彬长矿区煤层气井水力压裂效果影响因素分析

吴信波，王 谦，张 俊.

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054；2.陕西新泰能源有限公司，陕西咸阳713500；3.中国石油天然气股份有限公司长治煤层气勘探开发分公司，山西长治 046000)

彬长矿区煤层气井水力压裂效果影响因素分析

吴信波1，王 谦2，张 俊3.*

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054；2.陕西新泰能源有限公司，陕西咸阳713500；3.中国石油天然气股份有限公司长治煤层气勘探开发分公司，山西长治 046000)

彬长矿区已经实施了30多口煤层气井的开发工作，大部分煤层气井采用水力压裂施工工艺进行增产改造。为了研究煤层气井水力压裂效果的影响因素，依据彬长矿区3口煤层气井地质、压裂及试井资料，采用统计学方法，确定了影响水力压裂效果的各独立因素。研究结果表明，煤储层厚度、渗透率以及压裂施工过程中的排量、砂比、加砂强度、前置液比等因素对煤层气井压裂效果产生影响。然后采用灰色关联法进行分析，确定了压裂效果影响因素的优先顺序及影响程度大小。研究结果表明，影响彬长矿区煤层气井压裂效果的各因素依次为排量、砂比、煤层厚度、加砂强度、前置液比、渗透率。在其他条件相同的情况下，提高排量和砂比能够生成更多的有效改造体积、更好的改造储层。

彬长矿区；煤层气井；压裂效果；影响因素；灰色关联分析

彬长矿区已经施工了30多口煤层气井，为实现煤层气的高产、稳产，大多数煤层气开发井都通过水力压裂的方式实现煤层气的增产，因此研究煤储层压裂效果影响因素具有重要意义。但是通过对压裂效果影响因素的分析发现，影响煤层气井水力压裂效果的因素很多，既有地质因素又有工程因素[1]，这些因素何为主要因素何为次要因素不得而知，这给分析煤层气井压后效果带来了极大的不便，因此需要一种方法来明确各个因素的主次地位，也就是对这些数据进行定量分析，探索各因素的显著性。根据前人经验，在评价油气田压裂改造效果方面，大多数采用无阻流量或者产量作为评价指标[2-3]，关于煤储层压裂改造效果一般采用单一的裂缝几何形态作为评价指标[4]。但是，产气量的影响因素不止压裂施工因素，还有地质因素、钻井和排采施工因素等，单一的裂缝几何形态不能完全概括压裂效果，因此本文提出采用有效改造体积作为压裂改造效果的评价指标。其中，有效改造体积是指采用GDK裂缝模型，结合裂缝监测过程中的缝长、缝高等数据计算出的实际压裂改造体积。采用有效改造体积评价指标更能全面地反映压裂改造效果，并且利用灰色关联分析法对影响压裂改造效果的地质因素和工程因素进行定量分析，为彬长矿区煤层气藏的高效开发提供了依据。

1 矿区概述

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北隆起北缘的彬县—黄陵坳褶带，构造较简单，总体上为一走向NE，倾向NW-NNW的单斜构造，发育方向单一的次级宽缓褶曲，地层和煤层形态主要受这些宽缓褶曲控制，矿区内断层少见。矿区含煤地层为中侏罗统延安组(J2y)，含煤4～8层，自上而下编号为1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4煤，其中4煤层平均厚度为10.64 m，厚度较大，且全区可采，为煤层气开发的主要目标煤层。矿区4煤层特征见表1。该区煤的变质程度较低，煤的镜质组最大反射率为0.50%～0.75%，其中4煤层最大镜质体反射率为0.59%～0.68%，属低变质长焰煤，局部为气煤。该区水文地质条件总体属简单，含煤地层和煤层富水性较弱。

表1 矿区4煤发育特征表Table 1 The characteristics of No.4 coal development

4煤层结构为简单～复杂，一般上部与底部夹矸1～2层，最多5层。顶板为深灰色泥岩、砂岩，有时见炭质泥岩伪顶。底板为灰色、灰褐色鲕状结构铝土质泥岩，少见炭质泥岩伪底，最大厚度为1.90 m，底板多为泥质岩，向下过度为砂质泥岩。

彬长矿区主采煤层4煤的空气干燥基含气量为0.12～6.38 m3/t，平均为1.32 m3/t，属于含气量较低的煤层；但煤层气的成分大部分以CH4为主，气质量相对较好。矿区内煤层煤体结构相对较好，主要为原生～碎裂结构；宏观和微观裂隙比较发育，裂隙宽度大，4煤层的渗透率为0.10～5.73 mD，较好的渗透率有利于煤层气的渗流。彬长矿区煤储层整体属于欠压～常压储层，地应力为3.80～15.42 MPa，属于中、低应力水平；裂缝闭合压力为1～15 MPa，属于中、低闭合压力水平[5]。

彬长矿区已经施工的30多口井大多数采用水力加砂压裂改造技术。在压裂施工过程中用微地震法对压裂层段进行了裂缝实时监测，获取了压裂产生的裂缝方位、长度、高度和产状等资料(表2)。压后2 h、4 h分别进行了井温测试。

表2 压裂实时监测结果Table 2 The real-time fracturing monitoring results

2 压裂效果影响因素分析

统计彬长矿区3口压裂井的有效改造体积与渗透率、煤层厚度、加砂量、前置液比、砂比、排量的关系(表3)，为后续灰色关联分析提供依据和参考[6]。

2.1 渗透率对压裂效果的影响

图1为统计的彬长矿区3口煤层气井的渗透率与有效改造体积的关系曲线。由图1可知，彬长矿区煤层气井渗透率集中于1～6 mD，有效改造体积在200～600 m3；位于该层位的煤层气井渗透率较高，储层微裂缝发育，随着渗透率增加，储层有效改造体积先增加后减少。分析原因认为，随着渗透率的增加，储层连通性越好，漏失越大，越不利于产生较大的有效改造体积。

表3 彬长矿区3口井的参数取值Table 3 The parameters of three wells in Binchang mining area

图1 渗透率与有效改造体积关系Fig.1 The relationship between permeability and effective reforming volume

2.2 煤层厚度对压裂效果的影响

图2为统计的彬长矿区3口煤层气井的煤层厚度与有效改造体积的关系曲线。由图2可知，彬长矿区煤层气井煤层厚度集中于6～19 m，有效改造体积在200～600 m3；彬长矿区煤层厚度分布范围较广，随着煤层厚度的增加，储层有效改造体积基本呈先上升后下降的趋势。分析原因认为，随着煤层厚度的增加，压裂越不容易产生长裂缝，限制了储层的有效改造体积。

图2 煤层厚度与有效改造体积关系Fig.2 The relationship between coal seam thickness and effective reforming volume

2.3 加砂强度对压裂效果的影响

图3为统计的彬长矿区3口煤层气井的加砂强度与有效改造体积的关系曲线。由图3可知，彬长矿区煤层气井加砂强度集中于7～11 m3/m，有效改造体积在200～600 m3；随着加砂强度的增加，储层有效改造体积呈下降趋势。分析原因认为，加砂强度越高，支撑剂越不容易运移到远处，越不利于产生较好的有效改造体积。

图3 加砂强度与有效改造体积关系Fig.3 The relationship between sand strength and effective reforming volume

2.4 前置液比对压裂效果的影响

图4为统计的彬长矿区3口煤层气井的前置液比与有效改造体积的关系曲线。由图4可知，彬长矿区煤层气井前置液比为20%～40%，有效改造体积在200～600 m3；随着前置液比的增加，储层有效改造体积呈先增加后减少的趋势。分析原因认为，前置液比的增加，减少了携砂液的比例，压开的裂缝得不到有效的支撑，储层改造的效果就差，但存在一个较为合理的前置液比，可以为后续施工提供一个较好的决策依据。

图4 前置液比与有效改造体积关系Fig.4 The relationship between anterior liquid ratio and effective reforming volume

2.5 砂比对压裂效果的影响

图5为统计的彬长矿区3口煤层气井的砂比与有效改造体积的关系曲线。由图5可知，彬长矿区煤层气井砂比为7%～18%，有效改造体积在200～600 m3；随着砂比的增加，储层有效改造体积基本呈先上升后下降的趋势。分析原因认为，随着砂比的增加，前置液造的缝越能被很好地支撑，但砂比超过13%后，容易造成加砂困难，越不利于产生较大的有效改造体积。

图5 砂比与有效改造体积关系Fig.5 The relationship between sand ratio and effective reforming volume

2.6 排量对压裂效果的影响

图6为统计的彬长矿区3口煤层气井的排量与有效改造体积的关系曲线。由图6可知，彬长矿区煤层气井施工排量集中于7.4～8.4 m3/min，有效改造体积在200～600 m3；随着施工排量的增加，储层有效改造体积呈先上升后下降的趋势。分析原因认为，施工排量越高，越易在长、宽、高方向上扩展裂缝，但存在一个较好的施工排量，可以为后续的压裂施工提供决策依据。

图6 排量与有效改造体积关系Fig.6 The relationship between displacement and effective reforming volume

3 影响因素显著性分析

灰色关联分析法是对灰色系统(信息不够全面并且信息之间关系不确定的系统)，利用灰色关联度(两个因素之间关联度大小的量度)进行各个因素的定量化分析，并进行排序化处理，得出影响煤层压后效果的各个因素之间的显著性关系[7-9]。

根据表3中彬长矿区3口煤层气井的参数取值，选取渗透率、煤层厚度、加砂量、前置液比、砂比、排量对压裂效果产生独立影响的6个因素[10-11]，以煤储层有效改造体积为考核标准，采用灰色关联分析方法对彬长矿区煤储层压裂影响效果因素进行分析[12-15]。

灰色关联度法一般包括以下几个计算步骤：首先，选定参考序列和比较序列，并对原始数据进行标准化变换；然后，计算各比较序列的灰色关联系数，并统计平均值；最后，根据平均值排出各个比较序列的关联序，得出各因素的主次顺序。

(1)确定煤储层有效改造体积为参考序列x0(k)，渗透率、煤层厚度、加砂强度、前置液比、砂比、排量6个因素作为比较序列xi(k)，i=1,2,…,8。其中，在确定煤储层有效改造体积时，依据对1#井、2#井和3#井的压裂模拟裂缝参数进行计算。

(2)将参考序列和比较序列数据进行标准化变换(表4)。先计算出参考序列和各个比较序列的平均值以及标准差，然后将各个序列的原始数据减去其相应的平均值，得到的结果再除以其标准差，此时得到的一个新数据序列即为标准化序列。其特点是：量纲和方差均为1，而平均值为0。

表4 各口井不同序列的标准化Table 4 The standardization in various wells of different sequences

(3)计算各序列的灰色关联系数ξi(k)(表5)：

ξi(k)=

(1)

式中ρ——分辨系数，ρ∈(0，1)，一般取0.5。

表5 各口井比较序列的灰色关联系数Table 5 The gray correlation coefficient of comparison sequence of each well

(4)求关联度γi，即计算各比较序列关联系数的平均值(表6)：

(2)

表6 各口井比较序列的灰色关联系数的平均值Table 6 The average of the gray correlation coefficients for each well compared to the sequence

(5)排序。依据关联度的大小进行排序，形成关联序，明确各比较序列对参考序列的主次排序(表7)。

表7 各口井比较序列的灰色关联系数的主次排序Table 7 The primary and secondary rankings of the gray relational coefficients of each well are compared

由上表可以看出，影响煤层气压裂效果的因素的显著性依次为：排量、砂比、煤层厚度、加砂强度、前置液比、渗透率。压裂施工排量是影响煤层有效改造体积的主要因素。

4 结论

(1)依据彬长矿区地质、压裂及试井资料，通过定性分析表明，渗透率、煤层厚度、加砂强度、前置液比、砂比、排量对压裂效果均有不同程度的影响。

(2)根据彬长矿区煤层气开发的特点，选择压裂后煤层气井有效改造体积为参考序列，渗透率、煤层厚度、加砂强度、前置液比、砂比、排量等6个因素作为比较序列，将参考序列和比较序列的数据进行标准化处理，并进行各影响因素关联度的计算与分析。

(3)基于灰色关联分析结果，确定压裂效果影响因素优先顺序依次为：排量、砂比、煤层厚度、加砂强度、前置液比、渗透率。

[1] 孙东生,王红才,侯默,等.影响水力压裂效果的因素及人工神经网络评价[J].地质力学学报,2006,12(4):485-490.

[2] 曲占庆,黄德胜,毛登周,等.基于灰色关联法的低渗气藏压裂效果影响因素分析[J].西北大学学报(自然科学版),2014,44(4):603-609.

[3] 杜玉宝,许江文,张天翔,等.压裂效果判断与研究[J].重庆科技学院学报,2011,13(1):73-75.

[4] 刘海龙,吴淑红.煤层气井压裂效果评价及压裂施工工程因素分析[J].非常规油气,2014,1(3):64-71.

[5] 辛欣,张培河,姜在炳,等.彬长矿区煤层气储层参数及开发潜力[J].中国煤炭地质,2014,26(3):20-22.

[6] 聂玲,周德胜,郭向东.利用灰色关联法分析低渗气藏压裂影响因素[J].断块油气田,2013,20(1):133-136.

[7] 谢润成.川西坳陷中段致密砂岩气藏压裂效果评价[D].成都:成都理工大学,2006:5.

[8] 周秀文.灰色关联度的研究与应用[D].吉林:吉林大学,2007:4.

[9] 杨德兴,杨焦生,张震涛.压裂气井产能影响因素研究[J].钻采工艺,2010,33(4):32-35.

[10] 尹锦涛,田杰苗,孙建博,等.煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究[J].非常规油气,2015,2(5):72-76.

[11] 高雅琴,周文,刘芳,等.致密低渗砂岩气藏压裂效果综合评价[J].油气井测试,2007,16(5):38-40.

[12] 张雄军,程林松,李春兰.灰色关联分析法在产量递减率影响因素分析中的应用[J].油气地质与采收率,2004,11(6):48-50.

[13] 赵晓芬.灰色系统理论概述[J].吉林省教育学院学报,2011,27(3):152-154．

[14] 郭建春,吴建发,赵金洲,等.用灰色关联分析法优选压裂井[J].钻采工艺,2005,28(2):25-28.

[15] 连承波,钟建华,蔡福龙,等.油田产量影响因素的灰色关联分析[J].天然气地球科学,2006,17(6):851-853.

AnalysisonInfluencingFactorsofHydraulicFracturingEffectofCoalbedMethaneWellsinBinchangMiningArea

Wu Xinbo1, Wang Qian2, Zhang Jun3

(1.CCTEGXi＇anResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710054,China; 2.ShaanxiXintaiEnergyCo.,Ltd.,Xianyang,Shaanxi713500,China; 3.ChangzhiCoalbedMethaneExplorationandDevelopmentBranch,PetroChinaCo.,Ltd.,Changzhi,Shanxi046000,China)

The development of more than thirty coalbed methane wells has been carried out in Binchang mining area, most coalbed methane wells have been improved by hydraulic fracturing construction. In order to study the influencing factors of the hydraulic fracturing effect of coalbed methane wells, the independent factors influencing the hydraulic fracturing effect were determined by statistical methods based on geological, fracturing and well test data of three coalbed methane wells in Binchang mining area. The results showed that, the thickness of coal reservoir, the permeability and the displacement, sand ratio, sand strength and pre-liquid ratio during fracturing construction have an effect on the fracturing effect of coalbed methane. The gray relational method was used to analyze the priority of the factors influencing the fracturing effect and the influence degree. The results showed that the factors influencing the fracturing effect of coalbed methane wells in Binchang mining area are displacement, sand ratio, coal seam thickness, sand strength, pre-liquid ratio and permeability. Under the same conditions in other conditions, increasing the displacement and sand ratio can produce more effective remodeling volumes and better reconstruct the reservoir.

Binchang mining area; coalbed methane well; fracturing effect; influencing factor; gray relational analysis

吴信波(1989—)，男，硕士，助理工程师，主要从事煤层气开发研究工作。邮箱：wuxinbo@cctegxian.com.

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