任贵阳，王信通

(1.河南省资源环境调查二院，洛阳 471203；2.河南省压裂工程技术研究中心，洛阳 471000)

1 研究背景

不同煤阶煤的物理特性差异较大，决定了煤层气赋存地质特征也各不相同，而且在不同区域，由于物理化学条件产生的作用不同，使得同一煤阶煤在煤层气生成机理与赋存条件存在很大的差异，这些因素直接影响到煤层气吸附与解析特征，决定着煤层气的开发技术、工艺[1-4]。

目前，我国的煤储层改造技术主要以水力压裂为主，其他工艺也在不断应用与改进发展[5]。常规水力压裂技术、洞穴完井工艺、多分支水平井技术等针对我国部分煤储层特点，在一定范围的煤层气开发上取得了成功，但也存在着明显的局限性。因此，针对我国煤储层特点，探索适合我国煤储层特点的煤层气开采工艺技术势在必行[6-10]。

空气动力煤储层改造技术是近几年发展起来的一种煤储层新技术方法，有着独特的储层改造方式与效果，它对我国广泛分布的中低阶煤与碎粒煤、碎裂煤煤层气的开发起到了积极的推动作用，在一定程度上，解决了我国中低阶煤煤层气开发的技术难题。从空气动力煤储层改造技术理论的形成与工艺研发，初步应用试验，到工艺技术体系的形成，经过近几年来的应用研究，已取得了很大的进步，但如何使这种工艺技术更好地应用于煤储层改造，更好发挥其改造效果，还需要得益于该项工艺技术的不断发展、改进与完善[11-14]。

2 煤储层空气小压裂的作用

2.1 煤储层空气小压裂原理

实施煤储层空气小压裂的主要目的是要在煤储层中形成裂缝，为气体动力改造创造条件。煤储层气体动力改造作业前的小型压裂是在地面利用高压变量泵通过井口装置与管线将清水(加入2%KCl)以超过地层吸收能力的排量注入井中，在储层部位憋起高压，即在地层中产生裂缝，液体进入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸，在煤储层中形成了具有一定长度、宽度与高度的裂缝[15-18]。

与常规水力压裂不同的是煤储层空气小压裂使用的介质是清水，不需要加入支撑剂，而且设备配置简单，操作简便，作业成本低。空气动力改造配合煤储层空气小压裂是发挥气体动力改造工艺优势，提高改造效果的有效方法。但是，煤储层空气小压裂主要还是针对原生结构保存好、强度高的煤储层，对于碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等构造煤的气体动力改造就不需要进行改造前的小型压裂。

2.2 煤储层空气小压裂的作用

煤储层空气动力改造作业前的小型压裂不同于压裂施工前的小规模压裂，它不需要有大型的施工设备、大量的压裂液储备与支撑剂，也不同于煤气井注入/压降试井，它不需要有精度较高的数据观测记录仪表及严格的操作要求，但是它具有获取煤储层相关参数，粗略评价煤储层特性与改造难易程度，也具有压开煤层，在井周及其一定范围内产生大量裂隙，为后续空气动力改造创造更好的条件，以便发挥气体动力改造的优势(图1)。

图1 煤储层气体动力改造井模型Figure 1 Coal reservoirgas dynamic transformation well model

2.3 空气小压裂对煤储层参数的测试

煤储层空气小压裂与储层参数测试为小排量不加支撑剂的压裂与测试，采用不下入井内管柱、以井口压力变化观测数据换算至储层中点压力变化数据来分析地层参数。根据压裂液排量注入变化方式，小压裂与测试可以分为升排量泵注方式、降排量泵注方式、稳定排量泵注方式、平衡泵注方式、压降测试方式。

1)升排量泵注方式。采用阶梯提升排量的泵注方式，一方面可以实施对煤储层的小型压裂，另一方面可以利用排量-压力的对应关系计算获取地层破裂压力参数，为后续压裂设计提供依据。

2)降排量泵注方式。采用阶梯降低排量的泵注方式，一方面可以实施对煤储层的小型压裂，另一方面可以利用排量-压力的对应关系计算获取地层相关参数，为后续压裂设计提供依据。

3)稳定排量泵注方式。采用稳定排量的泵注方式，一方面可以实施对煤储层的小型压裂，另一方面可以利用排量-压力的对应关系计算获取地层裂缝延伸压力及相关参数，为后续压裂设计提供依据。

4)平衡泵注方式。在降排量泵注的最后一个阶段，采用稳定低排量的泵注方式使井筒压力达到平衡的压裂与测试，一方面可以实施对煤储层的小型压裂，另一方面它可以准确地获取煤层的闭合压力参数。

5)压降测试方式。压裂停泵后继续观测一定时间内压降数据，利用时间-压力的对应关系计算获取地层裂缝闭合压力、渗透率及其他相关参数。

3 煤储层空气小压裂工艺技术方法

3.1 作业流程

3.1.1 基础资料准备

1)井的基本数据：包括钻井、井身结构、固井等基本数据，以及井径扩大率、井斜等数据。

2)煤层数据：包括煤层名称、深度、厚度与结构、倾角、顶板与底板厚度及岩性等。

3)钻井液资料：包括类型、比重、黏度、含砂量与pH值。

3.1.2 设备检查

对压裂与测试用的仪表、泵、装置进行检查、保养，保证能够正常运行。

3.1.3 施工步骤

1)安装井口装置、观测仪表，连接地面管线、压井管汇等。

2)地面试压：试压压力应大于设计的地面最大注入压力，稳压20mim为合格。

3)根据设计的注入方式注入液体、关井等操作。

4)完成小型压裂与测试操作，拆除相关设备。

3.2 数据录取

1)数据记录方式：采用高精度可存储式电子压力计、电子流量计、电子温度计观测录取数据。

2)需要录取的数据：井口压力变化数据、注入液体流量与注入量、大气温度与液体温度，以及对应的时间。

3)应当选用精度较高的数据记录仪表，录取数据的精度应当满足分析计算地层相关参数要求，以精确地获取空气动力改造前煤储层的参数，为后续施工参数设计提供参考。

3.3 数据分析与评价

采用具有小型测试分析功能的软件对获取的数据进行分析与解释，获得关于煤储层特征的参数，如储层压力、储层渗透率、破裂压力、裂缝闭合压力等数据，一方面为气体动力改造施工参数设计提供依据，指导空气动力改造作业，另一方面可以数据对比，分析改造效果，以进一步优化、调整作业参数。

4 煤储层空气小压裂设备配置

煤储层空气小压裂所使用的设备包括井口装置、高压变量泵、压井管汇、高压管汇、观测仪表及其他辅助设备。其中，井口装置、压井管汇、地面高压管汇、与观测仪表是与空气动力改造作业设备共用，通过阀门控制调整用于在小型压裂作业或空气动力改造作业。高压变量泵是专门为小型压裂配置的设备，仅用于煤层小型压裂。本节主要对小型压裂使用的高压变量泵、观测仪表进行叙述。

4.1 高压变量泵

高压变量泵是小型压裂的关键设备，其注入压力要大于设计的最高压力，注入排量可以根据需要进行调整，以满足作业要求。高压变量泵技术要求如下：

1)排量稳定的三缸以上柱塞泵，额定压力不小于21MPa，额定排量0～200L/min。

2)动力设备：功率大小应与高压变量泵相匹配，持续工作时间不小于24h。

瓦斯压力(含量)是一项十分重要的标志突出危险性大小的指标，由于测定条件和管理等因素的影响，绝大部分煤层区域没有实测瓦斯压力参数，此时就必须根据具体的条件和瓦斯压力分布规律，采用一定的预测模型预测出煤层各处的瓦斯压力，绘制瓦斯压力等值线，为突出危险区域划分和工作面前方突出危险性大小提供依据。

4.2 电子压力计

电子压力计是记录井口压力变化的主要仪表，应当选择选择高精度电子压力计，以实时准确录取压力数据。其技术要求如下：

1)压力量程：不小于30MPa。

2)温度量程：-25～100℃。

3)数据记录点：不低于30 000组。

4)精确度：不低于0.025%FS。

5)温度分辨率：不低于0.01℃。

6)压力分辨率：不低于0.001MPa。

4.3 电子流量计

电子流量计是记录注入液体排量的关键仪表，要求能够实时准确记录、显示注入流量，记录精度不低于1%FS。

5 煤储层空气小压裂技术要求

1)压裂液的选择:对于煤层，为了防止和降低水敏伤害，抑制储层中黏土矿物水化膨胀，注入液体一般选用浓度为2%的KCl水溶液。

2)注入排量的控制:由于煤岩层具有弹性模量低、较软、易碎等特点，压裂时容易产生多裂缝，因此要适当控制注入排量，尽量避免产生多裂缝，以便形成主裂缝。同时，由于煤岩层滤失严重，要形成主裂缝，注入排量一定要高于滤失速度。

3)注入量的控制:根据煤储层特性及确定的压裂与测试方法，升排量注入方式要求注入液体的体积为20～50m3；稳定排量注入方式要求注入液体的体积为20～40m3；降排量注入方式要求注入液体的体积为5～15m3；平衡排量注入方式要求注入液体的体积为5～10m3。同时，要保证裂缝具有一定的长度，注入液体的量要有一定的要求，不能太少。

4)注入排量与时间:升排量注入：宜分6～9个阶段阶梯提升排量，其中应有低于破裂压力下的排量阶段不少3个，第一个排量应选取最低排量泵车采用最小的排量进行；高于破裂压力下的排量阶段不少于3个。每排量阶段注入时间1～2min。定排量注入：根据煤层厚度、煤层渗透率确定，排量尽可地大，稳定排量测试时间3～5min。降排量注入：宜分3～5个阶段阶梯降低排量，每降低一次排量，持续10～15s的注入时间。平衡测试注入：降排量测试的最后一个阶段将排量降低到0.5～1.0m3/min，稳定泵注至压力曲线趋于平稳或出现上升趋势时，即可停泵测压降。

5)压降测试时间:在进行压降测试时，停泵后观测压降时间不应少于60min。

6 结论

储层压裂改造作业之前都是要进行小规模压裂，以用于测试地层压裂的难易程度和压裂液的适应性，同时也用于确定诸如储层破裂压力、裂缝闭合压力、裂缝延伸压力、液体摩阻、滤失系数等参数，为主压裂设计和施工提供重要参考依据，煤储层的压裂改造同样存在主压裂前的小型压裂测试。

由于气体具有可压缩性，在高压状态下，气体通过渗流作用很容易渗透到煤层，对于原生结构保存较好且强度大破碎裂压力高、剪切应力与压应力高的煤储层，通过气体的扩张作用使煤层直接产生一些新的裂隙是存在一定困难的，因此，借助于煤储层空气动力改造前的小型压裂，使煤层在井周及井周一定范围内产生较多的裂隙，并在此基础上实施对煤储层的空气动力改造，会取得事半功倍的效果。