间接压裂技术提高煤层气采收率的探讨

刘蒙蒙

摘 要：探讨提高煤层气采收率的间接压裂新方法。根据煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律，以及常规水力压裂又很难适应煤层的特殊地质特性，提出在煤层相邻的砂岩部位进行压裂构想。其机理是煤岩的裂缝传导率差，易被压碎产生煤粉且有突出的各项异性、应力集中的特点，煤层中的面割理垂直于煤层，垂向渗透率通常高于水平渗透率，面割理的方向性使煤层与间接压裂诱导水力裂缝自动沟通，形成高传导渗流通道，从而促进煤层气的解吸和渗流。

关键词：煤层气；间接压裂；采收率；解吸

中图分类号：TD842 文献标识码：A

在我国有着十分丰富的煤层气资源，其在2000米以浅的储量有30多万亿立方米。由于我国煤层特殊的储层特征及参数，及煤层气特殊的赋存和产出运移规律，煤储层渗透率普遍较低， 以致煤层气开采的难度大，产气速度慢，采收率低，产气效果差。提高煤层气的采收率不仅有经济价值，而且可以大大降低煤矿开采时的瓦斯安全事故。为提高煤层气采收率所研究和运用最普遍的增产措施是对煤层就行压裂，压裂技术在国内的石油天然气开采及煤层气开采已比较成熟，而我国对间接压裂技术方面的研究还比较少和不成熟。

1 间接压裂的地质理论支持及优点

由煤层气压裂特征可知常规水力压裂直接对煤层进行压裂，容易造成砂堵、注入压力高、煤粉堵塞、压裂失效、裂缝形态复杂等不利因素。为了更好的提高压裂效果，提出了间接压裂的新方法。

间接压裂其实质就是不直接对煤层进行压裂改造，而是通过对煤层顶底板及夹层进行射孔、压裂改造，通过在临近层中形成垂直水力裂缝与煤层的有效沟通，间接实现对煤层改造目的，它的出发点在于以下两点。

（1）煤层的裂隙割理系统与油藏裂隙系统不同，十分复杂。煤层的弹性模量低，很难将水力压裂裂缝传递到煤层深部，且形成的割理复杂挠曲，而含煤层段的砂岩、粉砂岩具有良好的传导水力裂缝的能力。

（2）煤层割理分为面割理及端割理，面割理传导能力优于端割理。面割理一般垂直于煤层，所以煤层垂直方向的渗透率高于水平方向的渗透率。因此人造水力裂缝能很好地与煤层自然裂隙系统沟通，砂岩、粉砂岩水力裂缝可将支撑剂带人岩层及煤层深部起到支撑通道作用。

2 提高间接压裂水力裂缝的延伸

通过射孔间接压裂在美国有相关的施工已经证明有很强的增产效果，其日产气量明显比直接对煤层压裂的产气量大，而且可持续性也较强。为了使间接压裂在水平方向上有较深的延伸，在储层邻近的砂岩或粉砂岩地层用极小转弯半径钻井。然后在所钻小口径的水平孔内进行压裂。

澳大利亚自20世纪90年代开始一直进行自进式超短半径水平瓦斯抽放孔钻井技术的研究，并取得了很大的效果。短半径水平钻井的根本特征是它能够在300mm短半径的垂直井井段中完成从垂直转向水平，因而可以避免用常规的大曲率半径、中曲率半径造水平井所需要的频繁造斜定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确的进入目的层。它采用了高压水射流破岩形成水平井眼的新技术，而且由于不需要通过钻杆给钻头施加“钻压”，彻底解决了常规钻水平井技术所遇到的施加钻压困难和钻杆旋转带来的一系列问题，减少了井下事故的发生，提高了钻井速度。

实现水力喷射水平钻井（造穴）的主要地面设备为用来提供水力破岩、下钻具、提供井下钻具动力以及控制钻井速度的高压泵车一台、常规修井机及缆绳车，井下工具包括水力破岩钻头及与之连接在一起的0.032m的生产管（连续油管）斜向器、控制机构等。

水力破岩钻头是形成水平孔的关键，多喷嘴组合钻头和单喷嘴旋转射流钻头，这两种钻头为水力喷射式钻头，它是靠泵压在喷嘴处形成形成高压水射流，利用水力破碎岩石进行钻进，无需机械碎岩，简单且安全高效。

3 水平裸眼孔间接压裂

裂缝的形态十分复杂，但是大致可分为水平裂缝和垂直裂缝。因为要连通储层，所以对于间接压裂其所压裂裂缝均为垂直缝。在已钻水平孔内进行裸眼压裂，如果要增加导流能力，则限制缝长，增加缝宽缝高；如果是要增加泄流面积，则造长缝，限制缝高。为造长缝则需要小排量，低砂比泵注；为增加缝宽缝高，则需大排量，高砂比并且限流法压裂施工。一般压裂填砂目的是起到支撑裂缝通道的作用，提高水力裂缝的导流能力，缝宽越大导流能力就越好。因此在压裂充填时会力争将裂缝压成比较宽，而不是长的。为达到这种目的，一般会采取端部脱砂的工艺，在一定缝长和缝高时，使携砂液脱水，在缝的端部脱砂，从而来增大缝宽。

煤层滤失大，排量不宜太低，前置液打到一半提高排量，通过前置液排量的瞬间跃变，可控制裂缝缝口高度上下延伸。施工后期快速提高的砂比会在缝口形成楔形砂堤，增大近井裂缝支撑宽度。

所构想间接压裂的示意图如图1所示。

如图1所示，压裂裂缝可分为横向裂缝及纵向裂缝，纵向裂缝就是裂缝面延井筒平行方向延伸，横向裂缝是裂缝面延井筒垂直的方向延伸。四个水平孔是在煤层邻近砂岩或者粉砂岩层所钻的小直径水平短孔。

极小转弯半径钻小直径水平短孔技术在澳大利亚煤层气开采中已经取得了大的成功及成效。然而用邻近层钻水平孔进行间接压裂尚无试验，但通过射孔进行间接压裂在美国已经取得成功。当只针对一个目的煤层进行间接压裂时选择目的煤层上覆砂岩或粉砂岩进行压裂。若两相邻煤层距离较近时，在两煤层间的砂岩层进行压裂可以同时沟通两层煤层。此外为了降低此种间接压裂试验的风险，提高成功率，保证在间接压裂不成功的情况下生产井不至于报废，则采取在邻近砂岩或粉砂岩钻水平孔进行压裂的同时，再在煤层内钻水平孔提高其产气能力。这样不仅提高了间接压裂裂缝向煤层深部延伸，而且当间接压裂不成功的情况下，仍然有较高的增产效果。可根据施工的技术与实际影响因素来增加或者减去煤层的水平孔方案，它整个井身示意图如图2所示：

此预想方案中在两煤层间的砂岩中钻短水平孔压裂在排采过程中可能会有层间干扰，若试验测得两煤层的层间干扰有一定危害，则可下入分流器防止层间干扰。

结语

我国对煤层气开采研究较晚，许多单位也是刚开始对煤层气开发进行探索，根据本单位技术方法现有水平，可采取不钻水平孔，直接对煤层和邻近砂岩层同时进行压裂试验。

间接压裂新方法可有效解决常规油气压裂无法适应煤层气开采的难题，减小对储层的伤害，同时提高渗透率，增大煤层气抽采率。其在砂岩中的裂缝可长久保持其通透率，并延伸至煤层深处，不易被煤粉堵塞，从而大幅提高煤层气的采收率。

参考文献

[1]易俊，鲜学福，姜永东.声震法提高煤层气抽采率原理[R].石油工业出版社，2010，（12）：2-5.

[2]孙赞东，贾承造，李相方，等.非常规油气勘探与开发（下册）[M].石油工业出版社，2011：641-652，716-722.

[3]曹立刚.煤层气井短半径水平钻井技术研究[J].中国煤田地质，2003，15（3）：1-3.

[4] L IU Y，JUST G. Changing drilling technology for coal seam exploration and gas recovery [C] . Aust ralia first annual conference ， 1994 ， Brisbane ， Australia.

[5]宋恪兴，马兆斌，毕升.水力压裂裂缝形态与方位的研究应用[J].河南石油，1996，10（5）：30-33.endprint

摘 要：探讨提高煤层气采收率的间接压裂新方法。根据煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律，以及常规水力压裂又很难适应煤层的特殊地质特性，提出在煤层相邻的砂岩部位进行压裂构想。其机理是煤岩的裂缝传导率差，易被压碎产生煤粉且有突出的各项异性、应力集中的特点，煤层中的面割理垂直于煤层，垂向渗透率通常高于水平渗透率，面割理的方向性使煤层与间接压裂诱导水力裂缝自动沟通，形成高传导渗流通道，从而促进煤层气的解吸和渗流。

关键词：煤层气；间接压裂；采收率；解吸

中图分类号：TD842 文献标识码：A

在我国有着十分丰富的煤层气资源，其在2000米以浅的储量有30多万亿立方米。由于我国煤层特殊的储层特征及参数，及煤层气特殊的赋存和产出运移规律，煤储层渗透率普遍较低， 以致煤层气开采的难度大，产气速度慢，采收率低，产气效果差。提高煤层气的采收率不仅有经济价值，而且可以大大降低煤矿开采时的瓦斯安全事故。为提高煤层气采收率所研究和运用最普遍的增产措施是对煤层就行压裂，压裂技术在国内的石油天然气开采及煤层气开采已比较成熟，而我国对间接压裂技术方面的研究还比较少和不成熟。

1 间接压裂的地质理论支持及优点

由煤层气压裂特征可知常规水力压裂直接对煤层进行压裂，容易造成砂堵、注入压力高、煤粉堵塞、压裂失效、裂缝形态复杂等不利因素。为了更好的提高压裂效果，提出了间接压裂的新方法。

间接压裂其实质就是不直接对煤层进行压裂改造，而是通过对煤层顶底板及夹层进行射孔、压裂改造，通过在临近层中形成垂直水力裂缝与煤层的有效沟通，间接实现对煤层改造目的，它的出发点在于以下两点。

（1）煤层的裂隙割理系统与油藏裂隙系统不同，十分复杂。煤层的弹性模量低，很难将水力压裂裂缝传递到煤层深部，且形成的割理复杂挠曲，而含煤层段的砂岩、粉砂岩具有良好的传导水力裂缝的能力。

（2）煤层割理分为面割理及端割理，面割理传导能力优于端割理。面割理一般垂直于煤层，所以煤层垂直方向的渗透率高于水平方向的渗透率。因此人造水力裂缝能很好地与煤层自然裂隙系统沟通，砂岩、粉砂岩水力裂缝可将支撑剂带人岩层及煤层深部起到支撑通道作用。

2 提高间接压裂水力裂缝的延伸

通过射孔间接压裂在美国有相关的施工已经证明有很强的增产效果，其日产气量明显比直接对煤层压裂的产气量大，而且可持续性也较强。为了使间接压裂在水平方向上有较深的延伸，在储层邻近的砂岩或粉砂岩地层用极小转弯半径钻井。然后在所钻小口径的水平孔内进行压裂。

澳大利亚自20世纪90年代开始一直进行自进式超短半径水平瓦斯抽放孔钻井技术的研究，并取得了很大的效果。短半径水平钻井的根本特征是它能够在300mm短半径的垂直井井段中完成从垂直转向水平，因而可以避免用常规的大曲率半径、中曲率半径造水平井所需要的频繁造斜定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确的进入目的层。它采用了高压水射流破岩形成水平井眼的新技术，而且由于不需要通过钻杆给钻头施加“钻压”，彻底解决了常规钻水平井技术所遇到的施加钻压困难和钻杆旋转带来的一系列问题，减少了井下事故的发生，提高了钻井速度。

实现水力喷射水平钻井（造穴）的主要地面设备为用来提供水力破岩、下钻具、提供井下钻具动力以及控制钻井速度的高压泵车一台、常规修井机及缆绳车，井下工具包括水力破岩钻头及与之连接在一起的0.032m的生产管（连续油管）斜向器、控制机构等。

水力破岩钻头是形成水平孔的关键，多喷嘴组合钻头和单喷嘴旋转射流钻头，这两种钻头为水力喷射式钻头，它是靠泵压在喷嘴处形成形成高压水射流，利用水力破碎岩石进行钻进，无需机械碎岩，简单且安全高效。

3 水平裸眼孔间接压裂

裂缝的形态十分复杂，但是大致可分为水平裂缝和垂直裂缝。因为要连通储层，所以对于间接压裂其所压裂裂缝均为垂直缝。在已钻水平孔内进行裸眼压裂，如果要增加导流能力，则限制缝长，增加缝宽缝高；如果是要增加泄流面积，则造长缝，限制缝高。为造长缝则需要小排量，低砂比泵注；为增加缝宽缝高，则需大排量，高砂比并且限流法压裂施工。一般压裂填砂目的是起到支撑裂缝通道的作用，提高水力裂缝的导流能力，缝宽越大导流能力就越好。因此在压裂充填时会力争将裂缝压成比较宽，而不是长的。为达到这种目的，一般会采取端部脱砂的工艺，在一定缝长和缝高时，使携砂液脱水，在缝的端部脱砂，从而来增大缝宽。

煤层滤失大，排量不宜太低，前置液打到一半提高排量，通过前置液排量的瞬间跃变，可控制裂缝缝口高度上下延伸。施工后期快速提高的砂比会在缝口形成楔形砂堤，增大近井裂缝支撑宽度。

所构想间接压裂的示意图如图1所示。

如图1所示，压裂裂缝可分为横向裂缝及纵向裂缝，纵向裂缝就是裂缝面延井筒平行方向延伸，横向裂缝是裂缝面延井筒垂直的方向延伸。四个水平孔是在煤层邻近砂岩或者粉砂岩层所钻的小直径水平短孔。

极小转弯半径钻小直径水平短孔技术在澳大利亚煤层气开采中已经取得了大的成功及成效。然而用邻近层钻水平孔进行间接压裂尚无试验，但通过射孔进行间接压裂在美国已经取得成功。当只针对一个目的煤层进行间接压裂时选择目的煤层上覆砂岩或粉砂岩进行压裂。若两相邻煤层距离较近时，在两煤层间的砂岩层进行压裂可以同时沟通两层煤层。此外为了降低此种间接压裂试验的风险，提高成功率，保证在间接压裂不成功的情况下生产井不至于报废，则采取在邻近砂岩或粉砂岩钻水平孔进行压裂的同时，再在煤层内钻水平孔提高其产气能力。这样不仅提高了间接压裂裂缝向煤层深部延伸，而且当间接压裂不成功的情况下，仍然有较高的增产效果。可根据施工的技术与实际影响因素来增加或者减去煤层的水平孔方案，它整个井身示意图如图2所示：

此预想方案中在两煤层间的砂岩中钻短水平孔压裂在排采过程中可能会有层间干扰，若试验测得两煤层的层间干扰有一定危害，则可下入分流器防止层间干扰。

结语

我国对煤层气开采研究较晚，许多单位也是刚开始对煤层气开发进行探索，根据本单位技术方法现有水平，可采取不钻水平孔，直接对煤层和邻近砂岩层同时进行压裂试验。

间接压裂新方法可有效解决常规油气压裂无法适应煤层气开采的难题，减小对储层的伤害，同时提高渗透率，增大煤层气抽采率。其在砂岩中的裂缝可长久保持其通透率，并延伸至煤层深处，不易被煤粉堵塞，从而大幅提高煤层气的采收率。

参考文献

[1]易俊，鲜学福，姜永东.声震法提高煤层气抽采率原理[R].石油工业出版社，2010，（12）：2-5.

[2]孙赞东，贾承造，李相方，等.非常规油气勘探与开发（下册）[M].石油工业出版社，2011：641-652，716-722.

[3]曹立刚.煤层气井短半径水平钻井技术研究[J].中国煤田地质，2003，15（3）：1-3.

[4] L IU Y，JUST G. Changing drilling technology for coal seam exploration and gas recovery [C] . Aust ralia first annual conference ， 1994 ， Brisbane ， Australia.

[5]宋恪兴，马兆斌，毕升.水力压裂裂缝形态与方位的研究应用[J].河南石油，1996，10（5）：30-33.endprint

摘 要：探讨提高煤层气采收率的间接压裂新方法。根据煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律，以及常规水力压裂又很难适应煤层的特殊地质特性，提出在煤层相邻的砂岩部位进行压裂构想。其机理是煤岩的裂缝传导率差，易被压碎产生煤粉且有突出的各项异性、应力集中的特点，煤层中的面割理垂直于煤层，垂向渗透率通常高于水平渗透率，面割理的方向性使煤层与间接压裂诱导水力裂缝自动沟通，形成高传导渗流通道，从而促进煤层气的解吸和渗流。

关键词：煤层气；间接压裂；采收率；解吸

中图分类号：TD842 文献标识码：A

在我国有着十分丰富的煤层气资源，其在2000米以浅的储量有30多万亿立方米。由于我国煤层特殊的储层特征及参数，及煤层气特殊的赋存和产出运移规律，煤储层渗透率普遍较低， 以致煤层气开采的难度大，产气速度慢，采收率低，产气效果差。提高煤层气的采收率不仅有经济价值，而且可以大大降低煤矿开采时的瓦斯安全事故。为提高煤层气采收率所研究和运用最普遍的增产措施是对煤层就行压裂，压裂技术在国内的石油天然气开采及煤层气开采已比较成熟，而我国对间接压裂技术方面的研究还比较少和不成熟。

1 间接压裂的地质理论支持及优点

由煤层气压裂特征可知常规水力压裂直接对煤层进行压裂，容易造成砂堵、注入压力高、煤粉堵塞、压裂失效、裂缝形态复杂等不利因素。为了更好的提高压裂效果，提出了间接压裂的新方法。

间接压裂其实质就是不直接对煤层进行压裂改造，而是通过对煤层顶底板及夹层进行射孔、压裂改造，通过在临近层中形成垂直水力裂缝与煤层的有效沟通，间接实现对煤层改造目的，它的出发点在于以下两点。

（1）煤层的裂隙割理系统与油藏裂隙系统不同，十分复杂。煤层的弹性模量低，很难将水力压裂裂缝传递到煤层深部，且形成的割理复杂挠曲，而含煤层段的砂岩、粉砂岩具有良好的传导水力裂缝的能力。

（2）煤层割理分为面割理及端割理，面割理传导能力优于端割理。面割理一般垂直于煤层，所以煤层垂直方向的渗透率高于水平方向的渗透率。因此人造水力裂缝能很好地与煤层自然裂隙系统沟通，砂岩、粉砂岩水力裂缝可将支撑剂带人岩层及煤层深部起到支撑通道作用。

2 提高间接压裂水力裂缝的延伸

通过射孔间接压裂在美国有相关的施工已经证明有很强的增产效果，其日产气量明显比直接对煤层压裂的产气量大，而且可持续性也较强。为了使间接压裂在水平方向上有较深的延伸，在储层邻近的砂岩或粉砂岩地层用极小转弯半径钻井。然后在所钻小口径的水平孔内进行压裂。

澳大利亚自20世纪90年代开始一直进行自进式超短半径水平瓦斯抽放孔钻井技术的研究，并取得了很大的效果。短半径水平钻井的根本特征是它能够在300mm短半径的垂直井井段中完成从垂直转向水平，因而可以避免用常规的大曲率半径、中曲率半径造水平井所需要的频繁造斜定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确的进入目的层。它采用了高压水射流破岩形成水平井眼的新技术，而且由于不需要通过钻杆给钻头施加“钻压”，彻底解决了常规钻水平井技术所遇到的施加钻压困难和钻杆旋转带来的一系列问题，减少了井下事故的发生，提高了钻井速度。

实现水力喷射水平钻井（造穴）的主要地面设备为用来提供水力破岩、下钻具、提供井下钻具动力以及控制钻井速度的高压泵车一台、常规修井机及缆绳车，井下工具包括水力破岩钻头及与之连接在一起的0.032m的生产管（连续油管）斜向器、控制机构等。

水力破岩钻头是形成水平孔的关键，多喷嘴组合钻头和单喷嘴旋转射流钻头，这两种钻头为水力喷射式钻头，它是靠泵压在喷嘴处形成形成高压水射流，利用水力破碎岩石进行钻进，无需机械碎岩，简单且安全高效。

3 水平裸眼孔间接压裂

裂缝的形态十分复杂，但是大致可分为水平裂缝和垂直裂缝。因为要连通储层，所以对于间接压裂其所压裂裂缝均为垂直缝。在已钻水平孔内进行裸眼压裂，如果要增加导流能力，则限制缝长，增加缝宽缝高；如果是要增加泄流面积，则造长缝，限制缝高。为造长缝则需要小排量，低砂比泵注；为增加缝宽缝高，则需大排量，高砂比并且限流法压裂施工。一般压裂填砂目的是起到支撑裂缝通道的作用，提高水力裂缝的导流能力，缝宽越大导流能力就越好。因此在压裂充填时会力争将裂缝压成比较宽，而不是长的。为达到这种目的，一般会采取端部脱砂的工艺，在一定缝长和缝高时，使携砂液脱水，在缝的端部脱砂，从而来增大缝宽。

煤层滤失大，排量不宜太低，前置液打到一半提高排量，通过前置液排量的瞬间跃变，可控制裂缝缝口高度上下延伸。施工后期快速提高的砂比会在缝口形成楔形砂堤，增大近井裂缝支撑宽度。

所构想间接压裂的示意图如图1所示。

如图1所示，压裂裂缝可分为横向裂缝及纵向裂缝，纵向裂缝就是裂缝面延井筒平行方向延伸，横向裂缝是裂缝面延井筒垂直的方向延伸。四个水平孔是在煤层邻近砂岩或者粉砂岩层所钻的小直径水平短孔。

极小转弯半径钻小直径水平短孔技术在澳大利亚煤层气开采中已经取得了大的成功及成效。然而用邻近层钻水平孔进行间接压裂尚无试验，但通过射孔进行间接压裂在美国已经取得成功。当只针对一个目的煤层进行间接压裂时选择目的煤层上覆砂岩或粉砂岩进行压裂。若两相邻煤层距离较近时，在两煤层间的砂岩层进行压裂可以同时沟通两层煤层。此外为了降低此种间接压裂试验的风险，提高成功率，保证在间接压裂不成功的情况下生产井不至于报废，则采取在邻近砂岩或粉砂岩钻水平孔进行压裂的同时，再在煤层内钻水平孔提高其产气能力。这样不仅提高了间接压裂裂缝向煤层深部延伸，而且当间接压裂不成功的情况下，仍然有较高的增产效果。可根据施工的技术与实际影响因素来增加或者减去煤层的水平孔方案，它整个井身示意图如图2所示：

此预想方案中在两煤层间的砂岩中钻短水平孔压裂在排采过程中可能会有层间干扰，若试验测得两煤层的层间干扰有一定危害，则可下入分流器防止层间干扰。

结语

我国对煤层气开采研究较晚，许多单位也是刚开始对煤层气开发进行探索，根据本单位技术方法现有水平，可采取不钻水平孔，直接对煤层和邻近砂岩层同时进行压裂试验。

间接压裂新方法可有效解决常规油气压裂无法适应煤层气开采的难题，减小对储层的伤害，同时提高渗透率，增大煤层气抽采率。其在砂岩中的裂缝可长久保持其通透率，并延伸至煤层深处，不易被煤粉堵塞，从而大幅提高煤层气的采收率。

参考文献

[1]易俊，鲜学福，姜永东.声震法提高煤层气抽采率原理[R].石油工业出版社，2010，（12）：2-5.

[2]孙赞东，贾承造，李相方，等.非常规油气勘探与开发（下册）[M].石油工业出版社，2011：641-652，716-722.

[3]曹立刚.煤层气井短半径水平钻井技术研究[J].中国煤田地质，2003，15（3）：1-3.

[4] L IU Y，JUST G. Changing drilling technology for coal seam exploration and gas recovery [C] . Aust ralia first annual conference ， 1994 ， Brisbane ， Australia.

[5]宋恪兴，马兆斌，毕升.水力压裂裂缝形态与方位的研究应用[J].河南石油，1996，10（5）：30-33.endprint