800 m以深直井煤储层压裂特征分析

杨兆中，杨　苏，张　健，李小刚

(1.西南石油大学 科研处，四川 成都　610500；2.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都　610500；3.中联煤层气有限责任公司 开发生产部，北京　100011)



800 m以深直井煤储层压裂特征分析

杨兆中1，杨苏2，张健3，李小刚2

(1.西南石油大学 科研处，四川 成都610500；2.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都610500；3.中联煤层气有限责任公司 开发生产部，北京100011)

摘要:以沁水盆地800 m以深煤层气井为例，统计归纳了深部煤层地质特征，分析了与之对应的压裂难点；通过统计10口采用活性水压裂技术且产气效果显著提升的深煤层气井的压裂数据，总结了现有技术体系下深煤层直井压裂施工参数特征，分析了导致深部煤层气藏压裂施工中压力异常偏高的因素，提出了深部煤层气藏开发对策。结果表明：深部煤层气藏的高温、高压、高地应力的地质环境、较差的储层物性以及较强的非均质性等特征，使得现有压裂技术体系在适用性和有效性上面临严峻挑战；增产效果较好的深部煤层气直井，普遍采用大液量注入，同时控制砂比在15%左右；压裂时压力异常偏高是受到压裂液性能、地层微裂缝、储层岩性、钻井液污染及煤粉堵塞等因素的影响；未来应对深部煤层气藏的开发，除了要对活性水压裂技术进行优化，还有赖于压裂理论的发展和新型压裂材料的研制。

关键词:深部煤层；地质特征；直井压裂；施工参数

随着煤层气勘探开发工作的不断深入，我国煤层气产业发展重心逐渐向深部转移[1]，开发重点由最初的500 m左右的煤层，逐步转向800 m[2]以深煤层。较之浅埋深煤层，深部煤层在地应力、地温及岩石力学性质等方面有较大不同，通常具有高温、高压、低渗透率、低饱和等特点[3]。深部煤层气藏的勘探开发在我国目前处于初步研究和探索阶段，欠缺针对性的增产改造技术体系[4]，传统的水力压裂工艺在适用性上面临挑战，压裂后产量普遍偏低[5]。

目前我国煤层气勘探开发程度较高的沁水盆地，1 000 m以深的煤层气资源量占总资源量的47%[4]。申建等构建了基于地应力、饱和含气量、渗透率等深煤层界定指标体系，根据最大隶属原则将沁水盆地深煤层界定在750 m以深[6]，即在此深度以深，煤层气成藏特征开始发生转换，其开发须针对储层特性变化采取相应的措施。我国煤层具有厚度薄、渗透率低、含气量低的特点，其开发方式以直井压裂为主[7]。近年来，在沁水盆地南部进行了不同深度煤层气藏直井的压裂排采作业，其中绝大多数煤层气井采用活性水压裂液进行加砂压裂[8]。本文以沁水盆地800 m以深煤层气井地质、压裂数据为基础，进行了深部煤层地质特征分析和现有压裂技术体系在深部煤层气藏直井应用适用性研究，并进一步选取典型实例分析压裂作业时压力异常的影响因素，提出了深部煤层直井压裂的对策。

1800 m以深煤层地质特征分析

以沁水盆地深煤层地质参数为样本进行统计分析，归纳得出的800 m以深煤层地质特征(表1)。深部煤层的地质条件和储层物性，较之浅埋深煤层，区别较大。深部煤层含气性较好，具有潜在的开发价值[9]。忽略深部煤层开发潜力的主要原因是其“三高”的地质环境，即高地温、高地应力、高储层压力[4]。高地应力极大地降低了煤储层渗透性[10]，其极低的渗透率和较小的孔隙度[11]意味着深部煤层的开发必须依赖有效的储层改造措施，才能达到工业开采的要求。高温高压下，煤层甲烷吸附、解吸条件异常复杂[12]，使得压后产量的提升受到多因素制约。地应力及岩石力学性质的特殊性，使得深煤层气井井壁稳定与人工裂缝延伸非常困难，人工裂缝与天然裂缝的匹配关系复杂，特别是深煤层的高构造应力作用和煤岩的塑性特征，严重制约主裂缝的形成和有效延伸[5,13]。较大的作业深度、较差的物性参数以及高温高压的地层环境使得支撑剂在极其不规则的裂缝系统中实现有效输运与铺置变得非常困难[5]。这些都使得深部煤层气富集和开采因素变得越发多样化[14]，从而导致现有压裂技术在开发过程中的适用性和有效性面临严峻挑战，在后续排采过程中出现见气时间长、单井产气量低甚至不产气等问题。

表1　沁水盆地800 m以深煤层地质特征

2现有压裂技术适用性分析

2.1800 m以深煤层活性水压裂特征

表2对我国煤层气直井现场应用的压裂技术进行了总结分析[15-17]。活性水压裂技术由于其低污染、低成本，易返排等优点，成为我国目前煤层改造应用最为广泛的首要技术，能够有效地改造井筒与煤层天然裂缝网络之间的连通性，从而在排水降压时合理地分配井孔周围的压降，提供能量和增加气体解吸速率，使煤层气快速排出，在浅部煤层气井应用效果较好[5]。活性水压裂技术在深煤层气井的适用性可以根据近年来的现场实践效果来分析。

以沁水盆地为例，在成功进行了活性水压裂作业施工且产气情况明显改善的煤层气井中，选取10口储层深度在800 m以深的直井S1～S10作为样本，统计其压裂施工参数，见表3。

产量显著提升的10口井储层深度在800～1 350 m，均采用了较大的注入液量。这是因为深部煤层由于其特殊的地质条件和储层物性，压裂液滤失非常严重[18]。作为加强降滤措施，大液量注入可以解决活性水滤失严重导致的支撑裂缝长度不够的问题。此外，大液量的注入能更快的将主裂缝或者是裂缝网络向前扩张，减少了在裂缝向前推进过程中的压裂液损失[16]，也可以较好地增大降压面积，有利于煤层甲烷的解吸。10口井的平均砂比均在15%左右，这是由于活性水压裂液黏度低、携砂能力较差，面对物性更差、非均质性更强的深部煤层，砂比如果过高，可能出现因为微裂缝堵塞而带来的施工压力异常偏高的情况。随着深度的增加，煤岩破裂压力也随之增加，大部分井破裂压力达到了30 MPa左右，压降比较明显。

表2　我国煤层气直井主要压裂技术[15-17]

表3　10口800 m以深煤层气藏直井活性水压裂施工参数

2.2深部煤层压裂压力异常因素分析

目前现场实践的深部煤层气井在压裂作业时，常常会发生压力异常偏高的情况，往往是由以下4种因素或因素间的组合导致的[19]，需要根据地质资料与现场施工情况综合判断。

(1)压裂液性能影响。

以图1所示的A井为例，压裂作业施工前期由于储层物性较差导致施工压力高而停泵，破裂点不明显，后逐级提排量注入并试探性加砂，在以5%砂比加入第1个段塞后，压力开始升高，提高排量至4.2 m3/min，并继续低砂比加入支撑剂，压力持续升高，由于施工压力过高而排量受限，最终施工失败。究其原因是活性水压裂液由于黏度低，在较低排量下造缝能力不足，加入支撑剂时易形成砂堵的潜在问题。

图1　A井压裂作业施工曲线Fig.1　Fracturing operation curves of well A

(2)地层微裂缝影响。

压裂时未能形成具有一定缝宽的主裂缝，只在近井筒地带形成多条微裂缝，弯曲摩阻增大，在加入支撑剂后，支撑剂堵在缝口处或支撑剂立刻将近井地带多微裂缝充填，导致流动通道堵塞，压力急剧上升。在近井地带形成多条微裂缝后，在远井地带融汇成主裂缝，在加砂过程中造成了微裂缝堵塞，导致施工压力过高。图2中B井井径扩大率为45.68%，射孔质量受一定影响，从曲线看压裂时，地层明显破裂，但未形成一条足够宽度主裂缝，只形成多条微裂缝，再加砂过程中，和射孔产生碎屑将缝口堵死，后期通过变排量注入压裂液，但压力一直起伏，推断为刚产生了微裂缝，随即又被堵住。

图2　B井压裂施工综合曲线Fig.2　Fracturing operation curves of Well B

(3)储层岩性影响。

深部煤岩较之浅埋深煤层更加致密，裂隙不发育也会导致施工压力异常偏高。图3中C井的起泵排量3.8 m3/min，施工压力达到37 MPa，之后以0.5～2 m3/min排量注入活性水，施工压力仍然过高，最高达到近40 MPa，地层注不进液。经分析认定原因为储层过于致密，裂隙不发育。

图3　C井压裂施工综合曲线Fig.3　Fracturing operation curves of Well C

(4)钻井液污染及煤粉堵塞。

近井地带钻井液污染以及煤粉堵塞也会成为造成施工作业失败的潜在因素。钻井过程中钻井液在井筒及近井地带形成泥饼，堵塞近井地带地层裂隙，会导致施工压力高；地层中煤粉堵塞微裂隙，会导致地层注不进液，施工中憋起高压的现象。现场压裂施工时，由于无法准确获取煤层表皮系数，从而导致钻井液污染情况不详，无法正确判断高压异常是由钻井液污染引起的还是由于煤粉堵塞引起的。

3深部煤层气藏直井压裂对策

(1)活性水压裂技术优化。

在国内外深部煤层气井现场实践中进一步获取压裂经验，选取成功案例，通过数据挖掘方法及数理分析，对压裂材料和压裂施工参数等进行优化[20]调整，逐步形成满足我国深部煤层气藏开发的活性水压裂技术体系。

(2)压裂理论发展。

在现有的浅煤层和常规油气层压裂中，以形成高导流能力的规整裂缝作为主攻目标，建立准确的深部煤层压裂裂缝起裂及延伸数学模型以指导压裂施工设计。以理论研究与现场实践为手段，进一步发展压裂理论，力求在裂缝系统纷繁复杂的深煤层中形成具有一定长度和导流能力的规整人工裂缝[5]。

(3)新型压裂材料研制。

现有支撑剂主要为石英砂和陶粒两大类，相对密度较高，要想实现支撑剂的有效输送，对压裂液的携砂能力要求很高。建议从合成材料、加工技术、分子模拟等方面展开攻关，研发出与深部煤层气藏压裂技术配套的新型压裂材料。通过研发超低密度支撑剂和可控滤失速率的增能助解吸压裂液，来实现支撑剂在裂缝内的有效输送、铺置和压后煤层气的顺利解吸[3]。

4结论

(1)800 m以深煤层气藏的高温、高压、高地应力的地质环境、较差的储层物性以及较强的非均质性等特征，使得深部煤层气富集和开采因素越发多样化，增产改造难度很大，现有压裂技术体系在适用性和有效性上面临严峻挑战。

(2)活性水压裂技术是我国煤层气藏开发的主要技术，已在深部煤层进行了多口井压裂实践。深部煤层气井活性水压裂时，较之浅埋深煤层，破裂压力较高。增产效果较好的深部煤层气直井，普遍采用大液量注入，同时控制砂比在15%左右。

(3)深部煤层气井压裂作业时，常常会出现压力异常偏高的情况，往往是受到了压裂液性能、地层微裂缝、储层岩性、钻井液污染及煤粉堵塞等因素的影响，需要根据地质资料和施工情况进行判断。

(4)为推动深部煤层气藏的开发，除了要对现有的水力压裂技术进行优化外，还需要发展在地质条件复杂的深部煤层能够有效地形成具有一定长度和导流能力的规整人工裂缝的压裂理论。此外，超低密度支撑剂和可控滤失速率的增能助解吸压裂液的等新型压裂材料的研制可以帮助实现支撑剂的有效输送、铺置以及煤层气的顺利解吸。

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Fracturing characteristics analysis of 800 meters deeper coalbed methane vertical wells

YANG Zhao-zhong1，YANG Su2，ZHANG Jian3，LI Xiao-gang2

(1.ResearchDepartment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.SchoolofPetroleumandNaturalGasEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;3.DevelopmentandProductionDepartment,ChinaUnitedCoalbedMethaneCompany,Beijing100011,China)

Abstract:In this study,the samples were taken from the wells of Qinshui Basin with depth more than 800 meters.Geological features of deep coal seam were summarized.The fracturing difficulties were also analyzed.According to the statistics of fracturing data from 10 deep wells,which used active water fracturing technologies and obtained some good effects,the characteristics of fracturing construction parameters for deep CBM wells using the existing technologies were summarized.The factors that cause the abnormal high pressure of fracturing in deep coal bed gas reservoir were analyzed.The strategies of deep coalbed methane reservoir were proposed.The research results show that deep coal beds have high temperature,high pressure,high ground stress,poor reservoir physical properties and strong heterogeneity,which makes the applicability and validity of the existing technologies face severe challenges.The vertical well fracturing uses large volume injection and 15% sand ratio.Abnormal pressure of fracturing is influenced by fracturing fluid properties,the formation of micro fractures,reservoir lithology,drilling fluid pollution,coal blockage and other factors.The development of deep coal beds in the future depends on not only the optimization of active water fracturing technology,but also the promotion of fracturing theories and the development of new materials.

Key words:deep coalbed;geological features;vertical well fracturing;construction parameters

中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0100-05

作者简介:杨兆中(1969—)，男，四川泸州人，教授，博士生导师。E-mail:sgylxg@swpu.edu.cn。通讯作者：杨苏(1987—)，男，河南濮阳人，博士研究生。E-mail:201411000050@stu.swpu.edu.cn

基金项目:“十二五”国家科技重大专项资助项目(2011ZX05042-002)

收稿日期:2015-09-11修回日期:2015-10-25责任编辑:张晓宁

杨兆中，杨苏，张健，等.800 m以深直井煤储层压裂特征分析[J].煤炭学报,2016,41(1):100-104.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9026

Yang Zhaozhong，Yang Su，Zhang Jian，et al.Fracturing characteristics analysis of 800 meters deeper coalbed methane vertical wells[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):100-104.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9026