贵州黔北某区块4#、5#煤层合层压裂可行性研究

2016-09-18郑家发

西部探矿工程 2016年8期

关键词：孔眼摩阻投球

郑家发

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳贵州550008）

贵州黔北某区块4#、5#煤层合层压裂可行性研究

郑家发*

（贵州省煤田地质局实验室，贵阳贵州550008）

煤层薄、单层资源丰度不足、多层联合开发费用高的现状严重限制了贵州省煤层气产业的发展。为降低开发成本、克服地质条件的限制，结合研究区特点，采用理论计算、工程实施验证的方法探讨了4#、5#煤层合层压裂的可行性。研究结果表明：试验区4#煤层和5#煤层同时实现破裂是可能的，采用投球封堵的方法可实现均匀压裂的目的；合层压裂后排采数据显示，平均日产量可达1200m3，已达到周边分层压裂井的平均水平，说明了此工艺的可行性。

煤层气；薄煤层；合层压裂；联合开发

贵州省煤层气资源量巨大，吨煤含气量高，煤层数量多［1］。虽满足了资源丰度的要求，但其煤层薄、渗透性低的特点不能为煤层气地面开发提供资源保障。目前主要采取的开采策略是分段射孔压裂（封隔器、桥塞、封堵球、填砂等）［2］，以实现多煤层联合开采。但高压裂费用、高投资风险的现状使许多投资者望而却步，严重制约了贵州省煤层气产业的发展。如何采取因地制宜的工艺，实现大规模商业化开发，还是一个亟待解决的重大课题。

苏现波教授提出“虚拟储层”概念，提供了一种在煤储层临近层进行压裂抽采煤层气的新思路［3］。倪晓明等研究了多煤层合层水力压裂关键技术，认为在合适的条件下，合层水力压裂是一种可行的工艺，可以实现两层或以上煤层及夹层作为一个压力系统压裂的目的［4］，并研究了合层水力压裂是投球数的确定方法［5］；李勇明、王兴文等通过对堵塞球受力分析，建立了破裂压力计算模型［6-7］；肖辉等研究了施工参数对堵塞球运动的影响［8］。煤层的非均质性强，且具有地域性特点，结合前人研究和此研究区煤层数多、层间距小的特点，通过理论计算、工程实施验证等讨论了本区块4#、5#煤层实施合层压裂的可行性，以期实现降低成本和风险、缩短投资周期，高效开采研究区煤层气的目的。

1　研究区概况

1.1井田地层

研究区含煤地层龙潭组（P3l）出露于井田北部及西部外围，以灰、深灰色薄—中厚层粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主，夹细砂岩、钙质泥岩及4～7层灰岩、泥质灰岩，含煤9～21层。根据岩性、古生物，可分为上、下2段：

下段（P3l1）以粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主，夹细砂岩、灰质泥岩。含煤3～8层，煤层编号为10～15号。

上段（P3l2）以粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩为主，夹细砂岩。含煤5～14层，煤层编号为1～9号，其中9、5、4号煤层普遍发育较好，是井田内主要可采煤层。

1.2构造特征

井田总体呈一向斜构造，少见断层，向斜位于井田中部，走向70°左右，井田内长约4 km，包括区外其清楚段长约11km，为一宽缓的不对称向斜，轴面倾向北西，向斜宽约2～4.5km。自西向东，其轴线先后穿过上二叠统、三叠系。北西翼地层倾角较陡，为7°～35°，一般28°；南东翼地层倾角较缓，为4°～12°，一般为9°～10°，总体来看，井田的构造复杂程度中等。

1.3煤层情况

（1）4#煤层：位于龙潭组上段的中部，上距长兴灰岩20.1～44.6m，平均28.96m。厚煤带主要分布于井田中部；可采范围分布于井田的中深部。煤层结构为简单—复杂，夹石岩性一般为泥岩，个别为炭质泥岩，其厚度变化大，夹石增厚可造成煤层分岔形成煤层组。

（2）5#煤层：位于龙潭组上段的中下部，厚煤带主要分布于井田北部，不可采范围分布于井田的中部。煤层大部为简单结构，夹石岩性一般为泥岩，厚度一般为0.10～0.30m，最厚为0.68m。顶板为4#煤层底板。直接底板为泥岩、粉砂质泥岩，往下为细砂岩或粉砂岩，局部含2层薄煤层，研究区参数孔取得柱状如图1所示，4#煤、5#煤力学性质测试结果如表1所示。

表1　煤样力学性质测试结果

2　理论验算

如果把压裂目的层段作为研究对象，其破裂的情况下，力学条件需满足下式：

Ppump=Pm-PF≥Pf

式中：Ppump——压裂施工泵压，MPa；

Pm——井筒中的静液压力，MPa；

Pf——地层破裂压力，MPa；

PF——孔眼及管线摩阻，MPa。

其中的地层破裂压力可以通过试井测试得到，静液压力可以通过测定井筒中钻井液密度获得，孔眼摩阻可以通过线解图求得（孔眼摩阻和射孔数目、孔眼尺寸、压裂液密度和经过孔眼的流量等因素有关）。在进行压裂设计施工时就可以根据已知参数，有的放矢地控制施工排量，以期在安全、经济的情况下得到更好的储层改造效果。

研究区通过试井得到4#、5#煤层的破裂压力分别为16.49、21.38MPa。4#煤层总厚2.30m，5#煤层总厚1.96m，其间干层总厚为6.09m，岩性为细砂岩，可以视为破裂压力较大，进行水力压裂作业时不能破裂。在一个特定区域，煤层的破裂压力基本上是固定不变的，井筒中压裂液的性质有严格要求，静液压力也只能在一个很小的范围内上下浮动，在施工泵压一定的前提下，通过射孔优化，可以改变孔眼及管线摩阻。为了增加干层段破裂的可能，设计采用96型射孔枪弹，90°相位角螺旋布孔进行射孔作业，4#煤层段16孔/m，5#煤层段32孔/m。4#煤层段射孔46个，5#煤层段射孔62个。

施工最大排量为8m3/min，由于4#煤破裂压力小于5#煤层，不考虑漏失的情况下，在压裂初期，压裂液注满5#煤层段所射孔眼后，可以视为所有压裂液都由4#煤层段孔眼进入煤层，此时4#煤层段的单个孔眼流量就为8/46，可以根据压裂液密度、孔眼直径和孔眼流量，利用线解图［9］（图2）求得此时的单孔孔眼摩阻f1约为0.5MPa，4#煤层段的总孔眼摩阻就为46× 0.5=23（MPa）。

此时St5-St4=4.89MPa＜23MPa（4#煤层段孔眼摩阻），也即是说，在排量达到最大排量之前就可使5#煤层破裂。由于4#、5#煤层都是我们的主要目的层，要求其二者的改造要达到相对均一的要求，这就需要在何时将排量提升至最大方面进行研究。

根据倪晓明［4］等研究，结合本地区实际，裂缝在高破裂压力段的煤层中延伸的长度应为：

式中：Q——泵注压裂液总量，m3；

Q1——达到最大排量前注入的液量，m3；

μ——5#煤层泊松比；

h1——4#煤层厚度，m；

h2——5#煤层厚度，m；

σ——排量达到最大时5#煤层段液压，MPa；

E——5#煤层弹性模量，MPa。

由上式可知，可以根据所需，调节达到最大排量的时间来控制裂缝在5#煤层中延伸的长度，以达到压裂相对均匀的目的。但单通过此方法调节5#煤层中裂缝延伸的长度具有一定的限制，有上式可看出，当初期直接把排量调节至最大，是裂缝能延伸到最大的极限，此时可能还打不到均匀压裂的要求。所以就需要采用其他方法进行辅助，我们在实际操作时采用的方法是通过投球封堵，已达到封堵延伸较快的孔，实现均匀压裂的目的。

图2　求取孔眼磨阻的线解图

3　现场实施情况

3.1现场作业

结合上述理论分析，现场实施过程中，直接采用最大排量进行注液作业，当注入量达到600m3时，进行投球封堵，投球数量为57个，压裂曲线如图3所示。

图3　研究区煤层气井压裂施工曲线

由图3可知，该井在初期采用最大排量8m3/min开始注液，在70min附近，压力开始下降，说明4#煤层裂缝延伸较快。此时停泵进行投球封堵作业，以封堵4#煤层段流量较大的孔眼，之后继续以最大排量注压裂液。压力较投球前有较大幅度增加，说明投球封堵效果显著，作业进行到130min以后压裂稳定下降，认为达到均匀压裂效果，停泵，注入总液量为800m3。

3.2压裂效果评价

合层压裂后，进行排采作业，66d开始见气，平均日产气量1200m3/d，产气效果较临近井（分层压裂）相当，说明此区块4#、5#煤合层压裂效果较好，与分层压裂井相当。