煤层气压裂施工质量与地质原因分析

邵凯 王东东 张治仓 冉少峰 何倩

摘 要：煤层气压裂是一种重要的煤层气增产措施，通过压裂施工可以有效地沟通煤层中的裂隙，增加煤层气的解析面积，从而提高煤层气井的产气量。由于各个地区的煤层物理性质不同，煤体结构以及上覆岩层的物理性质不同，进而导致煤层气压裂施工质量不同，文章通过一系列的压裂资料、地质资料、微地震资料等资料对大佛寺地区的煤层气水力压裂情况进行了分析，为后续的煤层气井压裂施工提供了一定的经验。

关键词：煤层气；水力压裂；施工质量；地质原因

1 区域背景介绍

大佛寺井田位于陕西省咸阳市北部的彬县和长武县境内，距彬县约10km，长约14km，最宽处约6.5km，面积71.48km2。

本区地层区划属于华北地层区鄂尔多斯盆地分区正宁-佳县小区，区内地表绝大部分被第四系黄土覆盖。区内地层由老至新依次为三叠系胡家村组，侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组，白垩系宜君组、洛河组、华池环河组，新近系，第四系等。煤层主要为侏罗系的延安组，其中主要的含煤地层为4号煤层，根据沉积组合特征、物性特征及含煤性特征，以4上煤层之上的厚层河道砂岩为界，将延安组分为上、下两段，上含煤段厚度0-45.71m，一般厚度为20m，含3-1、3-2两层煤，下含煤段厚度0-100m，一般厚度为40-80m。研究区的构造结构相对简单，煤层倾角一般为3-5°。断裂以落差小于5m的正断层为主。

2 水力压裂工艺技术介绍及应用

煤层气压裂是从油井压裂延伸而来的技术，自我国与1955年在玉门油田完成第一口的压裂已经有60年历史。随着油气田的开发，已经单纯从油井压裂逐渐过渡为煤层气井压裂，水平井压裂，页岩气井压裂，致密砂岩气压裂等技术。我国煤层气资源丰富，大佛寺井田更是多年被评为高瓦斯矿井。压裂是指作为一项有效的增产措施，在该研究区使用最多的是水力压裂。水力压裂可以消除井筒附近储层在钻井，固井，完井中的对煤层造成的伤害，同时使得井筒与煤储层的裂隙系统进行更好的沟通，增加煤层气的解析面积。

煤层气井与常规的油气井不同，我国的煤层气具有渗透率低，压裂低，丰度低的特征，产气难度大于国外的煤层气井，需要对煤层气进行压裂增产。由于常规的煤层气井水力压裂较为完善，所有利用水力压裂对煤层气井进行改造是我国开发煤层气的主要手段。在水力压裂中需要考虑形成较长的水力裂缝，使得压力能传递到井筒的远端位置，并且提高通道的长度和直径；增加煤层的渗透性，保持原有地层的水力特征，不能因压裂规模过大而导通上下的含水地层，使得地层压力难以释放。

2.1 压裂液的选配

压裂液在煤层气井的改造过程中有着非常重要的作用，常见压裂液通过使用的分为五类，即活性水压裂液技术、清洁压裂液、泡沫压裂液、冻胶压裂液、线性胶压裂液。压裂液技术关键是要考虑到造缝能力，携砂能力，返排效率，成本等方面。

选用冻胶和清洁压裂液体系有利于裂缝展布，增大煤层内裂缝、裂隙和孔隙沟通面积。但泡沫压裂液和冻结压裂液有可能导致煤层隔理的堵塞，以及液体吸附，对煤层的渗透率造成不可逆的伤害。为了降低压裂液对煤层吸附性伤害和堵塞性的伤害，提高携砂及造缝的效率，同时提高返排率，本次使用低伤害、低成本的活性水体。配方主要为：清水+1% KC1+0.05%杀菌剂。

2.2 支撑剂的选型

压裂时支撑剂的选择非常重要，为了使得地层中压裂的缝隙在停止压裂后继续保留，需要在缝隙内填入支撑剂，是提高裂缝导流能力的重要环节。常用的煤层气支撑剂有石英砂、陶粒、玻璃球、铅球、树脂包层砂等。支撑剂应当具备密度小、强度大、圆球度高、在高温水中呈化学惰性等特点。

支撑剂类型的选择主要考虑其强度和成本。由于大佛寺井田煤层闭合压力较小，对支撑剂的强度要求不高，另外石英砂的相对密度较低，便于施工，可以减少泵和设备的磨损，另外球度较好的石英砂破碎后仍然可以保持一定的导流能力。前置液阶段加入40-70目石英砂段塞，携砂液阶段加入20-40目石英砂，最后加入16-20目石英砂。储层渗透性中，同等的加砂规模下较低的砂比可得到更长的裂缝长度，平均砂比为13-15%。

2.3 压裂施工参数

研究区的煤层厚度大、埋藏浅、渗透性较好，压裂施工的加砂强度为：目的煤层厚度大于12m，加砂强度7m3/m；目的煤层厚度10-12m，加砂强度8m3/m；目的煤层厚度8-10m，加砂强度9m3/m；目的煤层厚度小于8m，加砂强度10m3/m。

3 压裂施工工程质量

煤层气井的压裂效果，除了受到上述的煤层气压裂施工参数影响外，也受到煤气的沉积环境影响，本次以本地区的两口煤层气井DFS-74井和DFS-153井水力压裂为例进行说明，如图1所示。

图1 大佛寺矿区煤层气段沉积与压裂效果分析图

研究区的延安组4号煤层是主要的产气煤层气，其主要的沉积环境为三曲流河角洲沉积的间湾沼泽环境。三角洲的发育过程中分流河道和河口坝较为发育，使得煤层的厚度以及顶底板的煤层结构都会发生一定的变化。从图中可以看出DFS-74井的成煤沉积环境更为稳定，煤层段发育较好；DFS-153井的煤层段岩性上可以看出在煤层段的上部粉砂岩和泥质粉砂岩较发育。沉积环境较中可发现分流河道、河口坝异常发育。从效果来看DFS-74井左右裂缝分支均比DFS-153井的裂缝更长。从排采情况分析，DFS-74井的排采效果要好于DFS-153井，验证了沉积相的分布对煤层气井压裂效果的影响。

4 结束语

文章对大佛寺煤层气井的压裂施工质量以及地质原因进行了分析，压裂作为煤层气施工的重要环节，需要综合考虑地质因素，如构造特征和沉积背景，在随后的压裂施工中，可考虑先进行微地震分析以及划分出沉积相。同时不断优化压裂参数，提高煤层气井的压裂效果。

参考文献

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