鄭莊井田煤層氣井壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

付守軍

摘 要：在我國(guó)煤層氣的開發(fā)過程中，大部分地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層都具有低飽和、滲透性差的特性，因此需要改造煤層氣儲(chǔ)層，方能形成煤層氣的運(yùn)移通道，其中套管水力壓裂技術(shù)是最常用的改造手段。以沁水盆地南部的鄭莊井田，也是目前我國(guó)煤層氣勘探和開發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，并對(duì)該井田內(nèi)的煤層氣井壓裂方案提出了優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：鄭莊井田；煤層氣井；壓裂方案；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）12018102

0 引言

由于活性水壓裂液具有貨源廣、價(jià)格低廉、儲(chǔ)層改造效果較好的特點(diǎn)，因此水力壓裂技術(shù)成為我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層改造的主流手段。本文結(jié)合晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司在鄭莊井田勘探開發(fā)煤層氣過程中活性水壓裂技術(shù)的使用實(shí)際，從加砂程序、施工排量及更換支撐劑等方面對(duì)該區(qū)域內(nèi)活性水壓裂方案提出了優(yōu)化建議。

1 加砂程序優(yōu)化

加砂程序?qū)α芽p內(nèi)支撐劑濃度的分布和導(dǎo)流能力及壓裂效果具有十分重要的影響。壓裂液按照其在不同壓裂施工階段所起的所用，分為前置液、攜砂液和頂替液。在注入前置液量相同的前提下，即基于裂縫延伸距離及裂縫形成縫高相同的前提，模擬軟件能夠模擬出三種不同加砂程序裂縫形成有效縫高、有效支撐距離和裂縫延伸距離間的關(guān)系（見圖1）。

從圖2可看出，在滲透率中等、前置液量相同的情況下，采用第二種方案加砂能夠讓壓裂形成的裂縫在長(zhǎng)度上和高度上都具有相對(duì)有效地支撐。當(dāng)然，如果地層滲透率較高，應(yīng)當(dāng)采用第一種方案加砂。

2 壓裂施工排量?jī)?yōu)化

把壓裂液注入煤層氣井時(shí)，只有在煤層裂縫的吸入量小于壓裂液的注入量時(shí)，方能在井筒和煤儲(chǔ)層間建立起能夠使煤儲(chǔ)層裂開的有效壓差。這種壓差與壓裂施工排量成正比，與壓裂形成的裂縫面積和煤儲(chǔ)層的滲透率成反比。因此考慮到活性水壓裂相對(duì)較差的攜砂能力，如果想把支撐劑相對(duì)較遠(yuǎn)的往前帶，就必須適度增加排量。以目前沁水盆地活性水壓裂的現(xiàn)場(chǎng)施工為例根據(jù)滲透率的好壞對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行定性分析。沁水盆地部分活性水壓裂施工工藝參數(shù)分類見表1。

2.1 當(dāng)煤儲(chǔ)層原始滲透率好時(shí)

當(dāng)煤儲(chǔ)層原始滲透性好時(shí)，由于活性水粘度相對(duì)較低，如果前置液的排量不大，煤層裂縫的吸入量有可能大于前置液的注入量，就不能在井筒和煤儲(chǔ)層間建立起能夠使煤儲(chǔ)層裂開的有效壓差，達(dá)不到理想的造縫效果。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)較大時(shí)，壓裂液所傳導(dǎo)來的外來力大于煤儲(chǔ)層自帶的軸應(yīng)力，當(dāng)這種壓裂液傳導(dǎo)來的外力超過煤層本身破碎所需要的臨界力量后，煤層就會(huì)從最薄弱的地方破損裂開，形成一條甚至幾條裂縫。反之，如果前置液排量不大，就不足以產(chǎn)生能夠使煤層破碎的臨界力量，也就達(dá)不到在煤儲(chǔ)層造縫的效果，前置液也就不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，這種情況下，即使后續(xù)攜砂液的砂比較高，也只能是在井筒附近形成堆積。當(dāng)然，前置液的排量也不宜過大，否則會(huì)造成壓裂液注入速度遠(yuǎn)大于煤儲(chǔ)層的吸入速度，即使能夠成功在煤儲(chǔ)層中造縫，但隨著壓裂液的大量濾失，有效造縫的距離不會(huì)太長(zhǎng)，有效造縫的寬度也不會(huì)太大，會(huì)造成攜砂液攜帶砂體的距離有限，很難讓支撐劑起到應(yīng)有的作用，而且排量過大，很可能會(huì)造成堵砂現(xiàn)象和竄層現(xiàn)象，嚴(yán)重影響壓裂效果。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)適中時(shí)，在前置液的注入過程中，為了減少濾失而伴隨使用段塞技術(shù)，并且在攜砂液注入過程中，盡可能使用低砂比、低排量，從而改善裂效果。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)較少時(shí)，前置液的無(wú)謂濾失肯定會(huì)減少，那么在攜砂液注入過程中，也盡可能使用低砂比，從而使造縫的延伸距離盡可能的變長(zhǎng)，而且由于煤儲(chǔ)層本身滲透率好，很有可能系統(tǒng)的聯(lián)通有效造縫，進(jìn)而取得理想的壓裂效果。

2.2 當(dāng)煤儲(chǔ)層原始滲透率差時(shí)

當(dāng)煤儲(chǔ)層原始滲透率差時(shí)，對(duì)活性水壓裂液的濾失量相對(duì)較小，但是即便如此，如果前置液的排量過小，也不能在煤儲(chǔ)層中造出長(zhǎng)而有效的裂縫，這種情況下，即便在加砂過程中采用分段加砂技術(shù)，最早注入的小半徑砂粒也不能被攜帶到較遠(yuǎn)的地方，造成后面注入的大半徑砂粒只能堆積在井筒附近，嚴(yán)重影響壓裂效果。而且由于煤儲(chǔ)層滲透率較差，后期排采時(shí)，很難將遠(yuǎn)距離的裂隙系統(tǒng)與壓裂造成的裂縫貫通，致使后期產(chǎn)氣量不高。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)較大時(shí)，由于煤儲(chǔ)層的濾失量相對(duì)較小，能夠在煤儲(chǔ)層中造出有效的長(zhǎng)距離裂縫，后續(xù)注入攜砂液時(shí)，在加砂過程中采用分段加砂技術(shù)，就能夠使半徑較小的砂粒在遠(yuǎn)距離處支撐，在煤儲(chǔ)層中形成階梯狀的連續(xù)支撐，而且離井筒越近支撐砂粒的半徑越大，便于煤層氣的擴(kuò)散和滲流，從而形成好的壓裂效果，后期產(chǎn)氣量也比較高。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)適中時(shí)，考慮到煤儲(chǔ)層滲透率差的情況，可采用大排量、分段砂比的加砂模式，這樣能夠在煤儲(chǔ)層中形成一定距離的有效裂縫，但不如前當(dāng)前置液注入量相對(duì)較大時(shí)的效果明顯。

當(dāng)前置液注入量相對(duì)較少時(shí)，由于煤儲(chǔ)層的滲透率差，無(wú)論采用大排量還是小排量，都很難在煤儲(chǔ)層中形成有效寬度和距離的裂縫，而且由于煤儲(chǔ)層滲透性差，后期排采過程中也不可能將裂隙系統(tǒng)貫通，后期產(chǎn)氣量較低。

3 壓裂支撐劑優(yōu)化

通過該曲線，我們發(fā)現(xiàn)，由于鄭莊井田地應(yīng)力比較大，壓裂煤層氣所需壓力比較高。而且經(jīng)過排采一段時(shí)間后的取樣分析，我們發(fā)現(xiàn)，石英砂基本上都處于破碎狀態(tài)，而且石英砂大多在鉆孔周圍20米范圍內(nèi)沉淀。這證明了由于該井田地應(yīng)力大、滲透性差，活性水+石英砂的壓裂方式存在缺陷。為了提高壓裂效果，現(xiàn)建議使用核桃殼作為支撐劑。

核桃殼作為支撐劑，其密度要低于石英砂，便于壓裂液的攜帶；而且經(jīng)過試驗(yàn)，核桃殼抗壓能力要高于石英砂，在高地應(yīng)力的情況下，能夠提高裂縫的支撐效果，保持住煤層氣的解析通道。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行鄭莊井田煤層氣井壓裂方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于原始滲透率較好的煤儲(chǔ)層，要使劈開的裂縫有效支撐，其砂比不需太大，可采用小排量低砂比的壓裂方案，在煤儲(chǔ)層中易形成窄長(zhǎng)的裂縫且能有效支撐，使壓裂真正起作用；當(dāng)煤原始儲(chǔ)層滲透率一般時(shí)，則需采用逐級(jí)加砂程序施工，使壓裂效果相對(duì)較好；當(dāng)煤原始儲(chǔ)層滲透率較差時(shí)，則需使砂比相對(duì)較高，從而在煤儲(chǔ)層中形成短而寬的裂縫，使原始儲(chǔ)層滲透率得到較大改善；當(dāng)?shù)貞?yīng)力過大時(shí)，可以考慮使用核桃殼作為支撐劑，能夠提高裂縫的支撐效果，保持住煤層氣的解析通道。

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