)差的井段，擴(kuò)射頂板，在煤層與頂板弱結(jié)構(gòu)面處形成導(dǎo)流裂縫，溝通煤層外生裂隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的間接壓裂[5]，降低施工壓力異常的風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 優(yōu)化壓裂液體系，提高攜砂效率。目前活性水壓裂液在煤層氣井壓裂中占主導(dǎo)地位。但應(yīng)該充分考慮其地區(qū)適應(yīng)性，根據(jù)煤層特征和設(shè)計(jì)最高砂比優(yōu)化壓裂液配方， 防止出現(xiàn)壓裂液濾失過快、攜砂能力不足，出現(xiàn)砂堵。

（4） 優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。壓裂設(shè)計(jì)前建議充分掌握煤層地質(zhì)特征、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力特征等，優(yōu)化壓裂泵注程序和施工參數(shù)，如排量、砂比和砂量等。實(shí)時(shí)分析壓裂施工時(shí)的壓力變化，動(dòng)態(tài)了解煤層特征，調(diào)整施工參數(shù)。

4 結(jié) 論

（1） 研究區(qū)煤層氣井壓裂施工壓力異常原因包括煤體結(jié)構(gòu)差、射孔程度不完善和煤層力學(xué)特性，其中煤體結(jié)構(gòu)差是造成施工壓力異常的主控因素。

（2）分別從鉆井、射孔和壓裂三個(gè)方面提出了四種預(yù)防措施，預(yù)防壓裂施工壓力異常，造成壓裂效果不佳或壓裂失敗。

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