沁端區(qū)塊煤層氣井壓裂支撐劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

曲占慶， 黃德勝， 楊 陽(yáng)， 李小龍， 周麗萍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院， 山東青島 266580； 2.中海油研究總院鉆采研究院，北京 100027)

沁端區(qū)塊煤層氣井壓裂支撐劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

曲占慶1， 黃德勝1， 楊 陽(yáng)2， 李小龍1， 周麗萍1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院， 山東青島 266580； 2.中海油研究總院鉆采研究院，北京 100027)

根據(jù)沁端區(qū)塊煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，進(jìn)行支撐劑優(yōu)選研究和煤層氣井壓裂裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了在不同閉合壓力下鋪砂質(zhì)量濃度、支撐劑粒徑、支撐劑粒徑組合、支撐劑嵌入等因素對(duì)煤巖層導(dǎo)流能力的影響，優(yōu)選出了煤層壓裂改造用支撐劑體系。研究結(jié)果表明,支撐劑充填層導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增加而降低，支撐劑粒徑越大其導(dǎo)流能力越高，在壓裂施工條件允許情況下應(yīng)盡量多使用大粒徑的支撐劑；沁端區(qū)塊宜采用20/40目和16/20目蘭州石英砂作為壓裂用支撐劑，并確定了體積比為4∶1的支撐劑粒徑組合方式；加大鋪砂質(zhì)量濃度能夠在一定程度上提高裂縫的導(dǎo)流能力，降低支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響。

煤層氣井壓裂； 支撐劑優(yōu)選； 導(dǎo)流能力； 實(shí)驗(yàn)研究； 影響因素

我國(guó)煤層的原始滲透率較低，必須經(jīng)過(guò)壓裂改造才能形成一定的產(chǎn)能。壓裂改造以獲得足夠長(zhǎng)度的高導(dǎo)流能力填砂裂縫為目標(biāo)，支撐劑性能的好壞直接影響裂縫的導(dǎo)流性能，因此支撐劑的選擇是非常重要的[1-3]。支撐劑充填層導(dǎo)流能力的測(cè)試是室內(nèi)評(píng)價(jià)壓裂效果的重要環(huán)節(jié)，可為壓裂施工設(shè)計(jì)中支撐劑的優(yōu)選提供依據(jù)。利用FCES-100裂縫導(dǎo)流儀，采用現(xiàn)場(chǎng)取得的煤樣和支撐劑，測(cè)試并分析了支撐劑粒徑、不同粒徑支撐劑組合、支撐劑嵌入對(duì)沁端區(qū)塊煤層氣田壓裂中支撐劑充填層導(dǎo)流能力的影響[4]，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了提高裂縫導(dǎo)流能力的有效措施，研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 沁端區(qū)塊概況

沁端區(qū)塊位于沁水盆地的南部，主要可采煤層為3#煤層和15#煤層，煤層埋深535～1 000 m，厚度3.8～6.6 m，孔隙度3.95%～5.96%，滲透率(0.68～2.07)×10-3μm2，屬于低孔低滲儲(chǔ)層。參數(shù)井注入/壓降試井資料表明，儲(chǔ)層壓力為3.76～5.94 MPa，壓力系數(shù)為0.693～0.808，屬欠壓實(shí)儲(chǔ)層。該區(qū)塊處沁水盆地南部，恒溫帶深度50 m左右，溫度約17 ℃，地溫梯度在1.8～2.2 ℃/(100 m)，地溫梯度較低。煤層現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)最小水平應(yīng)力(即閉合壓力)為8.154～15.208 MPa，平均12.869 MPa，楊氏模量在13.4～24.5 GPa，平均為18.6 GPa，與常規(guī)砂巖相比小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 支撐劑類(lèi)型優(yōu)選

目前礦場(chǎng)上常用的支撐劑是石英砂和陶粒這兩種類(lèi)型。陶粒主要由氧化鋁等礦物成分組成，其低強(qiáng)度適用的閉合壓力可達(dá)56 MPa[5]。根據(jù)沁端區(qū)塊煤層淺、地層閉合壓力小的特點(diǎn)，支撐劑采用價(jià)格低廉的甘肅蘭州砂，選擇石英砂優(yōu)點(diǎn)：①相對(duì)密度低，便于施工泵送，減少施工過(guò)程中對(duì)設(shè)備及施工管線的磨蝕；②圓球度較好的石英砂破碎后成小碎塊狀，仍可保持一定的導(dǎo)流能力；③價(jià)格便宜，來(lái)源廣。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 甘肅蘭州砂物理性質(zhì)表Table 1 Physical properties table of Lanzhou silica sand

3 支撐劑導(dǎo)流能力影響因素

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)所用儀器為根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的裂縫導(dǎo)流能力系統(tǒng)，可以模擬地層條件，對(duì)不同類(lèi)型支撐劑進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試評(píng)價(jià)。儀器最高實(shí)驗(yàn)溫度120 ℃，最大閉合壓力200 MPa，完全能滿足我國(guó)煤層氣田支撐劑裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)需要。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)原理可用達(dá)西定律表示：

(1)

式中,k為支撐裂縫滲透率，μm2；Q為裂縫內(nèi)流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為測(cè)試段長(zhǎng)度，cm；A為支撐裂縫截面積，cm2；Δp為測(cè)試段兩端的壓力差，10-1MPa。

導(dǎo)流儀使用API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室，并嚴(yán)格按照API的程序操作，支撐裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算公式可以進(jìn)一步表達(dá)為下面形式[6-7]：

(2)

式中,kWf為裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；k為滲透率，μm2；Wf為充填裂縫縫寬，cm；Q為裂縫內(nèi)流量，cm3/min；μ為流體黏度，mPa·s；Δp為導(dǎo)流室壓差，MPa。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)利用FCES-100裂縫導(dǎo)流儀，在導(dǎo)流室中夾持煤板模擬地層裂縫，將實(shí)驗(yàn)流體以穩(wěn)定的流速通過(guò)兩片煤板之間的支撐劑填充層，逐漸增大閉合壓力得到裂縫導(dǎo)流能力隨閉合壓力的變化曲線。實(shí)驗(yàn)操作按照《SY/T6302—2009壓裂支撐劑充填層導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》進(jìn)行[8]，通過(guò)改變鋪砂濃度、支撐劑粒徑及粒徑組合等實(shí)驗(yàn)條件得出導(dǎo)流能力隨閉合壓力變化的關(guān)系曲線，然后比較曲線得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2支撐劑粒徑

實(shí)驗(yàn)選用粒徑為16/20目、20/40目蘭州砂，分別測(cè)定閉合壓力從6.9MPa增加到27.6MPa、鋪砂質(zhì)量濃度為5kg/m2和10kg/m2條件下的導(dǎo)流能力。實(shí)驗(yàn)采用鋼板模擬裂縫壁面(未考慮支撐劑嵌入)，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，采用的流體介質(zhì)為2%KCl鹽水。實(shí)驗(yàn)方案如表2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表2 單一粒徑支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Single particle proppant conductivity testexperimental program

由圖1可知，單一粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力隨著閉合壓力的增加而降低。閉合壓力從6.9 MPa增加到27.6 MPa，5 kg/m2鋪砂質(zhì)量濃度的兩種粒徑石英砂其導(dǎo)流能力下降了80%左右，其中20/40目蘭州砂導(dǎo)流能力下降了79.96%，16/20目下降了83.42%；閉合壓力從6.9 MPa增加到27.6 MPa，10 kg/m2鋪砂質(zhì)量濃度的兩種粒徑石英砂其導(dǎo)流能力也下降了80%左右。分析原因認(rèn)為，石英砂抗壓強(qiáng)度低，隨著閉合壓力的增大，石英砂逐漸破碎，破碎的支撐劑堵塞填砂孔隙導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低。

圖1 單一粒徑支撐劑導(dǎo)流能力對(duì)比

Fig.1Singleparticleproppantconductivitycomparisonchart

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支撐劑在鋪砂質(zhì)量濃度、閉合壓力相同的情況下，粒徑越大其導(dǎo)流能力值越大，原因是大粒徑支撐劑充填層孔隙比較大，流體通過(guò)比較容易，所以導(dǎo)流能力要高于小粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力；支撐劑在閉合壓力相同情況下，鋪砂質(zhì)量濃度越高支撐劑充填層導(dǎo)流能力越高。因此，在壓裂施工條件允許的情況下應(yīng)盡量多使用大粒徑的支撐劑和加大鋪砂濃度來(lái)提高支撐裂縫的導(dǎo)流能力。

3.3不同粒徑支撐劑組合

煤層氣井壓裂常常采用活性水這種低黏壓裂液施工，若使用單一大粒徑支撐劑往往會(huì)出現(xiàn)加砂困難，甚至造成壓裂失敗的現(xiàn)象；若使用單一小粒徑支撐劑，則不能提供足夠的裂縫導(dǎo)流能力。因此可采用支撐劑粒徑組合來(lái)克服使用單一粒徑的缺點(diǎn)，從而獲得較高的導(dǎo)流能力，其中小粒徑的支撐劑處于縫端位置，可以防砂和支撐微裂縫，中等粒徑支撐劑位于裂縫中部起支撐裂縫的作用，大粒徑支撐劑處于縫口，提高裂縫周?chē)膶?dǎo)流能力，還可減少支撐劑回流[9-11]。由于目前現(xiàn)場(chǎng)很少使用小粒徑支撐劑，因此實(shí)驗(yàn)室采用了現(xiàn)場(chǎng)常用的兩種粒徑石英砂組合進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試，以?xún)?yōu)選出支撐劑組合的最佳比例，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，組合支撐劑導(dǎo)流能力隨著16/20目石英砂所占比例的增加而增加。主要原因是16/20目石英砂的粒徑比較大，其孔隙相對(duì)較大，流體通過(guò)比較容易，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流能力也較高。隨著閉合壓力的增加，組合支撐劑的導(dǎo)流能力逐漸減小，主要原因是隨著閉合壓力的增加，大粒徑支撐劑逐漸破碎，支撐劑碎屑填充孔隙， 導(dǎo)致組合支撐劑的優(yōu)勢(shì)減小。由圖2還可知，當(dāng)20/40目與16/20目石英砂的體積比為2∶1時(shí)，其導(dǎo)流能力與體積比為4∶1的支撐劑組合導(dǎo)流能力相差不大，13.8 MPa閉合壓力下，導(dǎo)流能力值僅相差10.73%。考慮到體積比為2∶1的支撐劑組合施工難度較大，建議現(xiàn)場(chǎng)以體積比為4∶1的支撐劑組合進(jìn)行施工，這樣施工既保證了支撐裂縫較高的導(dǎo)流能力，又降低了施工難度。

表3 兩種粒徑組合支撐劑導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Conductivity test experimental programof combinational proppant

圖2 兩種粒徑石英砂組合導(dǎo)流能力對(duì)比

Fig.2Conductivitycomparisonchartofcombinationalproppant

3.4支撐劑嵌入

沁端區(qū)塊煤層較軟，支撐劑易嵌入裂縫壁面，導(dǎo)致支撐劑充填層有效縫寬減小，從而降低了支撐裂縫的導(dǎo)流能力。因此，沁端區(qū)塊煤層壓裂施工設(shè)計(jì)不能忽略支撐劑嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響[12-13]。實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)煤樣制成的煤板，長(zhǎng)17.7 cm，寬3.8 cm，厚1～2 cm，端部成半圓形，如圖3所示。

圖3 煤板照片

Fig.3Coalboardphoto

實(shí)驗(yàn)采用兩種鋪砂濃度來(lái)研究鋪砂濃度對(duì)嵌入的影響，實(shí)驗(yàn)流體采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%KCl鹽水。由于壓裂目的煤層溫度在30 ℃左右，因此實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。分別用鋼板和煤板模擬裂縫壁面來(lái)測(cè)試裂縫導(dǎo)流能力，通過(guò)比較可以測(cè)出沁端區(qū)塊煤巖的支撐劑嵌入程度。支撐劑嵌入實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

表4 支撐劑嵌入實(shí)驗(yàn)方案Table 4 Proppant embedment experimental program

圖4 鋼板和煤板條件下導(dǎo)流能力對(duì)比

Fig.4Conductivitycontrastdiagramundertheconditionofsteelandcoalboard

圖5 不同鋪砂質(zhì)量濃度下支撐劑嵌入影響程度對(duì)比

Fig.5Proppantembedmentimpactcomparisonchartofdifferentsandconcentration

由圖4可知，煤板條件下所測(cè)的導(dǎo)流能力均小于鋼板條件下的導(dǎo)流能力，說(shuō)明煤巖有支撐劑嵌入現(xiàn)象發(fā)生。因此對(duì)于沁端區(qū)塊煤層的壓裂施工優(yōu)化設(shè)計(jì)，不應(yīng)忽視支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。由圖5可知，支撐劑嵌入影響程度隨著閉合壓力的增加而增大。當(dāng)閉合壓力從6.9 MPa增至27.6 MPa，5 kg/m2鋪砂質(zhì)量濃度下支撐劑嵌入導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低了16.11%～50.7%，10 kg/m2鋪砂質(zhì)量濃度下支撐劑嵌入導(dǎo)致導(dǎo)流能力降低了11.68%～26.72%。由此可知，鋪砂質(zhì)量濃度越大，支撐劑嵌入影響程度越小。因此，在壓裂施工條件允許的情況下應(yīng)加大鋪砂質(zhì)量濃度，降低支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。

支撐劑嵌入對(duì)裂縫滲透率的影響結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋼板和煤板條件下滲透率對(duì)比

Fig.6Permeabilitycontrastdiagramundertheconditionofsteelandcoalboard

由圖6可知，滲透率在鋼板和煤板條件下測(cè)得的結(jié)果具有與裂縫導(dǎo)流能力類(lèi)似特點(diǎn)。當(dāng)閉合壓力達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生支撐劑嵌入裂縫縫壁的現(xiàn)象，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致滲透率的降低，且閉合壓力越大，滲透率下降程度越大。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用上述研究成果對(duì)沁端區(qū)塊W1井、W3井進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，支撐劑選用蘭州砂V(20/40目)/V(16/20目)=4∶1進(jìn)行壓裂，W1井使用支撐劑30 m3，鋪砂質(zhì)量濃度9.2 kg/m2，W3井使用支撐劑32 m3，鋪砂質(zhì)量濃度9.6 kg/m2，施工成功率100%。壓裂后效果顯著，其中W1井產(chǎn)氣量3 210 m3/d，W3井產(chǎn)氣量3 305 m3/d，均大于臨井平均產(chǎn)氣量1 500 m3/d。

5 結(jié)論

(1) 沁端區(qū)塊壓裂目的煤層閉合壓力較小，選擇價(jià)格低廉的甘肅蘭州砂作為壓裂改造用支撐劑。

(2) 支撐劑粒徑越大其導(dǎo)流能力越高，因此，壓裂施工條件許可情況下應(yīng)盡量使用大粒徑的支撐劑；不同粒徑支撐劑組合時(shí)，20/40目與16/20目的體積比為4∶1組合時(shí)能夠取得較高的導(dǎo)流能力。

(3) 沁端區(qū)塊有有支撐劑嵌入情況發(fā)生，當(dāng)閉合壓力大于13.8 MPa后，其嵌入才表現(xiàn)比較明顯。加大鋪砂質(zhì)量濃度有助于降低嵌入影響程度。因此，在壓裂施工許可的條件下應(yīng)加大鋪砂質(zhì)量濃度，降低支撐劑嵌入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，壓裂施工選擇支撐劑組合20/40目與16/20目的體積比為4∶1、鋪砂質(zhì)量濃度大于9.0 kg/m2，能夠取得很好的壓裂效果。

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(編輯 王亞新)

Experimental Research of Proppant Optimization in CBM Wells of Qinduan Block

Qu Zhanqing1, Huang Desheng1, Yang Yang2, Li Xiaolong1, Zhou Liping1

(1.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China; 2.DrillingandProductionResearchInstitute,CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

According to the characteristics of coal reservoir in Qinduan block, the experimental research on proppant optimization and fracture conductivity were conducted. The experiment contrastively analyzed the factors such as sand mass concentration, proppant particle size, proppant particle size combination, proppant embedment, and their effects on conductivity of fracturing under the condition of various closure pressures. Fracturing proppant system was optimized through experimental study. The results show that the conductivity of proppant pack decreased along with the increasing of closure pressures, so if the fracturing conditions was permitted, we should use large diameter proppant as much as possible; Qinduan block should adopt the 20/40 mesh and 16/20 mesh Lanzhou silica sand as fracturing proppant, and when the ratio was 4∶1, the combination is appropriate; increasing sand mass concentration can increase fracture conductivity to some extent and reduce the impact of proppant embedment on the conductivity.

CBM well fracturing; Proppant optimization; Conductivity; Experimental research; Influence factors

1006-396X(2014)04-0034-05

2014-05-12

：2014-06-25

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”(2011ZX05051)。

曲占慶(1963-)，男，博士，教授，從事油氣田開(kāi)發(fā)工程研究；E-mail： quzhq@upc.edu.cn。

TE377

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.008