許耀波，郭盛強

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710054; 2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西 晉城 048206)

于是借鑒頁巖氣水平井開發(fā)成功經驗，探索煤層氣水平井分段壓裂高效抽采技術?；诖耍P者以沁水盆地趙莊井田3號煤層為研究對象，分析了趙莊井田地面煤層氣抽采現狀及瓦斯治理存在的問題，為了解決煤礦安全生產問題，探索煤層氣大面積快速、整體高效抽采方法。針對趙莊井田3號煤層軟硬煤復合特征，通過對3號煤層的軟硬煤分層結構進行精細描述，優(yōu)化軟硬煤復合煤層中的局部硬煤段，研究硬煤層中不固井條件下大直徑水平井分段壓裂開發(fā)軟硬煤復合的煤層氣技術可行性，并進一步研究分段壓裂水平井高效抽采煤層氣技術對策，解決軟硬煤共存的復雜地質條件下煤礦區(qū)瓦斯快速、整體高效抽采技術難題[3-4]。

1 軟硬煤分層特征及煤層氣水平井開發(fā)方法

1.1 軟硬煤分層結構特征

趙莊井田3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖平均厚37.39 m，下距K7砂巖平均厚7.20 m，層位穩(wěn)定。煤層厚度平均4.69 m，煤層埋深介于300～1 000 m。受區(qū)域構造的影響，煤層在強大的構造應力作用下發(fā)生搓揉、擠壓、變形，致使煤的結構、構造發(fā)生變化，煤層上下分層明顯、且具有明顯的分層界面，上部煤層(763.0～766.4 m)剪切變形成碎塊，以原生結構和碎裂結構煤層為主，煤體較堅硬，堅固性系數在0.59～1.50，平均為0.8左右，裂隙極發(fā)育，多切穿層理，構造滑面、擦痕發(fā)育，裂隙近垂直層理;下部煤層(766.4～768.2 m)為碎?；蛎永饷航Y構，煤體較疏松，堅固性系數低于0.5，裂隙網絡系統(tǒng)被毀壞甚至消失，多被切割成小菱形塊狀，手捻成1～5 mm碎粒狀，擦痕及構造滑面極發(fā)育，層理不清(表1)。

1.2 軟硬煤及頂板巖層測井響應特征

鑒于趙莊井田3號煤層軟硬煤及頂板巖層不同的力學及結構特性，軟硬煤及頂板巖層存在不同的測井響應特征，由3號煤及頂板巖層的測井曲線可知(圖1)，煤層段存在明顯的低自然伽馬、高電阻率和低密度測井響應特征，其中軟煤段還存在明顯的井徑擴大現象(軟煤鉆井井壁穩(wěn)定性差、容易垮塌所致)，根據自然伽馬、電阻率和密度測井曲線以及軟煤的井徑測井曲線劃分的頂板巖層、硬煤層和軟煤層，可以進一步獲取地質導向錄井所需的自然伽馬和電阻率值，3號煤層上部硬煤層電阻率為200～350 Ω·m、自然伽馬為20～40 API;下部軟煤層電阻率為150～200 Ω·m、自然伽馬為20～40 API;頂板巖石電阻率為130～140 Ω·m，自然伽馬為50～70 API，依據頂板與硬煤層的自然伽馬、電阻率差異特性，和硬煤與軟煤的電阻率差異特性能夠確保水平井鉆進的精確控制。

表1 趙莊井田試驗井3號煤層煤巖描述Table 1 Description of coal in No.3 coal seam of Zhaozhuang field test well

圖1 軟硬煤及頂板巖層測井響應曲線Fig.1 Log response curves of soft and hard coal and roof

1.3 軟硬煤分層煤層水平井開發(fā)煤層氣方法

鑒于3號煤軟硬煤分層特征及煤層氣開發(fā)現狀，為了實現快速、大范圍降低煤層瓦斯含量，研究采用套管外不固井水平井分段壓裂進行煤層氣開發(fā)，水平段部署在3號煤層上部的硬煤層中(煤層成孔性較好)，水平井三開采用下套管、不固井的完井方式，然后對套管采用水力噴砂射孔方法實現井筒與煤層溝通，采用油管(噴射)+環(huán)空(壓裂)大排量水力噴射壓裂聯作方式對煤層進行分段壓裂改造，最后在排采井中進行煤層氣抽采(圖2)。該方法具有以下優(yōu)點:① 3號煤層的頂板巖層、上部硬煤層和下部軟煤層厚度分布穩(wěn)定，采用隨鉆測井技術，鉆進時實時監(jiān)測井眼上下電阻率和自然伽馬等參數，依據頂板巖層、硬煤層和軟煤層的自然伽馬、電阻率差異特性，實時判斷井眼軌跡的位置，能夠較好的控制水平井軌跡在硬煤層中鉆進;② 套管外不固井水平井鉆完井施工風險低，而且能防止后期排采中水平井井壁垮塌堵塞井眼，還能防止固井水泥漿壓開微裂縫，污染煤層等問題[5]，煤層水平段裸露面積大、泄流面積大;③ 目前下套管不固井完井方式的水平井分段壓裂方法主要有連續(xù)油管拖動壓裂、預置套管滑套壓裂技術，連續(xù)油管拖動壓裂技術，雖然施工效率高，但是普遍施工排量低、加砂規(guī)模小，而且無法實現定點壓裂，套管外防竄流效果差，壓裂改造效果欠佳;預置套管滑套壓裂技術，雖能實現大排量壓裂，但無法實現定點壓裂和整體壓裂改造，水平井增產效果受限。而油管(噴射)+環(huán)空(壓裂)大排量水力噴射壓裂方式，其特點是采用φ73 mm油管提高傳輸排量;采用大直徑噴嘴增加射孔孔徑和套管的過流面積，提高水力噴射排量;采用高射流速度和大排量噴射工藝提高管外封隔和孔內增壓效果。環(huán)空中注入的高壓液體在射流液體黏滯作用下被卷入煤層，在低于煤層破裂壓力的條件下把煤層壓開，能實現大排量、大規(guī)模加砂壓裂，而且套管外防竄流效果較好，能實現定點壓裂和水平井整體壓裂改造，水平井的壓裂增產效果好。

圖2 套管外不固井水平井組井身結構示意Fig.2 Schematic diagram of well structure of horizontal well without cementing

2 軟硬煤分層煤層水平井壓裂裂縫擴展規(guī)律

2.1 煤層及頂底板的巖石力學與地應力特征

軟煤層的煤體結構破碎，實驗室無法測試煤層的巖石力學參數，因此，通過交叉偶極子聲波測井方法(圖3)，解釋得到3號煤層上部硬煤的彈性模量為0.98 GPa、泊松比為0.35，3號煤層下部軟煤的彈性模量為0.85 GPa、泊松比為0.38，3號煤層垂直應力平均在15.9 MPa，最大水平主應力為10.95 MPa，最小水平主應力值為9.7 MPa。3號煤層頂板垂直應力為15.8 MPa，3號煤層頂板彈性模量為2.36 GPa，泊松比為0.32，最小主應力值為10.84 MPa，最大主應力為14.25 MPa。3號煤層底板垂直應力為15.8 MPa，3號煤層底板彈性模量為2.52 GPa，泊松比為0.29，最小主應力值為10.54 MPa，最大主應力為14.22 MPa。煤層及頂底板的地應力與巖石力學特征表明:① 在地層壓實作用下，3號煤層上下軟硬煤的巖石力學特征差異不明顯，地面軟硬煤的結構特征是由于無外加應力作用下發(fā)生變形所致;② 頂底板及煤層的垂向應力均大于水平應力，水力壓裂過程中煤層將形成垂直裂縫;③ 頂底板的水平應力大于煤層的水平應力，有利于裂縫在煤層中擴展延伸，能夠使硬煤層中水平井壓裂形成的垂直裂縫擴展延伸到軟煤層，提高軟硬煤層的增產效果[6-9]。

2.2 軟硬煤分層煤層水平井壓裂裂縫擴展物理模擬實驗

通過對軟硬煤分層煤層進行水力壓裂室內物理模擬試驗，研究水力壓裂裂縫在軟硬煤層中的擴展規(guī)律及增產機理。為使煤層和頂板巖層的力學參數、地應力狀況等與室內壓裂巖樣具有一致性質，本實驗依據沁水盆地趙莊井田3號煤層的軟硬煤及其頂板巖層的巖石力學和地應力參數，在相似試驗原理基礎上，優(yōu)選頂板巖層的配方為水泥∶石英砂=1∶2，彈性模量為4.18 GPa，抗壓強度為6.64 MPa;硬煤巖的配方為煤∶膏∶灰=1∶1∶1，彈性模量為0.97 GPa，抗壓強度為4.91 MPa;軟煤巖的配方為煤粉∶石膏∶水泥=5∶1∶2，彈性模量為0.2 GPa，抗壓強度為1.8 MPa。采用“頂板-硬煤-軟煤”分層的相似材料澆筑方法，建立基于巖石力學強度的“頂板-硬煤-軟煤”膠結物理模型(300 mm×300 mm×300 mm)，物理模型的頂板、硬煤和軟煤的厚度分別為8,12和10 cm，采用頂板居下、軟煤巖居上的澆筑方法加工物理模型。對制作的模型進行模擬水平井井筒加工，水平井位于硬煤層內、且距離軟煤層界面距離為5 cm，水平井鉆孔直徑為18 mm、深度為150 mm，然后將注液管線安放于鉆孔底部，對管線與鉆孔之間的環(huán)空注入高強度樹脂膠進行封固。基于實際工況和相似性理論，確定水力壓裂物理模擬三向應力值為15.0,10.0,9.0 MPa，分別采用排量為15 mL/min和30 mL/min的帶紅色染料活性水壓裂液注入，壓裂過程中監(jiān)測泵壓參數，實驗結束后沿著裂縫面打開試件，觀察染色劑在頂板巖層、硬煤層和軟煤層中的分布，分析不同模擬條件下裂縫起裂位置、裂縫的產狀及裂縫形態(tài)的分布特征。

由實驗結果(圖4)可以得出:① 當試驗排量為15 mL/min時，試件在30 s時產生裂縫，破裂壓力為18.81 MPa，之后注液壓力出現波動，最終穩(wěn)定在14.5 MPa左右;當試驗排量為30 mL/min，試件在70 s時產生裂縫，破裂壓力為19.06 MPa，之后注液壓力出現波動，最終穩(wěn)定在17.6 MPa左右。

圖3 3號煤層及頂底板巖石力學及地應力測井解釋Fig.3 Rock mechanics and in-situ stress log interpretation of No.3 coal seam and roof

圖4 水平井壓裂側表面、內部裂縫剖面和壓力曲線(上面:15 mL/min，下面:30 mL/min)Fig.4 Surface,internal fracture profile and pressure curves of fracturing side of horizontal well (Above:15 mL/min,below:30 mL/min)

泵壓-時間曲線初始壓裂階段泵壓增長較快，煤層破裂后壓力迅速下降，之后壓力曲線呈波動狀態(tài)向前發(fā)展，表明裂縫在煤層及頂板巖層中繼續(xù)擴展延伸，形成的裂縫比較復雜。且隨著注入排量的增加，破裂壓力和注入壓力相應增加。② 兩種不同排量條件下水平井壓裂，裂縫都能擴展延伸形成一條彎曲不規(guī)則的垂直裂縫，裂縫在硬煤層內起裂、擴展，都能把硬煤層全部壓開，裂縫能夠擴展延伸到軟煤層中，且壓裂注入排量15 mL/min比注入排量30 mL/min在軟煤層和硬煤層中形成裂縫效果更好，表明水力壓裂存在合理的注入排量使軟硬煤分層煤層的壓裂改造效果最佳。③ 兩種不同注入排量下壓裂施工，裂縫更傾向沿脆性較好的頂板巖層擴展延伸，使得裂縫高度沿頂板縱向上擴展不可控，致使壓裂裂縫向塑性較強的軟煤層中擴展延伸效果變差。裂縫擴展規(guī)律顯示:合理部署水平井鉆井位置和優(yōu)化施工排量，能確保硬煤層中水平井壓裂所形成的裂縫擴展進入軟煤層，提高軟硬煤的壓裂改造效果，表明硬煤層中鉆進的水平井開發(fā)軟硬煤分層煤層煤層氣方法可行，能實現對軟硬煤層的壓裂增產改造目標[10-12]。

2.3 軟硬煤分層煤層水平井壓裂裂縫擴展規(guī)律分析

鑒于物理模擬實驗中水平井位置和壓裂施工排量對裂縫擴展效果能產生重要影響，基于實際地層參數，建立水平井壓裂地質模型，借助非常規(guī)油氣藏儲層壓裂分析Meyer軟件，進一步研究水平井位置和壓裂施工排量對軟硬煤分層煤層水平井壓裂裂縫擴展形態(tài)的影響規(guī)律。為理解兩個因素的影響程度，采用控制變量單因素分析方法展開討論。數值模擬時，固定其他參數不變，在相同的注入液量與加砂規(guī)模條件下:① 設定施工排量為8 m3/min，分別模擬水平井與軟煤層的距離為1.0,2.0,3.0 m時的裂縫形態(tài);② 設定水平井與軟煤層的距離為1.0 m，分別模擬施工排量為7.0,8.0,9.0,10.0 m3/min時裂縫形態(tài)。模擬結果表明(圖5):① 硬煤層中鉆進的水平井壓裂都能把軟硬煤層全部壓開，且隨著硬煤層中水平井眼與軟煤層距離的增大，壓裂裂縫高度小幅度增加，致使裂縫長度也小幅度變小，說明水平井位置對裂縫擴展效果的影響程度相對較弱。② 7.0～10.0 m3/min的壓裂施工排量都能把軟硬煤層壓開，且隨著壓裂施工排量的增加，裂縫高度增加非常明顯，致使裂縫長度減少也非常明顯，說明壓裂施工排量對軟硬煤層的壓裂改造效果非常敏感;壓裂施工排量對煤層的壓裂改造具有兩面性，當排量較小時，水平井無法實現清水攜砂壓裂施工，也無法全部壓開軟硬煤層;當排量較大時，裂縫內形成的高凈壓力致使裂縫突破煤層頂底板巖層，縱向裂縫高度擴展延伸較大，造成煤層中裂縫長度延伸受限。由此可知，數值模擬結果與物理模擬結果基本吻合，工程實踐中，建議水平井射孔壓裂段盡可能選擇距離軟煤層較近的位置，同時結合不固井水平井濾失量大特征和煤層氣水平井清水攜砂壓裂經驗，選擇壓裂施工排量為8～9 m3/min，既能全部壓開軟硬煤層，又能形成較長的動態(tài)縫長效果，能實現對軟硬煤層的壓裂增產改造目標(圖6)。

管理者的領導風格對于團隊成員的工作狀態(tài)有著直接作用，打造高效的賦能型組織，需要高度重視領導力建設。我們常說的領導者是指領導個體本身，而領導力則指的是領導者帶領下屬共同發(fā)展，統(tǒng)率團隊完成目標的能力。只能創(chuàng)造自身價值的領導者不是一個優(yōu)秀的領導，讓他人獲得這種價值的領導才是賦能型組織所需要的領導。

圖5 水平井位置和施工排量對裂縫擴展的影響規(guī)律Fig.5 Influence of horizontal well location and construction displacement on fracture propagation

3 軟硬煤分層煤層分段壓裂水平井開發(fā)煤層氣技術

為了提高套管外不固井水平井的分段壓裂改造效果和煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)效果，探索并形成了軟硬煤分層煤層分段壓裂水平井開發(fā)煤層氣技術對策。

3.1 水平井射孔、壓裂段優(yōu)化及優(yōu)選技術

為了提高水平井開發(fā)效果，兼顧煤礦區(qū)煤層瓦斯均勻抽采、經濟成本與抽采率等因素，優(yōu)化得到水平井分8段壓裂、段間距為80～110 m抽采效果較好;為了提高水平井增產效果，優(yōu)選距離軟煤層較近的水平井段作為射孔壓裂段。同時考慮后期開發(fā)過程中存在井壁坍塌環(huán)抱套管、煤粉堵塞套管外環(huán)空通道，致使壓裂段間長距離的裸眼水平段得不到開發(fā)利用，為提高水平井的整體改造效果，研究在兩個壓裂段之間采用水力噴砂射孔方式進行加密補射孔，使射孔段間距降低至40～50 m，一方面防止射孔壓裂孔眼被支撐劑和煤粉堵塞，增加水平段套管的孔眼數量，提高套管的流體過流通道;另一方面水力噴射還能在近井地帶形成小孔道和裂縫，增加泄流面積，降低滲流阻力，綜合提高套管外不固井水平井的壓裂改造效果。現場優(yōu)選8段壓裂段和8段加密補射孔段，取得了較好的開發(fā)效果(圖7)。

圖6 軟硬煤復合煤層水平井壓裂裂縫擴展效果Fig.6 Effect drawing of fracture propagation in horizontal well

圖7 試驗井壓裂射孔選段示意Fig.7 Schematic diagram of fracturing and perforation selection in test wells

3.2 油管傳輸大排量水力噴射防竄流工藝技術

針對水平井套管外不固井的完井特征，研究形成了油管傳輸大排量水力噴射防竄流、定點壓裂工藝技術。其技術核心包括采用φ73 mm油管降低施工磨阻、提高傳輸排量;采用大直徑噴嘴增加射孔孔徑和套管的過流面積，提高水力噴射排量;采用高射流速度和大排量噴射工藝提高管外封隔和孔內增壓效果。數值計算得到，采用6個φ6.0 mm的噴嘴在噴射排量為2.4 m3/min的條件下，能產生約3.5～5.0 MPa的環(huán)空封隔和5.0～7.0 MPa的孔內增壓效果[13-14]，達到套管外環(huán)空封隔和定點壓裂目標?，F場壓裂施工采用油管(噴射)+環(huán)空(加砂壓裂)聯合注入方式，油管噴射排量2.2～2.4 m3/min，油套環(huán)空注入排量6.0～6.5 m3/min，壓裂過程中連通直井壓力遠小于水平井注入壓力，提高了套管外不固井水平井壓裂防竄流效果。

3.3 “大排量、大規(guī)模、中砂比”的段塞式清水攜砂壓裂工藝技術

針對3號煤層上部硬煤層壓裂容易受到傷害、壓裂液濾失量大，以及下部軟煤層支撐劑鑲嵌嚴重、壓裂縫短的難題，初步形成了“大排量、大規(guī)模、中砂比”的段塞式清水攜砂壓裂工藝技術。其技術核心包括采用清水攜砂壓裂液降低施工成本以及對煤層傷害;采用大排量降低水平井沉砂風險和提高攜砂效果;采用大規(guī)模、高前置液比、中砂比工藝延長裂縫和提高支撐效果，實現高效改造軟硬煤的目標;采用段塞式壓裂工藝，提高施工成功率和壓裂改造效果。根據煤層參數，模擬施工排量為8～9 m3/min、加砂規(guī)模為8～10 m3/m，前置液比為40%、平均砂比為10%～12%時，模擬結果表明既能壓開軟硬煤層，又能形成具有中等導流能力的較長裂縫(圖6)，現場試驗對水平井實施8段壓裂改造，取得了較好的增產效果[15]。

3.4 氣/水分井同步生產精細化排水采氣技術

鑒于不固井水平井眼軌跡沿煤層下傾方向，在相同解吸壓力條件下，水平井先產氣，產氣段逐步向直井推進，為了減少氣水攜帶煤粉向直井運移堆積和產氣對排采設備運轉的影響，提高排水采氣效果，研究采用氣/水分井同步生產模式(圖8)，即在直井進行排水作業(yè)，在水平井進行采氣生產。同時基于上部硬煤層和下部軟煤層的物性差異，排水降壓容易造成硬煤層裂縫迅速閉合、滲透率急劇降低，造成軟煤層吐煤粉堵塞氣水通道，從而影響氣體解吸、擴散、運移產出。因此，研究采用連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定的氣/水分井同步生產精細化排采方法，產氣前控制降壓速度小于0.03 MPa/d，產氣后控制降壓速度小于0.01 MPa/d，控制產氣量增長速度小于300 m3/d，始終以不吐砂和煤粉為控制原則，對降壓速度和氣水產出速度參數進行實時調控，實現對煤層氣井精細化排采管理，現場試驗取得較好的排采效果[16-18]。

圖8 水平井氣/水分井同步生產示意Fig.8 Schematic diagram of horizontal well gas/water well synchronous production

4 現場試驗

2015—2018年在沁水盆地趙莊井田實施了一組套管外不固井分段壓裂水平井開發(fā)軟硬煤分層煤層煤層氣工程試驗。通過對井田地質條件和儲層特征進行分析，對水平井開發(fā)工程進行優(yōu)化設計，其中煤層埋深763.0～768.2 m、煤層厚度5.2 m、水平段長度約730 m，水平井采用套管外不固井的方式進行完井，分8段進行水力噴射壓裂施工，壓裂結束后補射孔8段，現場試驗時，采用上述研究成果，截至2018年底(圖9)，累計產氣160余m3，日產氣突破5 000 m3，穩(wěn)定產量在4 000～5 000 m3/d，具有高產、穩(wěn)產前景，水平井產量是井田直井平均產量的15～20倍。經測算，水平井抽采2 a時間，煤層瓦斯含量平均降低18%左右;抽采5 a時間，煤層瓦斯含量平均降低35%左右，可以減少煤礦井下大量瓦斯抽采工作和巖巷掘進的工作量。因此，軟硬煤分層煤層套管外不固井分段壓裂水平井開發(fā)煤層氣技術具有較好的產氣效果和安全效益，為復雜地質條件的煤礦區(qū)礦井條帶瓦斯高效預抽消突、瓦斯災害防治和煤層氣規(guī)?；_發(fā)提供了技術途徑。目前成果正在晉城、兩淮、貴州等煤礦區(qū)進行推廣應用。

圖9 試驗井產氣效果示意Fig.9 Schematic diagram of gas production effect in the test well

5 結 論

(1)趙莊井田3號煤層的軟硬煤分層明顯，上部煤層以原生結構塊煤和碎裂結構煤為主，煤體較堅硬;下部煤層以碎粒或糜棱結構煤為主，煤體較疏松;軟硬煤存在明顯的自然伽馬和電阻率測井響應特征。

(2)硬煤層中鉆進的水平井壓裂能形成一條復雜不規(guī)則的垂直裂縫，裂縫易于沿脆性較強的頂板巖層擴展延伸，裂縫能夠擴展延伸進入軟煤層，能提高軟硬煤的壓裂增產改造效果;硬煤層中水平井位置和壓裂施工排量是影響裂縫擴展效果的兩個因素，壓裂施工排量影響程度較大、水平井位置影響程度較小。

(3)研究形成了軟硬煤分層煤層套管外不固井分段壓裂水平井開發(fā)煤層氣4個關鍵技術:① 水平井射孔、壓裂段優(yōu)選工藝技術;② 油管拖動大排量水力噴射防竄流工藝技術;③ “大排量、大規(guī)模、中砂比”的段塞式清水攜砂壓裂工藝技術;④ 氣/水分井同步生產精細化排水采氣技術。

(4)實踐證明，軟硬煤分層煤層分段壓裂水平井開發(fā)煤層氣技術取得了較好產氣效果，表明水平井開發(fā)軟硬煤分層煤層的煤層氣技術方法可行，為類似條件的煤礦區(qū)煤層氣抽采和瓦斯災害治理提供了技術途徑。