李恒樂(lè)，曹運(yùn)興，周 丹，柴學(xué)周，劉同吉，馮培文，石 玢，田 林

煤層氣直井氮?dú)馀菽瓑毫褏?shù)分析及產(chǎn)能評(píng)價(jià)

李恒樂(lè)1，曹運(yùn)興2，周 丹3，柴學(xué)周4，劉同吉4，馮培文4，石 玢2，田 林2

(1. 河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191；2. 河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；4. 山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046200)

壓裂參數(shù)是決定壓裂效果、影響裂縫特征與煤層氣產(chǎn)能的重要參數(shù)，深入認(rèn)識(shí)壓裂參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化壓裂工藝和提高煤層氣井產(chǎn)能至關(guān)重要。以潞安礦區(qū)45口氮?dú)馀菽瓑毫丫疄閷?duì)象，分析壓裂施工曲線的類型及其對(duì)產(chǎn)能的影響，探討各階段壓裂液用量與產(chǎn)能之間的關(guān)系，并對(duì)比評(píng)價(jià)氮?dú)馀菽c水力壓裂井產(chǎn)能的差異性。結(jié)果表明：氮?dú)馀菽瓑毫咽┕で€可分為穩(wěn)定型、波動(dòng)型、上升型和下降型4類9型，下降型和穩(wěn)定型壓裂曲線對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能要高于波動(dòng)型，上升型曲線對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能最差；總壓裂液用量以800 m3為宜，前置液和頂替液用量分別為450 m3和8 m3，氮?dú)庾⑷肓吭?萬(wàn)m3左右最佳，而攜砂液用量越大產(chǎn)能越高，氮?dú)馀菽瓑毫岩毫己玫臄y砂、造縫、沉降支撐性能是有助于提高產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)所在；整體上，就潞安礦區(qū)而言，氮?dú)馀菽瓑毫丫漠a(chǎn)能明顯高于水力壓裂井，主要體現(xiàn)在高產(chǎn)井、中高產(chǎn)井的比例遠(yuǎn)大于水力壓裂井，約61%的氮?dú)馀菽瓑毫丫哂休^高產(chǎn)能，而水力壓裂井為23%。氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)在潞安礦區(qū)展示出的可觀潛力，可為國(guó)內(nèi)其他具有類似儲(chǔ)層特征礦區(qū)的煤層氣開發(fā)提供技術(shù)借鑒。

氮?dú)馀菽粔毫褏?shù)；壓裂曲線；煤層氣；產(chǎn)能評(píng)價(jià)；潞安礦區(qū)

與煤層地質(zhì)條件相適宜的增產(chǎn)改造技術(shù)是決勝煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵。鑒于水力壓裂過(guò)程中存在支撐劑在井筒附近沉降速度快、濾失量與儲(chǔ)層傷害性較大、用水量大、污染環(huán)境等諸多局限性，20世紀(jì)70年代以來(lái)，泡沫壓裂因其攜砂能力強(qiáng)、濾失量小、地層損害小、返排效果好等特點(diǎn)，在低滲、低壓、水敏性的常規(guī)[1-3]和非常規(guī)[4-5]油氣儲(chǔ)層中逐漸得到廣泛應(yīng)用。氮?dú)馀菽瓑毫岩杭夹g(shù)在美國(guó)和加拿大煤層氣開發(fā)中得到普遍應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)發(fā)展較為緩慢。近年來(lái)，在鄂爾多斯盆地東南緣大寧—吉縣區(qū)塊[6]、延川南區(qū)塊[7]，沁水盆地南部潘河區(qū)塊[8]、柿莊區(qū)塊[9]、北部壽陽(yáng)區(qū)塊[10]，海拉爾盆地呼和湖凹陷[11]等開展了一些工程實(shí)踐和探索，取得了良好的增產(chǎn)效果，基本展示了氮?dú)馀菽瓑毫延糜谖覈?guó)煤層滲透性改造的可行性和可觀潛力。

潞安礦區(qū)煤儲(chǔ)層具有特殊的松軟、低滲、低壓、低飽和度等特征，如余吾井田山西組3號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力1.86~3.09 MPa，平均儲(chǔ)層壓力梯度僅3.7 kPa/m，屬于超低壓儲(chǔ)層[12-13]。特殊的儲(chǔ)層條件致使潞安礦區(qū)的煤層氣高效開發(fā)技術(shù)成為重大難題，前期依靠傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)效果欠佳，煤層氣井產(chǎn)能普遍較低。2010年以來(lái)，嘗試引入氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)，如LA-44井，1 400 d的排采結(jié)果顯示，單井最高日產(chǎn)量1 990 m3，平均日產(chǎn)氣量1 292 m3，創(chuàng)造了全區(qū)單井平均日產(chǎn)量的最高紀(jì)錄。筆者以潞安礦區(qū)前期45口氮?dú)馀菽瓑毫丫疄閷?duì)象，從工程技術(shù)層面系統(tǒng)分析壓裂施工曲線所反映的裂縫動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并將其劃分為不同類型，研究各類型壓裂曲線對(duì)產(chǎn)能的影響，探討壓裂過(guò)程中各階段壓裂液用量與產(chǎn)能之間的關(guān)系，最后對(duì)比評(píng)價(jià)氮?dú)馀菽瓑毫雅c水力壓裂井產(chǎn)能的差異性。旨在為優(yōu)化氮?dú)馀菽瓑毫压に噮?shù)提供參考，為國(guó)內(nèi)其他具有類似儲(chǔ)層特征礦區(qū)的煤層氣開發(fā)提供技術(shù)借鑒。

1 地質(zhì)背景

潞安礦區(qū)位于沁水盆地東部中段，礦區(qū)主體呈近SN—NNE向展布，向西緩傾的單斜構(gòu)造，傾角5°~10°。礦區(qū)以自北向南發(fā)育的NEE向文王山正斷層組和二崗山正斷層為界，分為北、中、南3個(gè)構(gòu)造區(qū)(圖1)[13]。

圖1 潞安礦區(qū)構(gòu)造綱要

礦區(qū)含煤地層主要為石炭–二疊系太原組和二疊系山西組，煤系總厚度平均為158.70 ｍ，其中太原組平均厚度為103.60 ｍ，山西組平均厚度為51.15 ｍ，太原組15號(hào)煤層和山西組3號(hào)煤層為全區(qū)可采煤層(圖2)[14]。3號(hào)煤層平均厚度6.57 m，為目前煤礦開采和煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層，也是本文研究的45口煤層氣氮?dú)馀菽瓑毫丫哪繕?biāo)煤層，這些煤層氣井分布于余吾、李村、高河和五陽(yáng)等井田。

3號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，發(fā)育NE—NEE向和NW—NNW向兩組宏觀裂隙，顯微裂隙較發(fā)育，但連通性較差[15]。宏觀煤巖類型屬半亮—光亮型煤，顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)較高，一般80%~90%。鏡質(zhì)組主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之。鏡質(zhì)體最大反射率介于1.73%~2.45%，煤的變質(zhì)程度屬于瘦煤和貧煤，局部為無(wú)煙煤。

圖2 潞安礦區(qū)地層柱狀簡(jiǎn)圖

3號(hào)煤層含氣量平均12 m3/t，空氣干燥基Langmuir體積平均31 m3/t，干燥無(wú)灰基Langmuir體積平均37 m3/t，區(qū)內(nèi)煤層氣含量呈自東向西隨埋藏深度增加而增大的趨勢(shì)。煤層氣解吸率平均93%，吸附時(shí)間平均7.06 d，含氣飽和度平均46%。儲(chǔ)層壓力為低壓和超低壓儲(chǔ)層，800 m埋深以淺儲(chǔ)層壓力梯度平均為4.2 kPa/m[12,14,16]。煤層滲透率普遍較小，最大僅為0.195×10–3μm2，平均0.037×10–3μm2，屬低滲儲(chǔ)層。

2 氮?dú)馀菽瓑毫言霎a(chǎn)機(jī)理探討

煤層氣井壓裂的基本原理是通過(guò)向煤層注入大排量高壓流體將煤層壓裂，在煤層中形成新的人造裂縫網(wǎng)絡(luò)，以改善煤層內(nèi)部原有孔裂隙系統(tǒng)的連通性，進(jìn)而增加煤層滲透性，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。就這一點(diǎn)而言，氮?dú)馀菽瓑毫雅c常規(guī)水力壓裂的原理是相同的，目的都是在煤層中制造復(fù)雜的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)。但與常規(guī)水力壓裂相比，氮?dú)馀菽瓑毫训脑霎a(chǎn)機(jī)理及優(yōu)良特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

a. 攜砂能力強(qiáng) 氮?dú)馀菽軐y帶的砂礫及時(shí)帶入新造的裂縫中，裂縫延伸到哪里，支撐劑隨之被運(yùn)送到哪里，實(shí)現(xiàn)造縫—攜砂—沉降支撐的時(shí)空統(tǒng)一，從而形成長(zhǎng)縫大面積穩(wěn)定支撐，造縫遠(yuǎn)且寬，最大限度提高裂縫的導(dǎo)流能力和煤層滲透率(圖3)。水基壓裂液因砂礫沉降速度快，極易在近井端出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象。

b. 良好的暫堵分流效應(yīng) 泡沫流體在地層中的滲流具有選擇性，對(duì)高滲區(qū)有適當(dāng)?shù)姆舛伦饔?，?duì)低滲區(qū)有增大波及面積的效果，特別適用于非均質(zhì)儲(chǔ)層[17-19]。煤層滲透率具有天然的各向異性和極大的非均質(zhì)性，泵注壓力驅(qū)動(dòng)下氮?dú)馀菽黧w的滲流在高滲區(qū)首當(dāng)其沖。由于氮?dú)馀菽哂屑羟邢♂屘卣?，高滲區(qū)對(duì)泡沫的剪切速率較小，泡沫表面黏度較高，滲流阻力因子較大，迫使部分氮?dú)馀菽蛎簩又械牡蜐B區(qū)流動(dòng)，從而提高低滲區(qū)滲透性，擴(kuò)大壓裂和影響范圍。

c. 改善煤儲(chǔ)層性能并增加產(chǎn)氣 大量泡沫有利于提高壓裂液返排速率和返排量，有效降低煤儲(chǔ)層污染和傷害。再者，泡沫壓裂液可以改善煤粉的潤(rùn)濕性，提高煤粉的分散性，返排時(shí)可將大量煤粉帶出，減少煤粉對(duì)裂縫的堵塞[20-22]。部分氮?dú)獗幻后w吸附后，煤儲(chǔ)層氣體壓力得以增高，煤層氣的臨界解吸壓力提高[23]，并與煤層氣產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，降低煤層氣吸附分壓，在一定程度上增加了煤層氣解吸速率和解吸量，有利于提高采收率。

圖3 攜砂能力對(duì)比示意

3 壓裂曲線分類及其對(duì)產(chǎn)能的影響

壓裂施工曲線是壓裂液流動(dòng)、裂縫擴(kuò)展、支撐劑運(yùn)移和煤儲(chǔ)層特征的綜合反映[24-27]。借助壓裂施工曲線，可以分析裂縫形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化特征，加深對(duì)儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)，并對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[28-31]。通過(guò)對(duì)潞安礦區(qū)45口氮?dú)馀菽瓑毫丫┕で€的綜合分析，根據(jù)施工壓力、排量、砂比的變化規(guī)律，將壓裂曲線分為穩(wěn)定型、波動(dòng)型、上升型和下降型等4類9型(圖4)。

圖4 氮?dú)馀菽瓑毫咽┕で€類型

3.1 穩(wěn)定型

該曲線類型主要表現(xiàn)為，煤層破裂后，在排量穩(wěn)定和持續(xù)加砂的情況下，施工壓力隨注入時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持穩(wěn)定。反映裂縫擴(kuò)展比較規(guī)律，造縫效果較好。該類型可細(xì)分為3個(gè)亞型(圖4a)：壓力持續(xù)穩(wěn)定型、壓力前期穩(wěn)定后期上升型和壓力前期穩(wěn)定后期下降型。

a. 壓力持續(xù)穩(wěn)定型 反映注入量與造縫和濾失量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，裂縫內(nèi)壓力基本穩(wěn)定，壓力表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的直線段，如五陽(yáng)1-22井和余吾LA-44井，1 400 d的排采數(shù)據(jù)顯示，最高日產(chǎn)氣量分別為956 m3和1 990 m3，平均日產(chǎn)氣量分別為576 m3和1 292 m3，累計(jì)產(chǎn)氣量分別為45萬(wàn) m3和162萬(wàn) m3，顯示出旺盛的產(chǎn)能特征，反映該類型曲線的總體壓裂效果較好。

b. 壓力前期穩(wěn)定后期上升型 該類型主要表現(xiàn)為，隨加砂濃度的提高，裂縫內(nèi)不斷填充支撐劑，砂高逐步增加。但由于濾失及支撐劑輸送遇阻，出現(xiàn)端部脫砂或縫內(nèi)砂堵現(xiàn)象，導(dǎo)致裂縫內(nèi)壓力升高，在施工曲線上表現(xiàn)為直線段末端上翹[24]。如華高54井，排采722 d，日均產(chǎn)氣量?jī)H85 m3，累計(jì)產(chǎn)氣約6萬(wàn)m3，表現(xiàn)出典型的砂堵導(dǎo)致壓裂效果欠佳的特征。

c.壓力前期穩(wěn)定后期下降型 不斷加砂過(guò)程中，中后期壓力曲線由穩(wěn)定變?yōu)橹饾u下降。反映裂縫快速擴(kuò)展，造縫效果較好。如華高68井，排采716 d，日均產(chǎn)氣量317 m3，累計(jì)產(chǎn)氣約22萬(wàn)m3，產(chǎn)氣量明顯好于華高54井。

綜合穩(wěn)定型壓裂施工曲線與產(chǎn)能分析結(jié)果可知，壓力持續(xù)穩(wěn)定型與壓力前期穩(wěn)定后期下降型曲線壓裂效果較好，二者均優(yōu)于壓力前期穩(wěn)定后期上升型。

3.2 波動(dòng)型

該類曲線表現(xiàn)為壓力曲線不斷波動(dòng)變化，排量相對(duì)穩(wěn)定。這可能源于煤層裂隙發(fā)育及應(yīng)力的非均質(zhì)性，導(dǎo)致裂縫寬度和擴(kuò)展速度的頻繁變化，從而引起壓力頻繁波動(dòng)，在施工曲線上表現(xiàn)為波動(dòng)前進(jìn)?？杉?xì)分為平穩(wěn)波動(dòng)型、劇烈波動(dòng)型和持續(xù)波動(dòng)上升型等3種類型(圖4b)。

a.平穩(wěn)波動(dòng)型 反映煤層裂隙相對(duì)發(fā)育，裂縫擴(kuò)展沿原有裂隙不斷曲折前進(jìn)，形成的裂縫規(guī)則性較差，但該類型往往能夠打開煤中的大量裂隙通道，壓裂效果較好。如LA-40井，排采1 457 d，最大日產(chǎn)氣量1 251 m3，平均日產(chǎn)氣量387 m3，累計(jì)產(chǎn)氣量57.4萬(wàn)m3。

b. 劇烈波動(dòng)型 在排量穩(wěn)定，砂比持續(xù)增加的過(guò)程中，壓力曲線劇烈持續(xù)波動(dòng)，反映形成的裂縫非常曲折，不斷有新的裂縫產(chǎn)生，裂縫分支較多，壓裂效果較好。如LA-29井，排采1 330 d，最大日產(chǎn)氣量1 233 m3，平均日產(chǎn)氣量414 m3，累計(jì)產(chǎn)氣量55.3萬(wàn)m3。

c. 持續(xù)波動(dòng)上升型 壓力曲線強(qiáng)烈波動(dòng)上升，反映在整個(gè)壓裂過(guò)程中循環(huán)發(fā)生砂堵–解堵–砂堵，這種現(xiàn)象稍遜于劇烈波動(dòng)型造縫效果，但有異曲同工之處，造縫效果也較好。如LA-42井，近4 a的排采數(shù)據(jù)顯示，最大日產(chǎn)氣量1 156 m3，平均日產(chǎn)氣量409 m3，累計(jì)產(chǎn)氣量52.5萬(wàn)m3。

總體上，波動(dòng)型施工曲線往往預(yù)示著造縫效果較好，產(chǎn)量較高。

3.3 上升型

該類型表現(xiàn)為排量穩(wěn)定，但施工壓力卻不斷上升，尤其是在加砂濃度提高以后，大致可分為緩慢上升型和快速上升型等2種類型(圖4c)。

a. 緩慢上升型 主要表現(xiàn)為，施工壓力不斷增加，裂縫延伸逐漸受到限制，這可能與煤層較致密、堅(jiān)硬、滲透率差有關(guān)。如LA-33井，排采4 a來(lái)，最高日產(chǎn)氣量?jī)H667 m3，平均日產(chǎn)量162 m3，產(chǎn)量較低。該類型施工曲線反映壓裂效果較差。

b.快速上升型 主要表現(xiàn)為，壓力瞬間抬升到一個(gè)很高的水平，這是強(qiáng)烈砂堵現(xiàn)象的反映，說(shuō)明砂子無(wú)法順利進(jìn)入煤層，通常難以形成長(zhǎng)裂縫，即便后期因壓力持續(xù)積累而沖破受阻通道，主裂縫也不會(huì)延伸太遠(yuǎn)。如LA-36井，通常排采數(shù)據(jù)顯示，該井最高日產(chǎn)氣量?jī)H744 m3，平均日產(chǎn)氣量225 m3，產(chǎn)量較低。

綜上可知，上升型壓裂施工曲線往往難以形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂效果較差。

3.4 下降型

該類型主要表現(xiàn)為施工壓力非線性緩慢持續(xù)下降(圖4d)。隨著裂縫的延長(zhǎng)，當(dāng)裂縫端部壓力下降到接近閉合壓力時(shí)，裂縫將無(wú)法繼續(xù)延伸，壓力曲線逐漸趨于平緩，反映壓裂縫不斷溝通煤層中的天然裂隙系統(tǒng)，壓裂效果顯著。如LA-43井，近4 a的排采數(shù)據(jù)顯示，最高日產(chǎn)氣量達(dá)1 460 m3，平均日產(chǎn)氣量779 m3，累計(jì)產(chǎn)氣99.5萬(wàn)m3，表現(xiàn)出旺盛的產(chǎn)能特征。下降型壓裂曲線反映壓裂效果較好，煤層滲透性提高顯著。

為進(jìn)一步分析4類氮?dú)馀菽瓑毫咽┕で€整體對(duì)產(chǎn)能的影響程度，首先按升序分別將各類施工曲線對(duì)應(yīng)的煤層氣井產(chǎn)量進(jìn)行排序，這里的產(chǎn)氣量可以是累計(jì)產(chǎn)氣量，也可以是平均日產(chǎn)氣量，前提是所有煤層氣井的排采時(shí)間需保持基本一致，本次采用平均日產(chǎn)氣量；然后將各類施工曲線所占有的煤層氣井?dāng)?shù)進(jìn)行歸一化處理(式(1))，以消除各類型曲線占比的差異性。

式中：X為按產(chǎn)氣量升序排列的第1~口井占總井?dāng)?shù)的累計(jì)百分比；為按產(chǎn)氣量升序排列的第口井；為總井?dāng)?shù)。

繪制X與產(chǎn)氣量之間的關(guān)系圖(圖5)。從圖5可以看出，整體上，下降型壓裂曲線對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣效果最佳，穩(wěn)定型和波動(dòng)型次之，但穩(wěn)定型獲得高產(chǎn)氣量的概率更大，上升型壓裂曲線產(chǎn)氣效果最差。各類氮?dú)馀菽瓑毫亚€中，穩(wěn)定型、波動(dòng)型、上升型和下降型煤層氣井分別占34%、23%、29%、14%，除去上升型曲線，意味著約71%的煤層氣井經(jīng)過(guò)氮?dú)馀菽瓑毫押竽軌颢@得較好的產(chǎn)氣效果。

圖5 潞安礦區(qū)煤層氣井壓裂施工曲線類型與產(chǎn)氣量的關(guān)系

4 氮?dú)馀菽瓑毫岩簩?duì)產(chǎn)能的影響

4.1 壓裂液用量對(duì)產(chǎn)能的影響

壓裂液的主要作用是將地面設(shè)備中能量傳遞到煤儲(chǔ)層中，在煤層中形成裂縫，并攜帶支撐劑填充到裂縫中。按照氮?dú)馀菽瓑毫驯米⒊绦颍瑢毫岩悍譃榍爸靡?、攜砂液和頂替液。前置液的作用是在煤儲(chǔ)層中造成一定幾何尺寸的裂縫，以備后續(xù)攜砂液的進(jìn)入，前置液中含有酸液，作用是溶蝕煤儲(chǔ)層中的礦物，提高孔裂隙之間的連通性；攜砂液主要是將支撐劑帶入裂縫中并將支撐劑填在裂縫內(nèi)預(yù)定位置；頂替液用來(lái)將攜砂液送到預(yù)定位置，并預(yù)防砂堵。

通過(guò)分析氮?dú)馀菽瓑毫堰^(guò)程中各階段壓裂液用量與煤層氣井產(chǎn)能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各階段壓裂液用量與平均日產(chǎn)氣量之間具有一定的規(guī)律性(圖6)。如圖6a所示，前置液用量對(duì)產(chǎn)氣量的影響呈現(xiàn)出大致以450 m3為界截然相反的兩種趨勢(shì)，小于450 m3時(shí)，兩者具有一定的正相關(guān)關(guān)系；大于450 m3時(shí)，呈很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明前置液用量并非越大壓裂效果越好，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，用量控制在450 m3左右壓裂效果較好。

攜砂液用量越大產(chǎn)氣量越好(圖6b)，反映攜砂液中的氮?dú)馀菽瓟y砂能力強(qiáng)，能夠?qū)⒅蝿╉樌貛雺毫蚜芽p，攜砂液量越大，裂隙支撐效果越好，說(shuō)明氮?dú)馀菽瓑毫岩壕哂辛己玫脑炜p能力，這是保證煤層氣井高產(chǎn)的根本所在，也是該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一。

頂替液用量對(duì)產(chǎn)氣量的影響(圖6c)展現(xiàn)出用量越大，產(chǎn)氣量反而相對(duì)越小，特別是頂替液用量大于8 m3時(shí)，煤層氣井產(chǎn)能不佳；小于8 m3時(shí)，尚可獲得可觀的氣產(chǎn)量，因此，頂替液用量以小于8 m3為宜。

氮?dú)馀菽瓑毫雅c傳統(tǒng)水力壓裂的主要區(qū)別在于壓裂過(guò)程中有氮?dú)馀菽瓍⑴c攜砂、造縫、返排等，因此，氮?dú)獾挠昧繉?duì)壓裂效果具有一定的影響。如圖6d所示，氮?dú)庾⑷肓颗c平均日產(chǎn)氣量呈兩段式分布，分界線在5萬(wàn)m3左右，說(shuō)明氮?dú)馀菽瓑毫堰^(guò)程中并非注入的氮?dú)庠蕉鄩毫研Ч胶茫嬖谝粋€(gè)最佳注入量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示大致在5萬(wàn)m3。

除各階段壓裂液用量對(duì)煤層氣井產(chǎn)能具有影響外，總壓裂液用量也影響煤層氣井的產(chǎn)能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖6e)，總壓裂液用量在800 m3以上，高產(chǎn)井?dāng)?shù)量明顯減少。因此，在施工過(guò)程中，需要統(tǒng)籌各階段和總壓裂液用量，以保證獲得良好的壓裂效果。

圖6 壓裂液用量與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系

4.2 支撐劑用量對(duì)產(chǎn)能的影響

支撐劑是壓裂時(shí)地層被壓開后用來(lái)支撐裂縫阻止其重新閉合的固體顆粒，其作用是在裂縫中鋪置排列后形成支撐裂縫，從而在煤層中形成遠(yuǎn)高于煤儲(chǔ)層滲透率的支撐裂縫帶，使流體在支撐劑裂縫中有較高的流通性，減少流動(dòng)阻力。

通常用砂比來(lái)表征支撐劑的相對(duì)用量。如圖7所示，平均砂比與平均日產(chǎn)氣量之間的關(guān)系比較復(fù)雜，總體上，平均砂比最大控制在33%左右為宜，過(guò)大無(wú)益。在此范圍內(nèi)，與低砂比相比，高砂比更有可能獲得較好的壓裂效果，如LA-44井，砂比33.3%，平均產(chǎn)氣量1 292 m3/d。過(guò)高的砂比壓裂效果可能會(huì)變差，且不利于煤層氣井的后續(xù)排采，如LA-23井，砂比41.1%，平均產(chǎn)氣量121 m3/d，產(chǎn)量較低。而低砂比也有可能獲得較好的壓裂效果，如LA-45井，砂比16.8%，平均產(chǎn)氣量436 m3/d，砂比僅有LA-23的41%，而產(chǎn)氣量是前者的3.6倍。

究其原因，主要在于支撐劑在各級(jí)裂縫中的分布是否合理，鋪砂是否均勻，是否有利于煤層氣的順利產(chǎn)出。大砂比有利于增加縫長(zhǎng)和縫寬，解放更大范圍內(nèi)的應(yīng)力，增加裂縫的導(dǎo)流能力，排采時(shí)能夠擴(kuò)大壓降范圍，提高產(chǎn)氣量。但大砂比會(huì)造成壓裂液的流動(dòng)性減弱，施工過(guò)程中更易造成砂子在井筒附近或壓裂裂縫的拐角處堆積，造成鋪砂面積小，鋪砂不均勻，勢(shì)必會(huì)影響流體的流動(dòng)，進(jìn)而影響煤層氣井的產(chǎn)能。而較小砂比情況下，壓裂液的流動(dòng)性和攜砂能力較強(qiáng)，泡沫壓裂液能夠?qū)⒅蝿胼^遠(yuǎn)地層中，反而增大了鋪砂面積，鋪設(shè)更均勻，壓裂效果可能更好。

圖7 砂比與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系

5 氮?dú)馀菽瓑毫丫a(chǎn)能評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)氮?dú)馀菽瓑毫言霎a(chǎn)機(jī)理的探討可知，與水力壓裂相比，氮?dú)馀菽瓑毫训膬?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高質(zhì)量的氮?dú)馀菽哂休^強(qiáng)的攜砂能力、較低的濾失量和儲(chǔ)層損害，以及較好的返排效果等特征，這是該技術(shù)更加有利于低滲、低壓煤儲(chǔ)層提高產(chǎn)能的重要原因。

針對(duì)特定的煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件，增產(chǎn)改造技術(shù)的優(yōu)劣歸根結(jié)底需要通過(guò)產(chǎn)能來(lái)反映。為此，統(tǒng)計(jì)潞安礦區(qū)45口氮?dú)馀菽瓑毫丫c120口水力壓裂井近4 a的排采數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析兩種壓裂技術(shù)在產(chǎn)能上的差異，以探討不同壓裂技術(shù)的儲(chǔ)層適應(yīng)性。為便于對(duì)比，需要對(duì)煤層氣井產(chǎn)能進(jìn)行分類，以統(tǒng)一對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。首先，需要將煤層氣井?dāng)?shù)及產(chǎn)量做歸一化處理，然后，繪制煤層氣井產(chǎn)量分布曲線，以產(chǎn)量分布曲線的導(dǎo)數(shù)值作為劃分低產(chǎn)井與高產(chǎn)井的評(píng)判準(zhǔn)則，具體分類方法詳見文獻(xiàn)[32]。

如圖8a所示，將圖中導(dǎo)數(shù)值為1的黑色實(shí)線(表示所有煤層氣井單井產(chǎn)能相同，對(duì)總產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)相同，即 產(chǎn)量均勻分布曲線)平移至與煤層氣井產(chǎn)量分布曲線相切，產(chǎn)量分布曲線上導(dǎo)數(shù)值大于1的區(qū)域?qū)?yīng)的煤層氣井即為高產(chǎn)井，小于1的為低產(chǎn)井。據(jù)此，由圖8a可知，無(wú)論是氮?dú)馀菽瓑毫丫€是水力壓裂井，或兩種壓裂井綜合在一起，所繪制的產(chǎn)量分布曲線基本一致。其中，低產(chǎn)井?dāng)?shù)量均占總井?dāng)?shù)的65%，而高產(chǎn)井總數(shù)占比35%，說(shuō)明這兩種壓裂井各自的單井產(chǎn)能差異性大致相同。但反映在產(chǎn)能上，氮?dú)馀菽瓑毫丫畡澐值彤a(chǎn)井與高產(chǎn)井的界限為平均單井日產(chǎn)氣量371 m3，而水力壓裂井為平均單井日產(chǎn)氣量181 m3(圖8b)。也就是說(shuō)，氮?dú)馀菽瓑毫丫畡澐值彤a(chǎn)井與高產(chǎn)井界限的起點(diǎn)是水力壓裂井的2倍多。

如圖8b所示，整體上，氮?dú)馀菽瓑毫丫钠骄债a(chǎn)氣量明顯高于水力壓裂井。為了進(jìn)一步分析兩種壓裂井產(chǎn)能的差異性，根據(jù)產(chǎn)能分布曲線得到的低產(chǎn)井與高產(chǎn)井劃分界限，分別以平均日產(chǎn)氣量小于100、>100~200、>200~400和大于400 m3為界將潞安礦區(qū)煤層氣井劃分為低產(chǎn)井、中產(chǎn)井、中高產(chǎn)井和高產(chǎn)井等4種產(chǎn)能類型。

圖8 潞安礦區(qū)煤層井產(chǎn)氣量

如圖9所示，4種產(chǎn)能類型對(duì)應(yīng)的井?dāng)?shù)占比表明，氮?dú)馀菽瓑毫丫傮w上具有更高的產(chǎn)能，主要體現(xiàn)在高產(chǎn)井、中高產(chǎn)井的比例遠(yuǎn)大于水力壓裂井。在平均日產(chǎn)氣量大于400 m3的煤層氣中，氮?dú)馀菽瓑毫丫當(dāng)?shù)占比約為水力壓裂井的7倍；200~ 400 m3的煤層氣井中，前者是后者的2倍左右。水力壓裂井以平均日產(chǎn)氣量小于200 m3為主，占總井?dāng)?shù)的77%，氮?dú)馀菽瓑毫丫?9%。意味著若以平均日產(chǎn)氣量200 m3為界來(lái)評(píng)判煤層氣井產(chǎn)能的高低，61%的氮?dú)馀菽瓑毫丫哂锌捎^產(chǎn)能，這與通過(guò)壓裂曲線類型分析所反映的除上升型壓裂曲線外，約71%的煤層氣井具有較好的壓裂效果具有一定的契合度。綜合研究分析表明，潞安礦區(qū)采用氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)進(jìn)行煤層氣井增產(chǎn)是可行、有效的，并具有可觀潛力。

圖9 潞安礦區(qū)氮?dú)馀菽c水力壓裂井產(chǎn)能對(duì)比

6 結(jié)論

a. 根據(jù)施工壓力、排量、砂比的變化規(guī)律，將潞安礦區(qū)煤層氣井氮?dú)馀菽瓑毫亚€分為穩(wěn)定型、波動(dòng)型、上升型和下降型等4類9型。整體上，下降型壓裂曲線對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣效果最佳，穩(wěn)定型和波動(dòng)型次之，但穩(wěn)定型獲得高產(chǎn)氣量的概率更大，上升型壓裂曲線產(chǎn)氣效果最差。

b. 研究區(qū)氮?dú)馀菽瓑毫岩河昧繉?duì)產(chǎn)能的影響主要表現(xiàn)為：前置液用量和氮?dú)庾⑷肓坎⒎窃酱髩毫研Ч胶茫嬖谝粋€(gè)最佳用量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，前置液用量控制在450 m3左右為宜，氮?dú)庾⑷肓看笾略?萬(wàn) m3最佳；頂替液與總壓裂液用量并非越大產(chǎn)能越高，前者以8 m3左右為宜，后者以 800 m3為宜，超過(guò)臨界值，高產(chǎn)井?dāng)?shù)量明顯減少；攜砂液用量越大產(chǎn)能越高，反映氮?dú)馀菽^強(qiáng)的攜砂造縫能力。

c. 整體上，研究區(qū)氮?dú)馀菽瓑毫丫漠a(chǎn)能明顯高于水力壓裂井，主要體現(xiàn)在高產(chǎn)井、中高產(chǎn)井的比例遠(yuǎn)大于水力壓裂井。對(duì)比結(jié)果表明，約61%的氮?dú)馀菽瓑毫丫哂锌捎^產(chǎn)能，而水力壓裂井僅有23%。但并非所有的氮?dú)馀菽瓑毫丫鶅?yōu)于水力壓裂井，有關(guān)氮?dú)馀菽瓑毫训膬?chǔ)層適應(yīng)性有待深入研究。但就潞安礦區(qū)而言，氮?dú)馀菽瓑毫炎坑谐尚?，究其原因，可能與該礦區(qū)超低壓的儲(chǔ)層特征有關(guān)。

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Fracturing parameters analysis and productivity evaluation of vertical coalbed methane wells with nitrogen foam

LI Hengle1, CAO Yunxing2, ZHOU Dan3, CHAI Xuezhou4, LIU Tongji4, FENG Peiwen4, SHI Bin2, TIAN Lin2

(1. School of Resources and Environment, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. Gas Geology and Engineering Research Center,Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3. Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 4. Shanxi Lu’an Mining Group Ltd., Changzhi 046200, China)

Fracturing parameters are important parameters that affect the fracturing effect, fracture characteristics and CBM productivity. Through an in-depth understanding of the influence of fracturing parameters on productivity, it is essential to optimize the fracturing process and increase the productivity of CBM wells. Taking 45 nitrogen foam fracturing wells in Lu’an mining area as the research object, the types of fracturing operation curves and their effects on productivity were studied. The relationship between fracturing fluid dosage and productivity was discussed. The differences in productivity of nitrogen foam wells and hydraulic fracturing wells was compared and analyzed. The results show that: Nitrogen foam fracturing operation curve can be divided into four categories: stable, fluctuating, ascending and descending. The production capacity of the descending and stable fracturing curves is higher than that of the fluctuating type, the ascending curve corresponds to the worst productivity; Statistical data show that 800 m3is suitable for total liquid volume, 450 m3for ahead fluid and 8 m3for displacement liquid, and about 50 000 m3for nitrogen injection. But the higher the amount of sand-carrying liquid, the higher the productivity, which reflects that the good sand-carrying, seam-forming and sedimentation performance of nitrogen foam fracturing fluid is the key point to improve production capacity; As the whole nitrogen foam fracturing well production is significantly higher than the hydraulic fracturing of wells, the proportion of high-yield wells and medium-high-yield wells of the former is much larger than the later, 61% nitrogen foam fracturing wells had higher productivity while hydraulic fracturing wells with higher productivity was 23%. The considerable potential of nitrogen foam fracturing technology in Lu’an mining area can provide technical reference for coalbed methane development in other mining areas.

nitrogen foam; fracturing parameter; fracturing curve; coalbed methane; productivityevaluation; Lu’an mining area

P618. 11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.010

1001-1986(2020)03-0065-10

2019-11-17；

2020-01-20

山西省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(20111101002)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A170009)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(153PKJGG136)

Science and Technology Major Project of Shanxi Province(20111101002)；Higher Education Key Scientific Research Project of Henan Province(16A170009)；Zhengzhou Science and Technology Project(153PKJGG136)

李恒樂(lè)，1985年生，男，河南南陽(yáng)人，博士，講師，從事煤層氣地質(zhì)與瓦斯地質(zhì)研究與教學(xué). E-mail：hengleli@126.com

曹運(yùn)興，1955年生，男，河南魯山人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤層氣/瓦斯地質(zhì)與煤層氣開發(fā)技術(shù)研究與教學(xué). E-mail：yxcao17@126.com

李恒樂(lè)，曹運(yùn)興，周丹，等. 煤層氣直井氮?dú)馀菽瓑毫褏?shù)分析及產(chǎn)能評(píng)價(jià)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：65–74.

LI Hengle，CAO Yunxing，ZHOU Dan，et al. Fracturing parameters analysis and productivity evaluation of vertical coalbed methane wells with nitrogen foam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：65–74.

(責(zé)任編輯 范章群)