铁法煤田煤层气开发关键技术研究

葛 勇

东北煤田地质局沈阳煤层甲烷气开发中心，辽宁沈阳 110013

0 引言

铁法煤田属长焰、气煤煤田，区内赋存煤层气资源量107亿m3，1996 年～2012 年间共施工煤层气井35 口，属典型煤矿区煤层气开发，并服务于煤矿瓦斯治理需要，煤层气井储层改造其关键技术为：煤层压裂分段组合，水力携砂压裂完井。区内1996 年施工的DT3 井截止2013 年2 月已累计开采煤层气1 540 万m3，2004 年施工的DT4 井已累计开采煤层气2016 万m3，气井平均产气量2 000m3/d 以上，外输供气量5 300 万m3。

1 铁法煤田煤层气赋存特征

1.1 煤层

铁法煤田含煤地层为下白垩统阜新组，从岩性、岩相组合及含煤性可分上、下两个含煤段，其沉积特点为辫状河流及三角洲类型。多阶性旋回结构特征明显，表现为煤层多，以中厚煤层为主，且连续性较差的特点。下含煤段岩相空间配置为从盆缘向盆内依次为冲积扇—扇三角洲—三角洲平原或浅湖沉积环境，煤层多且厚度大，以泥岩沉积为主，含煤10 层，其中12、13、14、15 号煤层为主要可采煤层；上含煤段岩相配置与下含煤段相似，其中三角洲平原为主要聚煤环境，含煤10 层，其中4、7、8、9 号煤层为主要可采层。

1.2 构造特征

铁法盆地为一主体展布方向呈北北东向的半地堑或断坳盆地，它的形成和演化均受区域各构造体系控制，盆地基底的沉降又受盆缘断裂及松辽盆地区域沉降的双重因素影响，盆缘断裂走向为北北东向，它不但控制着铁法盆地的展布，而且对盆地内部沉积环境聚煤和迁移等均具有控制作用，导致铁法煤田西部沉积幅度始终较大，为盆地的沉积中心带，大兴井田为盆地的沉积中心，形成铁法煤田的聚煤中心，是煤层气勘探与开发的主要区域。

1.3 煤储层特征及含煤性

铁法煤田阜新组含煤岩系含煤层数较多，煤田中西部煤层发育较好，呈北北东向条带状分布。煤层比较稳定，盆地西部边缘各煤层结构区域复杂，均有分叉、变薄、尖灭等现象出现。

煤层割理发育中等，面割理约4-15 条/5cm，端割理2-4条/5cm，组成以孤立—网状为主的割理系统，割理发育程度与煤岩类型关系密切，主要以光亮型煤的7、9、12、13 和14 号煤层其割理发育较好。

煤层含气量经煤田地质钻孔及煤层气井煤层煤芯采样通过解吸法测试结果如下：

煤层号 含气量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

煤层渗透率通过煤层气井对煤层采用注入/压降法进行试井，获得了一些煤储层的参考资料，其中煤层渗透率在0.01-1.507 毫达西之间，其差异性较大。

1.4 煤层气资源丰度

铁法煤田煤层气资源丰富，有利于煤层气勘探开发。现保有煤炭储量达14 亿吨，煤层气资源量约107 亿m3，单位面积资源丰度为1.26 亿m3/km2，属于开发条件较好的中小型煤层气田，煤层气资源具有小而肥的特点，适于煤层气勘探与开发。

2 储层改造关键技术应用

2.1 多煤层压裂组合及技术原理

煤层气地面钻井开采其要素条件为：建立煤储层降压——解吸——扩散——渗流条件。水力携砂压裂的目的为通过高压水进入煤储层，沟通扩张煤层的裂缝系统，利用大排量的压裂液体携压裂支撑剂，待压裂结束后将压裂支撑砂支撑裂缝通道，以形成煤储层人为网络系统，降低气体流通阻力，达到增产的作用。而多煤层大跨度的间隔条件，导致压裂段过长，液体分流压差变化大，液体分配具有相当的局限性，限制了缝长半径的伸展，因此合理组合煤层，分层段进行压裂改造是铁法煤田煤层气开发的技术关键。

2.2 技术参数优化

分层原则：煤层分层组合一般视煤层条件组合段厚为35m左右，填砂上返厚度一般为15m 以上，以防止窜砂，煤层射孔采用ф89mm 枪102 弹，相位90°，16 弹/m，砂岩顶底板及夹层可以进行辅助射孔，以寻求更有效坚固的煤层气渗流通道。煤层组合段超过15m 以上时均采用投球分压，或段塞加砂，以进行人为分流，克服压力梯度差对压裂分流的影响，达到储层改造范围的最大化。

压裂基本参数选择

1）泵排量：8m3/min～10m3/min；

2）携砂比：平均10%以上；

3）加砂方式：采用阶梯加砂；

4）压裂方式：采用套管压裂；

5）分层组合压裂方式：采用上返填砂分层；

6）支撑剂选择：20/40 目石英砂（尾砂16/20 目）；

7）压裂液配置：选用清水+2%KLC 加1‰助排剂，加入KLC 具有防煤层灰分遇水膨胀，保持裂缝的作用。加入助排剂主要是可以一定程度上降低压裂液的返排阻力，并克服水张力对微细通道的阻力影响。

2.3 压裂层段组合及射孔压裂典型设计

本文仅以铁法煤田煤层气DT3 井为例，介绍煤储层改造相关关键技术及设计理念。（见图1）

图1

DT3 井压裂组合及射孔压裂设计（自下而上）第一压裂层段：754.55m～719.85m（15、16、17 煤），段厚34.70m，煤厚10.20m，射孔厚度14.70m，压裂总液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分压，上返填砂段厚38.00m。

第二压裂层段：681.36m～640.60m（12、13、14 煤），段厚40.75m，煤厚16.04m，射孔厚度28.20m，压裂总液量1000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分压，上返填砂段厚109.00m。

第三压裂层段：531.85m～501.65m（6、7、9 煤），段厚20.30m，煤厚10.87m，射孔厚度19.76m，压裂总液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分压，上返填砂段厚21.98m。

第四压裂层段：479.67-461.60（3、4 煤），段厚18.07m，煤厚8.22m，射孔厚度12.86m，压裂总液量1 000m3（前置液400m3），加砂量60m3，投球分压。

2.4 储层改造效果分析

2.4.1 多煤层分层压裂组合可以实现对煤储层的有效利用

合理组合压裂层段对储层改造可以实现全方位、多元化有效抑制储层压力差导致的压裂液体分配随意的现象，人为制造压裂方向更有效的实现储层改造的最大化。

2.4.2 压裂规模决定了储层改造的效果

压裂规模一定程度上决定了储层改造的范围，而储层改造的范围决定了煤层气井的产能，设计中考虑煤层对压裂液的滤失影响，加大了前置液的注入规模，使其前置液的沟通作用明显，后期加砂顺利，以提高有效支撑裂缝的形成。

2.4.3 砂岩顶底板和夹层实施射孔压裂对气井产能有贡献作用

煤储层的直接顶底板射孔后参与压裂一定程度上对建立煤储层裂缝通道有重要的影响作用，煤层气的渗流方向既有水平方向，又有垂直方向，砂岩层不仅可以成为渗流层，同时也是游离气的储层。

3 排水采气综合分析及产能预测

DT3 井施工于1996 年，1997 年5 月开始进行排水采气实验，截止1998 年8 月（15 个月）累计产气150 万m3，产水12 600m3，平均日产气3300m3/d，平均日产水28m3/d，完成排水采气试验后关井，后于2007 年4 月重新开井，截止2013 年2 月，累计产气1 540 万m3，目前该井日产气量平均在3 500m3/d 以上，预测气井单井最终总产气量可达到2 000 万m3以上。

铁法煤田DT3 井是迄今我国煤层气井开发最早、服务年限最高、压裂完井产气量最高的一口煤层气井，其所投入的储层改造关键技术具有高产能的重要支持作用。

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