浅析煤体结构对压裂的影响

王青川 金国辉 王 琪

(山西煤层气勘探开发分公司,山西 048000)

浅析煤体结构对压裂的影响

王青川 金国辉 王 琪

(山西煤层气勘探开发分公司,山西 048000)

国内外煤层气开发，针对低渗煤层，为了提高单井产量，通常实施压裂改造，但是通过生产实践与室内实验认识到煤体结构是决定压裂效果的关键因素之一。论文分析了井间煤体结构差异及煤层内煤体结构的分层特征对压裂效果的影响，认为针对硬煤(原生结构煤、碎裂结构煤)的常规压裂适应性较好，而针对软煤(碎粒煤、糜棱煤)的常规改造效果较差。最后笔者根据煤体结构差异特征，提出了针对性改造工艺措施，并进行了现场试验，提高了压裂改造效果，对国内其它煤层气田的开发具有借鉴意义。

煤层气 压裂 煤体结构 层内矛盾

国内外煤层气开发，低渗透煤层的主要储层改造方式为压裂，国内对煤层压裂的研究基本都是针对整个煤层进行的笼统压裂，对于不同煤体结构对压裂的影响在现场实践中报道很少。目前在理论方面的研究不多，基本上只针对单一的煤体结构煤的实验室研究，从理论上解释煤体结构对压裂的影响，主要是模仿压裂过程实施，描述煤不同阶段的煤体结构与渗透率的关系确定，进而确定出煤体结构与压裂之间的关系，认为软媒不适合压裂改造，硬煤适合压裂改造。针对现场实际情况，煤层多数情况下都是多煤体结构的煤组成的复杂煤体结构的煤层，这样的煤层对压裂如何影响，影响程度有多大。针对这一问题，结合煤体结构的特征浅析多煤体结构组合煤层对压裂影响，并提出解决的措施，在提高工艺适应性的同时提高单井产气量。

1 不同煤体结构煤的特征及其与压裂的关系

与砂岩相比，煤岩弹性模量低，但是泊松比相对较高，脆性较大，容易破碎，受压易缩，因此，煤岩受构造运动的作用后，构造运动的类型及强弱影响着煤岩的破坏程度，不同煤体结构的破坏程度、形态特征以及力学性质差异较大。此外，煤岩的割理裂隙的发育，助推了这种差异加大。故此，在进行压裂改造时，不同煤体结构的煤岩成缝及裂缝展布会存在很大差异。在工艺方面表现为压裂工艺的适应性强弱，同时这也决定了在含气量相同的区域，其产气效果存在很大差异。

1.1 硬煤的特征及其与压裂的关系

硬煤(原生结构煤和碎裂结构煤)其特点是坚固性系数一般大于0.5，硬度相对较高，强度较高；原生煤发育的硬煤，割理裂隙不发育，所以渗透性较差，碎裂煤发育的硬煤割理裂隙较发育，渗透性相对原生煤比较高，高阶煤一般渗透率较低；硬煤的层理比较明显。由于硬煤的强度较高，坚固性好，塑性强，渗透率相对砂岩较低，割理裂隙不发育，煤的这些特点决定了在压裂施工时，煤层压裂时破裂压力较高，裂缝起裂时主要受煤层应力控制，但是在随后的裂缝展布时会受到煤层层理界面及割理裂隙的控制而发生转变，有可能形成所谓的网格状。由于强度高，形成裂缝后，加入支撑剂能形成有效的人工裂缝，渗透率偏低利于造成长的裂缝。总之，硬煤的特点决定了压裂时能造出长的高导流能力的人工裂缝，这样的裂缝正是我们改造煤层的目的。因此，硬煤比较适合压裂改造，以提高渗透率。

1.2 软煤的特征及其与压裂的关系

软煤(原生结构煤和碎裂结构煤)其特点是坚固性系数一般下于0.5，软煤由于受破坏程度严重，因此硬度相对较低，强度较低；割理裂隙发育，但由于裂隙受充填物充填，裂缝连通性差，渗透性很差，软煤的层理很难辨别。由于软煤的强度较低，坚固性差，塑性强，渗透率相对硬煤较低，割理裂隙发育但不联通，煤的这些特点决定了在压裂施工时，煤层压裂时破裂压力较低，容易形成多裂缝，很难形成主裂缝，支撑剂不能携带较远，滤失大，施工出现砂堵的可能性大；煤软支撑剂易嵌入，形成的人工裂缝的导流能力降低快，裂缝有效期短。总之，软煤的特点决定了压裂时不能造出长的高导流能力的人工裂缝。所以说，软煤不适合压裂改造。

2 多煤体结构的煤层对压裂的影响及防治措施

2.1 不同煤体结构煤组成的煤层类型

煤体结构不仅在平面上分布差异大，其在煤层内部特征也存在较大的不同，软煤与硬煤组合能形成多种情况的煤层组合，但总体上可以归结为三类：上下型、中间间隔型、多层叠加型(见图1)。无论是哪种类型的煤，其最大特点是软煤的强度低，破裂压力低于硬煤，而煤层压裂改造的目的是要改造硬煤煤层部分，如何提高多煤体结构煤层压裂效果，需要分析多煤体结构煤层对压裂的影响规律，是制定压裂措施的依据。

图1 煤体结构垂向组合类型图

2.2 煤体结构组合类型对压裂的影响

由于软煤与硬煤的煤体结构不同，导致他们的物理性质也不相同。对于软煤，煤体破碎严重，煤强度低、整体渗透率低，破裂时容易产生煤粉，表现在压裂上就是易于破裂，并且压裂过程滤失严重，不能形成主裂缝，只能形成一个裂缝带或是多裂缝，支撑剂难于携带远及铺置均匀，支撑剂嵌入严重，煤粉的产能容易出现砂堵。对于硬煤，保持原生结构或虽然割理发育但条形层理清晰，煤的强度比软煤高，不易破碎，渗透率也高于软煤，破裂时产生煤粉较少，表现在压裂时煤层破裂压力较高，压裂过程中煤层滤失少，造缝效率高，压后能形成一条长的高导流能力的裂缝，支撑剂携带较远，支撑剂嵌入少，由于产生煤粉少形成的人工裂缝有效期较长。

基于以上原因，只要有软煤与硬煤出现在同一煤层中，压裂时会造成煤层内不同煤体结构煤层的层间矛盾。以上下型煤层为例，煤层上部为硬煤，下部为软煤，压裂时对整个煤层射孔压裂，煤层首先破裂的是软煤层，由于软煤与硬煤的差别，硬煤层得不到压裂改造，而软煤改造的适应性差，总体的压裂效果表现为压裂无效或是效果差。

对于多煤体结构的煤层压裂在现场实践中也证实以上的认识。在煤矿井下巷道观察3口压裂后的煤层气井的裂缝展布情况，煤层下部的软煤层部分压裂砂充填较多，并且以带状呈现，而硬煤部分几乎没有支撑剂充填。这一现象充分说明软煤与硬煤的物理性质差异较大，压裂时软煤与硬煤的层间矛盾突出。在生产井GC-105井上通过井下电视进行观察，发现该井主要产气在煤层上部，而下部产气量很少。通过对比该井的煤体结构，发现该井的上部主要是原生结构煤，下部以软煤为主。进一步证实了煤体结构对压裂效果的影响，硬煤适宜于常规压裂改造，软煤不适用常规压裂改造。鉴于对煤体结构的认识进行了现场实验，GC-014井为已生产井，初期开采选择的是只对下部软煤的煤层射孔活性水压裂，压后排采生产8个月后才产气，产气量只有100m3/d，水量0.1 m3/d，流压为0.01MPa，而采取针对硬煤压裂措施进行改造后3个月开始产气，经过7月后达到900 m3/d以上，并已稳产3月以上，水量0.1m3/d，流压还有0.55MPa，还有一定的降压空间提气。通过对比本区块的200多口井的产量与煤体结构的之间的关系(见图2)，发现当硬煤占煤层比例大于70%以上时，即随着在煤层中，原生、碎裂结构煤厚度的增加，日产气量也随之变高，常规压裂较适应。

图2 煤体结构与日产气关系图

根据以上对不同煤体结构和多媒体结构组成的煤层浅析可知，不同煤体结构对压裂的影响不同，总体上可以分为两大类软煤和硬煤，软煤层在目前的压裂技术条件下还不能达到有效改造目的，硬煤在目前的压裂技术条件下采用压裂手段能取得较好的效果。对于多煤体结构的煤层，由于不同煤体结构的物理性质差异，导致采用常规煤层段整体压裂时出现不同煤体结构的煤层间矛盾，常常造成改造效果好的硬煤得不到改造。

2.3 多煤体结构煤层影响压裂的防治措施

基于煤体结构的分布特征及其对压裂的影响，综合考虑软煤与硬煤物理性质的差异，射孔压裂时应尽量考虑其差异性，确定需要改造的目标层位，对于上下型煤层，采用只压裂上部硬煤层部分；对于中间间隔型煤层，采用分段射孔压裂技术，射开中部原生煤层；对于多层叠加的煤层，采用间接顶板压裂。

3 现场实例应用及效果

3.1 压裂工艺方案设计及实施

根据煤层中煤体结构的类型，结合本区的煤层煤体结构情况，设计压裂工艺方案。本区煤层为上下型煤层，已生产井，需要重复压裂的井，设计为填砂封堵软煤层，只针对硬煤层部分用重复压裂或者集中射孔压裂；硬煤层未改造的井，选择填砂封堵已生产层，对上部硬煤层进行射孔，再进行水压裂；多层叠加型井，采用填砂封生产层，顶板射孔压裂技术。压裂施工参数方面，主要考虑该井及周边井的生产情况确定，规模大小不能影响周围井的产气量，对于300m的井距一般控制在400m3左右，支撑剂一般使用15～20m3。而对于没有改造的煤层则可加大规模，一般控制在500～550m3之间。支撑剂用量为30m3左右。施工排量要求2～6m3/min；泵注程序选择阶梯提升排量。根据该方案，现场试验了10口井，其中目标层填砂封层压裂实施8口，中上部集中射孔压裂1口，间接顶板压裂1口。

3.2 实施效果

增产措施在本地区实施后，经过5～10个月的排采，平均单井日产气量增加489m3，平均井底流压为0.433MPa； 其中一口井日产气量增加了950m3。

到目前累计增气50万m3。其中间接顶板压裂试验1口井，日产气量由措施前日产气量100m3增加达到了896m3，增气量达到了796m3，流压还有0.37MPa，预测具备1500m3/d的产气能力。通过现场实施来看，针对软硬煤垂向差异特征实施的改造措施见到了一定的效果，为下步本地区高阶煤的开发奠定了基础。

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(责任编辑 王一然)

Elementary Analysis of the Effect of Coal Structure on Fracturing Results

WANG Qingchuan，JIN Guohui，WANG Qi

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，Shanxi 048000)

In order to improve gas production of single coalbed methane well where low-permeability reservoirs preserved，hydraulic fracturing have been widely used in domestic and overseas. Difference between coal structures of different wells and layered characteristics of coal structure in reservoir as well as the corresponding effect of those two factors on fracturing results were discussed in this article. The result showed that hard coals(primary structure coal and cataclastic structure coal)were adapted to the conventional fracturing while the soft coals(coal pieces and mylonite)were completely not adapted to that. Stimulating technologies，which was tested in the field afterward，was proposed based on the difference characteristic of coal structure. Fracturing results were improved due to the application of the technology which was also useful to other coalbed methane field.

Coalbed methane；fracturing；coal structure；inner contradictions

山西煤层气勘探开发分公司生产性科研项目“薄煤层压裂工艺优化”。

王青川，男，本科，高级工程师，现从事煤层气井改造研究工作。