煤層氣開發(fā)壓裂技術(shù)在沁水煤田的實(shí)踐與應(yīng)用

侯景龍，劉志東，劉建中

(1.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)公司壓裂大隊(duì)，黑龍江 大慶 163712;2.北京科若思技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100083)

煤層氣開發(fā)壓裂技術(shù)在沁水煤田的實(shí)踐與應(yīng)用

侯景龍1，劉志東1，劉建中2

(1.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)公司壓裂大隊(duì)，黑龍江 大慶 163712;2.北京科若思技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100083)

針對(duì)煤層氣特點(diǎn)以及開發(fā)過程中壓裂工藝技術(shù)存在的問題，研究了一項(xiàng)以套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術(shù)。該技術(shù)在山西沁水盆地SH煤田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐了6口井，并獲得成功，壓后正處于排水階段，出氣效果明顯。

煤層氣;節(jié)理;吸附;清水壓裂

1 前言

煤層氣是一類生成、儲(chǔ)集都在煤層及其圍巖中，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙或溶解于煤層水中的烴類非常規(guī)天然氣體，主要成分是甲烷，是近年來崛起的優(yōu)質(zhì)潔凈新能源。我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，煤層氣資源豐富。開發(fā)利用好煤層氣資源，可以從根本上消除煤礦生產(chǎn)中的瓦斯爆炸災(zāi)難，減少因大量瓦斯排放造成的環(huán)境污染，彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)能源的不足，具有十分重要的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)意義。

20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)、加拿大、澳大利亞先后在煤層氣開發(fā)方面取得成功。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)煤層氣井產(chǎn)量低、產(chǎn)量遞減快，其主要原因是煤層低滲透、解吸速度慢，煤層氣在儲(chǔ)層中運(yùn)移困難，必須經(jīng)過壓裂改造才能獲得穩(wěn)定的氣源。目前，已經(jīng)成型的煤層氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)主要有線形膠加砂壓裂技術(shù)、活性水加砂壓裂技術(shù)、液氮泡沫壓裂技術(shù)和二氧化碳泡沫壓裂技術(shù)。針對(duì)目標(biāo)區(qū)煤層的特點(diǎn)，筆者研究開發(fā)了一項(xiàng)以套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術(shù)。該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用并獲得成功，取得了良好的效果。

2 煤層氣開發(fā)壓裂工藝技術(shù)

2.1 煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)

煤層氣成藏機(jī)理復(fù)雜，儲(chǔ)層基質(zhì)具有明顯的低孔、低滲［沁水煤田一般情況為1 mD(注:1 D=0.986923 ×10－12m2)以下］特點(diǎn);煤巖較軟，其楊氏模量為1135～4602 MPa，一般在3000 MPa左右;泊松比變化無明顯規(guī)律，為0.18 ～0.42，平均為 0.33;楊氏模量小而泊松比大易產(chǎn)生形變;節(jié)理、裂縫極其發(fā)育。另外，煤層是一個(gè)具有很強(qiáng)吸附能力的介質(zhì)，極易受到傷害，吸附外來流體后會(huì)引起煤層孔隙的堵塞和基質(zhì)的膨脹，嚴(yán)重影響產(chǎn)氣量。

2.2 煤層氣賦存機(jī)理

煤層氣以三種狀態(tài)存在于煤層中，即吸附態(tài)、溶解態(tài)、游離態(tài)，三態(tài)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡中;吸附態(tài)占70% ～95%，游離態(tài)占5% ～20%，溶解態(tài)極少;可以說煤層氣主要以分子形態(tài)吸附在煤巖裂隙和基質(zhì)內(nèi)表面，吸附量的大小與儲(chǔ)層氣體壓力正相關(guān)，可用朗格繆爾等溫吸附方程來描述［1］:

式(1)中，C(P)為吸附氣體質(zhì)量;VL為朗格繆爾體積，是最大吸附氣體質(zhì)量;PL為朗格繆爾壓力，是達(dá)到最大吸附氣體質(zhì)量二分之一時(shí)的氣體壓力;P為儲(chǔ)層煤層氣壓力。

由式(1)可以看出，只有降低儲(chǔ)層氣體壓力，才能有大量煤層氣析出，形成工業(yè)氣流。壓裂、排水是降低儲(chǔ)層氣體壓力、形成采氣通道的最好方法。

2.3 工藝難點(diǎn)

針對(duì)以上煤層特征，壓裂增產(chǎn)改造中存在以下技術(shù)難點(diǎn)［2］:

1)節(jié)理、裂縫發(fā)育，造成壓裂液效率低、濾失增加，易造成砂堵而使施工停止;

2)儲(chǔ)層基質(zhì)低孔、低滲，常規(guī)的水基線性膠壓裂液易破膠后形成殘?jiān)瑢?duì)煤層造成傷害;

3)裂縫中煤屑的產(chǎn)生增加了液體的阻力并使裂縫端部堵塞;

4)煤巖較軟，人工裂縫形態(tài)復(fù)雜，形成的裂縫不規(guī)則，易形成T形或I形裂縫，施工中壓力會(huì)升高，不利于加砂［3］(見圖1)。

圖1 煤層T形(a)和I形(b)裂縫形態(tài)Fig.1 T shaped(a)and I shaped(b)fracture in coal seam

2.4 工藝技術(shù)

根據(jù)以上該儲(chǔ)層壓裂的技術(shù)難點(diǎn)，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外煤層氣增產(chǎn)改造工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)施工過程中的壓力易升高、加砂困難問題，對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施是大排量，提高凈壓力，保證足夠縫寬，形成復(fù)雜裂縫;針對(duì)儲(chǔ)層強(qiáng)吸附性易傷害的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施是清水?dāng)y砂，提高砂比，保證規(guī)模，以求長(zhǎng)期導(dǎo)流效果，研究應(yīng)用了以套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術(shù)［4］。

該工藝特征:

1)施工排量保持在 7.5 ～8.5 m3/min，遠(yuǎn)大于油田壓裂施工排量;

2)單層最大規(guī)模加砂達(dá)到45 m3，平均砂比為7.4% ～8.5%，最高砂比為15% ～18%;

3)主加砂前采用粒徑為0.15～0.30 mm的細(xì)砂進(jìn)行預(yù)處理，支撐劑為粒徑為0.45～0.90 mm的蘭州砂;

4)存在多個(gè)煤層時(shí)采用填砂分層單壓工藝;

5)壓裂液為活性水，其中加入一定量的活性劑、殺菌劑，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得表面張力為26.9 mN/m、界面張力為1.9 mN/m，對(duì)煤芯傷害率低于15%，腐生菌、鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌三類細(xì)菌數(shù)量均為零，數(shù)據(jù)表明該體系具有傷害率低、返排能力良好、避免二次傷害的特點(diǎn)，保證活性水與煤層配伍。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

該項(xiàng)配套工藝技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)綜合應(yīng)用，在SH煤田進(jìn)行了6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，施工順利完成，施工一次成功率達(dá)到100.0%(見表1)。對(duì)于煤層較薄、煤層非均質(zhì)性嚴(yán)重、局部構(gòu)造影響強(qiáng)烈的儲(chǔ)層，現(xiàn)場(chǎng)采用調(diào)整施工排量、延長(zhǎng)中低砂比注入時(shí)間甚至及時(shí)停砂等綜合配套措施，有效提高了施工成功率，保證了壓裂改造施工的完成。

例如，SHx－156井目的層3號(hào)煤層，設(shè)計(jì)加砂量為 35.0 m3，施工完成時(shí)共注入液體 572.0 m3，加入石英砂 35.0 m3(0.15 ～0.30 mm 石英砂 5.0 m3，0.45 ～ 0.90 mm 石英砂 30.0 m3)，破裂壓力為10.2 MPa(見圖2)。裂縫監(jiān)測(cè)表明:主縫北東東向;有4個(gè)支縫，分別為北東向、北西向、東西向;主縫東西向;裂縫的底部顯示出水平裂縫的趨勢(shì);監(jiān)測(cè)裂縫符合煤層氣壓裂多裂縫、裂縫形態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)［5］(見圖3)。進(jìn)水裂縫長(zhǎng)度為133.3 m。壓后每天產(chǎn)氣3466 m3。

表1 煤層氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工統(tǒng)計(jì)表Table 1 Construction statistics for CBM hydraulic fracturing field test

4 結(jié)語

圖2 SHx－156井3號(hào)煤層壓裂施工曲線Fig.2 Construction curve for No.3 layer of SHx－156 Well CBM hydraulic fracturing

圖3 SHx－156井3號(hào)煤層裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Monitoring result for No.3 layer crack of SHx－156 Well CBM hydraulic fracturing

1)壓裂施工改造是開采煤層氣的重要方法，以套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術(shù)基本滿足了沁水煤田煤層氣對(duì)壓裂改造的技術(shù)需求。

2)目前該工藝技術(shù)還不完善，在施工參數(shù)優(yōu)化、支撐劑鑲嵌評(píng)價(jià)等方面有待于在今后的研究應(yīng)用中進(jìn)一步探索完善。

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的6口井，經(jīng)過壓后排水階段，目前已經(jīng)規(guī)模產(chǎn)氣，但最終產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)還需要時(shí)間才能獲得。該壓裂工藝技術(shù)在煤層氣開采中有廣泛的應(yīng)用前景。

4)微地震壓裂監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，煤層氣壓裂裂縫形態(tài)復(fù)雜，多裂縫，存在T形、I形裂縫。

［1］趙 旭，王毅力，郭瑾瓏，等.顆粒物微界面吸附模型的分形修正——朗格繆爾LANGMUIR、弗倫德利希FREUNDLICH和表面絡(luò)合模型［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(1):52 －57.

［2］郭大立，紀(jì)祿軍，趙金洲，等.煤層壓裂裂縫三維延伸模擬及產(chǎn)量預(yù)測(cè)研究［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2001，22(4):5 －10.

［3］郝艷麗，王河清，李玉魁.煤層氣井壓裂施工壓力與裂縫形態(tài)簡(jiǎn)析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(3):21 －22.

［4］修書志，江新民.煤層壓裂工藝技術(shù)初探［J］.油氣井測(cè)試，1999(1):51－55.

［5］劉建中，孫慶友，徐國(guó)明，等.油氣田儲(chǔ)層裂縫研究［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2008:67－82.

Application of hydraulic fracturing techniques for CBM wells in Qinshui coal field

Hou Jinglong1，Liu Zhidong1，Liu Jianzhong2

(1.Fracturing Group of Down －h(huán)ole Work Department of Daqing Oil Field Co.，Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163712，China;2.Beijing Traverse Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100083，China)

According to the CBM(coal bed methane)features and possible difficulties in fracturing techniques，a new hydraulic fracturing method with casing injection，high output and activated water carrying sand was developed.It showed great effect in the Qinshui coal field.

CBM(coal bed methane);natural joint;adsorption;hydraulic fracturing

TD82

A

1009－1742(2011)01－0089－04

2009－11－26

侯景龍(1974—)，男，河南長(zhǎng)垣縣人，工程師，從事壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)工作;E－mail:houjl74@163.com