黔西松河井田煤层群合层分段压裂影响因素及参数优化_陈捷.pdf

第 46 卷 第 5 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.5 2018 年 10 月COALGEOLOGY 2. No.159 Team of Guizhou Coal Geological Bureau, Panxian 561600, China; 3. Bureau of Coal Geology of Guizhou Province, Guiyang 550009, China Abstract At present, the CBM wells in thin and medium coal seam group show commonly the characteristics of“high production capacity but short period, fast attenuation and large attenuation amplitude in the early stage, difficult recovery in the late stage”. Aiming at this phenomenon, Songhe mine in western Guizhou was taken as example to conduct comparative analysis of the engineering effect of demonstrative well group from the characteristics of coal reservoir occurrence, the reative effect and influencing factors of staged fracturing, optimization of the construction parameters and engineering tests were carried out. The analysis showed that the staged fracturing of the combined layers is the main way for CBM development in multi-seam, the reative effect is influenced by interlayer compatibility and development mode; ball sealer staged fracturing is affected greatly by interlayer span, effective perforation thickness, construction parameters and cementing quality. Based on the analysis of influencing factors, measures for optimization of construction parameters were proposed, that is construction displacement of 6–8 m3/min, prepad liquid proportion of 40–50, single hole flow of 0.2 to 0.3 m3/min, sand plug of front segment, the optimization scheme has been proved to have good trial effect by later engineering, it has good reference significance for parameter optimization of staged fracturing for CBM development in similar geological condition of thin and medium coal seam group. Keywords thin and mediumcoal seams group; staged fracturing; influencing factor; parameter optimization; coalbed methane ChaoXing 154煤田地质与勘探第 46 卷 黔西地区煤系多煤层发育[1]，近年来，区内重 点含煤构造单元实施了地震、化探、钻井、试井和 排采试验，许多学者在区内煤储层地质方面做了大 量研究，涉及平面选区选点、垂向层段优选、层间 兼容性、含气系统[2-3]、煤系气共采[4-5]、虚拟储层[6] 等方面。但从各勘探区排采试验现状来看，整体表 现“见气周期短、 产能下降较快、 同区域各井差异大” 的特点，其实际产能与开发过程中诸多工程因素关 系较大，诸如改造效果、井间干扰、修井作业、排 采控制及储层孔渗性污染等。本文从储层改造角度 出发，依托松河井田煤系储层特征及工程实践，从 改造工艺、产层组合、工程参数等方面进行分析， 并对其进行优化和工程试验，通过对比工程效果提 出针对研究区煤储层条件下优化方案。 1煤层群发育特征 1.1煤层群赋存特征 黔西地区上二叠统龙潭组煤层层数多，成群组 赋存，间距小，单一煤层较薄，沉积差异大。其中， 关键特点是煤系地层厚度大，可采煤层含煤系数低 014.9，纵向上分布松散，以薄至中厚煤层为 主， 其中可采煤层厚度大于 3.5 m 仅占 3， 1.33.5 m 占 43，煤厚小于 1.3 m 占 54。 松河井田位于黔西六盘水煤田盘江矿区北部， 土城向斜北翼中段，龙潭组厚 341 m，含煤 4766 层， 一般为 50 层。 含煤厚度 3747 m， 一般为 41 m， 含煤系数 12 ，以 17 煤、271煤为界，划分为上、 中、下 3 个煤组。煤层气勘查开发目标煤层为厚度 大、含气量高、煤体结构较完整的上煤组 13 煤、 4 煤、51煤、62煤、9 煤、12 煤、15 煤、16 煤，下 煤组 271煤、272煤、292煤、293煤。另外，中煤组 17 煤、18 煤为糜棱煤，21 煤、22 煤、24 煤煤层薄， 不利于煤层气地面开发。 1.2煤系含气特征 井田内多口井煤系气测录井结果显示，整个煤 系除煤层外，砂岩层、泥页岩层也具有较高含气显 示。含气波峰段基本都位于煤层直接顶底板 510 m 内和两层邻近煤层之间，与之相距较远的非煤层含 气显示并不明显， 钻孔岩心解吸实验得到的含气量多 数不足 2 m3/t。同时发现，煤层直接顶底板粉砂岩、 细砂岩等非煤含气层中烃类组分及干度指标与临近 煤层相应指标具较好的一致性， 其重烃含量更高， 可 能是邻近煤层产生气体运移、聚集成藏的结果。 由于煤层气解吸过程与煤系非煤层气体产出过 程不同，对研究区多口煤层气井 1329 煤煤组针 对煤层直接顶底板进行改造和后期排采试验图 1， 尤其对 GP-5 井 17 煤煤层上部的砂岩含气层进行单 独改造，均未取得很好的气流，其资源量和储层能 量有限，从目前来看并未能带来可观的经济产能。 2煤层群合层分段压裂影响因素 2.1合层分段水力压裂改造工艺 基于煤层单层较薄、层数多、层间距小等赋存 特点，单一煤层地面开发难以获得理想的产能，煤 层群发育且垂向分布相对集中条件下，往往采用分 段压裂、合层排采工艺，合层开发是实现经济效益 最大化的有效途径，由于整体储层改造规模较大， 工艺技术有异于单一煤层。 对于煤层群合层改造而言，合层开发煤层气， 并不是煤层越多越好；对于储层压力、渗透率、临 界解吸压力、地层供液能力等相差较大的储层难以 进行合层开发[7-8]。此外，段间距、层间距、有效射 孔厚度等参数是合层改造工程的重要影响因素。 目前黔西地区煤储层改造工艺仍以合层分段为 主，占 80以上，少数采用连续油管、多级滑套单 层改造、层内转向[9]。合层分段又以投球暂堵分层改 造为主，分压合采、合压合采、单层开采均有体现， 从工艺适配性及开发成效而言均存在不足[10-11]。 就投 球暂堵合层改造而言，改造效果受到投球封堵效果、 层间跨度、固井质量、有效射孔厚度、多裂缝之间干 扰程度、裂缝延展规律等工程因素影响[12-15]。 2.2压裂工程影响因素 基于松河井田煤层气示范井组改造试验效果， 结合青山–保田试验井组、 毕节大方煤层气试验井组 等 30 余口煤层气井合层分段储层改造效果分析， 从 层段优选、封堵效果、工程参数等影响因素进行分 析探讨。 2.2.1产层组合与射孔优化 基于对煤系含气层系重新认识， 建立煤系气“选 层射孔”方式，针对不同组合类型分为限射、单向扩 射、双向扩射、连射、避射、选射图 2。目的是依 靠扩射一方面打开顶底板砂岩、砂质泥岩储层，实 现煤系气共采；另一方面增加射孔数，均衡压裂液 分流，提高打开其他储层可能性，缩小射孔误差， 提高射开煤层准确率。 工程实践表明，扩射、连射并未达到工程目的。 首先，如前所述，煤层直接顶底板含气均源于煤层 中气体的运移，含气资源量有限；其次，根据顶底 板岩石力学分析，在 8 m3/min 排量下裂缝能够穿透 直接顶底板延展，但从压裂施工曲线上未见反映； ChaoXing 第 5 期陈捷等 黔西松河井田煤层群合层分段压裂影响因素及参数优化155 图 1松河井田 GP-5 综合柱状图 Fig.1Geological section of wellGP-5in Songhe mine 图 2选层射孔方式 Fig.2Perforation patterns of selected layers 最后，增加其射孔量，由于各煤层、砂岩层和泥岩 层物性差异大，扩射和连射效果不大，反而降低分 散其施工规模，其顶底板、夹矸为泥质岩，受到压 裂液浸泡反而封堵煤层孔裂隙，造成造缝加砂困难 和后期渗流通道堵塞。 松河示范井组各压裂段涵盖煤层数多，跨度大 图 3、图 4。压裂段跨度为 7.2636.00 m，平均 20 m，中煤组 1216 煤煤组跨度均较大；单段射孔厚 度大，介于 4.3316.00 m，平均 8.50 m。 各煤储层物性差异大，尤其是不在同一压力系 统下的煤层，加之跨度大，全依靠多次投球暂堵方 式打开其他煤层难度大，投球效果不完全有效。即 便打开其他新储层，由于现场施工规模有限，新裂 缝的延伸也较短，改造效果差，使各储层均达到很 好的改造效果难度较大，影响半径也较小。同时， 由于单段射孔厚度大，在一定规模条件下单孔流量 低，裂缝延展净压力低。 为此，合层分段改造应根据储层特征分析，优 ChaoXing 156煤田地质与勘探第 46 卷 图 3各组段压裂跨度 Fig.3Fracturing span of each segemnt 图 4各组段有效射孔厚度 Fig.4Effective perforation thickness of each segment 选主力层，减少段内分层数、层间间距和有效射孔 厚度，提高单孔流量进行集中改造。 2.2.2投球暂堵有效性 填砂堵球分层压裂是最常用的分层压裂方法， 在煤层气合层分段改造工艺中较为普遍。其目的是 把相距比较近、同一个压力系统的若干层煤及中间 的夹层段压开。 在分层压裂投球过程中， 影响封堵球封堵成功率 的有 3 个方面的因素① 封堵球是否能够座封欲堵 射孔孔眼上； ② 堵球能否维持在孔眼上； ③ 压后放 喷过程或后期排采时， 封堵球应能从孔眼脱落， 避免 孔眼污染。 投球暂堵施工工艺能从一定程度上解决合 层压裂问题， 而针对多于 2 个层段以上的多个储层合 压难度大， 通过铁法矿区工程实践表明， 采用投球暂 堵多煤层合层压裂并未达到预期效果。 松河示范井组采用 1 次或多次投球图 5，35 段投球 24 段，累计投球 36 次表 1。其中，进行 2 次投球 12 段，初步分析投球有效 14 段，投球成功 主要集中在中煤组 612 煤煤组，成功率占 56 。 分析认为，由于排量较大，前期携砂液对孔眼摩擦 较大，打磨射孔孔眼，使其尺寸增大，采用Φ22 mm 投球暂堵工艺效果不明显，若采用Φ26 mm 绒球效 果比较显著。 压裂井温测井是根据压裂作业后短时间内关井 井温恢复曲线的高温异常或低温异常来评价压裂效 果。压裂液的冷却半径由两部分组成，一是液体冷 图 5GP-6 井第二段和第四段压裂施工曲线 Fig.5Fracturing construction curves of the second and fourth sections of well GP-6 表 1各层段投球暂堵统计 Table 1Statistics of ball sealer staged fracturing in different sections 层段 各井投球次数/次 123456789 291–293煤组11110000 26–272煤组1010 12–16煤组 101121221 6–10煤组 1220222 13–52煤组202220 注表内数字为投球次数，其中阴影层段为投球有效统计。 却半径，二是热传导冷却半径。被压开地层在温度 曲线上反映为负异常，压裂效果越好，进液越多， 负异常越明显；反之改造效果差。 通过压裂前后井温测井曲线的变化，评价压裂 效果。 以GP-6井第二段26272煤组、 第四段610 煤组为例，对段内各煤层采用合层投球暂堵分层压 裂。压裂前后井温测井结果对比显示图 6压裂后 第二压裂段最上部射孔层处降温不明显，而其下部 射孔层温度明显下降，因此初步判断上部射孔层改 造效果差，下部射孔层改造效果好，且两段射孔层 在压裂过程中垂向上未贯通，由于段间距、层间煤 层物性差异及孔眼受到打磨导致其封堵效果差，未 ChaoXing 第 5 期陈捷等 黔西松河井田煤层群合层分段压裂影响因素及参数优化157 使段内各煤层得到充分改造。 图 6GP-6 井第二压裂段井温测井评价 Fig.6uation of temperature logging of the second fracturing section of well GP-6 2.2.3施工参数 黔西地区煤层气井普遍存在“前期产能高但周 期短、衰减快且幅度大、后期恢复困难”生产特征， 从目前来看主要体现在各层段兼容性、改造效果和 后期合层排采控制 3 方面，就示范井组各井各层段 改造效果分析，从储层改造角度分析主要存在如下 原因 a. 改造效果不理想改造主裂缝未形成或延 展缝长不够，泄压面积小，主裂缝的形成与施工排 量和前置液占比相关，而煤层本身敏感性强、压裂 液滤失大、效率低，而示范井组前置液占比不足 20。 b. 缝高失控，层间窜层施工排量过大，裂缝 高度失控加之固井差异导致段内层间、 段间窜层。 压裂裂缝形态受构造及天然裂缝、地应力、岩石物 理特性、压裂施工参数等因素控制，在上、下岩层 与储层应力差小于 5 MPa 时，裂缝高度与施工排量 正相关，对于研究区目的层埋深 550800 m，其垂 向应力往往大于水平应力，活性水 1012 m3/min 的 排量更容易使其裂缝垂向延展，后期井温测试缝高 多达 20 m 以上。 c. 煤体原生结构遭到破坏煤岩本身弹性模 量低、泊松比高，偏塑性，过高的施工排量对近井 地带煤岩破坏性强，加之顶底板泥质成分高，与煤 粉或颗粒混合堵塞近井裂缝和孔道，严重降低其渗 透性。 d. 裂缝有效支撑不足针对煤层原生裂缝 结构而言，低黏度活性水效率低易造成砂堵，加 之施工排量大易形成短宽缝，后期高砂比导致支 撑剂在近井地带堆积，后期排采容易造成吐砂； 其次裂缝有效支撑缝长较短且铺置浓度低，裂缝 导流能力差。 3施工参数优化及工程试验 通过上述工程因素分析，以研究区 TC-S1 井为 试验对象，从如下几方面进行优化① 合层分段投 球优化，由合层合压变成单层分压；② 射孔参数优 化，根据煤层厚度及顶底板岩性特征，采用缩射进 行合理优化，确保单孔流量；③ 施工排量优化，采 用 7 m3/min 活性水压裂；④ 前置液比例优化，前 置液占比由不足 20提高到 4050， 采用前置段 塞加砂方式。 上述 4 方面优化措施在松河井田及邻近都格区 域实施。其中，都格获得单井 5 000 m3/d 产能突破。 松河 TC-S1 井于 2017 年 12 月 5 日对 13 煤层进行 改造，实际加石英砂 44.0 m3，平均砂比 8.5，累 计 976.71 m3，其中前置液 456.93 m3，施工排量 6.07.5 m3/min，施工压力 19.925.7 MPa，相对较 平稳，停泵压力为 21.44 MPa。该井 2017 年 12 月 24 日开始抽采，井底流压 4.951 MPa；2018 年 2 月 20 日见套压， 见套压时井底流压 3.8 MPa。 截至 2018 年 4 月底， 该井日产水 1.68 m3， 累计产水 344.35 m3， 日产气量随着排采进行呈递增趋势图 7。 4结 论 a. 针对薄至中厚煤层群发育区域，合层分段仍 是煤层气有效开发主要方式，但并非改造层段越多 越好，多煤层甜点段优选及产层兼容性是合层开发 的关键。 b. 投球暂堵合层压裂受层间物性差异影响较 大，其投球效果受层间跨度、有效射孔厚度、施工 参数及固井质量影响大。 c. 煤储层改造应以形成主裂缝沟通煤岩原生 裂缝且不被破坏原生结构为前提，前置液占比 4050，单孔流量 0.20.3 m3/min，前置段塞加 砂方式有利于裂缝延展和沟通，通过试验取得较好 产气效果。 ChaoXing 158煤田地质与勘探第 46 卷 图 7TC-S1 井压裂和排采曲线 Fig.7Fracturing and production curve e of well TC-S1 参考文献 [1] 秦勇，高弟. 贵州省煤层气资源潜力预测与评价[M]. 徐州 中国矿业大学出版社，2012． [2] 杨兆彪， 秦勇， 高弟， 等. 煤层群条件下的煤层气成藏特征[J]. 煤田地质与勘探，2011，39522–26. 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