软硬煤复合的煤层气水平井分段压裂技术及应用

2019-05-08许耀波郭盛强

煤炭学报 2019年4期

许耀波，郭盛强

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054; 2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城 048206)

于是借鉴页岩气水平井开发成功经验，探索煤层气水平井分段压裂高效抽采技术。基于此，笔者以沁水盆地赵庄井田3号煤层为研究对象，分析了赵庄井田地面煤层气抽采现状及瓦斯治理存在的问题，为了解决煤矿安全生产问题，探索煤层气大面积快速、整体高效抽采方法。针对赵庄井田3号煤层软硬煤复合特征，通过对3号煤层的软硬煤分层结构进行精细描述，优化软硬煤复合煤层中的局部硬煤段，研究硬煤层中不固井条件下大直径水平井分段压裂开发软硬煤复合的煤层气技术可行性，并进一步研究分段压裂水平井高效抽采煤层气技术对策，解决软硬煤共存的复杂地质条件下煤矿区瓦斯快速、整体高效抽采技术难题[3-4]。

1 软硬煤分层特征及煤层气水平井开发方法

1.1 软硬煤分层结构特征

赵庄井田3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩平均厚37.39 m，下距K7砂岩平均厚7.20 m，层位稳定。煤层厚度平均4.69 m，煤层埋深介于300～1 000 m。受区域构造的影响，煤层在强大的构造应力作用下发生搓揉、挤压、变形，致使煤的结构、构造发生变化，煤层上下分层明显、且具有明显的分层界面，上部煤层(763.0～766.4 m)剪切变形成碎块，以原生结构和碎裂结构煤层为主，煤体较坚硬，坚固性系数在0.59～1.50，平均为0.8左右，裂隙极发育，多切穿层理，构造滑面、擦痕发育，裂隙近垂直层理;下部煤层(766.4～768.2 m)为碎粒或糜棱煤结构，煤体较疏松，坚固性系数低于0.5，裂隙网络系统被毁坏甚至消失，多被切割成小菱形块状，手捻成1～5 mm碎粒状，擦痕及构造滑面极发育，层理不清(表1)。

1.2 软硬煤及顶板岩层测井响应特征

鉴于赵庄井田3号煤层软硬煤及顶板岩层不同的力学及结构特性，软硬煤及顶板岩层存在不同的测井响应特征，由3号煤及顶板岩层的测井曲线可知(图1)，煤层段存在明显的低自然伽马、高电阻率和低密度测井响应特征，其中软煤段还存在明显的井径扩大现象(软煤钻井井壁稳定性差、容易垮塌所致)，根据自然伽马、电阻率和密度测井曲线以及软煤的井径测井曲线划分的顶板岩层、硬煤层和软煤层，可以进一步获取地质导向录井所需的自然伽马和电阻率值，3号煤层上部硬煤层电阻率为200～350 Ω·m、自然伽马为20～40 API;下部软煤层电阻率为150～200 Ω·m、自然伽马为20～40 API;顶板岩石电阻率为130～140 Ω·m，自然伽马为50～70 API，依据顶板与硬煤层的自然伽马、电阻率差异特性，和硬煤与软煤的电阻率差异特性能够确保水平井钻进的精确控制。

表1 赵庄井田试验井3号煤层煤岩描述Table 1 Description of coal in No.3 coal seam of Zhaozhuang field test well

图1 软硬煤及顶板岩层测井响应曲线Fig.1 Log response curves of soft and hard coal and roof

1.3 软硬煤分层煤层水平井开发煤层气方法

鉴于3号煤软硬煤分层特征及煤层气开发现状，为了实现快速、大范围降低煤层瓦斯含量，研究采用套管外不固井水平井分段压裂进行煤层气开发，水平段部署在3号煤层上部的硬煤层中(煤层成孔性较好)，水平井三开采用下套管、不固井的完井方式，然后对套管采用水力喷砂射孔方法实现井筒与煤层沟通，采用油管(喷射)+环空(压裂)大排量水力喷射压裂联作方式对煤层进行分段压裂改造，最后在排采井中进行煤层气抽采(图2)。该方法具有以下优点:① 3号煤层的顶板岩层、上部硬煤层和下部软煤层厚度分布稳定，采用随钻测井技术，钻进时实时监测井眼上下电阻率和自然伽马等参数，依据顶板岩层、硬煤层和软煤层的自然伽马、电阻率差异特性，实时判断井眼轨迹的位置，能够较好的控制水平井轨迹在硬煤层中钻进;② 套管外不固井水平井钻完井施工风险低，而且能防止后期排采中水平井井壁垮塌堵塞井眼，还能防止固井水泥浆压开微裂缝，污染煤层等问题[5]，煤层水平段裸露面积大、泄流面积大;③ 目前下套管不固井完井方式的水平井分段压裂方法主要有连续油管拖动压裂、预置套管滑套压裂技术，连续油管拖动压裂技术，虽然施工效率高，但是普遍施工排量低、加砂规模小，而且无法实现定点压裂，套管外防窜流效果差，压裂改造效果欠佳;预置套管滑套压裂技术，虽能实现大排量压裂，但无法实现定点压裂和整体压裂改造，水平井增产效果受限。而油管(喷射)+环空(压裂)大排量水力喷射压裂方式，其特点是采用φ73 mm油管提高传输排量;采用大直径喷嘴增加射孔孔径和套管的过流面积，提高水力喷射排量;采用高射流速度和大排量喷射工艺提高管外封隔和孔内增压效果。环空中注入的高压液体在射流液体黏滞作用下被卷入煤层，在低于煤层破裂压力的条件下把煤层压开，能实现大排量、大规模加砂压裂，而且套管外防窜流效果较好，能实现定点压裂和水平井整体压裂改造，水平井的压裂增产效果好。

图2 套管外不固井水平井组井身结构示意Fig.2 Schematic diagram of well structure of horizontal well without cementing

2 软硬煤分层煤层水平井压裂裂缝扩展规律

2.1 煤层及顶底板的岩石力学与地应力特征

软煤层的煤体结构破碎，实验室无法测试煤层的岩石力学参数，因此，通过交叉偶极子声波测井方法(图3)，解释得到3号煤层上部硬煤的弹性模量为0.98 GPa、泊松比为0.35，3号煤层下部软煤的弹性模量为0.85 GPa、泊松比为0.38，3号煤层垂直应力平均在15.9 MPa，最大水平主应力为10.95 MPa，最小水平主应力值为9.7 MPa。3号煤层顶板垂直应力为15.8 MPa，3号煤层顶板弹性模量为2.36 GPa，泊松比为0.32，最小主应力值为10.84 MPa，最大主应力为14.25 MPa。3号煤层底板垂直应力为15.8 MPa，3号煤层底板弹性模量为2.52 GPa，泊松比为0.29，最小主应力值为10.54 MPa，最大主应力为14.22 MPa。煤层及顶底板的地应力与岩石力学特征表明:① 在地层压实作用下，3号煤层上下软硬煤的岩石力学特征差异不明显，地面软硬煤的结构特征是由于无外加应力作用下发生变形所致;② 顶底板及煤层的垂向应力均大于水平应力，水力压裂过程中煤层将形成垂直裂缝;③ 顶底板的水平应力大于煤层的水平应力，有利于裂缝在煤层中扩展延伸，能够使硬煤层中水平井压裂形成的垂直裂缝扩展延伸到软煤层，提高软硬煤层的增产效果[6-9]。

2.2 软硬煤分层煤层水平井压裂裂缝扩展物理模拟实验

通过对软硬煤分层煤层进行水力压裂室内物理模拟试验，研究水力压裂裂缝在软硬煤层中的扩展规律及增产机理。为使煤层和顶板岩层的力学参数、地应力状况等与室内压裂岩样具有一致性质，本实验依据沁水盆地赵庄井田3号煤层的软硬煤及其顶板岩层的岩石力学和地应力参数，在相似试验原理基础上，优选顶板岩层的配方为水泥∶石英砂=1∶2，弹性模量为4.18 GPa，抗压强度为6.64 MPa;硬煤岩的配方为煤∶膏∶灰=1∶1∶1，弹性模量为0.97 GPa，抗压强度为4.91 MPa;软煤岩的配方为煤粉∶石膏∶水泥=5∶1∶2，弹性模量为0.2 GPa，抗压强度为1.8 MPa。采用“顶板-硬煤-软煤”分层的相似材料浇筑方法，建立基于岩石力学强度的“顶板-硬煤-软煤”胶结物理模型(300 mm×300 mm×300 mm)，物理模型的顶板、硬煤和软煤的厚度分别为8,12和10 cm，采用顶板居下、软煤岩居上的浇筑方法加工物理模型。对制作的模型进行模拟水平井井筒加工，水平井位于硬煤层内、且距离软煤层界面距离为5 cm，水平井钻孔直径为18 mm、深度为150 mm，然后将注液管线安放于钻孔底部，对管线与钻孔之间的环空注入高强度树脂胶进行封固。基于实际工况和相似性理论，确定水力压裂物理模拟三向应力值为15.0,10.0,9.0 MPa，分别采用排量为15 mL/min和30 mL/min的带红色染料活性水压裂液注入，压裂过程中监测泵压参数，实验结束后沿着裂缝面打开试件，观察染色剂在顶板岩层、硬煤层和软煤层中的分布，分析不同模拟条件下裂缝起裂位置、裂缝的产状及裂缝形态的分布特征。

由实验结果(图4)可以得出:① 当试验排量为15 mL/min时，试件在30 s时产生裂缝，破裂压力为18.81 MPa，之后注液压力出现波动，最终稳定在14.5 MPa左右;当试验排量为30 mL/min，试件在70 s时产生裂缝，破裂压力为19.06 MPa，之后注液压力出现波动，最终稳定在17.6 MPa左右。

图3 3号煤层及顶底板岩石力学及地应力测井解释Fig.3 Rock mechanics and in-situ stress log interpretation of No.3 coal seam and roof

图4 水平井压裂侧表面、内部裂缝剖面和压力曲线(上面:15 mL/min，下面:30 mL/min)Fig.4 Surface,internal fracture profile and pressure curves of fracturing side of horizontal well (Above:15 mL/min,below:30 mL/min)

泵压-时间曲线初始压裂阶段泵压增长较快，煤层破裂后压力迅速下降，之后压力曲线呈波动状态向前发展，表明裂缝在煤层及顶板岩层中继续扩展延伸，形成的裂缝比较复杂。且随着注入排量的增加，破裂压力和注入压力相应增加。② 两种不同排量条件下水平井压裂，裂缝都能扩展延伸形成一条弯曲不规则的垂直裂缝，裂缝在硬煤层内起裂、扩展，都能把硬煤层全部压开，裂缝能够扩展延伸到软煤层中，且压裂注入排量15 mL/min比注入排量30 mL/min在软煤层和硬煤层中形成裂缝效果更好，表明水力压裂存在合理的注入排量使软硬煤分层煤层的压裂改造效果最佳。③ 两种不同注入排量下压裂施工，裂缝更倾向沿脆性较好的顶板岩层扩展延伸，使得裂缝高度沿顶板纵向上扩展不可控，致使压裂裂缝向塑性较强的软煤层中扩展延伸效果变差。裂缝扩展规律显示:合理部署水平井钻井位置和优化施工排量，能确保硬煤层中水平井压裂所形成的裂缝扩展进入软煤层，提高软硬煤的压裂改造效果，表明硬煤层中钻进的水平井开发软硬煤分层煤层煤层气方法可行，能实现对软硬煤层的压裂增产改造目标[10-12]。

2.3 软硬煤分层煤层水平井压裂裂缝扩展规律分析

鉴于物理模拟实验中水平井位置和压裂施工排量对裂缝扩展效果能产生重要影响，基于实际地层参数，建立水平井压裂地质模型，借助非常规油气藏储层压裂分析Meyer软件，进一步研究水平井位置和压裂施工排量对软硬煤分层煤层水平井压裂裂缝扩展形态的影响规律。为理解两个因素的影响程度，采用控制变量单因素分析方法展开讨论。数值模拟时，固定其他参数不变，在相同的注入液量与加砂规模条件下:① 设定施工排量为8 m3/min，分别模拟水平井与软煤层的距离为1.0,2.0,3.0 m时的裂缝形态;② 设定水平井与软煤层的距离为1.0 m，分别模拟施工排量为7.0,8.0,9.0,10.0 m3/min时裂缝形态。模拟结果表明(图5):① 硬煤层中钻进的水平井压裂都能把软硬煤层全部压开，且随着硬煤层中水平井眼与软煤层距离的增大，压裂裂缝高度小幅度增加，致使裂缝长度也小幅度变小，说明水平井位置对裂缝扩展效果的影响程度相对较弱。② 7.0～10.0 m3/min的压裂施工排量都能把软硬煤层压开，且随着压裂施工排量的增加，裂缝高度增加非常明显，致使裂缝长度减少也非常明显，说明压裂施工排量对软硬煤层的压裂改造效果非常敏感;压裂施工排量对煤层的压裂改造具有两面性，当排量较小时，水平井无法实现清水携砂压裂施工，也无法全部压开软硬煤层;当排量较大时，裂缝内形成的高净压力致使裂缝突破煤层顶底板岩层，纵向裂缝高度扩展延伸较大，造成煤层中裂缝长度延伸受限。由此可知，数值模拟结果与物理模拟结果基本吻合，工程实践中，建议水平井射孔压裂段尽可能选择距离软煤层较近的位置，同时结合不固井水平井滤失量大特征和煤层气水平井清水携砂压裂经验，选择压裂施工排量为8～9 m3/min，既能全部压开软硬煤层，又能形成较长的动态缝长效果，能实现对软硬煤层的压裂增产改造目标(图6)。

管理者的领导风格对于团队成员的工作状态有着直接作用，打造高效的赋能型组织，需要高度重视领导力建设。我们常说的领导者是指领导个体本身，而领导力则指的是领导者带领下属共同发展，统率团队完成目标的能力。只能创造自身价值的领导者不是一个优秀的领导，让他人获得这种价值的领导才是赋能型组织所需要的领导。

图5 水平井位置和施工排量对裂缝扩展的影响规律Fig.5 Influence of horizontal well location and construction displacement on fracture propagation

3 软硬煤分层煤层分段压裂水平井开发煤层气技术

为了提高套管外不固井水平井的分段压裂改造效果和煤矿区煤层气开发效果，探索并形成了软硬煤分层煤层分段压裂水平井开发煤层气技术对策。

3.1 水平井射孔、压裂段优化及优选技术

为了提高水平井开发效果，兼顾煤矿区煤层瓦斯均匀抽采、经济成本与抽采率等因素，优化得到水平井分8段压裂、段间距为80～110 m抽采效果较好;为了提高水平井增产效果，优选距离软煤层较近的水平井段作为射孔压裂段。同时考虑后期开发过程中存在井壁坍塌环抱套管、煤粉堵塞套管外环空通道，致使压裂段间长距离的裸眼水平段得不到开发利用，为提高水平井的整体改造效果，研究在两个压裂段之间采用水力喷砂射孔方式进行加密补射孔，使射孔段间距降低至40～50 m，一方面防止射孔压裂孔眼被支撑剂和煤粉堵塞，增加水平段套管的孔眼数量，提高套管的流体过流通道;另一方面水力喷射还能在近井地带形成小孔道和裂缝，增加泄流面积，降低渗流阻力，综合提高套管外不固井水平井的压裂改造效果。现场优选8段压裂段和8段加密补射孔段，取得了较好的开发效果(图7)。

图6 软硬煤复合煤层水平井压裂裂缝扩展效果Fig.6 Effect drawing of fracture propagation in horizontal well

图7 试验井压裂射孔选段示意Fig.7 Schematic diagram of fracturing and perforation selection in test wells

3.2 油管传输大排量水力喷射防窜流工艺技术

针对水平井套管外不固井的完井特征，研究形成了油管传输大排量水力喷射防窜流、定点压裂工艺技术。其技术核心包括采用φ73 mm油管降低施工磨阻、提高传输排量;采用大直径喷嘴增加射孔孔径和套管的过流面积，提高水力喷射排量;采用高射流速度和大排量喷射工艺提高管外封隔和孔内增压效果。数值计算得到，采用6个φ6.0 mm的喷嘴在喷射排量为2.4 m3/min的条件下，能产生约3.5～5.0 MPa的环空封隔和5.0～7.0 MPa的孔内增压效果[13-14]，达到套管外环空封隔和定点压裂目标。现场压裂施工采用油管(喷射)+环空(加砂压裂)联合注入方式，油管喷射排量2.2～2.4 m3/min，油套环空注入排量6.0～6.5 m3/min，压裂过程中连通直井压力远小于水平井注入压力，提高了套管外不固井水平井压裂防窜流效果。

3.3 “大排量、大规模、中砂比”的段塞式清水携砂压裂工艺技术

针对3号煤层上部硬煤层压裂容易受到伤害、压裂液滤失量大，以及下部软煤层支撑剂镶嵌严重、压裂缝短的难题，初步形成了“大排量、大规模、中砂比”的段塞式清水携砂压裂工艺技术。其技术核心包括采用清水携砂压裂液降低施工成本以及对煤层伤害;采用大排量降低水平井沉砂风险和提高携砂效果;采用大规模、高前置液比、中砂比工艺延长裂缝和提高支撑效果，实现高效改造软硬煤的目标;采用段塞式压裂工艺，提高施工成功率和压裂改造效果。根据煤层参数，模拟施工排量为8～9 m3/min、加砂规模为8～10 m3/m，前置液比为40%、平均砂比为10%～12%时，模拟结果表明既能压开软硬煤层，又能形成具有中等导流能力的较长裂缝(图6)，现场试验对水平井实施8段压裂改造，取得了较好的增产效果[15]。

3.4 气/水分井同步生产精细化排水采气技术

鉴于不固井水平井眼轨迹沿煤层下倾方向，在相同解吸压力条件下，水平井先产气，产气段逐步向直井推进，为了减少气水携带煤粉向直井运移堆积和产气对排采设备运转的影响，提高排水采气效果，研究采用气/水分井同步生产模式(图8)，即在直井进行排水作业，在水平井进行采气生产。同时基于上部硬煤层和下部软煤层的物性差异，排水降压容易造成硬煤层裂缝迅速闭合、渗透率急剧降低，造成软煤层吐煤粉堵塞气水通道，从而影响气体解吸、扩散、运移产出。因此，研究采用连续、缓慢、稳定的气/水分井同步生产精细化排采方法，产气前控制降压速度小于0.03 MPa/d，产气后控制降压速度小于0.01 MPa/d，控制产气量增长速度小于300 m3/d，始终以不吐砂和煤粉为控制原则，对降压速度和气水产出速度参数进行实时调控，实现对煤层气井精细化排采管理，现场试验取得较好的排采效果[16-18]。

图8 水平井气/水分井同步生产示意Fig.8 Schematic diagram of horizontal well gas/water well synchronous production

4 现场试验

2015—2018年在沁水盆地赵庄井田实施了一组套管外不固井分段压裂水平井开发软硬煤分层煤层煤层气工程试验。通过对井田地质条件和储层特征进行分析，对水平井开发工程进行优化设计，其中煤层埋深763.0～768.2 m、煤层厚度5.2 m、水平段长度约730 m，水平井采用套管外不固井的方式进行完井，分8段进行水力喷射压裂施工，压裂结束后补射孔8段，现场试验时，采用上述研究成果，截至2018年底(图9)，累计产气160余m3，日产气突破5 000 m3，稳定产量在4 000～5 000 m3/d，具有高产、稳产前景，水平井产量是井田直井平均产量的15～20倍。经测算，水平井抽采2 a时间，煤层瓦斯含量平均降低18%左右;抽采5 a时间，煤层瓦斯含量平均降低35%左右，可以减少煤矿井下大量瓦斯抽采工作和岩巷掘进的工作量。因此，软硬煤分层煤层套管外不固井分段压裂水平井开发煤层气技术具有较好的产气效果和安全效益，为复杂地质条件的煤矿区矿井条带瓦斯高效预抽消突、瓦斯灾害防治和煤层气规模化开发提供了技术途径。目前成果正在晋城、两淮、贵州等煤矿区进行推广应用。