李思齊

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046205）

0 引 言

我國具有豐富的煤層氣資源，其中埋深2 000 m 以淺的地質(zhì)資源儲量為36.8 萬億m3[1]。對煤層氣的開發(fā)，不僅能夠提高能源的利用率，而且可以減少溫室氣體排放、防治煤礦瓦斯災(zāi)害。隨著技術(shù)發(fā)展，煤層氣地面開發(fā)逐漸成為一種重要的開發(fā)方式，我國眾多學(xué)者也對煤層氣井開發(fā)技術(shù)進行了大量研究。

張文勇等[2]基于斷裂力學(xué)理論，系統(tǒng)分析了煤層氣井液氮伴注壓裂的增產(chǎn)機制，發(fā)現(xiàn)壓裂后能有效提高地層能量，提高臨界解吸壓力，縮短煤層氣井排采見氣周期。張亞蒲等[3]對于煤層氣井的增產(chǎn)改造措施進行了總結(jié)，分析了水力壓裂改造技術(shù)、煤中多元氣體驅(qū)替技術(shù)和定向羽狀水平鉆井技術(shù)的適用性。李瑩等[4]從地質(zhì)、工程一體化的角度，結(jié)合地質(zhì)條件，并從工程因素出發(fā)，剖析高產(chǎn)井與地質(zhì)因素的耦合關(guān)系，揭示地質(zhì)、排采及工程3 個方面影響下的低效井成因，并針對性提出相應(yīng)的改造措施。季長江等[5]為探究沁水盆地南部趙莊區(qū)塊松軟低滲煤層煤層氣井低產(chǎn)原因，采用液氮吸附、掃描電鏡及X 衍射等手段，對目的煤層的孔—裂隙發(fā)育特征、黏土礦物組成等進行分析。慕甜等[6]以撈砂煤粉為研究對象，通過控制不同相流控制煤粉產(chǎn)出，開展多相流條件下不同粒徑煤粉啟動—運移試驗?zāi)M，系統(tǒng)研究了煤層氣井中多相流條件下煤粉啟動—運移規(guī)律。劉江等[7]基于貴州六盤水地區(qū)以往煤層氣勘查與試采工作，分析該區(qū)二疊系龍?zhí)督M煤層氣地質(zhì)條件和煤儲層特征，對比分析兩口煤層氣井合層排采管控制度及其效果。趙國飛等[8]構(gòu)建了煤層氣區(qū)塊生產(chǎn)潛力評價指標體系，確定了評價參數(shù)權(quán)重，建立了區(qū)間值灰色關(guān)聯(lián)度煤層氣區(qū)塊優(yōu)選模型。劉磊[9]闡述了液氮伴注技術(shù)提高煤層臨界解吸壓力機理和CO2驅(qū)替煤層甲烷機理并進行了工業(yè)性試驗，提高了煤層氣井的開發(fā)效果。

綜上所述，前人對煤層氣井的開發(fā)進行了多種研究，但是對不同工藝下煤層氣井的開發(fā)效果缺乏系統(tǒng)的研究。本文以五陽礦區(qū)煤層氣井為例，從壓裂方式、壓裂工藝、加砂方式3 個方面對不同工藝下煤層氣井的開發(fā)效果進行了分析。

1 礦區(qū)概況

五陽礦區(qū)位于五陽井田西部，地處襄垣縣境內(nèi)，位于文王山正斷層和西川正斷層之間。除南北邊界斷層（文王山北正斷層和西川正斷層） 外，還發(fā)育有王家莊正斷層、小黃莊正斷層、大黃莊正斷層、太平背斜、天倉向斜、五陽背斜構(gòu)造形跡，它們的走向均大體平行呈NEE 向，表現(xiàn)為塹—壘相間的構(gòu)造組合，北部還發(fā)育有走向呈NNW 向的次級褶曲；陷落柱主要集中在天倉向斜軸兩側(cè)；地層傾角變化較大，一般小于10°，整體上構(gòu)造復(fù)雜。煤層埋深呈現(xiàn)東高西低，埋深500 ～600 m，平均埋深560 m；3 號煤層厚度5 ～7.6 m，平均6.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，南北較厚，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖，且該區(qū)煤層頂?shù)装寰鶠榉菨B透性泥巖，封蓋條件好利于煤層氣藏保存。礦區(qū)目前產(chǎn)氣井共94 口。

2 不同壓裂方式下產(chǎn)氣效果

早期施工的煤層氣井采用活性水、液氮伴注、氮氣泡沫、胍膠4 種壓裂方式，其中活性水壓裂井?dāng)?shù)為 8 口，分別為 1-6、1-7、1-9、1-10、1-11、1-23、1-29；液氮伴注壓裂井?dāng)?shù)為7 口，分別為1-18、 1-19、 1-24、 1-25、 1-30、 1-31、 1-32；氮氣泡沫壓裂井?dāng)?shù)為5 口，分別為1-22、1-27、1-28、1-33、1-34；胍膠壓裂井?dāng)?shù)為3 口，分別為1-20、1-21、1-26。將不同壓裂方式下產(chǎn)氣量劃分為4 個等級：產(chǎn)氣量>1 000 m3/d、產(chǎn)氣量500～1 000 m3/d、產(chǎn)氣量100 ～500 m3/d、產(chǎn)氣量<100 m3/d。不同壓裂方式下煤層氣井產(chǎn)氣量所占比例如圖1 所示。

圖1 不同壓裂方式下產(chǎn)氣量占比分布Fig.1 Gas production proportion distribution under different fracturing modes

從圖1 中可以看出，活性水壓裂方式中，產(chǎn)氣量在1 000 m3/d 以上的井?dāng)?shù)占比37.5%，所占比例最多；液氮伴注壓裂方式產(chǎn)氣量主要集中在<100 m3/d，井?dāng)?shù)占比71.4%；氮氣泡沫壓裂方式產(chǎn)氣量主要集中在100 ～500 m3/d，井?dāng)?shù)占比達到80%；胍膠壓裂方式產(chǎn)氣量占比較為均勻，但產(chǎn)氣量不高。氮氣泡沫和胍膠壓裂方式產(chǎn)氣量沒有在1 000 m3/d 以上的。從以上分析中可以看出，活性水、液氮伴注、氮氣泡沫、胍膠4 種壓裂方式中，采用活性水壓裂的煤層氣井效果較好。

3 不同壓裂工藝下產(chǎn)氣效果

在后續(xù)生產(chǎn)過程中，試驗了同步壓裂和單獨壓裂下煤層氣井的產(chǎn)氣效果，除壓裂工藝外，其他條件均相同。其中1-83、1-84、1-75 號井同步壓裂，其周圍1-74、1-76、1-82、1-85 號井單獨壓裂，各井產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣量占比見表1 和圖2 所示。

表1 同步壓裂與單獨壓裂井產(chǎn)氣量Table 1 Gas production from simultaneous fracturing and separate fracturing gas

圖2 不同壓裂工藝產(chǎn)氣量占比Fig.2 Gas production ratios of different fracturing processes

從表1 和圖2 中可以看出，同步壓裂方式煤層氣井產(chǎn)氣量主要集中在500 ～1 000 m3/d，3 口井中只有1 口井產(chǎn)氣量低于500 m3/d，為304 m3/d，井?dāng)?shù)占比33.3%；單獨壓裂方式煤層氣井產(chǎn)氣量主要集中在100 ～500 m3/d，4 口井中只有1 口井產(chǎn)氣量高于500 m3/d，為536 m3/d，井?dāng)?shù)占比25%。同步壓裂方式煤層氣井最高產(chǎn)氣量為831 m3/d，高于單獨壓裂的536 m3/d；同步壓裂方式煤層氣井產(chǎn)氣量最低產(chǎn)氣量為304 m3/d，高于單獨壓裂的196 m3/d；同步壓裂方式煤層氣井平均產(chǎn)氣量為592 m3/d，高于單獨壓裂的368 m3/d。

從以上分析中可以看出，采用同步壓裂方式壓裂的煤層井產(chǎn)氣效果要優(yōu)于單獨壓裂方式，這是由于同步壓裂有助于改善煤層整體滲透率，增透效果與單獨壓裂相比更好。

4 不同加砂工藝下產(chǎn)氣效果

加砂工藝有常規(guī)加砂、二次加砂和段塞加砂，五陽礦區(qū)試驗了各方式下的產(chǎn)氣效果，除加砂方式外，其他均相同。二次加砂井號為1-92、1-93，段塞加砂井號為1-90、1-91，普通加砂井號為1-77、1-78。各加砂方式煤層氣井產(chǎn)氣量見表2。

表2 各加砂方式煤層氣井產(chǎn)氣量Table 2 Gas production of coalbed methane with each sand addition method

采用普通加砂、二次加砂、段塞加砂時，煤層氣井最高產(chǎn)氣量分別為308、387、447 m3/d，最低產(chǎn)氣量分別為272、347、408 m3/d。圖3 為不同加砂方式煤層氣井平均產(chǎn)量，從圖3 中可以看出，與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂煤層氣井產(chǎn)氣量效果較好，分析認為二次加砂和段塞加砂方式與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂方式支撐距離遠、鋪砂濃度高，增加了人工裂縫，為煤層氣的產(chǎn)出提供了通道。在三種加砂方式中，段塞加砂煤層氣產(chǎn)出效果最好。

圖3 不同加砂方式煤層氣井平均產(chǎn)量Fig.3 Average production of CBMwells with different sanding methods

5 結(jié) 論

（1） 采用活性水、液氮伴注、氮氣泡沫壓裂方式時，煤層氣井產(chǎn)出量分別集中在>1 000 m3/d、<100 m3/d 和100 ～500 m3/d，胍膠壓裂方式產(chǎn)氣量占比分布比較均勻，但產(chǎn)氣量不高，4 種壓裂方式中活性水壓裂方式產(chǎn)氣效果最好。

（2） 采用同步壓裂方式壓裂的煤層井產(chǎn)氣效果要優(yōu)于單獨壓裂方式，同步壓裂有助于改善煤層整體滲透率，增透效果與單獨壓裂相比更好。

（3） 與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂方式支撐距離遠、鋪砂濃度高，增加了人工裂縫，為煤層氣的產(chǎn)出提供了通道，3 種加砂方式中段塞加砂方式煤層氣井產(chǎn)出效果最好。