煤層氣水力壓裂增產(chǎn)機理及效果評價方法研究

尹錦濤，田杰苗，孫建博，劉 剛

(1.陜西延長石油 (集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075;2.陜西延長石油 (集團)有限責(zé)任公司油氣勘探公司英旺采油廠，陜西延安 716299)

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤巖基質(zhì)中，在大多數(shù)煤層氣儲層中，煤巖裂隙或割理系統(tǒng)中充滿了水，水的壓力體現(xiàn)煤層氣吸附壓力，為了產(chǎn)氣，首先要排水降壓解吸，這決定煤層氣的產(chǎn)出是一個區(qū)別于常規(guī)天然氣的“排水—降壓—解吸—擴散—滲流”的復(fù)雜過程。我國煤層氣儲層條件較差，具有低孔、低滲、非均質(zhì)性強的特點［1－2］，普遍存在常規(guī)開采方式開發(fā)效果差的問題，為了提高煤層氣單井產(chǎn)量，實現(xiàn)商業(yè)化開采，必須進行增產(chǎn)改造，改善井底滲流條件，提高煤儲層的滲透能力，促進排水降壓，增加煤層氣單井產(chǎn)量。水力壓裂改造技術(shù)是當(dāng)前煤層氣增產(chǎn)的首選方法，也是被證明的煤層氣開采的一種有效的增產(chǎn)方法［3－4］。本文主要對煤層氣水力壓裂增產(chǎn)機理及效果評價方法開展研究，并進行了實例分析。

1 水力壓裂及其增產(chǎn)機理

1.1 水力壓裂

水力壓裂是指向地下巖層泵入高壓液體致使巖層產(chǎn)生裂縫達到油氣增產(chǎn)目的的一種技術(shù)，是利用地面高壓泵組，將高黏液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓，當(dāng)此壓力大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強度時，便在井底附近地層產(chǎn)生裂縫;繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，使裂縫向前延伸并充填支撐劑，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井恢復(fù)其自然產(chǎn)能或使產(chǎn)能超過自然水平，同時改變地層中流體滲流方式，達到增產(chǎn)增注、補救鉆井過程中對儲層傷害的目的［5］。

1.2 水力壓裂增產(chǎn)滲流機理

水力壓裂能夠增產(chǎn)增注的滲流力學(xué)機理是將原來井中流體徑向滲流模式改變?yōu)榫€性滲流模式。圖1為一口普通直井滲流場投影，其平面徑向流流場特點是平面上流線和等勢線皆向井口高度聚集，滲流阻力較大，不是油氣開采中的有利滲流模式。如果對生產(chǎn)井進行水力壓裂，并能夠產(chǎn)生有一定傳導(dǎo)能力的垂直裂縫，那么原來的平面徑向滲流模式將改變?yōu)槠矫婢€性流 (高導(dǎo)流能力裂縫)或雙線性流模式 (低導(dǎo)流能力裂縫)。

圖1 直井平面徑向流流場投影圖Fig.1 Projection of vertical plane radial flow field

圖2為具有垂直裂縫的直井流場投影，其線性流或雙線性流的流場特點是流線和等勢線平行分布，與平面徑向流相比，線性流或雙線性流模式的滲流阻力要小得多，是油氣開采中的有利滲流模式。滲流模式的改變減小了近井地層的滲流阻力，提高了地層能量的利用率，在相同生產(chǎn)壓差下井的產(chǎn)能或注入能力增加。圖2還可以表示一口具有水平裂縫井的流場剖面 (這時井筒剖面是一個矩形)，在近井地帶水平裂縫范圍內(nèi)，流體為線性流方式，而在加砂水平裂縫內(nèi)則以徑向流方式流入井，其提高地層能量利用率的作用與垂直裂縫類似［6］。

圖2 具有垂直裂縫直井線性流流場圖Fig.2 Linear flow field schematic of vertical well with vertical fractures

1.3 水力壓裂在煤層氣開采中的應(yīng)用

我國多數(shù)地區(qū)煤層的滲透率低，通常小于1mD，按常規(guī)油氣藏以滲透率劃分儲層的標(biāo)準(zhǔn)進行分類，煤層屬于特低滲透或致密儲層，水力壓裂改造技術(shù)是煤層氣增產(chǎn)的首選方法，也是煤層氣開采的一種有效的增產(chǎn)方法。通過高壓驅(qū)動水流擠入煤中原有的和壓裂后出現(xiàn)的裂縫內(nèi)，擴寬并伸展這些裂縫，進而在煤中產(chǎn)生更多的次生裂縫來降低壓力損失并提高井口與自然裂縫系統(tǒng)的連通性，形成多條具有高導(dǎo)流能力的滲流帶，增加煤層的滲透性。通過對煤層進行水力壓裂，能夠消除鉆井過程中鉆井液對煤層的傷害，有效連通井筒和煤層，改變煤層中氣的滲流方式，增加滲流面積，減少流動阻力，使煤層氣井的產(chǎn)能得以提高［7］。

2 水力壓裂效果評價方法

2.1 裂縫導(dǎo)流能力

圖3為垂直裂縫導(dǎo)流能力示意圖，定量描述水力裂縫導(dǎo)流能力的方法是定義水力裂縫的導(dǎo)流系數(shù)，其公式為［8］:

式中 Cf——水力裂縫導(dǎo)流系數(shù)，mD·ft;

Kf——裂縫 (割理)滲透率，mD;

w——裂縫寬度，ft。

圖3 垂直裂縫導(dǎo)流能力示意圖Fig.3 Conductivity schematic of vertical fractures

它表示黏度系數(shù)為1的流體，在單位壓力梯度作用下通過單位高度裂縫截面的流量。無量綱化后，相應(yīng)形成無量綱導(dǎo)流系數(shù)為:

式中 CfD——導(dǎo)流系數(shù)，無量綱;

K——儲層滲透率，mD;

xf——裂縫半長，ft。

對于垂直裂縫的無量綱導(dǎo)流能力，Prats［8］最初定義其與現(xiàn)今導(dǎo)流系數(shù)的關(guān)系為:

Prats稱α為相對導(dǎo)流系數(shù)。

水平裂縫導(dǎo)流能力示意圖如圖4所示。相應(yīng)形成無量綱導(dǎo)流系數(shù)為:

式中 rf——裂縫延展半徑，ft。

圖4 水平裂縫導(dǎo)流能力示意圖Fig.4 Conductivity schematic of horizontal fractures

無量綱導(dǎo)流系數(shù)表示了裂縫傳導(dǎo)能力與地層供給能力的對比。以帶有垂直裂縫的生產(chǎn)井為例，將式 (4)變形，可得到如下形式:

式中 μ—— 流體黏度，mPa·s;

h—— 有效厚度，ft。

根據(jù)Darcy定律可知，上式的分子是單位壓力梯度下裂縫內(nèi)流體流出的流量，而分母則是單位壓力梯度下地層內(nèi)進入裂縫的流體流量［6］。

2.2 表皮系數(shù)

表皮系數(shù)通常被用于評價儲層的改造效果。因為我國煤層氣井大多經(jīng)過壓裂，所以表皮系數(shù)可以被用來反映增產(chǎn)改造對煤層氣井產(chǎn)量的影響。

表皮系數(shù)的大小反映出鉆井、完井、壓裂增產(chǎn)改造對油氣井產(chǎn)能的影響情況。表皮系數(shù)可以通過裂縫無量綱導(dǎo)流系數(shù)CfD、裂縫半長xf、表皮系數(shù)S及井徑rw的關(guān)系圖版來表示。其相關(guān)性如圖5所示。當(dāng)裂縫無量綱導(dǎo)流能力大于300時，假設(shè)的徑向表皮系數(shù)與裂縫導(dǎo)流系數(shù)無關(guān)，這時曲線值穩(wěn)定值為 0.5［9］。

圖5 表皮系數(shù)與裂縫半長和導(dǎo)流能力關(guān)系圖(據(jù) Heber Cinco－Ley and Fernando Samaniego，1981)Fig.5 Relationship between the skin coefficient and the fracture half－length and conductivity

表皮系數(shù)是一個無量綱數(shù)，是衡量井底附近儲層因受到傷害而引起流體滲流阻力增加或因儲層得到改善而使得流體滲流阻力減小的尺度，它是評價儲層傷害或改善程度的一個最常用的參數(shù)，其大小直接反映地層傷害、改善和單井產(chǎn)能損失或提高情況。在鉆完井過程中，儲層受完井液(如鉆井液、水泥漿、射孔液和壓井液等)侵入的影響，以及打開程度不完善、井軸與油層傾斜、氣體在井壁附近的紊流因素的影響，形成與原地層特性不同的“表皮”區(qū) (圖6)，形成表皮效應(yīng)，使井周圍地層內(nèi)流體產(chǎn)生非理想流動［10］。一般情況下，使流線偏離井點方向或限制流量的任何現(xiàn)象 (如部分射開、不合理射孔數(shù)目、近井地帶相變及湍流等)都會導(dǎo)致正表皮因子，表示有流阻或地層傷害存在，滲透率低于先前自然裂縫的滲透率;相反，如果通過改造儲層滲透率高于先前自然裂縫的滲透率，那么表皮系數(shù)就是負值。

圖6 井中表皮效應(yīng)圖(據(jù)GRI，1996)Fig.6 Skin effect in wells

3 煤層氣儲層壓裂改造及效果分析

3.1 儲層改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

沁水盆地南部是目前我國煤層氣取得初步成功的地區(qū)。區(qū)內(nèi)主力煤層為山西組3號煤層、太原組15號煤層，其中3號煤層厚度平均為6m，橫向基本連續(xù)，厚度變化不大。采用沁水盆地南部沁水縣固縣鄉(xiāng)A井3號煤層山西組單層開采情況(深度為542.0～547.9m，厚度為5.9m)進行效果分析。

3.2 壓裂效果分析

3號煤層壓裂前后效果對比如表1所示，從中說明壓裂改造起到了改善儲層的效果。

表1 壓裂前后3號煤層試井分析結(jié)果表Table 1 Well test analysis results of No.3Coal Bed before and after fracturing

3.2.1 煤層滲透率

壓裂后測試3號煤層滲透率值為2.8mD，比壓裂前滲透率1.75mD高，說明壓裂后3號煤層的滲透率得到提高。

3.2.2 煤層壓力

壓裂后測試3號煤層壓力為694.6psi，比壓裂前的532.1psi高出162.5psi。分析原因可能為:

(1)井組壓裂后，大量的壓裂液進入煤層，無法在較短的時間內(nèi)完全濾失，顯示為煤層壓力升高。

(2)壓裂液進入煤層后占據(jù)相當(dāng)大的體積，使煤巖受到壓縮變形，從而使煤層的地應(yīng)力分布發(fā)生變化，造成壓力暫時性升高。

(3)壓后壓力擴散、平衡時間較短也是造成煤層壓力暫時性升高的原因之一。

3.2.3 表皮系數(shù)

壓裂前計算了3號煤層的表皮系數(shù)為正值(6.25)，反映煤層在鉆井過程中受到一定程度的傷害，壓裂后計算3號煤層的表皮系數(shù)為負值 (－2)，反映經(jīng)過壓裂改造，煤層條件得到了有效改善。

3.2.4 裂縫導(dǎo)流能力及裂縫半長

壓裂后的試井測試分析能夠獲取裂縫導(dǎo)流能力及裂縫半長值。此次壓裂裂縫半長的結(jié)果為223.1ft，針對煤層來說，裂縫半長相對較長，一方面反映壓裂規(guī)模較大;另一方面反映壓裂效果比較好，同時壓裂后計算裂縫導(dǎo)流能力為0.1mD·ft，表明壓裂后裂縫具有一定的導(dǎo)流能力。

4 結(jié)束語

(1)水力壓裂能夠增產(chǎn)增注的滲流力學(xué)機理是將原來井中流體徑向滲流模式改變?yōu)榫€性滲流模式。

(2)通過對煤層進行水力壓裂，能夠消除鉆井過程中鉆井液對煤層的傷害，有效連通井筒和煤層，改變煤層中氣的滲流方式，增加滲流面積，減小流動阻力。

(3)評價煤層氣水力壓裂增產(chǎn)效果的主要參數(shù)為煤層滲透率、表皮系數(shù)及裂縫導(dǎo)流能力和裂縫半長。

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