自由水平段耦合分段压裂井煤层气抽采模式应用研究

2021-12-22刘磊

煤炭工程 2021年12期

刘磊

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

煤层气是一种非常规天然气，其高效开发对洁净能源利用、煤矿瓦斯灾害治理、温室气体减排意义重大[1-3]。山西沁水煤田建成了我国最大的煤层气抽采和利用示范基地[4]，其中晋城矿区的煤矿区煤层气抽采示范基地最为成功，产气量300万m3/d以上，近5年内累计产气量达70亿m3以上[5]。晋城矿区地面煤层气抽采实践表明，煤矿区煤层气的抽采能够为煤矿井下瓦斯抽放减轻压力[6]，尤其是地面煤层气整区块化、规模化抽采更是极大缓解了煤矿井下安全生产压力，同时能够积极推动煤矿区地面煤层气的生产投入[7，8]。然而晋城矿区赵庄煤矿地面煤层气抽采的生产资料显示，在已施工的数百口地面煤层气垂直压裂井中，普遍存在抽采效果不理想的问题，平均产气量远低于工业达标气流800m3/d，此现象在一定程度上能够说明该煤矿区不适宜采用地面垂直压裂井煤层气抽采模式。经过综合分析研究后，尝试考虑地面水平分段压裂井煤层气抽采模式在赵庄煤矿进行试验。

在借鉴国内外页岩气开发技术的基础上，对赵庄煤矿3号煤层开展现场采样测试、抽采模式分析研究、数值模拟、现场试验等研究工作，提出了自由水平段耦合分段压裂井煤层气抽采模式，并在赵庄煤矿地面煤层气抽采试验工程中取得了良好效果，该模式具有较好的推广和应用价值。

1 开发煤层气的煤层特征分析

赵庄煤矿位于沁水煤田东南部，其中3号煤层位于山西组下部，煤层倾角5°～10°，煤层厚度0～6.35m，平均4.69m，煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩，底板主要为泥岩、砂质泥岩。煤层内生裂隙较发育，层状构造。煤层镜质组最大反射率2.27%～3.21%，其变质程度属于贫煤～无烟煤阶段，主要是无烟煤，少量贫煤。

1.1 煤层分层结构特征

赵庄煤矿3号煤层在区域构造应力的作用下发生挤压、变形，导致煤体结构发生变化，以碎裂结构-碎粒结构为主，具有上下分层结构显著的特点。根据地面钻孔揭露和井下煤层采样分析显示：3号煤层深度为762.7～768m，上部煤层(762.7～765.2m)以原生结构和碎裂结构为主，煤体较为坚硬，内生裂隙发育良好；下部煤层(765.2～768.0m)主要为碎粒和少量糜棱结构为主，具有煤体松软的特点，其宏观裂隙网络已经很难分辨，如图1所示。

图1 赵庄煤矿3号煤层取样图

1.2 煤层可改造性分析

1)煤体结构。根据实验室对采样煤芯进行的宏观煤岩描述可知：3号煤层具有明显的上下分层结构，其中上部煤层以原生-碎裂结构为主，内外生裂缝极为发育，部分发育两组裂缝，主裂缝密度为16条/10cm，次裂隙密度为9条/10cm，裂缝内矿物充填较少。由此表明煤层本身具有良好的裂隙网络和产气多通道，加之煤体较为坚硬，辅以分段压裂改造技术，能够引导并建立有效的产气通道，同时能够强化煤层自身的内生裂隙网络更加稳固和持久。

2)含气量。对3号煤层取芯获得的5组样品进行测试可知，煤层的空气干燥基Langmuir体积为26.59～34.66cm3/g，平均32.19cm3/g；Langmuir压力为1.54～1.84MPa，平均1.65MPa；空气干燥基为14.40～19.75cm3/g，平均15.99cm3/g，含气量较高，表明煤层具备良好的产气条件。

3)渗透性。对3号煤层进行注入/压降测试可知，煤储层压力3.53MPa，压力梯度4.61×10-3MPa /m，煤层渗透率为2.31mD，渗透性较好，表明煤层中的煤层气具备了良好的运移条件。

4)煤岩力学及地应力特征。通过声波测井解释得到3号煤上部煤层和下部煤层的弹性模量分别为0.98GPa、0.85GPa，泊松比分别为0.35、0.38；3号煤层垂直应力在15.80MPa左右，最大水平主应力和最小水平主应力值分别为10.95MPa、9.70MPa。由测井解释数据可知，煤层的垂向应力大于水平应力，表明煤层通过水力压裂改造后能够在垂向上形成裂缝，提高压裂改造的效果。

通过上述测试数据及综合分析可知，赵庄煤矿3号煤层具有较好的煤层气开发条件，煤层的可改造性比较高，水力压裂能够形成垂直裂缝，提高压裂改造效果。

2 自由水平段耦合分段压裂井抽采模式

根据赵庄煤矿3号煤层具有的上下分层结构显著的特点，即上部煤层(762.7～765.2m)以原生结构和碎裂结构为主，煤体较为坚硬，内生裂隙发育良好；下部煤层(765.2～768.0m)主要为碎粒和少量糜棱结构为主。因此提出在上部煤层中布置自由水平段完井，在满足钻井成功率的基础上将水平段置于紧邻煤层顶板下方位置；采用自由水平段的方式能够极大的避免固井水泥的侵入性伤害和污染[9，10]；采用油管(喷射)+油套环空(加砂压裂)联合作业方式对煤层进行分段压裂改造，形成裂缝网络，沟通下部煤层，建立地层的产气通道。如图2所示。

3 煤层气水平井压裂裂缝扩展规律分析

基于赵庄煤矿的地层参数建立了水平井压裂地质模型，如图3所示。采用MFrac Suite三维压裂系统软件，研究了在不同压裂施工排量条件下，模拟了裂缝从上部碎裂结构硬煤中起裂，对下部碎粒结构软煤裂缝的扩展规律[11]。分别模拟施工排量6m3/min、8m3/min、10m3/min条件下的裂缝形态特征，见表1。数值模拟结果表明：①设置的6～10m3/min范围内的压裂施工排量，都能将下部碎粒结构软煤打开，建立裂缝系统；②由6m3/min、10m3/min压裂施工排量下的裂缝扩展规律结果对比后能够明显看出，压裂施工排量的升高，会导致裂缝垂直方向高度增加显著，则由此带来的不利因素就是水平方向裂缝长度也会递减，降低了压裂改造效果；但在6m3/min压裂施工排量的情况下又无法有效满足清水压裂施工的携砂性能要求。

图3 水平井压裂地质模型

表1 不同注入排量条件下裂缝延伸形态

综合分析可知：

1)表1表明：①排量越大，缝高越大，缝长变短，当排量为10m3/min时，裂缝半长最短，不利于控制裂缝高度，因为此时裂缝内形成的高净压力会突破煤层顶底板岩层限制，垂向裂缝高度快速增长，导致煤层中的水平裂缝长度难以延伸，适当降低排量有利于裂缝长度增加；②随着排量的增大，裂缝平均宽度逐渐增大，缝间净压力增高，从而使裂缝宽度变大，有利于支撑剂的输送；③排量增大有利于沟通煤层中的节理，实现缝网压裂的效果。

2)由于清水难以携砂压裂，故排量过低导致无法有效确保沟通下部碎粒结构软煤。

3)考虑压裂施工能力及裂缝延伸效果的同时结合煤层气水平井压裂的实践经验，选择8m3/min左右的压裂施工排量既能够有效打开下部碎粒结构软煤，同时又能够增加水平裂缝的长度，提高煤层的增产改造效果。如图4—图7所示。

图4 不同注入排量条件下裂缝延伸形态

图5 注入排量为6m3/min时的裂缝延伸形态

图6 注入排量为8m3/min时的裂缝延伸形态

图7 注入排量为10m3/min时的裂缝延伸形态

4 关键技术和工程试验

针对煤矿区地面煤层气抽采特点，考虑到井下瓦斯的均匀抽采属性，同时根据数值模拟结果，设计水平段分为8段进行改造，分段间距在90m左右；为了提高压裂改造效果，优选在距下部煤层较远的水平段进行射孔，压裂缝能够在上部碎裂结构硬煤中起裂和扩展，穿越并沟通下部碎粒结构软煤。

4.1 自由水平段压裂技术

针对自由水平段的完井特征，采用∅73mm油管和∅6mm喷嘴能够提高水力喷砂射孔排量，同时增加了在后期排采过程中的气体泄流面积；压裂施工期间，采用油管(水力喷射)+油套环空(加砂压裂)联合作业工艺，其中，根据数值模拟计算显示，油管喷射排量在2.0m3/min，油套环空排量在6.0m3/min，即压裂施工总排量为8m3/min，模拟结果表明既能压开下部碎粒结构软煤，又能形成较长的水平裂缝。现场压裂试验工程取得了良好的增产改造效果。

4.2 同步精细化排采技术

针对该试验井的U型水平井的完井特点，即水平井穿煤位置高于排采井的穿煤位置，根据煤层气解吸理论，处于高位置的煤层气首先得到解吸，形成游离气体。为了缩短煤层气井排采周期，达到提前产气的效果，研究采用双采气井口(水平井井口+排采井井口)+单排水井口(排采井井口)的同步精细化排采模式。

试验井排采过程按照“连续、平稳、缓慢”的原则进行，采用GLB600型螺杆泵设备对目标煤层进行排水采气。各阶段排采制度：①降压阶段，井底流压降幅小于0.05MPa/d；②增产阶段，井底流压降幅小于0.03MPa/d；③稳产阶段，井底流压降幅小于0.01MPa/d；④衰减阶段，井底流压降幅小于0.005MPa/d，以地层不吐砂不吐煤粉作为原则[12-17]，对产气和产水速度进行实时精细化调节。

4.3 工程试验

排采直井钻遇3号煤层，厚度5.30m，煤体结构为碎裂结构+碎粒结构，储层压力3.53MPa，储层温度21.09℃。水平井钻穿3号煤层，底板深度768m、全井段深度1657.58m，水平井段长度为862m，下套管，井身结构及其参数如图8所示。

图8 赵庄煤矿煤层气抽采水平井组井身结构示意

采用水力喷射分段压裂技术，射孔+压裂联作工艺[18-20]；采用油套同注、环空加砂的方式，以此来提高压裂施工的排量；采用清水+1%KCl+0.05%杀菌剂作为压裂液，选用兰州石英砂作为压裂支撑剂；水平段分8段进行压裂，段间距在80～100m之间，为提高水平井眼泄流面积，8段压裂结束后，在压裂段与段之间进行加密喷砂射孔作业。

压裂施工排量在7.8～8.7m3/min之间，累计注入压裂液5491.40m3、石英砂367.09m3，加砂强度为45.88m3/段，平均砂比11.57%，加砂完成率103.55%，平均施工排量8.40m3/min，见表2。

表2 压裂施工参数

试验井在排采期间，日产气量稳定升高，最高日产气量5147m3，平均日产气量4300m3。截至2020年1月31日，累计产气超300万m3，抽采效果如图9所示。该抽采模式具有较好的抽采效果，为在类似地质条件下的煤矿区煤层气抽采及瓦斯灾害防治提供了一种技术路径。目前该抽采模式已在山西晋城成庄煤矿、贵州煤矿区推广应用。