煤儲層水力壓裂技術(shù)新進(jìn)展

孫明闖 白新華，2

(1．河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南 450016;2．中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 221008)

中國低滲透率、低臨儲壓力比、低含氣飽和度的煤儲層條件不利于煤層氣開發(fā)和瓦斯抽采，工程技術(shù)人員和科研工作者嘗試了物理增透技術(shù)、化學(xué)增透技術(shù)、化學(xué)能量方式降低煤儲層的親甲烷能力等方面的研究，對煤儲層的改造取得了一定的效果。其中物理增透技術(shù)，主要包括水力壓裂和裸眼洞穴等手段。水力壓裂技術(shù)兼具物理、化學(xué)作用增加煤儲層透氣性，對煤層氣開采、瓦斯抽采具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤層水力壓裂的發(fā)展

煤儲層的水力壓裂源自油氣田開發(fā)所用的水力壓裂技術(shù)，1947年，世界上第一口煤層氣壓裂井在美國堪薩斯州Hugoton氣田Kelpper 1井實(shí)施，開啟了煤儲層水力壓裂增透技術(shù)研究的序幕。煤儲層的水力壓裂技術(shù)是開采煤層氣的一種有效增產(chǎn)方法，利用地面水動力在井眼形成高壓，當(dāng)井底壓力超過煤層抗壓強(qiáng)度后，煤層破裂或裂縫張開;在縱向上，受圍巖遮擋制約，裂縫被限制在一定范圍內(nèi);在橫向上，受煤層結(jié)構(gòu)影響，裂縫沿煤層主裂縫和次裂縫方向同時延伸;受煤層應(yīng)力和裂縫發(fā)育條件影響，主裂縫沿主應(yīng)力方向延伸較長，次裂縫也在一定范圍內(nèi)延伸。在有限范圍的煤層內(nèi)，人造裂縫將煤層原生和次生裂縫有效連通，在煤層中形成大量大裂縫和微裂縫，通過支撐裂縫和裂縫效應(yīng)改善煤層的滲流特性，提高煤儲層導(dǎo)流能力。目前煤儲層水力壓裂的發(fā)展方向以清水、加砂壓裂為主，以重復(fù)壓裂、多層、薄層控制縫高、端部脫砂、低滲儲層深穿透、連續(xù)油管壓裂、高強(qiáng)低密度支撐劑和低傷害壓裂液等技術(shù)為前導(dǎo)，形式上以同步、重復(fù)、多級、體積、通道壓裂等新概念出現(xiàn)，通過直井、水平井、羽狀井來實(shí)現(xiàn)。

20世紀(jì)60年代初期以淺層水平造縫為主，并發(fā)展了高壓水力壓裂技術(shù)，大量的廉價水基壓裂液，各種添加劑、支持劑得以深入研究，我國以油田解堵和增產(chǎn)技術(shù)為主;70年代開始了高排量高壓水力壓裂，水力壓裂也由簡單的、低液量、低排量壓裂增產(chǎn)方法，發(fā)展為高度工程考慮的大排量高壓水力壓裂方法，由于水力壓裂技術(shù)攜砂能力較差，開始嘗試液氮泡沫壓裂技術(shù)，這一時期我國發(fā)展了適應(yīng)高含水層所需的蠟球選擇性壓裂工藝，以及化學(xué)堵水與壓裂配套的綜合改造技術(shù);對于低壓儲層返排能力差的缺點(diǎn)，80年代發(fā)展了液氮泡沫加砂壓裂技術(shù);90年代CO2加砂壓裂技術(shù)有所發(fā)展，同時探索出了一整套壓裂實(shí)時監(jiān)測和施工參數(shù)監(jiān)控技術(shù)，并研制出了一整套適用于不同地層條件(溫度、滲透率)的低傷害新型壓裂材料 (支撐劑、壓裂液、添加劑等)以及相應(yīng)的新工藝、新技術(shù)，這其中又以端部脫砂壓裂 (TSO)、重復(fù)壓裂、裂縫檢測、縫高控制、高滲層防砂壓裂、低滲層深穿透壓裂、低滲層大砂量多級壓裂、壓裂實(shí)時監(jiān)控等技術(shù)為代表。

國內(nèi)外對水力壓裂裂縫起裂、擴(kuò)展、延伸規(guī)律的學(xué)術(shù)研究主要集中在以下幾個方面:

(1)煤體結(jié)構(gòu)及儲層原始滲透率空間展布預(yù)測研究

從煤體低楊氏模量、高泊松比、非均質(zhì)性、裂隙－孔隙系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究，國內(nèi)方面曹代勇、琚宜文、焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室等對煤體結(jié)構(gòu)提出了分類方法，最終形成了一致認(rèn)可的四分法、五分法;國外方面Gash、Levine從割理裂隙系統(tǒng)角度研究其與滲透率的關(guān)系，并建立了相應(yīng)模型。

(2)水力壓裂造縫機(jī)理與裂縫展布形態(tài)的研究

王鴻勛認(rèn)為水力壓裂的造縫機(jī)理在于高壓液體以大于煤層濾失的速度劈開煤層，并將支撐劑帶入其中，在煤層中形成導(dǎo)流能力較高的人造裂縫;李勝利針對軟煤試樣，在三軸加載試驗(yàn)下，研究了裂隙的整個演化過程;趙陽升通過三維應(yīng)力下的控制壓裂實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，得出水力壓裂對硬煤適用，而軟煤基本沒效果的結(jié)論;鄧廣哲通過對大型煤塊試件的壓裂實(shí)驗(yàn)，研究了水壓裂縫擴(kuò)展行為的控制參數(shù)，對水壓裂縫的形成、擴(kuò)展與煤體滲透性改變、水壓作用的關(guān)系，進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并對水壓裂縫破壞煤體結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分析;杜春志根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，給出了原級裂隙擴(kuò)展的力學(xué)條件，進(jìn)而分析了空間壁面裂隙擴(kuò)展的力學(xué)條件，并利用RFPA2D-Flow有限元數(shù)值軟件模擬了高壓水作用下煤層裂縫的擴(kuò)展延伸過程。

在裂縫形態(tài)方面，水力壓裂施工設(shè)計(jì)最常用的有以PKN、GDK為代表的二維裂縫模型，以Van Eekelen、Palmer代表的擬三維裂縫延伸模型，以Clifton、Abou－sayed、Cleary為代表的全三維裂縫延伸模型;趙金洲、吳繼周、烏效鳴、申晉、郭大立等利用各種數(shù)學(xué)、物理根據(jù)對水力壓裂裂縫的產(chǎn)狀和形態(tài)進(jìn)行了理論分析與模擬。

(3)煤巖應(yīng)力－應(yīng)變破壞過程滲透率變化實(shí)驗(yàn)研究

傅雪海等基于三軸對比力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，在煤層壓裂過程中，隨著氣、水介質(zhì)的排出，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，煤體強(qiáng)度提高，泊松比減小，煤儲層滲透率得到改善;楊永杰等、趙毅鑫等通過研究發(fā)現(xiàn)，煤體非均質(zhì)性影響了滲透率變化。

2 壓裂設(shè)備

壓裂設(shè)備主要介紹通用的壓裂泵車、混砂車、儀表車、管匯車及輔助設(shè)備的發(fā)展情況。

2.1 國外壓裂設(shè)備現(xiàn)狀

國外對壓裂設(shè)備的研制經(jīng)驗(yàn)豐富，其中美國壓裂設(shè)備的性能和技術(shù)水平居于世界領(lǐng)先地位，有哈里伯頓、斯倫貝謝、BJ公司、西方公司、S＆S公司等，他們依據(jù)壓裂施工工藝對壓裂設(shè)備做整體要求，加拿大有皇冠公司，法國有道威爾公司。除S＆S公司和皇冠公司外，其他壓裂設(shè)備制造公司既從事設(shè)備制造，又從事油田工程技術(shù)服務(wù)。

國外能夠提供壓裂泵車的成套技術(shù)裝備，包括底盤卡車、動力機(jī)、傳動系統(tǒng)及壓裂泵等，形成了電力、液壓、柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)等多種動力驅(qū)動形式的系列產(chǎn)品。美國因汽車制造業(yè)發(fā)達(dá)，壓裂設(shè)備制造廠商對底盤卡車的選擇范圍比較廣泛，可以直接選用肯沃斯、萬國、馬克等載重卡車。美國有適合壓裂設(shè)備用的大功率高速柴油機(jī)，如卡特彼勒、底特律、康明斯等知名品牌。近幾年，卡特彼勒公司和底特律公司相繼開發(fā)了電噴柴油機(jī)，更加適合車裝，噪音低，能耗小，廢氣排放均達(dá)到歐Ⅱ以上標(biāo)準(zhǔn)。

混砂車主要集中在北美地區(qū)，早期的混砂車多用裝載汽車發(fā)動機(jī)作動力，現(xiàn)在的混砂車多用單獨(dú)的動力驅(qū)動主機(jī)，因汽車發(fā)動機(jī)作動力的混砂車，功率有限，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，故障率比較高，不能夠滿足高壓、大排量、多功能壓裂施工的工藝技術(shù)要求。

加拿大皇冠公司生產(chǎn)的混砂車采用0.3m3的混合罐內(nèi)混合后直接排出，將攪拌和排出合二為一，省去了一個排出泵，由于混合罐上部設(shè)有控制砂子流入的閘板，使加砂濃度在低端可以實(shí)現(xiàn)任意控制，且密度計(jì)的實(shí)測信號又參與對加砂濃度的控制，真正實(shí)現(xiàn)對混砂車加砂濃度的精確控制，但是攪拌葉輪的正常設(shè)計(jì)壽命只有2340t的加砂量。美國斯倫貝謝公司生產(chǎn)的混砂車的混合罐的容積只有0.09m3，這將大大提高施工過程中對砂濃度調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度，有效解決了砂濃度調(diào)整過程中的延時滯后現(xiàn)象。

2.2 國內(nèi)壓裂設(shè)備現(xiàn)狀

我國壓裂裝備研制從20世紀(jì)80年代起步。江漢石油四機(jī)廠在原石油工業(yè)部大力支持下，引進(jìn)美國“OPI”1800型壓裂泵、FMC公司高壓活動彎頭、SPM公司高壓管匯、西方公司壓裂機(jī)組等設(shè)計(jì)制造技術(shù)，并從1990年開始進(jìn)口壓裂機(jī)組的散件組裝。

我國相繼研制了 50MPa、70MPa、85MPa、105MPa系列的壓裂設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)低滲透油田、煤層氣的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)開發(fā)和提高采收率做出了貢獻(xiàn)。目前主要生產(chǎn)廠家有蘭州通用機(jī)器制造有限公司、南陽二機(jī)石油裝備 (集團(tuán))有限公司、江漢第四石油機(jī)械廠和四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司等。江漢第四石油機(jī)械廠的產(chǎn)品，代表了國內(nèi)壓裂設(shè)備的較高水平，他們生產(chǎn)的三缸壓裂泵從3ZB70－265型～3ZB105－1490型共7種產(chǎn)品，五缸壓裂泵有5ZB105-1860L型、5ZB105-1860H型2種產(chǎn)品。

YLS105－1340型壓裂混砂車是江漢第四石油機(jī)械廠自行設(shè)計(jì)制造的壓裂設(shè)備，將壓裂泵車和混砂車功能合二為一的多功能集成化的壓裂設(shè)備，適用于油氣田各種小型壓裂、防砂施工作業(yè);YLC105-1860型五缸壓裂泵車具有排量大、壓力波動小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等性能特點(diǎn)，適用于油氣田深井、煤層氣井的各種壓裂作業(yè)，最高工作壓力可達(dá)105MPa，在國內(nèi)開創(chuàng)了五缸壓裂泵車設(shè)計(jì)制造先河，縮短了我國同國外壓裂設(shè)備制造的差距。

3 新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 重復(fù)壓裂

重復(fù)壓裂包括重新張開、延伸原裂縫和壓新縫重復(fù)壓裂兩方面。重新張開、延伸原裂縫是在油藏數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上根據(jù)油藏特征和重復(fù)壓裂工藝特點(diǎn)，優(yōu)選壓裂材料并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。壓新縫重復(fù)壓裂裂縫方位的變化規(guī)律是:重復(fù)壓裂新裂縫方向從垂直于初始裂縫縫長方向變?yōu)榕c初始裂縫縫長方向平行的一個漸進(jìn)過程，而不是突然轉(zhuǎn)向，并且為時間的函數(shù)。

3.2 多層、薄層壓裂

多裂縫的存在可能導(dǎo)致出現(xiàn)施工壓力高、低砂比砂堵等情況。目前國內(nèi)外已經(jīng)建立了許多有效的直接或間接的多裂縫檢測手段，檢測結(jié)果與大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了多裂縫存在的客觀事實(shí)。多裂縫的形成主要與破裂壓力、射孔方式與方位、井斜、裸眼或套管井等有關(guān)。為了防治多裂縫的形成，分別從固井質(zhì)量、射孔方案、射孔段長度、井斜、排量、黏度、支撐劑段塞技術(shù)等方面結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例進(jìn)行了研究:封堵縫寬較小的裂縫，隨著井底壓力的升高，增大的段塞顆?？梢远氯^大的裂縫，可有利于創(chuàng)造主縫。

對于層狀儲層的壓裂思路有3種:①采用封隔工具隔開各層實(shí)施分層壓裂，單獨(dú)對每層進(jìn)行設(shè)計(jì);②采用籠統(tǒng)的多層合壓技術(shù)，假定只產(chǎn)生一條裂縫，使用單裂縫的延伸模擬方法進(jìn)行設(shè)計(jì);③應(yīng)用多產(chǎn)層同時進(jìn)行水力壓裂的多裂縫數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。

3.3 通道壓裂

通道壓裂主要通過改善支撐劑與壓裂液的相關(guān)性質(zhì)，添加相應(yīng)的添加劑結(jié)合施工工藝，如提高支撐劑的強(qiáng)度、降低支撐劑的破碎率、改善壓裂液的攜砂性和交聯(lián)劑的破膠性以及相關(guān)的施工工藝等，在支撐縫內(nèi)形成具有無限導(dǎo)流能力的通道，從而最大程度地解決傳統(tǒng)壓裂施工支撐縫由于支撐劑破碎、微粒運(yùn)移、壓裂液引起傷害、多相流和非達(dá)西效應(yīng)影響等原因引起的導(dǎo)流能力偏低的方法。該技術(shù)需要選擇合適的完井方式、壓裂液體系和泵注程序，并且需要在壓裂液中加入纖維材料，確保形成“壓裂通道”。通過對比常規(guī)壓裂和通道壓裂的效果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用通道壓裂技術(shù)后油井、煤層氣的產(chǎn)量會增加27.5%，其支撐劑用量也相對較低，壓裂規(guī)模相對優(yōu)化。

3.4 水力噴射逐層壓裂技術(shù)

水力噴射逐層壓裂技術(shù)是噴砂射孔技術(shù)和加砂壓裂技術(shù)的結(jié)合，優(yōu)點(diǎn)是利用連續(xù)油管連續(xù)在一個井筒內(nèi)壓裂多條裂縫，尤其適合直井多層壓裂、水平井分段壓裂以及薄互層的壓裂改造，該技術(shù)縮短試油周期、節(jié)約射孔費(fèi)用、不需要封隔器或者橋塞、井下管串簡單、出現(xiàn)井下工具問題的機(jī)率小。施工過程包括:①噴嘴在壓裂層段噴砂，完成射孔;②噴射壓力在井底積聚，超過破裂壓力后產(chǎn)生裂縫;③噴射壓力加上環(huán)空壓力使裂縫延伸;④環(huán)空補(bǔ)充壓裂液，保證達(dá)到加砂所需排量;⑤施工完一層后，上提油管，繼續(xù)壓裂第二層。

3.5 體積壓裂

體積壓裂是通過注入大量的高濾失、高彈性、輕度膠化的液體來探尋天然裂縫，同時使用合適規(guī)模和粒徑的支撐劑作為筑堤砂的介質(zhì)，使暴露裂縫面上產(chǎn)生更高的壓差，從而使壓裂液和砂進(jìn)入后續(xù)張開的裂縫，直至井底壓力變化，裂縫擴(kuò)展，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而改善儲層滲流面積。通常包括近井單級及多級縫網(wǎng)體積壓裂、主裂縫、遠(yuǎn)端至近井縫網(wǎng)體積壓裂、多井同步縫網(wǎng)體積壓裂等工藝。

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