煤層氣壓裂及配套措施
1 引言
煤層壓裂改造可有效地將井孔與煤層天然裂隙連通起來，從而在排水採氣時，更廣泛地分配井孔附近的壓降，增加產能，增大氣體解吸速率。因此，在煤層氣勘探開發中，壓裂改造作為一種重要的強化措施，已得到普遍套用。然而，由於我國煤層氣勘探開發起步晚、技術落後，尤其壓裂改造工藝技術還沒有作系統研究，為此，我處經過四年科技攻關，研究成功了煤層壓裂改造配套工藝技術，現場套用15口井33層煤，效果良好。
2 煤層壓裂改造配套工藝技術
2.1 完井技術
(1)採用全井下Φ139.7mm（Φ177.8mm)套管，低密度水泥漿固井工藝技術。
(2)採用高密度深穿透射孔工藝技術。用Φ102槍102彈(127彈)，孔密16～32孔/m，螺旋布孔，相位角90°，射開煤層或煤層和圍岩，從而使射孔孔徑超過Φ12mm，有效穿透距離超過500m。
這種完井技術穩固了井身，減少了煤層污染，有利於煤層分層壓裂改造，能滿足排水採氣需要，經濟可行。
2.2 壓裂設計技術
研製成功了煤層氣井三維壓裂最佳化設計軟體。該軟體填補了國內空白，是國內第一套煤層氣井壓裂軟體，達到國際先進水平。該軟體在Windows環境下開發，採用Visualfor Windows編程，模組化設計，算法先進可靠。它主要包含以下7個模型：
(1)產量動態預測模型
(2)經濟評價模型
(3)裂縫三維延伸模型
(4)控制縫高模型
(5)支撐劑運移分布模型
(6)溫度場模型
(7)最佳化設計模型
運用該軟體，可設計出最優壓裂方案，達到最佳壓裂效果。
2.３ 壓裂液研製
壓裂液性能的好壞直接關係到壓裂施工的成敗及壓後增產效果，根據煤層特性，研製出了適合煤層的壓裂液系列。
(1)清水：其礦化度與煤層水接近，不傷害煤層；
(2)活性水：對煤層傷害輕微；
(3)低溫凍膠壓裂液：主要由瓜爾膠、KCL、殺菌劑、表面活性劑、助排劑、交聯劑、破膠劑等組成。其技術指標居國內領先水平，破膠後水化液粘度(20℃，24ｈ)為1.00MPa•s，表面張力＜30Mn/m，界面張力＜2mN/m，煤層傷害率＜16%。
2.4 支撐劑優選
煤層一般埋藏較淺，閉合壓力低，選用天然石英砂(30MPa下破碎率＜12%)既可滿足支撐裂縫要求，又經濟便宜。常用石英砂規格有40～70目粉砂、20～40目中砂和12～20目粗砂。壓裂加砂組合方式有4種：①粉砂+中砂+粗砂；②粉砂+粗砂；③中砂+粗砂；④粗砂。粉砂加在前置液中，以減少壓裂液濾失，利於造縫；中砂和粗砂支撐裂縫，改善煤層滲透性；章節附注粗砂可提高裂縫入口導流能力；單純加入粗砂施工難度大，但壓裂效果較好，並可避免排采時粉砂返吐堵塞裂縫。石英砂規格及加砂量可由軟體模擬確定。
2.５ 壓裂施工工藝技術
(1)採用光套管注入壓裂，降低管壁摩阻，從而降低施工泵壓；
(2)適當增大前置液注入量，以充分造縫，避免砂堵；
(3)增大泵的注排量，提高壓裂液效率，對薄煤層適當減小泵的注排量，以防止
裂縫高度延伸過高而縮短縫長；
(4)分段注砂，逐步提高砂化，增大支撐裂縫寬度，提高支撐裂縫導流能力；
(5)適當減少頂替液量，確保裂縫入口的高導流能力；
(6)控制壓裂液返排速度，保證裂縫充分閉合，防止砂粒和煤粉返吐；
(7)對多煤層井採用分層壓裂改造，提高單煤層改造程度；
(8)加強裂縫監測，優選壓裂施工參數，指導壓裂施工；
(9)選用H-1000型壓裂機組及配套設備、車輛，保證滿足壓裂施工需求。
2.6 酸化預處理工藝技術
根據電測資料、錄井資料和室內岩芯實驗結果，綜合研究確定用何種酸液。在壓裂施工之前，對煤層射孔井段進行預處理，從而有效清除射孔孔眼堵塞，解除近井地帶鑽井泥漿、固井水泥的污染堵塞，為壓裂施工創造有利條件，並有利於壓裂施工完畢後凍膠壓裂液徹底返排，提高壓裂增產效果。
2.7 裂縫監測工藝技術
煤層壓裂裂縫方位和幾何尺寸，是指導制定壓裂方案的重要依據，是評價壓裂效果的重要手段，對最佳化井網布置具有重要意義。選用大地電位法(微地震法)測試和井溫測試，可測試出壓裂裂縫形態、高度、方位和延伸長度，測試成功率100%，結果準確可靠。微地震法測試對壓裂施工進行同步裂縫監測，要求測試井周圍必須有三口監測井，大地電位法測試要求在壓裂液中加入2%～5%KCL，使壓裂液與圍岩的電阻率差異在30～80倍之間，並須測出壓前及壓後大地電位差。井溫測試須測出壓裂前後井溫曲線，要求在測壓前井溫基線時，井筒內液體靜止48ｈ以上，壓後井溫曲線應在壓後2～6h內測完。
另外，根據壓裂施工數據和壓降數據，也可計算並推斷出動態裂縫幾何尺寸、支撐裂縫幾何尺寸和壓裂液效率。要求測壓降時間為泵注時間的2.5倍以上。
2.8 壓裂效果評價技術
(1)注入/壓降試井 通過求出壓裂前後的煤層滲透率、表皮係數、流體產量等參數評價壓裂效果；
(2)生產評價 根據排采數據評價壓裂效果；
(3)經濟評價 評價壓裂措施是否經濟可行。
3 現場套用
3.1 概況
煤層壓裂改造配套工藝技術，已在現場進行了試驗。套用於15口井33層煤，施工成功率100%，有效率100%，並創造了多項施工參數全國最高水平；①單井加砂量83.66；②單層加砂量41m3；③加砂強度7.1m3/m；④清水壓裂排量7.9m3/min，混砂比17.1%，階段最高混砂比25.6%。
３.2 實例
沁水盆地A1井，鑽井深450m，煤層埋深320～420m，10m/2層，含氣量18m3/ｔ。1997年8月，採用該配套工藝技術，用Φ139.7mm套管完井，比重為1.63的G級水泥漿固井，102槍102彈射開X1、X2煤層。酸化預處理後，選用低溫凍膠壓裂液對X1、X2煤層進行了分層壓裂改造，共注入壓裂液362m3，加石英砂46.8m3，平均混砂比22%，階段最高混砂比36.3%。微地震法測試結果表明，X1煤層壓裂裂縫為先水平縫後垂直縫，方位為Ｎ順時針133°，延伸長度103m；X2煤層壓裂裂縫為垂直縫，方位為Ｎ順時針175°，延伸長度79m。壓後排采43天。產氣量即超過3000m3/d。目前，該井產氣量仍穩定在3200m3/d以上，經濟效益顯著。
４ 結論
(1)對煤層進行壓裂改造，可提高煤層氣井產能，經濟可行；
(2)煤層三維壓裂最佳化設計軟體和低溫凍膠壓裂液填補了國內空白，居國內領先水平；
(3)煤層壓裂改造配套工藝技術完整、成熟、先進，適宜煤層壓裂改造需要，現場套用效果良好，可推廣套用。
