姚紅生，陳貞龍，郭濤，李鑫，肖翠，解飛

（中國石化華東油氣分公司，江蘇南京210000）

全國新一輪油氣資源評價結(jié)果，我國埋深2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為30.08×1012m3，其中埋深1 000～2 000 m的深部煤層氣地質(zhì)資源量為18.87×1012m3，占總資源量的62.8 %[1]。當(dāng)前我國煤層氣開發(fā)的深度主要集中于1 000 m以淺，隨著淺部已探明可動用儲量的逐步減少，我國煤層氣勘探開發(fā)投資規(guī)模在2012年達到頂峰后已經(jīng)開始逐年下降[2-3]，而深部煤層氣開采技術(shù)將成為新的攻關(guān)熱點[4]。隨著煤層埋藏深度的大幅增加，煤層受到的地應(yīng)力隨之增加，煤層氣的開采難度就越大，嚴(yán)重阻礙了深部煤層氣的商業(yè)化開發(fā)和利用。

不少國內(nèi)外學(xué)者對深部煤層氣開發(fā)工程工藝方面進行了探索[5-8]。美國皮森斯盆地深部煤層氣開發(fā)先導(dǎo)性試驗，從工程實踐角度證實了深部煤層氣資源開發(fā)的可行性。高麗軍等[6]認(rèn)為臨興中部區(qū)塊深部煤層應(yīng)力較大，以常規(guī)清水壓裂為主的直井單壓煤層模式難以有效壓裂煤層、生產(chǎn)效果較差，具有“單井見氣快、產(chǎn)水多，易應(yīng)力敏感、氣產(chǎn)量上升緩慢”的特點。孫晗森等[7]針對活性水體系摩阻大、壓裂液效率低、攜砂性能差的綜合局限，試驗降阻、造縫和攜砂性能更優(yōu)的低傷害泡沫壓裂液、清潔壓裂液和復(fù)合壓裂液等體系，對臨興區(qū)塊1 900 m超深部煤層壓裂進行了有益嘗試。葉建平[8]實施了深部煤層氣開發(fā)技術(shù)研究及裝備研制的工作。這些相關(guān)的研究成果證明了賦存條件較差的深部煤層氣資源具有成功開發(fā)的可能性，但是目前仍然面臨著諸多的難題，都存在一定的局限性。

延川南煤層氣田作為國內(nèi)首個投入商業(yè)開發(fā)的深部煤層氣田[9-10]，700余口氣井埋深1 100～1 500 m，針對氣田內(nèi)“大埋深、高應(yīng)力、低滲透”難動用區(qū)域地質(zhì)特點，剖析了深部煤層特征、開發(fā)效果以及適應(yīng)性，圍繞如何實現(xiàn)深部煤層“造長縫、遠支撐、全方位、低成本”系列難題，提出了地質(zhì)工程一體化的工藝優(yōu)化及應(yīng)用實踐，為解決深部煤層氣儲層的高效開發(fā)提供了新的思路。

1 研究區(qū)地質(zhì)特點

延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，開發(fā)主力層系為山西組2號煤，構(gòu)造上整體為一傾向北西的單斜構(gòu)造（圖1）。研究區(qū)位于氣田西部區(qū)域，該區(qū)埋深1 200～1 300 m，煤層厚度3.7 m，滲透率低，小于0.1×10-3μm2，含氣量較高，介于13～20 m3/t，礦化度高，大于80 000 mg/L，處于滯留水環(huán)境，該區(qū)煤層氣總體上表現(xiàn)出富集、致密難動用特征[11-13]。

圖1 延川南氣田2號煤層頂面構(gòu)造及研究區(qū)位置Fig.1 Top structure of No.2 coal seam and location of study area in Yanchuannan Field

研究區(qū)投入生產(chǎn)井100余口，經(jīng)過近6 a的排采生產(chǎn)，表現(xiàn)出：

1）整體上低產(chǎn)液、低產(chǎn)氣，平均單井日產(chǎn)氣795 m3，平均日產(chǎn)液0.16 m3，井底流壓0.2 MPa，產(chǎn)液量較低、排水難度較大，造成氣井產(chǎn)量上升緩慢（圖2）；經(jīng)過6 a的排采單井平均累產(chǎn)氣僅80×104m3，長期處于低效生產(chǎn)。

圖2 研究區(qū)煤層氣井平均單井生產(chǎn)曲線Fig.2 Trends of average daily production and bottomhole flowing pressure per CBM well in study area

2）采用活性水壓裂體系條件下，破裂壓力大于40 MPa，停泵壓力大于30 MPa，表現(xiàn)出破裂壓力高，施工阻力大，限制施工排量，導(dǎo)致壓裂裂縫寬度窄，易砂堵，制約主裂縫的形成和有效延伸。以Y6-8井為例采用清水加砂壓裂（圖3），垂深1 266 m，中途砂堵，總液量627.5 m3，總砂量26.7 m3，一般排量8 m3/min，破裂壓力44.7 MPa，停泵壓力29.8 MPa，儲層改造效果差。

圖3 Y6-8井壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing operation curve of Well-Y6-8

2 深部煤層壓裂改造適用性分析

2.1 深部煤層地質(zhì)特征分析

統(tǒng)計研究區(qū)深部煤層氣100余口井地質(zhì)參數(shù)，分析1 000 m以深煤層地質(zhì)特征，較1 000 m以淺煤層，區(qū)別較大（表1）。深部煤層含氣性較好，開發(fā)潛力較大，但深部煤層氣開發(fā)制約的主要因素是高地應(yīng)力[14-17]。高地應(yīng)力極大降低了煤儲層的滲透性，其極低的滲透率和較小的孔隙度意味著深部煤層的開發(fā)必須依賴有效的儲層改造措施，才能達到工業(yè)開采的要求。

表1 延川南煤層氣田不同深度煤層地質(zhì)特征Table 1 Geological characteristics of coal seams at different depth in Yanchuannan Field

2.2 現(xiàn)有壓裂技術(shù)情況及分析

活性水壓裂技術(shù)由于其低污染、低成本等優(yōu)點，成為我國目前煤層改造應(yīng)用最為廣泛的首要技術(shù)，在淺部煤層氣井應(yīng)用效果較好。因此，延川南在整體產(chǎn)建階段均采用了活性水壓裂技術(shù)，基于煤巖天然裂隙系統(tǒng)和活性水壓裂液特性，理論上活性水對煤層傷害小，大排量注入可以有效地控制壓裂液的濾失，保證裂縫的有效延伸，也可有效地防止煤層砂堵，一般注入液量700～800 m3，砂量35～50 m3，一次施工成功率由優(yōu)化前的73.4%提高至91.5%。

煤層地應(yīng)力及巖石力學(xué)性質(zhì)的特殊性，使得人工裂縫延伸非常困難，特別是深部煤層的高構(gòu)造應(yīng)力作用和煤巖的塑性特征，表現(xiàn)為“低彈性模量、高泊松比”，嚴(yán)重制約主裂縫的形成和有效延伸；通過觀測井下揭示的氣井壓裂剖面，實際上裂縫半長及效果遠未達到預(yù)期，支撐劑主要集中于井筒8 m范圍以內(nèi)，形成的人工裂縫較為單一、支撐劑填充主縫延伸一般不到30 m（圖4）。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該區(qū)單井壓降漏斗呈陡直狀，僅近井筒附近降壓解吸，遠端煤層未有效降壓，結(jié)合特征曲線分析壓裂有效半縫長30～50 m（圖5），難以形成面積降壓，儲量動用率低。

圖4 井下煤層氣井人工裂縫觀測及示意圖Fig.4 Distribution of artificial cracks observed in coal mine

圖5 研究區(qū)剩余地質(zhì)儲量數(shù)值模擬分布Fig.5 Numerical simulation distribution of remaining geological reserves in study area

3 深部煤層壓裂優(yōu)化及實踐

3.1 地質(zhì)工程一體化思路

依據(jù)常規(guī)活性水煤層壓裂適用性分析認(rèn)為，深部煤層壓裂應(yīng)基于地質(zhì)特征，以形成有效長距離支撐、高導(dǎo)流能力的規(guī)模人工裂縫作為主攻目標(biāo)，逐步形成“造長縫、遠支撐”的有效支撐體積壓裂，力求在高應(yīng)力深部煤層中形成具有一定長度和導(dǎo)流能力的人工裂縫[18-20]。

3.2 壓裂體系地質(zhì)工程一體化優(yōu)化

采用對煤層傷害小的活性水壓裂液，基于煤巖天然裂隙系統(tǒng)和活性水壓裂液特性，大排量注入可以有效地控制壓裂液的濾失，同時提高加砂強度保證裂縫的有效延伸。根據(jù)施工排量和鋪砂距離模擬顯示，壓裂施工中排量增大，支撐劑在裂縫方向上鋪置距離越遠，形成的有效壓裂縫就越長；一方面提高加砂強度，同時配合超大排量（12 m3/min），可以顯著提高支撐劑運移效率（圖6）。

圖6 排量與鋪砂距離模擬Fig.6 Simulation curve of different discharge and sand laying distance

對于煤層，僅優(yōu)化壓裂液體系以及使用大排量，還難以實現(xiàn)“遠支撐”。延川南氣田嘗試采用多種低密度支撐劑，來提高支撐劑的運移距離。如：核桃砂，利用核桃殼粉碎得到，密度為0.66 g/cm3；自懸浮支撐劑，在傳統(tǒng)支撐劑表面增加水溶性覆膜材料，利用游泳圈效應(yīng)變相降低密度（圖7）；高導(dǎo)流纖維，攜砂能力增強并且在縫內(nèi)形成高導(dǎo)流通道。

圖7 自懸浮支撐劑原理Fig.7 Principle of self suspending proppant

通過優(yōu)化深部煤層儲層改造工藝，集成有效支撐體積壓裂工藝，在研究區(qū)推廣治理了17口低效井，平均單井注入液量4 124 m3，加砂量307 m3，日產(chǎn)氣由改造前0.63×104m3增至3.6×104m3，平均單井日增產(chǎn)氣1 800 m3（圖8）。

圖8 有效支撐壓裂井生產(chǎn)曲線Fig.8 Production curve of effective supporting fractured wells

3.3 地質(zhì)工程一體化應(yīng)用效果

通過數(shù)值模擬顯示，較常規(guī)活性水壓裂縫長、縫高增加超過2倍，裂縫導(dǎo)流能力增大，壓后滲透率改善，見氣周期由410 d縮短至60 d，提高了煤層氣排采效率（圖9）。

圖9 支撐縫長數(shù)值模擬對比Fig.9 Comparison of numerical simulation of different supporting seam lengths

4 結(jié)論

1）研究區(qū)埋深1 200～1 300 m，具有典型的深部煤層氣開發(fā)特征。含氣量較高，介于13～20 m3/t，礦化度高，大于80 000 mg/L，保存條件有利；但開發(fā)難度較大，總體上低產(chǎn)液、低產(chǎn)氣，平均單井日產(chǎn)氣795 m3；采用活性水壓裂體系，破裂壓力大于40 MPa，停泵壓力大于30 MPa，制約主裂縫的形成和有效延伸，儲層改造困難。

2）深部煤層氣開發(fā)潛力較大，但由于高地應(yīng)力極大降低了煤儲層滲透性，必須依賴有效的儲層改造措施；而現(xiàn)有的活性水壓裂工藝技術(shù)，根據(jù)井下觀測有效支撐裂縫主要集中于井筒8 m范圍以內(nèi)，主縫延伸一般不到30 m。

3）深部煤層壓裂應(yīng)基于地應(yīng)力高、人工裂縫難延伸、有效支撐縫短等認(rèn)識，以形成有效長距離支撐、高導(dǎo)流能力的規(guī)模人工裂縫作為主攻目標(biāo)；持續(xù)優(yōu)化壓裂參數(shù)，提高加砂強度配合大排量，同時研發(fā)“低密度、長運移”支撐劑，形成有效支撐體積壓裂技術(shù)。在研究區(qū)取得了較好推廣效果，平均單井日增產(chǎn)氣1 800 m3，為解決深部煤層氣儲層的高效開發(fā)提供了新的思路。