大兴矿煤层气水力压裂工艺及储层改造分析

煤 层气 作 为一种 新 型 的清 洁 能 源 ， 可 弥 补 常 规 油 气资 源 的不 足 ； 减 轻 矿 井 灾 害程 度 ； 改 善 地 球 大 气 环 境…． 大 兴煤 矿 作 为 双 突 矿 井 ， 瓦 斯 一 直 是 影 响矿 井 安全 生产 的主要 隐患 之一 ． 煤层 气 资源 的开 发 ， 能 够在
７— ８ ． ５ ｍ ／ ｍ时 ， 压 裂施 工较 为顺 利 ， 效 果相 对 较好 ．
３ ． ２ ． ２ 用 液量
结构复杂等赋存特点 ， 实际施工中采用分段合层射孔 、
水 力携 砂压 裂方 式 ． 射孔 和压 裂依 次进 行 ， 压裂 由下 及 上 的进 行 ； 射孔 采用 ９ ６型射 孔 弹 以 ９ Ｏ 。 相 位 角螺 旋 布
低 的区域则使用二氧化碳液体压裂液．
２ ． ２ ． ２ 支撑 剂 的选择
支撑 剂 可 以使 裂 缝 继 续 向前 延 伸 ， 也 细 砾砂 ； 煤 层 中支撑 剂 用 量 推 荐 为
８ １ ２ ｍ ／ｍ ．
力， 取得 较大 的裂 缝延 伸 长度 ．
铁法盆地煤储层的渗透性远远低于美 国煤层气井 ， 因 此， 结合大兴矿煤层气地质的特性 ， 实施煤储层压裂改
造 是获 得煤 层 气井 商业 性产 量 的最好 途径 ．
活动 ｊ ， 在一定程度上改变 了煤层含气量 随煤层埋深
增 大 而增 高 的区域性 分 布格局 ．
１ ． ３ 煤 层气 含 量及 其变化 规 律
水 力压 裂 的装 置依 次 连接 后 ， 即可进 行水 力 压裂 ．
具体施工工序如下 ｊ ： 循环 一 管线试压 一 小 型压裂 一
造 缝 一加砂 一顶 替 一洗井 ．
２ ． ２ 煤 层水 力压 裂材 料
井渗透率在 ０ ． ３ ５ Ｘ １ ０ 一～１ ． ５ １ × １ ０ ～ ｍ ， 说 明铁法 盆地煤储层的渗透性相对全 国煤层气渗透率平均水平 而言较好 ， 但仍远远低于美国煤层气井的平均渗透率 ，
２所示 ．
在煤层 气 开发 中 ， 水 力压 裂 的要素 是压 裂设 备 、 压 裂 材 料 以及压 裂 工序． 对煤层 进行储 层 改造 ， 改善 煤储 层 的流动 通道 ， 能 够获 得较 为长期 的工 业性 气 流． 煤 层 气垂 直井 水力 压裂 目的 ： 连 通井 筒与 整个 储层 ； 穿透 近
一
１ ． ２ 构 造条 件对 煤层 气含 量 的影 响
煤储层的相对渗透率和井底压力是控制煤层气产
能 的最关 键 参 数 Ｊ ． 研 究 区 内 由 于辉 绿 岩 的侵 人 ， 导 致局 部煤 层含 气量 较 高 ； 且 研 究 区 由于第 三 纪 岩 浆 的
定 程度 上减 轻矿 井 灾 害 程 度 和 降低 矿井 生 产 成 本 ．
Ｌ＝ ４ ０ ． ７ ２ ２ １ ｎ Ｑ ＋０ ． ３ ２ １ ８ Ｒ＝ ０ ． ５ ４ ．
井地带的伤害层 ； 加速排水和降压速度 ， 提高产气量 ； 分散压差 ， 减少煤粉产出．
２ ． １ ． １ 煤层 气垂 直 井水力 压裂设 备
煤层渗透性是衡量煤层中气 一 水两相流体在一定
压 差作 用 下通 过有 效孔 隙流 动 能 力 的参 数 ， 具 体评 价 时用 渗透率 表示 ． 它 的好 坏 直 接影 响煤 层 气 的 产 气 速
第２ ８卷 第 ４期 ２ ０ １ ３年 １ ２月
矿 业２ １ ２ 程 研 究
Ｍｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
Ｖ０ １ ． ２ ８ Ｎｏ ． ４
Ｄｅ Ｃ． ２ ０１ ３
／ ＋ ＼ 业 ／ ＼ 矿 煤 层 气 水 力 压 裂 工 艺 及 储 层 改 造 分 析
水力 压 裂 的装 置 主要 有携 砂 车 、 混砂车 、 压裂车 、
率 以及产气历程 ， 其值大小取决于煤层的裂隙 、 孔 隙的
多少 以及 煤 层的连 通性 ．
管汇车 、 管线车、 测量车、 压裂液罐 以及水泵等‘ ６ Ｊ ．
２ ． １ ． ２ 煤层 气水力压 裂施 工 工序
铁法 煤业 集 团大兴 矿 曾对矿 区内 ４口煤层气 勘 探 井所 在 的 ７个 煤层 进 行 渗 透率 测 试 Ｉ ５ ］ ， 测 得 其 煤 层 气
孔， 且一次性射孔的孔密度均为每米 ｌ ６孔． 每层压裂
施 工 的步骤 ： 通 井 一射孔 一 试 压 一压 裂 一 放 喷 一填砂 ， 第 一层 压完 后 随 即填砂 至第 二 层 并 进 行 压 裂 ， 直 至 各
层 全部 压完 ．
用液量包括前置液量 、 携砂液量和顶替液量．
１ ） 前置 液 ． 前置 液的主要功能是造缝 ， 为 后 续 的
格便宜 ， 符合煤层气低产低投入的原则 ． 因此 ， 目前
天然 石英 砂是 较 广泛应 用 于压裂 施工 的 支撑剂 ． ２种 较 常 用 石 英 砂 的 规 格 ： 粒度范围 ０ ． ４ ２ ５～ ０ ． ８ ５ ｍ ｍ， ０ ． ８ ５～１ ． １ ８ ｍ ｍ． 根 据实 验结 果显 示 ， 提 高携 砂 液 的砂 比有利 于 提高 施 工 效 果 ． 支 撑 剂 组合 形 式 为
卢昊阳 ， 周利 华 ， 黄 华州 ， 欧阳鑫
（ １ ． 湖南科技大学 能源与安全工程学院 ， 湖南 湘潭 ４ １ １ ２ ０ １ ；
２ ． 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教 育部 重点实验 室， 资源与地球科学学院 ， 江苏 徐州 ２ ２ １ １ １ ６ ）
摘
要： 根据 对铁法盆地煤层 气储藏特 点的分 析， 通过优化分析现有 的压裂 工艺及 单层水力压裂施 工工艺参数 ， 进行 大兴矿煤
经 压 开 的裂 缝 ． 由于煤 层 物性 的特殊 性 ， 支撑 剂 同样需
要进 行优 选． 一 方 面 由于 煤 层 埋 藏浅 ， 闭 合 应力 小 ， 对 支撑 剂强 度要 求不 高 ； 另 一方 面 天然石 英砂 来源 广 ， 价
井 田北部煤层气含气量相对较低的区域应用氮气泡沫
压 裂液 改造 煤层 ； 而作 为 远 景煤 层 气 开 发 的 含 气 量较
携砂液打开流动通道 ， 若前置液量过多 ， 会造成携砂液 量相对较少 ， 这样不仅不能使压开 的裂缝得 到有效支 撑， 同时从某种程度上增大后期排液 的难度． 结合施工裂缝监测结果 ， 拟合单位高度前置液量 、 单位高度总液量与主裂缝延伸长度 ， 拟合 函数为
Ｌ＝ ５ ３ ． ９ ９ ７ １ ｎ Ｑ 一１ ７ ． ８ ３ ６ Ｒ＝ ０ ． ９ ３； （ ３ ）
３ ． ２ 施 工参 数优 化
２ ． ３ 压 裂 井地 层 改造技 术
煤层气压裂施工工艺参数包括加砂量 、 用液量 、 砂 比及加砂程序等．
３ ． ２ ． １ 加砂 量
压 裂井 地层 改 造技术 是 指射孔 与 压裂 两个 过程 相
结合的工艺 ， 即在原始煤层 中对需要改造 的 目的层段 进行射孔 、 压裂 ， 对低透气性储层进行改造 ， 使得原始
大 兴矿 煤层 气含 量 的变 化 规 律 ： 在 水 平 面 上表 现
１ 铁法煤 田大 兴井 田煤储层特征
１ ． １ 大 兴 井 田地 质概 况
为 由北 向南 、 由东 向西逐 渐增 高 的趋 势 ， 且南 北方 向比 东 西方 向 的变化 显著 ； 在垂 直 方 向上 则 表 现 为下 部 煤
表 ２ 压 裂 液 类 型及 使 用 现 状
Ｔ ａ ｂ ． ２ Ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｔ ｙ ｐ ｅ ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｅ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
如表 ２所示 ， 煤 层水 力 压裂 中 ， 结 合大 兴矿 煤储 层 特 征 以及 以往工 程 实践 综 合 考 虑 ， 由于 水 基 压裂 液 综 合 性能 较好 ， 优 先选择 活性 水 系列压 裂 液改 造煤 层 ； 在
３ 单层水力压裂施工工 艺参数优化
大 兴井 田含 煤 地层 分 上 下 两 个 含 煤层 段 ， 其 中上 煤组 含 煤地 层为 ２—３ ， ４—２ ， ７— ２ ， ８ ， ９煤层 ， 下煤 组含 煤地 层 为 ｌ ２， ｌ ３ ， １ ４—１ ， １ ５—２ ， １ ６煤层 ， 整个 井 田可见
需 要进 行储 层改 造 ．
实际施工 中与煤层直 接接触 的是压 裂液和支撑
剂， 而较 为重要 的则 是压 裂液 ． ２ ． ２ ． １ 压 裂 液的选择
２ 煤层 气水力压裂工艺技术
２ ． １ 煤层 水 力压裂 技术
压裂液在煤层气水力压裂过程中起到至关重要的
作用 ． 如果 压 裂液 的选择 不 当 ， 则会 对 煤层 裂缝 造成 永 久性 伤 害 ， 导致 煤储 层 内裂缝 导 流能力 不 足 ， 不 但影 响 煤 层排 水降 压 ， 还会 影 响 煤 层 吸 附气 的解 吸 ． 煤 层 气 水力 压裂 中所 使用 液体 的类 型及使 用 现状 对 比如表
铁法 矿 区位 于 ２个 复 杂 构 造 带 的 交 接 复合 部 位 ： 天 山 一阴 山纬 向构造 带 及 新 华 夏 系第 二沉 降带 ， 为一 断 拗式沉 积 盆地 ； 大 兴 井 田则位 于 该 沉 积 盆 地 的南 部， 内部 断层 较发 育 ． 大兴 井 田是 铁法 煤 田 的富 煤 中 心 ， 各 煤层 自然 分 层较多 ， 复合 煤 层 为 其 主 要 形 式 ． 一 般 在 一６ ０ ０ ｍ 以 浅， 煤 质 以 长 焰 煤 为 主 ，一６ ０ ０ ｍ 以 深 则 以 气 煤 为
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３～０ ７— ０ １
通信作者 ： 周利华 （ １ ９ ５ ６一 ） ， 男， 湖南 长沙人 ， 教授 ， 研究方 向： 矿井通风与瓦斯治理． Ｅ— ｍ ａ ｉ ｌ ： ａ ｄ ｉ ｕ ｍ ＠１ ６ ３ ． Ｃ Ｏ Ｉ Ｔ Ｉ