湘中煤層氣井水力壓裂改造效果初評

王先美 李俊峰 徐勝明 林龍波 劉 澤 譚 慧

(湖南華晟能源投資發展有限公司,湖南 410004)

1 基本情況

洪山殿礦區位于湖南省雙峰縣境內，包括蛇形山、洪家橋、咸沙壩、彭家沖、鯉魚塘、松木沖和雙橋等7個井田。礦區含煤面積43km2，海拔100～140m，中心凹陷最大深度約1350m(相對4號煤而言)，為一近似北東方向的橢圓形復式向斜。

礦區主要上二疊統龍潭組含煤6層，其中可采煤層4層，均以構造煤為主。煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等，底板以中砂巖、細砂巖、粉砂巖等為主。

HC1井設計位于復式向斜葉子塘向斜軸部，于2017年上半年完鉆，采用二開井身結構：一開采用φ311.2mm鉆頭，下φ244.5mm表層套管25m中完；二開φ215.9mm鉆頭，下φ139.7mm鋼級P110生產套管至750m完井。

該井鉆井揭示主要煤層5層，由下至上編號分別為6號、4號、3號、2號、1號煤，煤系層段地層傾角15°～25°，一般不足20°。

1號煤頂深547.1m，以塊狀為主，沒有夾矸，鉆井擴徑明顯；2號煤層距離上部1號煤層19.3m，2號煤中間發育0.5m炭質泥巖夾矸，以構造軟煤為主；3號煤距離2號煤層16.5m，發育兩層炭質泥巖夾矸，夾矸厚度均為0.5m，煤巖特征與2號煤一致；4號煤與3號煤間距30.5m，4號煤有明顯的三層結構，頂部以碎裂煤為主，底部為碎粉煤，中間煤巖呈碎裂煤至碎粉煤過渡狀態；6號與4號煤間距67.5m(表1)。

選取2號、3號、4號煤頂底板部分巖心進行力學性質分析(表2)。數據顯示，炭質泥巖與細砂巖主要力學參數有差異，但不顯著。換言之，與構造軟煤相比較，主力煤層頂底板碎屑巖抗變形力學參數差異較小。

表1 HC1井揭示煤層主要參數表

表2 參數井頂底板巖石力學性質試驗成果表

限于工作條件，沒有對該井煤系層巖石進行三軸應力測試、分析，但通過區域地質資料分析，以及礦區野外構造解析成果，初步判斷礦區煤系層主壓應力方向為近南北向。

2 射孔壓裂方案

2.1 射孔方案

該井3號煤及其以上固井質量不合格，3號煤底板及其以下固井質量合格。鑒于區域龍潭組構造軟煤的特點，選擇盡量避開煤層，針對煤層頂底板及夾矸射孔、壓裂方案。采用電纜輸送橋塞+射孔聯作的工藝技術(電纜輸送可鉆式橋塞及射孔槍到橋塞坐封位置后點火坐封橋塞，上提射孔槍至射孔位置進行射孔)，射孔器材選擇102型射孔槍，裝填127型深穿透射孔彈，以標準孔密度16孔/m，按照初始相位角60°螺旋布孔對目標層段進行射孔。橋塞坐封位置要求避開套管結箍，距離套管結箍位置2m以上，并盡量選擇固井質量合格的井段。

射孔目標煤層：2號、3號、4號和6號煤。具體地，6號煤選擇煤層底部0.5m+底板細砂巖2.0m，累計射孔厚度2.5m；4號煤選擇煤層1.4m+底板細砂巖2.0m，累計射孔厚度3.4m(煤層段孔密8孔/m)；3號煤選擇頂板泥巖2.0m+炭質泥巖夾矸0.5m+炭質泥巖夾矸0.5m+底板細砂巖1.0m，累計射孔厚度4.0m；2號煤選擇頂板炭質泥巖1.0m+炭質泥巖夾矸0.5m，累計射孔厚度1.5m。

2.2 壓裂方案

采用活性水作為壓裂液：清水+1.0%KCl+0.05%殺菌劑，性能指標要求密度<1.1g/cm3，防膨率≥85%。壓裂支撐劑采用石英砂，先泵入20～40目的中砂，后再采用16～20目的尾追粗砂，粗砂與中砂的使用比例為1:3。

壓裂砂比統一按照11.5%配比進行，施工過程中依據壓力變化情況，可適當對施工排量和施工砂比進行調整。同時，選擇3號、6號煤進行壓裂微地震裂縫監測。

2.3 施工程序

采用電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯作的壓裂工藝方案，對4段壓裂目標進行橋塞坐封及射孔作業(壓裂4層，橋塞封隔3段)。壓裂施工程序如下：

(1)對6號煤層段實施射孔和壓裂：電纜輸送射孔槍，按照壓裂設計要求完成6號煤層段射孔作業，射孔結束后將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂6號煤層段。

(2)對4號煤層段實施射孔和壓裂：6號煤層段壓裂結束后，采用電纜輸送方式將壓裂橋塞和射孔槍聯作工具輸送至第1段橋塞坐封位置后點火坐封，對6號煤層段進行封隔，上提射孔槍至4號煤層段進行射孔，將射孔槍提出井筒；采用光套管大排量注入方式，壓裂4號煤層段。

(3)重復上述第二步驟，依次完成3號煤層段和2號煤層段的射孔和壓裂施工。

3 壓裂施工

為了更好了解儲層相關參數，獲得、調整更加有針對性的壓裂方案，選取6號、3號煤分別進行小型測試壓裂施工(小壓)，分析、求取裂縫延伸壓力、閉合壓力、閉合時間、液體效率等重要參數(圖1)。

圖1 煤層氣參數井小型測試壓裂施工曲線圖

6號煤壓裂施工初期快速提液階段，井口壓力快速上升，隨即井筒附近巖石發生第一次破裂。當前置液提升至7m3/min左右時，井口壓裂迅速增至25MPa以上，巖層產生第二次破裂。半小時后，排量提至8m3/min，開始加砂并逐步提高砂比，井口壓裂隨著砂比的遞增逐漸增大。最終，6號煤壓裂施工總液量583.87m3，其中前置液221.02m3，攜砂液353.44m3，頂替液9.41m3；累計加砂37.92m3(20/40目25.97m3、16/20目9.41m3)，段塞加砂量2.54m3，最高砂比20.93%，平均砂比10.66%；最高施工壓力25.17MPa，停泵瞬時壓力19.26MPa，最終壓力穩定在13.44MPa(圖2)。

4號煤壓裂施工曲線與6號較為接近，可能由于煤層厚度偏薄，底板射開厚度相對偏大(底板射孔厚度2.8m)，再加上清水攜砂能力差等因素，施工過程中出現加砂困難、砂堵等現象。最終4號煤壓裂施工總液量626.69m3，其中前置液159.75m3，攜砂液460.80m3，頂替液9.14m3；累計加砂24.57m3(20/40目16.50m3、16/20目6.55m3)，段塞加砂量1.52m3，最高砂比13.96%，平均砂比5.99%；最高施工壓力36.83MPa，停泵瞬時壓力19.69MPa，最終壓力穩定在13.86MPa(圖2)。

3號煤與2號煤的射孔壓裂施工基本按照設計進行(表3、圖2)。

圖2 煤層氣參數井壓裂施工曲線圖

表3 參數井壓裂施工主要參數表

四層煤累計總液量2514.80m3，其中累計前置液808.97m3，攜砂液1506.76m3，頂替液32.51m3； 累計加砂量141.99m3，其中20/40目砂共97.41m3、16/20目砂共35.77m3，段塞累計8.81m3。

4 效果淺析

從6號煤與3號煤小壓施工曲線上，看不出兩者明顯的差異，破裂點排列整體無序，推測小壓施工不足以在頂底板及夾矸營造出延伸一定范圍的裂縫體系，大部分的壓裂液沿著煤層與頂底板接觸面突進或進入煤層。初比較，盡管3號煤層與6號煤層小壓累計排量差不多，但前者的最高施工壓力20.14MPa，遠小于后者的27.54MPa；而且6號煤停泵壓力略大于3號煤停泵壓力，但前者停泵后壓力遞減相對緩慢，折射出煤儲層壓力、厚度、滲透率等方面的差異影響，同時射孔方式的不同對壓降的影響也是不可忽視的重要因素。

除了煤層厚度的因素，6號煤與4號煤煤體結構大體相當，煤層頂底板巖性基本一致，壓裂施工曲線變化也表現出較為相似的一面。從壓力、液量曲線初步判斷，6號煤與4號煤初次破裂、再次破裂發生節點、間隔較為接近，但從初次破裂的井口壓力數據看，4號煤破裂壓力明顯比6號煤大，這可能與煤層底板射孔厚度有直接關系；結合煤層及其底板巖石特征分析，二次破裂裂縫可能主要是在6號煤、4號煤底板細砂巖中延伸，但前者延伸范圍可能明顯較后者小；壓裂施工過程中，4號煤層段巖層發生多次破裂的曲線響應特征更清晰。

從微地震數據來看，6號煤壓裂主裂縫清晰地呈現為NNW方向，與推斷龍潭組主應力方向近南北向較為吻合。根據微地震檢測結果初步推測，6號煤有效裂縫改造范圍大致為210m×120m，壓裂效果較好；推測4號煤裂縫主方向與6號煤相同，主裂縫延伸長度及裂縫波及范圍可能更大，但由于4號壓裂過程中砂比偏低，加砂量低于預期，有效裂縫分布范圍可能小于預期(圖3)。

(圖中雙圈為檢測點，黑點為檢測破裂位置，坐標原點為井口位置)圖3 小型測試壓裂施工微地震檢測圖(單位：m)

(圖中雙圈為檢測點，黑點為檢測破裂位置；坐標原點為井口位置)圖4 壓裂施工微地震檢測圖(單位：m)

3號煤與2號煤厚度較大，有夾矸，壓裂施工壓力曲線隨排量變化形態較為相似。3號煤壓裂排量上升至7m3/min時，井筒周圍巖層隨后發生初次破裂，穩排量過程中，井口壓力遞減；2號煤累計射開厚度遠小于3號，壓裂初期井口壓力變化與排量之間響應關系稍明顯，但清晰的巖層破裂后曲線形態變化與3號煤施工曲線基本一致。整體上，3號煤、2號煤井口壓力與砂比、排量之間響應不明顯，壓裂施工進展順利。

3號煤壓裂微地震檢測結果與6號煤較為接近(圖4)，主裂縫方向仍然是NNW向，但二者間存在細微的差異。依據微地震檢測圖初步判斷，3號煤壓裂裂縫波及范圍210m×130m，即3號煤在垂直主裂縫方向壓裂改造效果更好一些；6號煤主裂縫軌跡及其方向更加清晰，主裂縫可能更多地出現在煤層底板，而3號煤主裂縫脈絡相對模糊些，與射孔方式、射開地層巖性、煤層厚度等因素有一定關系，3號煤停泵后壓力短時間的快速恢復也說明這一點。

直觀上，6號煤壓裂效果優于3號煤，后者在壓裂施工過程中，大部分前置液與攜砂液進入煤層，影響其頂底板及其夾矸層的預期改造效果。2號煤射孔方式較3號煤更為簡單，壓力曲線與排量數據對應關系更為清晰，壓裂效果總體上要優于3號煤。4號 煤及其底板的裂縫改造效果最好，但由于低砂比可能影響底板裂縫的有效支撐，4號煤總體壓裂效果可能要打折扣。初步認為，參數井6號、4號煤改造效果最好，2號煤次之，3號煤最差。

總體上，該井四層煤的水力壓裂施工按照設計要求進行。通過煤層頂底板井及煤層夾矸的壓裂改造，人為地擴大與改善頂底板裂縫與煤層的接觸范圍，煤儲層與井筒間建立良好的煤層氣運移通道，初步獲得較好的壓裂改造效果。

該煤層氣井于2018年2月6日排采，排采初期便見套壓，連續排采5個月后日產氣量穩定在1200m3左右。初步認為，HC1井射孔、壓裂設計針對性較強，達到預期效果，為今后湖南煤層氣實現商業化開發邁出關鍵一步。

電纜輸送橋塞+射孔壓裂聯作工藝技術對煤層氣直井改造針對性強，大大提高多煤層射孔壓裂作業效率，但限于條件，HC1井主力儲層主要參數與數據(含氣性、滲透性、壓力等)沒有取全，將影響區域多煤層煤層氣勘探開發潛力綜合評價，也為該井今后排采作業不同階段的針對性分析與認識帶來不便。