沁水盆地煤層氣水力壓裂投產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化

郭軍峰 田 煒 李雪琴 毛生發(fā) 孫九江

(中國(guó)石油股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣是一種由煤源巖生成并直接吸附于其上, 以吸附、游離和溶解三態(tài)存在于煤層中的非常規(guī)天然氣。針對(duì)沁水煤層氣田復(fù)雜的儲(chǔ)層類型和氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征, 為了提高單井產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)能力, 為進(jìn)一步合理開發(fā)提供前期準(zhǔn)備, 對(duì)水力壓裂工藝進(jìn)行改造, 是沁水煤層氣田開發(fā)的有效途徑。因此必須在研究沁水煤層氣田氣藏基本特征、儲(chǔ)層敏感性因素和壓裂施工影響因素的基礎(chǔ)上優(yōu)化壓裂施工參數(shù), 最終確定沁水煤層氣田井區(qū)最優(yōu)化的壓裂工藝。

煤層氣開發(fā)初期由于對(duì)煤層壓裂技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足, 壓裂施工主要借鑒廊坊分院的壓裂施工方法進(jìn)行施工。此階段施工成功率較低, 5%的井第一次壓裂未成功; 多數(shù)井產(chǎn)量低, 產(chǎn)氣效果不理想。壓裂60 多口井, 壓裂液以活性水為主, 少數(shù)井選用清潔液壓裂。從總體效果來看, 這些井的產(chǎn)氣效果不理想。因此, 需要對(duì)壓裂工藝技術(shù)進(jìn)行探索、試驗(yàn)。通過前期壓裂井效果評(píng)價(jià), 以及對(duì)煤層物理、力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)可看出： 煤巖由于具有與砂巖、灰?guī)r等油層巖石不同的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì), 所以必須適當(dāng)提高施工排量, 才能增加有效裂縫的延伸長(zhǎng)度, 保證施工的成功率; 由于總注入液量偏低, 對(duì)煤層的改造效率較低, 人工影響改造范圍較小。所以適量增加總注入量, 可以擴(kuò)大改造范圍, 提高壓裂的改造效率。

2 煤層氣氣藏基本特征

山西組3#煤在鄭莊- 樊莊區(qū)塊內(nèi), 厚度在4．06～7．19m 之間, 一般在4．5～6．5m 左右。3#煤層的含氣飽和度幾乎均在70%以上, 平均87．9%。本區(qū)煤巖具有很高的含氣飽和度。

根據(jù)巖心觀察, 該區(qū)塊3#煤層割理發(fā)育密度為530～580 條/m, 屬于高密度割理發(fā)育區(qū), 割理寬約lμm, 充填不明顯。掃描電鏡觀察, 本區(qū)煤巖中發(fā)育的裂隙寬度一般在5～10μm, 個(gè)別寬10～100μm, 裂縫連通性好, 為充填或半充填, 充填物少。3#煤層的滲透率為0．014～3．43×10-3μm2, 大部分小于0．5 ×10-3μm2, 屬于低到中等滲透率,具有一定的滲透條件。

該區(qū)煤層埋藏淺, 煤層溫度低。煤層氣勘探深度500 ～600m 范 圍 內(nèi), 煤 儲(chǔ) 層 溫 度 為22．72 ～26．48 ℃。該區(qū)地處北方, 恒溫帶深度50m 左右,溫度約17 ℃, 區(qū)域上地溫梯度多在1．3～2．5 ℃/100m之間。根據(jù)樊莊區(qū)塊煤層氣勘探測(cè)溫資料,地溫梯度約為1．5 ℃/100m, 地溫梯度較低, 屬于低溫異常區(qū)。

注入/壓降試井測(cè)試, 該區(qū)煤儲(chǔ)層壓力為2．77～4．76MPa, 平均3．73MPa, 儲(chǔ)層壓力梯度為0．6～0．8MPa/100m。其中, 3#煤層儲(chǔ)層壓力為2．77～4．20MPa, 平均3．48MPa, 儲(chǔ)層壓力梯度平均 為0．67MPa/100m。壓力較低, 為低壓煤層氣藏。

3 以往壓裂工藝技術(shù)及難點(diǎn)分析

3#煤層前期壓裂資料是認(rèn)識(shí)該地區(qū)儲(chǔ)層、評(píng)價(jià)壓裂效果最直接最有效的技術(shù)手段之一。通過對(duì)前期壓裂施工資料的統(tǒng)計(jì)分析, 可以評(píng)價(jià)該地區(qū)壓裂效果影響較大的因素和影響規(guī)律, 為后續(xù)的壓裂規(guī)劃提供參考。

3．1 施工規(guī)模

壓裂液使用活性水, 壓裂液用量在300～750m3之間, 加砂量30～60m3, 施工排量是2～8m3/min,平均砂比5．4%～23%。在煤層氣井壓裂中, 相對(duì)用液量比較大, 施工排量較高, 砂比不是很高的井, 其產(chǎn)量很好。說明在煤層氣井壓裂中應(yīng)盡可能的對(duì)煤層自身存在的裂隙進(jìn)行溝通, 而不是單純的加砂, 支撐裂縫。

3．2 施工壓力

破裂壓力在9．6～32．3MPa, 壓裂破裂壓力變化幅度大, 說明各井的巖石物性差異較大, 儲(chǔ)層在平面上的非均質(zhì)性較強(qiáng)。

3．3 煤層裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)統(tǒng)計(jì)的裂縫方位及縫高數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn), 試驗(yàn)區(qū)的煤層壓裂裂縫形態(tài)主要表現(xiàn)為： 水平縫、垂直縫、先水平縫后垂直縫、兩冀不對(duì)稱縫 (一冀為垂直縫, 一冀為水平縫) 4 種類型, 而且煤層所產(chǎn)生的裂縫一般首先在井筒附近產(chǎn)生不規(guī)則水平縫, 隨著裂縫的進(jìn)一步延伸, 有的井產(chǎn)生水平縫, 有的井產(chǎn)生垂直縫。

由于煤的特殊性, 其支撐縫半長(zhǎng)一般不超過60～150m。但是我們對(duì)樊莊的壓裂井進(jìn)行了微地震裂縫形態(tài)監(jiān)測(cè)。裂縫的方位是北東東方向?qū)ΨQ, 裂縫長(zhǎng)度在180m, 裂縫高度超出了煤層厚度。并且存在多裂縫的現(xiàn)象。

通過對(duì)壓裂施工井進(jìn)行總結(jié)分析在煤層氣井壓裂中, 使用活性水壓裂液, 由于濾失的影響, 相對(duì)用液量比較大; 多重水力裂縫的出現(xiàn)使壓裂過程中, 裂縫前進(jìn)的流體流動(dòng)阻力增大, 從而出現(xiàn)異常壓力值; 施工時(shí)的排量控制, 盡可能的少產(chǎn)生煤粉, 妨礙裂縫擴(kuò)展; 應(yīng)盡可能的對(duì)煤層自身存在的裂隙進(jìn)行溝通, 而不是單純的加砂, 支撐裂縫。

4 壓裂改造工藝優(yōu)化

4．1 優(yōu)選壓裂液體系

煤層巖心壓汞資料, 孔隙度可達(dá)2．90%～10．52%, 以微孔為主, 發(fā)育了少量的中孔和大孔,孔隙中值半徑53．09～93．64μm, 這一孔隙特征導(dǎo)致煤的孔隙比表面積增大, 吸附能力非常強(qiáng), 壓裂液對(duì)煤層的傷害也就相應(yīng)的增大, 所以煤層氣井壓裂必須考慮壓裂液對(duì)煤層的傷害。壓裂液對(duì)煤層傷害的主要原因有兩個(gè)方面： 一方面是自來煤層本身的特性, 另一方面是來自壓裂液中的化學(xué)材料對(duì)煤層的傷害。煤層氣壓裂液常用的壓裂液有： 活性水、清潔壓裂液等?；钚运鍧崏毫岩簩?duì)煤巖滲透率的相對(duì)傷害率分別是3．2%、26%。

由于煤層總的隔理孔隙度僅為1～2%, 即使壓裂液的吸附導(dǎo)致基質(zhì)的極輕微的膨脹, 也會(huì)導(dǎo)致隔理孔隙度及滲透率的相對(duì)大的下降。并且煤對(duì)液體的吸附和基質(zhì)所引起的膨脹是完全不可逆的。根據(jù)KCL 的吸附特性和對(duì)煤心防膨效果KCL 用量選擇1．0%, 就可滿足要求。

(1) 活性水壓裂液

活性水壓裂液配方： 清水+1．0%氯化鉀。

由于活性水對(duì)煤層污染相對(duì)較輕, 活性水傷害率13．9%。返排時(shí)間不受限制, 甚至可以在排水采氣時(shí)隨地層水一同采出。主要不足是： 攜砂能力相對(duì)較差, 濾失大。排量在5～8m3/min 以上, 壓裂效果較好。

(2) 清潔壓裂液

清潔壓裂液的配方： 0．8%QY- A+0．2%QY-1+1．0%KCL

清潔壓裂液的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)煤層的傷害較小, 攜砂性能比活性水要高, 但是使用清潔壓裂液的壓裂井目前的產(chǎn)氣量并不是很高, 其優(yōu)越性沒有體現(xiàn)。沁水煤層氣田在10～11 月份相對(duì)溫度比較低, 清潔壓裂液要求的溫度最低不得低于15 ℃, 山區(qū)夜間溫度低于所要求的溫度, 液體不能充分的交聯(lián), 影響了煤層氣井壓裂后的效果, 溫度過低, 造成液體不能破膠, 返排困難, 對(duì)地層造成一定的傷害, 影響產(chǎn)能。

4．2 支撐劑的優(yōu)化

支撐劑的選擇也是壓裂施工是否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。支撐劑的篩選應(yīng)注意支撐劑的回流, 支撐劑應(yīng)能深侵煤層以及能夠最大限度地降低煤粉回流。根據(jù)煤層淺, 地應(yīng)力小的特點(diǎn), 采用價(jià)格低廉的天然石英砂。根據(jù)理論分析, 壓裂層的流體產(chǎn)量增產(chǎn)比與施工規(guī)模 (加砂量) 成正比, 故加砂量應(yīng)充分發(fā)揮壓裂液的攜砂能力, 盡量提高砂比和砂量。

對(duì)壓裂支撐劑要求： 選用符合Q/SY125 - 2005標(biāo)準(zhǔn)的φ20/40 目, φ16/20 目天然石英砂。采用的是蘭州石英砂, 對(duì)其物性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對(duì)比如表1。

表1 不同產(chǎn)地的石英砂性能對(duì)比表

圍場(chǎng)石英砂比蘭州石英砂的破碎率要低, 為了增加裂縫導(dǎo)流能力, 是否使用圍場(chǎng)石英砂。對(duì)兩組粒徑的石英砂導(dǎo)流能力測(cè)試, 分別采用兩組支撐劑鋪置濃度： 10kg/m2和15kg/m2, 測(cè)定每個(gè)閉合壓力下導(dǎo)流能力 (為三個(gè)流量下導(dǎo)流能力的平均值) 。見表2、3、4、5。

表2 小粒徑蘭州砂導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果鋪砂濃度(10kg/m2)

表3 小粒徑蘭州砂導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果鋪砂濃度(15kg/m2)

表4 大粒徑蘭州砂導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果鋪砂濃度(10kg/m2)

表5 大粒徑蘭州砂導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果鋪砂濃度(15kg/m2)

實(shí)踐證明, 小粒徑的支撐劑可較好地滿足上述的要求, 尤其是在壓裂初期。隨著壓裂施工的進(jìn)行, 可逐步泵入大粒徑 (40/60 目或者20/40 目)的支撐劑, 以提高裂縫的導(dǎo)流能力, 減少支撐劑的回流。

采用低粘壓裂液時(shí), 小顆粒的支撐劑的優(yōu)點(diǎn)更突出。在低粘壓裂液中, 支撐劑會(huì)很快沉降, 井眼周圍裂縫中將出現(xiàn)支撐劑沉淀層。相比之下, 小顆粒支撐劑的的沉降趨勢(shì)小的多, 因而可以增大支撐劑侵入深度。支撐劑的鋪砂濃度不應(yīng)小于5g/m2。

4．3 確定壓裂規(guī)模

由于煤的特殊性, 其支撐縫半長(zhǎng)一般不超過60～150m, 樊莊試驗(yàn)區(qū)的壓裂資料解釋： 煤層裂縫單翼長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)127m, 最短為8m, 一般為50 -90m?？紤]到注入/降法測(cè)得的煤層滲透率為0．3×10-3～2．0 ×10-3μm2, 模擬的滲透率選擇0．1、0．5、1．0、2．0、5 ×10-3μm2。在不同的滲透率條件下進(jìn)行增產(chǎn)效果的模擬計(jì)算, 結(jié)果如圖1 所示。

圖1 壓裂裂縫半長(zhǎng)與增產(chǎn)倍數(shù)曲線

從模擬結(jié)果可以看出, 壓裂增產(chǎn)倍數(shù)隨裂縫長(zhǎng)度的增大而提高, 且在一定的縫長(zhǎng)范圍內(nèi)增產(chǎn)倍數(shù)提高較快, 而當(dāng)縫長(zhǎng)超過一定數(shù)值之后, 增產(chǎn)倍數(shù)提高速度趨于平緩; 最佳裂縫半長(zhǎng)隨儲(chǔ)層滲透率降低而逐漸增大。考慮沁水盆地煤層的滲透率范圍,裂縫半長(zhǎng)設(shè)計(jì)在100～120m。

4．4 施工參數(shù)控制

統(tǒng)計(jì)樊莊區(qū)塊煤層井壓裂施工參數(shù), 平均加砂33．5m3, 最低砂比7．3%, 最高砂比32．4%, 平均砂比20．7%; 最低施工排量4．0m3/min, 最高施工排量8．0m3/min, 平均施工排量5．7m3/min。

由于近井地帶煤層中多裂縫的產(chǎn)生和煤粉伴隨壓裂液運(yùn)移及部分煤粉對(duì)裂縫前端產(chǎn)生堵塞作用,煤層壓裂的處理壓力梯度往往高于0．0226MPa/m,比常規(guī)儲(chǔ)層壓裂壓力高。而且, 由于壓裂液的注入, 近井地帶原始天然裂縫重新開啟, 使動(dòng)態(tài)滲透率和動(dòng)態(tài)孔隙度都隨之而增加, 導(dǎo)致濾失較大, 因此較大的前置液量和較高的施工排量是必須的。

4．5 壓裂配套技術(shù)的優(yōu)化

綜合以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)考慮, 采取光套管注入、蘭州石英砂、變排量 (2～8m3/min) 、大液量 (500～750m3) 、高砂量 (60m3) 、砂比 (8～16%) 的活性水壓裂配套技術(shù)進(jìn)行施工。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

在現(xiàn)場(chǎng)采取光套管注入、蘭州石英砂、變排量(2 ～8m3/min) 、大液量 (500 ～750m3) 、高砂量(60m3) 、砂比 (8～16%) 的活性水壓裂配套技術(shù)進(jìn)行施工。

變排量壓裂工藝是采用由低排量起泵逐步向高排量漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變的注入方式。其主要目的有兩個(gè)方面： 有效防止裂縫在縱向的過度延伸; 煤儲(chǔ)層頂、底板厚度差異較大, 多數(shù)井中不足以阻擋裂縫的縱向延伸, 采用變排量工藝技術(shù)能夠有效控制裂縫高度, 從而獲得最佳的縫長(zhǎng), 初始階段的低排量, 還能夠防止壓敏且有利于煤層開裂。同時(shí)能夠減少煤粉的產(chǎn)生, 有利于裂縫形態(tài)的擴(kuò)展與延伸。

表6 裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

根據(jù)裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果 (表6) 可以看出, 變排量施工的裂縫高度明顯低于恒排量施工的裂縫高度,說明變排量壓裂可以較好控制裂縫的高度, 有效防止裂縫在縱向的過度延伸。

統(tǒng)計(jì)變排量活性水壓裂91 口, 其中日均產(chǎn)氣量 (Q) 1500m3以上23 口、500 ～1500m329 口、500m3以下39 口 (如表7 所示) 。壓裂有效率為93．40%, 日產(chǎn)氣量9 萬m3。

表7 壓裂效果統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

(1) 根據(jù)壓裂裂縫監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以看出壓出的裂縫長(zhǎng)度一般為80～120m, 裂縫高度一般為6～9m, 壓裂形成的裂縫形態(tài)復(fù)雜, 裂縫短且粗。根據(jù)陣列聲波測(cè)井解釋, 我們可以看出壓裂后頂板661～666．7m、底板672．5～680m 相對(duì)壓裂前各向異性增強(qiáng), 說明頂?shù)装逵幸欢ǔ潭鹊膲洪_。

(2) 變排量壓裂可以較好控制裂縫的高度, 有效防止裂縫在縱向的過度延伸。

(3) 大液量整體壓裂可以較好增大降壓面積,有利于煤層氣的解吸, 對(duì)煤層氣的增產(chǎn)有一定效果。

(4) 石英砂密度為2．65kg/m3, 活性水基液密度約為1．02kg/m3, 密度差異大, 同時(shí)活性水粘度低, 懸砂能力差, 支撐劑輸送效率差, 大部分支撐劑沉入產(chǎn)層下的底板中, 無法到達(dá)裂縫頂端, 不能獲得較長(zhǎng)、更為有效的支撐裂縫。因此, 建議下一步采用低密度支撐劑進(jìn)行壓裂。

(5) 活性水壓裂液對(duì)煤層傷害小, 但是由于它粘度小、濾失大、攜砂能力弱等特點(diǎn), 所以造成支撐劑輸送效率差。建議研制低傷害、小濾失、高粘度的壓裂液, 能進(jìn)一步改善壓裂效果。

(6) 根據(jù)裂縫監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明, 壓裂只能實(shí)現(xiàn)部分井的溝通, 無法達(dá)到理想的整體排水降壓效果。建議改進(jìn)壓裂施工工藝, 使井間相互連通, 達(dá)到整體降壓的目的。

(7) 體積壓裂是指在水力壓裂過程中, 使天然裂縫不斷擴(kuò)張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移, 形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò), 從而增加改造體積, 提高初始產(chǎn)量和最終采收率。體積壓裂在頁(yè)巖氣開發(fā)中取得了良好的效果, 建議在煤層氣的開發(fā)中進(jìn)行體積壓裂來提高初始產(chǎn)量和最終采收率。

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