王理國，李特社，張建龍，胡剛, 唐兆青

（貴州省非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)利用工程研究中心，貴州 貴陽 550081）

黔西北煤炭資源豐富， 主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組， 是南方煤及煤層氣最富集的地區(qū)。目前已探明地質(zhì)儲量 236.8 億t，預(yù)測儲量522.9億t，居全省煤炭儲量第一位[1]。據(jù)預(yù)測1 500 m以淺煤層氣資源量可達(dá)1萬億方以上，是貴州省最具有煤層氣規(guī)模開發(fā)潛力的地區(qū)。

黔西北地區(qū)煤層氣資源開發(fā)也有一定局限性，如煤層單層厚度一般較?。ǘ鄶?shù)煤層厚 0.5～2.5 m，局部地區(qū)少數(shù)煤層單層厚度達(dá)到3 m以上），煤巖演化程度高、滲透率較低，構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，斷層較發(fā)育，煤層遭受構(gòu)造破壞嚴(yán)重，儲層物性非均質(zhì)性強(qiáng)，局部地區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育，煤儲層壓裂改造難度大，當(dāng)前煤層氣開發(fā)技術(shù)對高效開發(fā)此類煤層氣藏尚有很大難度。

1 煤層地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造背景

黔西北地區(qū)位于揚子板塊的西南緣，是我國南部地區(qū)一個相對穩(wěn)定的構(gòu)造單元。晚二疊世時，云、貴、川是一個統(tǒng)一的聚煤盆地，西面是川滇古陸，北有淮陽古陸，東為雪峰、江南古陸，南面是馬關(guān)～大新古陸。滇東黔西地區(qū)靠近西部，是沉積坳陷和聚煤中心，總的地勢呈西北高東南低略向南東傾斜的斜坡，物源來自川滇古陸。

1.2 區(qū)域地層

貴州省境內(nèi)從前震旦系至第四系均有發(fā)育，絕大部分屬海相沉積，厚度巨大。其中，黔西北地區(qū)出露的地層主要有：下二疊統(tǒng)茅口組，上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、長興組，下三疊統(tǒng)夜郞組、茅草鋪組及第四系，各地層簡況見表1。

表1 勘查區(qū)地層簡表

1.3 含煤地層

黔西北地區(qū)含煤地層分布于下寒武統(tǒng)（牛蹄塘組，石煤）、下石炭統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、上三疊統(tǒng)、古近系和新近系。其中上二疊統(tǒng)是貴州最主要的含煤地層，分布廣泛，發(fā)育完好，化石豐富；沉積類型多樣，自西向東，依次發(fā)育陸相、海陸過渡相和海相沉積。

過渡相區(qū)分布于畢節(jié)、水城、盤縣一線以西，以碎屑巖沉積為主，偶夾泥灰?guī)r和透鏡狀菱鐵巖。一般含煤40～50余層，可采10余層，多分布于煤組中～上部，厚5.16～32 m。煤質(zhì)為中灰、低硫～中硫，煤種為氣煤～無煙煤。

海陸交互相區(qū)位于過渡相區(qū)以東，桐梓、貴陽、興仁一線以西。由碎屑巖、灰?guī)r、煤層組成，灰?guī)r層數(shù)，厚度自西向東遞增。煤組厚度、煤層層數(shù)變化較大。六枝礦區(qū)煤組一般厚 360 m，含煤 8～32層，可采一般6層，厚12 m左右。多為中灰、中～高硫煤。以無煙煤為多，也有部分煙煤。

海相區(qū)位于桐梓、貴陽、興仁一線以東的貴州東部地區(qū)，自西向東龍?zhí)督M逐漸過渡為吳家坪組，以灰?guī)r為主，夾碎屑巖、煤層。含煤 1～數(shù)層，可采1層，厚約1 m。煤質(zhì)為中灰、富～高硫煤，煤種肥煤～貧煤。

2 煤層力學(xué)參數(shù)分析

煤層與頂?shù)装鍘r石由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，其巖石力學(xué)性質(zhì)及其各自的影響因素也會有所差異。煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響因素很多，主要包括兩個方面，一是煤巖自身特征（顯微組分、煤級、煤體結(jié)構(gòu)等）對其力學(xué)性質(zhì)的影響，二是煤巖賦存環(huán)境（溫度、圍壓、含水量等）對其力學(xué)性質(zhì)的影響。針對黔西北地區(qū)（遵義地區(qū)、大方地區(qū)和六盤水地區(qū)）10口探井取心進(jìn)行煤巖力學(xué)參數(shù)分析。

綜合對比分析結(jié)果表明，受煤層沉積環(huán)境和后期構(gòu)造運動的影響，黔西北地區(qū)煤巖力學(xué)性質(zhì)差異，具體表現(xiàn)在以下三個方面：

1）黔西北三個地區(qū)煤巖楊氏模量差異較大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于砂巖地層：

煤巖的楊氏模量在1 366～13 398 MPa之間，平均較常規(guī)砂巖小一個數(shù)量級，這種差異有利于裂縫在煤層內(nèi)有效延伸，提高煤儲層改造程度。

2）煤巖泊松比接近常規(guī)砂巖：

煤巖的泊松比較小，基本處于 0.10～0.337之間，平均0.216，與常規(guī)砂巖相近。

3）煤的抗壓強(qiáng)度低，壓縮系數(shù)大：

煤的抗壓強(qiáng)度從10～158 MPa，大部分在20～80 MPa之間，明顯低于砂巖。

綜上，黔西北煤儲層煤巖的楊氏模量低、泊松比大、抗拉強(qiáng)度低，壓裂時易形成短、寬縫，降低煤層解析面積[2]。

3 多薄煤儲層壓裂改造技術(shù)

黔西北地區(qū)煤層以“多、近、薄”為主要特點，多煤層聯(lián)合開發(fā)成為貴州煤層氣井開發(fā)的必然選擇。根據(jù)黔西北多薄煤儲層的地質(zhì)特征和巖石力學(xué)特征，采取了一系列的壓裂改造措施。

3.1 壓裂工藝的選擇

根據(jù)煤層厚度、煤層的間距、煤層的層數(shù)、針對性以及時效等因素，選擇不同的壓裂工藝。多煤層聯(lián)合開發(fā)中，為了節(jié)約成本，對于多個臨近薄煤層（單獨改造又不劃算的煤層）累計厚度（或者是資源量）又很厚的煤層段，可以采用光套管合層壓裂；多煤層聯(lián)合開發(fā)中，對于不能進(jìn)行合層壓裂的層段，需要分段壓裂。目前采用可撈式橋塞分段壓裂技術(shù)，即每壓裂完一段進(jìn)行下段壓裂時下入橋塞，整口井各層段全部改造完成后，統(tǒng)一下打撈工具取出橋塞。其工藝可靠、安全、簡單、方便，得到了大規(guī)模推廣；連續(xù)油管拖動壓裂具有壓裂層數(shù)不受限制、定位噴砂射孔、可以實現(xiàn)環(huán)空加砂大規(guī)模壓裂、施工快速高效、可通過油管串實時監(jiān)測井底壓力、工藝簡單、時間成本低、效率高等優(yōu)點，在層數(shù)較多的煤層壓裂中得到了應(yīng)用。

3.2 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)

由于貴州煤層氣具有儲層厚度薄、應(yīng)力高、低滲透、低孔隙的特點，常規(guī)的壓裂技術(shù)對該地區(qū)煤層改造的程度較低，獲得的改造體積和降壓面積有限，針對這一問題，引入了暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，并獲得成功，這對于煤層氣的勘探開發(fā)和儲層改造的研究具有重要意義。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂分為縫口轉(zhuǎn)向和縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)是較大暫堵劑顆粒在介質(zhì)的攜帶作用下進(jìn)入井筒的炮眼，部分進(jìn)入地層中的裂縫或高滲透層，或者使用較小粒徑的暫堵劑顆粒裂縫端部，膨脹的暫堵劑顆粒的高粘附性和抗拉強(qiáng)度在炮眼和高滲透帶、裂縫端部產(chǎn)生濾餅橋堵，從而形成高于裂縫破裂壓力的壓差值，使后續(xù)工作液不能向裂縫和高滲透帶進(jìn)入，在井底形成暫時高壓區(qū)，從而壓裂液進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)或者新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化，進(jìn)而形成更為復(fù)雜和規(guī)模較大的空間網(wǎng)狀裂縫。從而提高煤層動用率和改造效果。

3.3 支撐劑優(yōu)化組合

煤層氣壓裂的目的是連通儲層的割理系統(tǒng)。煤基質(zhì)的滲透率很低，割理是煤層中流體滲流的主要通道，因此不需要太高導(dǎo)流能力的裂縫。要獲得高產(chǎn)，煤層中除了有充足的資源外，還必須有從超微型、微型、小型、中型、大型直到巨型的割理，并且割理之間要互相連通成網(wǎng)絡(luò)，對于原生的煤層達(dá)到如此完美組合的很少，因此通過后期的強(qiáng)化改造使煤層的割理系統(tǒng)得到連通，形成網(wǎng)絡(luò)連通的割理系統(tǒng)是十分必要的措施[3-4]。為了實現(xiàn)這樣這一目的，對支撐劑組合做了優(yōu)化。

前置液采用 70～100目的石英粉砂段塞降低濾失、孔眼摩阻及支撐微裂縫；攜砂液前期采用40～70目低密度細(xì)砂，主要用于支撐次裂縫；攜砂液后期采用20～40目的石英中砂，主要用于支撐水力主裂縫和提高近井裂縫的導(dǎo)流能力。

3.4 防煤粉壓裂技術(shù)

煤粉堵塞的危害：（1）煤粉對煤層氣的生產(chǎn)有巨大的危害；（2）壓裂階段會產(chǎn)生大量的煤粉，如圖1；（3）控制壓裂中煤粉的產(chǎn)生是非常重要的。

圖1 壓裂裂縫煤粉運移示意圖

針對煤層壓裂出煤粉的情況，主要采取了以下幾點：（1）前置液階段：大液量活性水壓裂液，將煤粉沖至裂縫遠(yuǎn)端；（2）攜砂液階段：降排量注入高粘度低傷害壓裂液，既可少產(chǎn)生煤粉，又能將砂攜帶得更遠(yuǎn)，且將煤粉阻擋在裂縫的遠(yuǎn)端。（2）間接壓裂技術(shù)：直接壓裂煤層時，煤層中高的施工壓力、以及煤層割理和天然裂縫等會促使非平面的復(fù)雜裂縫形成，從而大大降低改造效果。應(yīng)用于煤層氣井的間接壓裂技術(shù)，顧名思義，即不再直接壓裂目的煤層，而是通過裂縫在緊鄰煤層的常規(guī)巖層中起裂、通過裂縫擴(kuò)展將煤層有效聯(lián)通的技術(shù)方法。這樣煤層既得到了改造，又減少了煤粉的產(chǎn)生。

3.5 壓裂施工參數(shù)優(yōu)化

a.施工排量

煤層壓裂施工需要較高的施工排量，雖然較高的施工排量會導(dǎo)致施工壓力較高，但是較高的施工壓力下煤層裂縫容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較多的復(fù)雜裂縫，有利于提高壓裂的效果。綜合考慮套管承壓和施工壓力的影響，確定的排量為8～12 m3/min。

b.加砂強(qiáng)度

根據(jù)已排采產(chǎn)氣井的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出加砂強(qiáng)度和產(chǎn)氣量的變化規(guī)律，在控制成本的基礎(chǔ)上，加砂強(qiáng)度設(shè)計為每米射孔段加砂量12～15 m3。

c.加砂梯度（平均體積比）

壓裂施工采用由低到高分 6～9個階梯進(jìn)行加砂：前置液排量達(dá)到6 m3/min后加入2～4個段砂塞，段塞砂目數(shù)為70～100目，砂比為5%～7%；攜砂液采用 40～70目和 70～100目的石英砂低到高分 5～7個階梯進(jìn)行加砂，平均砂比為8%～12%。

d.前置液比例及用液量

壓裂施工中造縫主要發(fā)生在前置液階段，因此提高前置液占總液量的百分比就可以獲得更長的裂縫，但是前置液百分比需要確定一個合理的范圍才能保證動態(tài)裂縫和支撐裂縫都能最優(yōu)化。通過分析已排采井的壓裂施工數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)氣井的施工數(shù)據(jù)，定為前置液的比例在50%～60%左右。整體施工液量在800 m3以上。

4 應(yīng)用效果

目前在黔西北地區(qū)共壓裂施工38井次，針對不同的煤層特征和井況，采用了不同的壓裂改造措施。其中5井次采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，3井次采用連續(xù)油管油管拖動壓裂，4井次采用投球分層壓裂，10井次采用防煤粉間接壓裂技術(shù)，8井次采用光套管合壓，33井次采用可撈式橋塞分層壓裂，2井次采用投球分層和可撈式橋塞分層壓裂，所有井都采用粉砂、細(xì)砂、中砂的支撐劑組合，實際施工排量8～10 m3/min，加砂強(qiáng)度都高于12 m3/m，平均砂比為9%～12%之間，前置液的比例高于50%。

根據(jù)施工來看，所有井的施工都很順利，說明采取的工藝和施工參數(shù)合理；從排采情況來看，日產(chǎn)氣量平均在1 000 m3左右，最高可達(dá)1 800 m3。說明壓裂改造取得了初步成效。

5 結(jié) 論

（1）黔西北沒儲層具有構(gòu)造復(fù)雜、煤層薄、間距小、煤層層數(shù)多、滲透率低、孔隙度小、煤質(zhì)軟以及煤巖楊氏模量低、泊松比大等特點。

（2）黔西北煤儲層煤巖的楊氏模量低、泊松比大，壓裂時易形成短、寬縫，降低煤層解析面積。

（3）采用合理的壓裂工藝，結(jié)合暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)、防煤粉壓裂技術(shù)以及壓裂施工參數(shù)的優(yōu)化，對于多薄煤層壓裂改造具有很好的效果。

[1]張茂鳴.黔西北煤層氣開發(fā)利用研究[J].烏蒙論壇，2010，0（3）：65-67.

[2]劉貽軍，曾祥洲，胡剛.等貴州貴州煤層氣儲層特征及勘探開發(fā)技術(shù)對策——以比德—三塘盆地為例[J].煤田地質(zhì)與勘探，2017，45（1）：71-74.

[3]李玉魁，王峰明，姚小勤.煤層壓裂中微裂縫支撐作用的研究[J].中國煤層氣，2005,2（3）:32-33,31．

[4]張偉，周梓新.準(zhǔn)噶爾盆地南緣XX勘查區(qū)煤層氣直井壓裂工藝分析[J].煤，2016，25（4）：63-65.