湘中煤层气井水力压裂改造效果初评

王先美 李俊峰 徐胜明 林龙波 刘 泽 谭 慧

(湖南华晟能源投资发展有限公司,湖南 410004)

1 基本情况

洪山殿矿区位于湖南省双峰县境内，包括蛇形山、洪家桥、咸沙坝、彭家冲、鲤鱼塘、松木冲和双桥等7个井田。矿区含煤面积43km2，海拔100～140m，中心凹陷最大深度约1350m(相对4号煤而言)，为一近似北东方向的椭圆形复式向斜。

矿区主要上二叠统龙潭组含煤6层，其中可采煤层4层，均以构造煤为主。煤层顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等，底板以中砂岩、细砂岩、粉砂岩等为主。

HC1井设计位于复式向斜叶子塘向斜轴部，于2017年上半年完钻，采用二开井身结构：一开采用φ311.2mm钻头，下φ244.5mm表层套管25m中完；二开φ215.9mm钻头，下φ139.7mm钢级P110生产套管至750m完井。

该井钻井揭示主要煤层5层，由下至上编号分别为6号、4号、3号、2号、1号煤，煤系层段地层倾角15°～25°，一般不足20°。

1号煤顶深547.1m，以块状为主，没有夹矸，钻井扩径明显；2号煤层距离上部1号煤层19.3m，2号煤中间发育0.5m炭质泥岩夹矸，以构造软煤为主；3号煤距离2号煤层16.5m，发育两层炭质泥岩夹矸，夹矸厚度均为0.5m，煤岩特征与2号煤一致；4号煤与3号煤间距30.5m，4号煤有明显的三层结构，顶部以碎裂煤为主，底部为碎粉煤，中间煤岩呈碎裂煤至碎粉煤过渡状态；6号与4号煤间距67.5m(表1)。

选取2号、3号、4号煤顶底板部分岩心进行力学性质分析(表2)。数据显示，炭质泥岩与细砂岩主要力学参数有差异，但不显著。换言之，与构造软煤相比较，主力煤层顶底板碎屑岩抗变形力学参数差异较小。

表1 HC1井揭示煤层主要参数表

表2 参数井顶底板岩石力学性质试验成果表

限于工作条件，没有对该井煤系层岩石进行三轴应力测试、分析，但通过区域地质资料分析，以及矿区野外构造解析成果，初步判断矿区煤系层主压应力方向为近南北向。

2 射孔压裂方案

2.1 射孔方案

该井3号煤及其以上固井质量不合格，3号煤底板及其以下固井质量合格。鉴于区域龙潭组构造软煤的特点，选择尽量避开煤层，针对煤层顶底板及夹矸射孔、压裂方案。采用电缆输送桥塞+射孔联作的工艺技术(电缆输送可钻式桥塞及射孔枪到桥塞坐封位置后点火坐封桥塞，上提射孔枪至射孔位置进行射孔)，射孔器材选择102型射孔枪，装填127型深穿透射孔弹，以标准孔密度16孔/m，按照初始相位角60°螺旋布孔对目标层段进行射孔。桥塞坐封位置要求避开套管结箍，距离套管结箍位置2m以上，并尽量选择固井质量合格的井段。

射孔目标煤层：2号、3号、4号和6号煤。具体地，6号煤选择煤层底部0.5m+底板细砂岩2.0m，累计射孔厚度2.5m；4号煤选择煤层1.4m+底板细砂岩2.0m，累计射孔厚度3.4m(煤层段孔密8孔/m)；3号煤选择顶板泥岩2.0m+炭质泥岩夹矸0.5m+炭质泥岩夹矸0.5m+底板细砂岩1.0m，累计射孔厚度4.0m；2号煤选择顶板炭质泥岩1.0m+炭质泥岩夹矸0.5m，累计射孔厚度1.5m。

2.2 压裂方案

采用活性水作为压裂液：清水+1.0%KCl+0.05%杀菌剂，性能指标要求密度<1.1g/cm3，防膨率≥85%。压裂支撑剂采用石英砂，先泵入20～40目的中砂，后再采用16～20目的尾追粗砂，粗砂与中砂的使用比例为1:3。

压裂砂比统一按照11.5%配比进行，施工过程中依据压力变化情况，可适当对施工排量和施工砂比进行调整。同时，选择3号、6号煤进行压裂微地震裂缝监测。

2.3 施工程序

采用电缆输送桥塞+射孔压裂联作的压裂工艺方案，对4段压裂目标进行桥塞坐封及射孔作业(压裂4层，桥塞封隔3段)。压裂施工程序如下：

(1)对6号煤层段实施射孔和压裂：电缆输送射孔枪，按照压裂设计要求完成6号煤层段射孔作业，射孔结束后将射孔枪提出井筒；采用光套管大排量注入方式，压裂6号煤层段。

(2)对4号煤层段实施射孔和压裂：6号煤层段压裂结束后，采用电缆输送方式将压裂桥塞和射孔枪联作工具输送至第1段桥塞坐封位置后点火坐封，对6号煤层段进行封隔，上提射孔枪至4号煤层段进行射孔，将射孔枪提出井筒；采用光套管大排量注入方式，压裂4号煤层段。

(3)重复上述第二步骤，依次完成3号煤层段和2号煤层段的射孔和压裂施工。

3 压裂施工

为了更好了解储层相关参数，获得、调整更加有针对性的压裂方案，选取6号、3号煤分别进行小型测试压裂施工(小压)，分析、求取裂缝延伸压力、闭合压力、闭合时间、液体效率等重要参数(图1)。

图1 煤层气参数井小型测试压裂施工曲线图

6号煤压裂施工初期快速提液阶段，井口压力快速上升，随即井筒附近岩石发生第一次破裂。当前置液提升至7m3/min左右时，井口压裂迅速增至25MPa以上，岩层产生第二次破裂。半小时后，排量提至8m3/min，开始加砂并逐步提高砂比，井口压裂随着砂比的递增逐渐增大。最终，6号煤压裂施工总液量583.87m3，其中前置液221.02m3，携砂液353.44m3，顶替液9.41m3；累计加砂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%；最高施工压力25.17MPa，停泵瞬时压力19.26MPa，最终压力稳定在13.44MPa(图2)。

4号煤压裂施工曲线与6号较为接近，可能由于煤层厚度偏薄，底板射开厚度相对偏大(底板射孔厚度2.8m)，再加上清水携砂能力差等因素，施工过程中出现加砂困难、砂堵等现象。最终4号煤压裂施工总液量626.69m3，其中前置液159.75m3，携砂液460.80m3，顶替液9.14m3；累计加砂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%；最高施工压力36.83MPa，停泵瞬时压力19.69MPa，最终压力稳定在13.86MPa(图2)。

3号煤与2号煤的射孔压裂施工基本按照设计进行(表3、图2)。

图2 煤层气参数井压裂施工曲线图

表3 参数井压裂施工主要参数表

四层煤累计总液量2514.80m3，其中累计前置液808.97m3，携砂液1506.76m3，顶替液32.51m3； 累计加砂量141.99m3，其中20/40目砂共97.41m3、16/20目砂共35.77m3，段塞累计8.81m3。

4 效果浅析

从6号煤与3号煤小压施工曲线上，看不出两者明显的差异，破裂点排列整体无序，推测小压施工不足以在顶底板及夹矸营造出延伸一定范围的裂缝体系，大部分的压裂液沿着煤层与顶底板接触面突进或进入煤层。初比较，尽管3号煤层与6号煤层小压累计排量差不多，但前者的最高施工压力20.14MPa，远小于后者的27.54MPa；而且6号煤停泵压力略大于3号煤停泵压力，但前者停泵后压力递减相对缓慢，折射出煤储层压力、厚度、渗透率等方面的差异影响，同时射孔方式的不同对压降的影响也是不可忽视的重要因素。

除了煤层厚度的因素，6号煤与4号煤煤体结构大体相当，煤层顶底板岩性基本一致，压裂施工曲线变化也表现出较为相似的一面。从压力、液量曲线初步判断，6号煤与4号煤初次破裂、再次破裂发生节点、间隔较为接近，但从初次破裂的井口压力数据看，4号煤破裂压力明显比6号煤大，这可能与煤层底板射孔厚度有直接关系；结合煤层及其底板岩石特征分析，二次破裂裂缝可能主要是在6号煤、4号煤底板细砂岩中延伸，但前者延伸范围可能明显较后者小；压裂施工过程中，4号煤层段岩层发生多次破裂的曲线响应特征更清晰。

从微地震数据来看，6号煤压裂主裂缝清晰地呈现为NNW方向，与推断龙潭组主应力方向近南北向较为吻合。根据微地震检测结果初步推测，6号煤有效裂缝改造范围大致为210m×120m，压裂效果较好；推测4号煤裂缝主方向与6号煤相同，主裂缝延伸长度及裂缝波及范围可能更大，但由于4号压裂过程中砂比偏低，加砂量低于预期，有效裂缝分布范围可能小于预期(图3)。

(图中双圈为检测点，黑点为检测破裂位置，坐标原点为井口位置)图3 小型测试压裂施工微地震检测图(单位：m)

(图中双圈为检测点，黑点为检测破裂位置；坐标原点为井口位置)图4 压裂施工微地震检测图(单位：m)

3号煤与2号煤厚度较大，有夹矸，压裂施工压力曲线随排量变化形态较为相似。3号煤压裂排量上升至7m3/min时，井筒周围岩层随后发生初次破裂，稳排量过程中，井口压力递减；2号煤累计射开厚度远小于3号，压裂初期井口压力变化与排量之间响应关系稍明显，但清晰的岩层破裂后曲线形态变化与3号煤施工曲线基本一致。整体上，3号煤、2号煤井口压力与砂比、排量之间响应不明显，压裂施工进展顺利。

3号煤压裂微地震检测结果与6号煤较为接近(图4)，主裂缝方向仍然是NNW向，但二者间存在细微的差异。依据微地震检测图初步判断，3号煤压裂裂缝波及范围210m×130m，即3号煤在垂直主裂缝方向压裂改造效果更好一些；6号煤主裂缝轨迹及其方向更加清晰，主裂缝可能更多地出现在煤层底板，而3号煤主裂缝脉络相对模糊些，与射孔方式、射开地层岩性、煤层厚度等因素有一定关系，3号煤停泵后压力短时间的快速恢复也说明这一点。

直观上，6号煤压裂效果优于3号煤，后者在压裂施工过程中，大部分前置液与携砂液进入煤层，影响其顶底板及其夹矸层的预期改造效果。2号煤射孔方式较3号煤更为简单，压力曲线与排量数据对应关系更为清晰，压裂效果总体上要优于3号煤。4号 煤及其底板的裂缝改造效果最好，但由于低砂比可能影响底板裂缝的有效支撑，4号煤总体压裂效果可能要打折扣。初步认为，参数井6号、4号煤改造效果最好，2号煤次之，3号煤最差。

总体上，该井四层煤的水力压裂施工按照设计要求进行。通过煤层顶底板井及煤层夹矸的压裂改造，人为地扩大与改善顶底板裂缝与煤层的接触范围，煤储层与井筒间建立良好的煤层气运移通道，初步获得较好的压裂改造效果。

该煤层气井于2018年2月6日排采，排采初期便见套压，连续排采5个月后日产气量稳定在1200m3左右。初步认为，HC1井射孔、压裂设计针对性较强，达到预期效果，为今后湖南煤层气实现商业化开发迈出关键一步。

电缆输送桥塞+射孔压裂联作工艺技术对煤层气直井改造针对性强，大大提高多煤层射孔压裂作业效率，但限于条件，HC1井主力储层主要参数与数据(含气性、渗透性、压力等)没有取全，将影响区域多煤层煤层气勘探开发潜力综合评价，也为该井今后排采作业不同阶段的针对性分析与认识带来不便。