高能氣體壓裂技術(shù)在云南恩洪盆地煤層氣開發(fā)中的試驗應(yīng)用

王建中

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

高能氣體壓裂技術(shù)在云南恩洪盆地煤層氣開發(fā)中的試驗應(yīng)用

王建中

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

恩洪盆地煤層氣資源豐富,但煤儲層滲透率低、水敏性強,開發(fā)難度大。采用水力加砂壓裂技術(shù)對煤層氣井進(jìn)行增產(chǎn)改造效果不理想,因此提出并開展了高能氣體壓裂技術(shù)在煤層氣開發(fā)中的試驗應(yīng)用,以期在煤儲層中產(chǎn)生和形成多裂縫體系,同時產(chǎn)生較強的脈沖震蕩作用于地層,改善和提高煤層導(dǎo)流能力。本文介紹了高能氣體壓裂技術(shù)在B井煤儲層改造上的試驗應(yīng)用,分析了作用機理、工藝設(shè)計等,并提出了今后的研究方向,對探索我國煤層氣有效開發(fā)的新途徑具有重要的意義。

煤層氣 高能氣體壓裂 工藝設(shè)計 試驗應(yīng)用

Abstract:The coalbed methane resoureces are abundance in Enhong Basin.Where for the coal reservoir’s low permeability and high water sensitivity,the development meets much difficult.The regular hydrofracture has little effect on the reservoir stimulation,so the high-energy fracture were experimented and applied in the development of CBM in of the formation of multi-fractures in the coal reservoir,as well as producing pulse shock on the stratum to improve the coal reservoir’s flow conductivity.This paper introduces the application of high-energyfracture in the coal reservoir stimulation of Well B,and also analyzes high-energyfracture’s action mechanism and technical design method.It proposes the research orientation of the kind technic.It is important on exploring new way to develop CBM effectively in China.

Keywords:CBM;high-energy fracture;technical design;application

恩洪盆地面積約620km2,含煤地層為上二疊統(tǒng)宣威組(P2x),共含煤18～73層,含氣量7.23～10.6m3/t,故煤層氣資源豐度較高、儲量較大。但是,由于地處于濱太平洋構(gòu)造系與特提斯構(gòu)造系的交接復(fù)合帶,盆地內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,其間向、背斜密集展布,并且被壓扭、壓性主干斷裂分隔,以及眾多伴及派生的斷裂穿插切割[1];造成煤儲層原生結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,滲透性極差。

因此,為改善煤儲層的導(dǎo)流能力,獲取理想的煤層氣產(chǎn)能,先期施工的A井對煤儲層進(jìn)行了水力加砂壓裂,但最大日產(chǎn)氣量僅700余m3,而且產(chǎn)量遞減非?？?。分析主要原因是目的煤層含水性弱(煤田地質(zhì)勘探抽水試驗鉆孔單位涌水量普通低于0.05l/s.m)并且具有很強的吸水性(A井壓裂施工時共注入壓裂液1067.4m3,但歷經(jīng)6個月的排采僅產(chǎn)液460.493m3),煤層吸水變軟,支撐劑嵌入煤層,泄壓后壓裂縫閉合。

與水力加砂壓裂相比,高能氣體多級脈沖加載壓裂能夠減小對煤儲層造成水敏性污染,而且裂縫的延伸方向不受地應(yīng)力控制、可形成多裂縫體系,此外成本也低得多。因此,B井?dāng)M采用高能氣體多級脈沖加載壓裂技術(shù)對煤儲層進(jìn)行改造,以進(jìn)一步探索適合恩洪地區(qū)煤層氣開采的新途徑。

1 B井井況

B井是在恩洪盆地施工的一口煤層氣參數(shù)+生產(chǎn)試驗井,其井況如下:

1.1 井身結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及套管程序(圖1)

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

(1)一開井徑311.15mm,鉆至井深33.63m;下入φ244.5mm表層套管32.92m,固井水泥漿返至地面。

(2)二開井徑215.9mm,鉆至井深670m完鉆;下入φ177.8mm生產(chǎn)套管668.38m,固井水泥漿返至地面,人工井底656.08m。

1.2 目的煤層

B井共鉆遇27層煤,累計厚度24.85m。考慮到煤層含氣量普遍較高,而且含水性極弱,適合多層合采。因此本井?dāng)M對視厚度超過1m的煤層(組)進(jìn)行射孔、壓裂,共計10層(表1)。

表1 B井射孔、壓裂煤層數(shù)據(jù)表

2 多級脈沖加載壓裂技術(shù)

高能氣體壓裂技術(shù)目前在油田上已經(jīng)得到了較廣泛的推廣應(yīng)用,產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,但在煤層氣開發(fā)上進(jìn)行試驗應(yīng)用在我國尚屬首次。根據(jù)煤層氣開發(fā)特點,結(jié)合高能氣體壓裂技術(shù)的作用原理和在油田上的技術(shù)應(yīng)用分析,針對B井井深小于1000m、地層壓力低、煤巖力學(xué)性質(zhì)等特點,研究采用復(fù)合射孔和多級脈沖加載壓裂技術(shù)進(jìn)行煤層壓裂改造試驗,以保證壓裂改造效果,達(dá)到改善儲層導(dǎo)流能力的目的。

2.1 作用機理

多級脈沖加載壓裂復(fù)合技術(shù)作用機理是以多種不同壓裂藥優(yōu)化組合匹配,使其燃燒產(chǎn)生的大量高溫高壓氣體作為氣動力,通過特殊控制技術(shù),逐級隔斷燃燒,有序釋放,形成多個高壓脈沖波(多個峰值壓力),通過射孔層段的孔眼通道進(jìn)入地層,對地層實施多次連續(xù)高壓脈沖波沖擊加載壓裂,使地層產(chǎn)生和形成多條更長的裂縫體系,提高溝通天然裂縫的幾率,擴大有效的滲流半徑,以提高地層滲透性能,達(dá)到油氣井增產(chǎn)的目的[2]。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

耐壓:50MPa;耐溫:120℃;外徑:70mm,90mm;點火方式:撞擊點火。

2.3 設(shè)計原理

根據(jù)高能氣體壓裂技術(shù)藥量設(shè)計方法,多級脈沖加載壓裂每級峰值壓力計算公式[6]:

式中 m(i)——i級裝置;

f(i)——I級火藥力,J/g;

φ(i)——I級達(dá)到峰值壓力時火藥燃燒的百分?jǐn)?shù),取0.5～0.6;

α(i)——I級火藥余容;

P0——壓檔水柱壓力(每級認(rèn)為不變);

V0——燃燒時形成的空腔,一般清水壓擋套管空腔為35m,泥漿壓擋為20m。

計算每組多級脈沖加載壓裂設(shè)計藥量,確定裝藥結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計。

3 B井煤儲層射孔、多級脈沖壓裂工藝設(shè)計

針對B井較淺,射孔和壓裂的層多、層薄、夾層較多、間距較大等特點,進(jìn)行施工工藝設(shè)計。

3.1 射孔工藝

為了保證煤層射孔壓裂效果和達(dá)到工藝設(shè)計要求,在煤層射孔方案設(shè)計上,設(shè)計采用四次分組層施工方案,89槍配102彈并配壓裂彈復(fù)合作用,以保證射孔設(shè)計要求和提高射孔效果。根據(jù)井況采用多級起爆工藝,滿足射孔設(shè)計要求。

3.2 多級脈沖壓裂工藝

在多級脈沖壓裂工藝上,設(shè)計分四組層進(jìn)行四次壓裂施工,采用2～3級脈沖壓裂,以保證壓裂效果。由于首次在煤層氣井進(jìn)行多級脈沖壓裂,從井況、安全、工藝效果等因素考慮,設(shè)計分組層多級脈沖壓裂方案,確保每層達(dá)到壓裂效果,設(shè)計最大峰值壓力58MPa。首次脈沖壓裂時井口油管關(guān)閉預(yù)留4～5mm縫隙泄壓,以利于套管保護(hù)和井口安全,根據(jù)現(xiàn)場施工情況逐步調(diào)整至全封閉壓裂,以提高能量利用率和壓裂效果。

3.3 煤儲層保護(hù)措施

實施多級脈沖壓裂,必須有壓井液壓井。在煤層壓井液保護(hù)煤層方面,針對煤層地質(zhì)特征,應(yīng)充分考慮煤儲層的保護(hù)措施,選擇相匹配的壓井液如乙醇、活性水等,壓井液避免對煤層氣的傷害或者二次污染。

3.4 安全預(yù)案措施

針對B井為首次進(jìn)行多級脈沖壓裂現(xiàn)場試驗,結(jié)合現(xiàn)場要求,我們制定了B井復(fù)合射孔多級脈沖壓裂試驗施工預(yù)案,確保了施工工藝的安全和工藝成功。

表2 多級脈沖加載壓裂施工設(shè)計

4 現(xiàn)場試驗應(yīng)用

4.1 射孔壓裂

根據(jù)射孔及多級多脈沖壓裂施工設(shè)計方案,在B井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗應(yīng)用,首先完成了射孔施工,射孔發(fā)射率為100%。隨后完成了多級多脈沖壓裂施工,分四個層組進(jìn)行(表2)。為保證安全和工藝的成功,施工工藝由開始的預(yù)留4～5mm縫隙泄壓,至完全井口封閉式壓裂,大大的提高了多脈沖壓裂效果,也驗證了全封閉的安全性,為高能氣體壓裂在煤層氣的應(yīng)用試驗研究提供了寶貴的經(jīng)驗。對煤儲層進(jìn)行多級脈沖加載壓裂后,在井筒充滿壓井液(5%KCL溶液)的情況下,放噴管線點火火苗約0.5m,燃燒持續(xù)20min火力不減,證明高能氣體壓裂可以有效地壓開煤儲層。

4.2 排采結(jié)果驗證

B井排采結(jié)果非常不理想,在液面降至21#煤層以下后,最高日產(chǎn)氣量僅18.43m3。在排采期間以2mm油嘴排氣,套壓一直為0;關(guān)井半個月,套壓僅升至0.24MPa。

5 結(jié)論與建議

(1)現(xiàn)場試驗證明,把高能氣體壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤層氣開發(fā)的研究思想是可行的,對我國煤層氣的開發(fā)有重要的現(xiàn)實意義。

(2)多級脈沖壓裂現(xiàn)場工藝試驗應(yīng)用,從5mm噴油嘴泄壓逐步調(diào)整至全封閉壓裂,以提高能量利于率和壓裂效果取得成功,為進(jìn)一步開展煤層氣高能氣體壓裂技術(shù)研究打下了基礎(chǔ)。

(3)針對B井煤儲層厚度小、層多、夾層厚等特點,設(shè)計分層(組)多級脈沖壓裂方案,并且適當(dāng)?shù)脑黾恿搜b藥量,保證了施工工藝的成功,確保了每層(組)的壓裂效果。

(4)排采效果并不理想,分析原因是由于沒有加入支撐劑,隨著液面的下降井底壓力降低,壓裂縫重新閉合。

(5)利用高能氣體可以形成多裂縫體系的特點,在水力加砂壓裂前先用高能氣體進(jìn)行預(yù)壓,可以產(chǎn)生更好的增產(chǎn)效果。

(6)針對煤層巖性特點,進(jìn)一步開展高能氣體壓裂的優(yōu)化設(shè)計方法、適用性試驗、裂縫延伸和不閉合條件等研究,以及液體火藥煤氣層壓裂應(yīng)用研究等,為我國的煤層氣開發(fā)探索新的有效技術(shù),具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

[1] 桂寶林等,黔西滇東煤層氣地質(zhì)與勘探,2001.1.

[2] 吳晉軍等,多級強脈沖加載壓裂技術(shù)的試驗研究與應(yīng)用[J].石油礦場機械,2005.Vol,No.1.

The Application of High-energy Gas Fracture Technique in the Development of CBM in Enhong Basin of Yunnan Province

Wang Jianzhong
(China United Coalbed Methane Corp.,Ltd,Beijing 100011)

王建中,男,工程師,中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司。

(責(zé)任編輯 趙國泉)