800 m以深直井煤儲(chǔ)層壓裂特征分析

楊兆中，楊　蘇，張　健，李小剛

(1.西南石油大學(xué) 科研處，四川 成都　610500；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都　610500；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)部，北京　100011)

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800 m以深直井煤儲(chǔ)層壓裂特征分析

楊兆中1，楊蘇2，張健3，李小剛2

(1.西南石油大學(xué) 科研處，四川 成都610500；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都610500；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)部，北京100011)

摘要:以沁水盆地800 m以深煤層氣井為例，統(tǒng)計(jì)歸納了深部煤層地質(zhì)特征，分析了與之對(duì)應(yīng)的壓裂難點(diǎn)；通過(guò)統(tǒng)計(jì)10口采用活性水壓裂技術(shù)且產(chǎn)氣效果顯著提升的深煤層氣井的壓裂數(shù)據(jù)，總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)體系下深煤層直井壓裂施工參數(shù)特征，分析了導(dǎo)致深部煤層氣藏壓裂施工中壓力異常偏高的因素，提出了深部煤層氣藏開(kāi)發(fā)對(duì)策。結(jié)果表明：深部煤層氣藏的高溫、高壓、高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境、較差的儲(chǔ)層物性以及較強(qiáng)的非均質(zhì)性等特征，使得現(xiàn)有壓裂技術(shù)體系在適用性和有效性上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；增產(chǎn)效果較好的深部煤層氣直井，普遍采用大液量注入，同時(shí)控制砂比在15%左右；壓裂時(shí)壓力異常偏高是受到壓裂液性能、地層微裂縫、儲(chǔ)層巖性、鉆井液污染及煤粉堵塞等因素的影響；未來(lái)應(yīng)對(duì)深部煤層氣藏的開(kāi)發(fā)，除了要對(duì)活性水壓裂技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還有賴(lài)于壓裂理論的發(fā)展和新型壓裂材料的研制。

關(guān)鍵詞:深部煤層；地質(zhì)特征；直井壓裂；施工參數(shù)

隨著煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展重心逐漸向深部轉(zhuǎn)移[1]，開(kāi)發(fā)重點(diǎn)由最初的500 m左右的煤層，逐步轉(zhuǎn)向800 m[2]以深煤層。較之淺埋深煤層，深部煤層在地應(yīng)力、地溫及巖石力學(xué)性質(zhì)等方面有較大不同，通常具有高溫、高壓、低滲透率、低飽和等特點(diǎn)[3]。深部煤層氣藏的勘探開(kāi)發(fā)在我國(guó)目前處于初步研究和探索階段，欠缺針對(duì)性的增產(chǎn)改造技術(shù)體系[4]，傳統(tǒng)的水力壓裂工藝在適用性上面臨挑戰(zhàn)，壓裂后產(chǎn)量普遍偏低[5]。

目前我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度較高的沁水盆地，1 000 m以深的煤層氣資源量占總資源量的47%[4]。申建等構(gòu)建了基于地應(yīng)力、飽和含氣量、滲透率等深煤層界定指標(biāo)體系，根據(jù)最大隸屬原則將沁水盆地深煤層界定在750 m以深[6]，即在此深度以深，煤層氣成藏特征開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)換，其開(kāi)發(fā)須針對(duì)儲(chǔ)層特性變化采取相應(yīng)的措施。我國(guó)煤層具有厚度薄、滲透率低、含氣量低的特點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)方式以直井壓裂為主[7]。近年來(lái)，在沁水盆地南部進(jìn)行了不同深度煤層氣藏直井的壓裂排采作業(yè)，其中絕大多數(shù)煤層氣井采用活性水壓裂液進(jìn)行加砂壓裂[8]。本文以沁水盆地800 m以深煤層氣井地質(zhì)、壓裂數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了深部煤層地質(zhì)特征分析和現(xiàn)有壓裂技術(shù)體系在深部煤層氣藏直井應(yīng)用適用性研究，并進(jìn)一步選取典型實(shí)例分析壓裂作業(yè)時(shí)壓力異常的影響因素，提出了深部煤層直井壓裂的對(duì)策。

1800 m以深煤層地質(zhì)特征分析

以沁水盆地深煤層地質(zhì)參數(shù)為樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納得出的800 m以深煤層地質(zhì)特征(表1)。深部煤層的地質(zhì)條件和儲(chǔ)層物性，較之淺埋深煤層，區(qū)別較大。深部煤層含氣性較好，具有潛在的開(kāi)發(fā)價(jià)值[9]。忽略深部煤層開(kāi)發(fā)潛力的主要原因是其“三高”的地質(zhì)環(huán)境，即高地溫、高地應(yīng)力、高儲(chǔ)層壓力[4]。高地應(yīng)力極大地降低了煤儲(chǔ)層滲透性[10]，其極低的滲透率和較小的孔隙度[11]意味著深部煤層的開(kāi)發(fā)必須依賴(lài)有效的儲(chǔ)層改造措施，才能達(dá)到工業(yè)開(kāi)采的要求。高溫高壓下，煤層甲烷吸附、解吸條件異常復(fù)雜[12]，使得壓后產(chǎn)量的提升受到多因素制約。地應(yīng)力及巖石力學(xué)性質(zhì)的特殊性，使得深煤層氣井井壁穩(wěn)定與人工裂縫延伸非常困難，人工裂縫與天然裂縫的匹配關(guān)系復(fù)雜，特別是深煤層的高構(gòu)造應(yīng)力作用和煤巖的塑性特征，嚴(yán)重制約主裂縫的形成和有效延伸[5,13]。較大的作業(yè)深度、較差的物性參數(shù)以及高溫高壓的地層環(huán)境使得支撐劑在極其不規(guī)則的裂縫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)有效輸運(yùn)與鋪置變得非常困難[5]。這些都使得深部煤層氣富集和開(kāi)采因素變得越發(fā)多樣化[14]，從而導(dǎo)致現(xiàn)有壓裂技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的適用性和有效性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在后續(xù)排采過(guò)程中出現(xiàn)見(jiàn)氣時(shí)間長(zhǎng)、單井產(chǎn)氣量低甚至不產(chǎn)氣等問(wèn)題。

表1　沁水盆地800 m以深煤層地質(zhì)特征

2現(xiàn)有壓裂技術(shù)適用性分析

2.1800 m以深煤層活性水壓裂特征

表2對(duì)我國(guó)煤層氣直井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的壓裂技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析[15-17]。活性水壓裂技術(shù)由于其低污染、低成本，易返排等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)目前煤層改造應(yīng)用最為廣泛的首要技術(shù)，能夠有效地改造井筒與煤層天然裂縫網(wǎng)絡(luò)之間的連通性，從而在排水降壓時(shí)合理地分配井孔周?chē)膲航担峁┠芰亢驮黾託怏w解吸速率，使煤層氣快速排出，在淺部煤層氣井應(yīng)用效果較好[5]。活性水壓裂技術(shù)在深煤層氣井的適用性可以根據(jù)近年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果來(lái)分析。

以沁水盆地為例，在成功進(jìn)行了活性水壓裂作業(yè)施工且產(chǎn)氣情況明顯改善的煤層氣井中，選取10口儲(chǔ)層深度在800 m以深的直井S1～S10作為樣本，統(tǒng)計(jì)其壓裂施工參數(shù)，見(jiàn)表3。

產(chǎn)量顯著提升的10口井儲(chǔ)層深度在800～1 350 m，均采用了較大的注入液量。這是因?yàn)樯畈棵簩佑捎谄涮厥獾牡刭|(zhì)條件和儲(chǔ)層物性，壓裂液濾失非常嚴(yán)重[18]。作為加強(qiáng)降濾措施，大液量注入可以解決活性水濾失嚴(yán)重導(dǎo)致的支撐裂縫長(zhǎng)度不夠的問(wèn)題。此外，大液量的注入能更快的將主裂縫或者是裂縫網(wǎng)絡(luò)向前擴(kuò)張，減少了在裂縫向前推進(jìn)過(guò)程中的壓裂液損失[16]，也可以較好地增大降壓面積，有利于煤層甲烷的解吸。10口井的平均砂比均在15%左右，這是由于活性水壓裂液黏度低、攜砂能力較差，面對(duì)物性更差、非均質(zhì)性更強(qiáng)的深部煤層，砂比如果過(guò)高，可能出現(xiàn)因?yàn)槲⒘芽p堵塞而帶來(lái)的施工壓力異常偏高的情況。隨著深度的增加，煤巖破裂壓力也隨之增加，大部分井破裂壓力達(dá)到了30 MPa左右，壓降比較明顯。

表2　我國(guó)煤層氣直井主要壓裂技術(shù)[15-17]

表3　10口800 m以深煤層氣藏直井活性水壓裂施工參數(shù)

2.2深部煤層壓裂壓力異常因素分析

目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的深部煤層氣井在壓裂作業(yè)時(shí)，常常會(huì)發(fā)生壓力異常偏高的情況，往往是由以下4種因素或因素間的組合導(dǎo)致的[19]，需要根據(jù)地質(zhì)資料與現(xiàn)場(chǎng)施工情況綜合判斷。

(1)壓裂液性能影響。

以圖1所示的A井為例，壓裂作業(yè)施工前期由于儲(chǔ)層物性較差導(dǎo)致施工壓力高而停泵，破裂點(diǎn)不明顯，后逐級(jí)提排量注入并試探性加砂，在以5%砂比加入第1個(gè)段塞后，壓力開(kāi)始升高，提高排量至4.2 m3/min，并繼續(xù)低砂比加入支撐劑，壓力持續(xù)升高，由于施工壓力過(guò)高而排量受限，最終施工失敗。究其原因是活性水壓裂液由于黏度低，在較低排量下造縫能力不足，加入支撐劑時(shí)易形成砂堵的潛在問(wèn)題。

圖1　A井壓裂作業(yè)施工曲線Fig.1　Fracturing operation curves of well A

(2)地層微裂縫影響。

壓裂時(shí)未能形成具有一定縫寬的主裂縫，只在近井筒地帶形成多條微裂縫，彎曲摩阻增大，在加入支撐劑后，支撐劑堵在縫口處或支撐劑立刻將近井地帶多微裂縫充填，導(dǎo)致流動(dòng)通道堵塞，壓力急劇上升。在近井地帶形成多條微裂縫后，在遠(yuǎn)井地帶融匯成主裂縫，在加砂過(guò)程中造成了微裂縫堵塞，導(dǎo)致施工壓力過(guò)高。圖2中B井井徑擴(kuò)大率為45.68%，射孔質(zhì)量受一定影響，從曲線看壓裂時(shí)，地層明顯破裂，但未形成一條足夠?qū)挾戎髁芽p，只形成多條微裂縫，再加砂過(guò)程中，和射孔產(chǎn)生碎屑將縫口堵死，后期通過(guò)變排量注入壓裂液，但壓力一直起伏，推斷為剛產(chǎn)生了微裂縫，隨即又被堵住。

圖2　B井壓裂施工綜合曲線Fig.2　Fracturing operation curves of Well B

(3)儲(chǔ)層巖性影響。

深部煤巖較之淺埋深煤層更加致密，裂隙不發(fā)育也會(huì)導(dǎo)致施工壓力異常偏高。圖3中C井的起泵排量3.8 m3/min，施工壓力達(dá)到37 MPa，之后以0.5～2 m3/min排量注入活性水，施工壓力仍然過(guò)高，最高達(dá)到近40 MPa，地層注不進(jìn)液。經(jīng)分析認(rèn)定原因?yàn)閮?chǔ)層過(guò)于致密，裂隙不發(fā)育。

圖3　C井壓裂施工綜合曲線Fig.3　Fracturing operation curves of Well C

(4)鉆井液污染及煤粉堵塞。

近井地帶鉆井液污染以及煤粉堵塞也會(huì)成為造成施工作業(yè)失敗的潛在因素。鉆井過(guò)程中鉆井液在井筒及近井地帶形成泥餅，堵塞近井地帶地層裂隙，會(huì)導(dǎo)致施工壓力高；地層中煤粉堵塞微裂隙，會(huì)導(dǎo)致地層注不進(jìn)液，施工中憋起高壓的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工時(shí)，由于無(wú)法準(zhǔn)確獲取煤層表皮系數(shù)，從而導(dǎo)致鉆井液污染情況不詳，無(wú)法正確判斷高壓異常是由鉆井液污染引起的還是由于煤粉堵塞引起的。

3深部煤層氣藏直井壓裂對(duì)策

(1)活性水壓裂技術(shù)優(yōu)化。

在國(guó)內(nèi)外深部煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中進(jìn)一步獲取壓裂經(jīng)驗(yàn)，選取成功案例，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法及數(shù)理分析，對(duì)壓裂材料和壓裂施工參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化[20]調(diào)整，逐步形成滿(mǎn)足我國(guó)深部煤層氣藏開(kāi)發(fā)的活性水壓裂技術(shù)體系。

(2)壓裂理論發(fā)展。

在現(xiàn)有的淺煤層和常規(guī)油氣層壓裂中，以形成高導(dǎo)流能力的規(guī)整裂縫作為主攻目標(biāo)，建立準(zhǔn)確的深部煤層壓裂裂縫起裂及延伸數(shù)學(xué)模型以指導(dǎo)壓裂施工設(shè)計(jì)。以理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐為手段，進(jìn)一步發(fā)展壓裂理論，力求在裂縫系統(tǒng)紛繁復(fù)雜的深煤層中形成具有一定長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力的規(guī)整人工裂縫[5]。

(3)新型壓裂材料研制。

現(xiàn)有支撐劑主要為石英砂和陶粒兩大類(lèi)，相對(duì)密度較高，要想實(shí)現(xiàn)支撐劑的有效輸送，對(duì)壓裂液的攜砂能力要求很高。建議從合成材料、加工技術(shù)、分子模擬等方面展開(kāi)攻關(guān)，研發(fā)出與深部煤層氣藏壓裂技術(shù)配套的新型壓裂材料。通過(guò)研發(fā)超低密度支撐劑和可控濾失速率的增能助解吸壓裂液，來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐劑在裂縫內(nèi)的有效輸送、鋪置和壓后煤層氣的順利解吸[3]。

4結(jié)論

(1)800 m以深煤層氣藏的高溫、高壓、高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境、較差的儲(chǔ)層物性以及較強(qiáng)的非均質(zhì)性等特征，使得深部煤層氣富集和開(kāi)采因素越發(fā)多樣化，增產(chǎn)改造難度很大，現(xiàn)有壓裂技術(shù)體系在適用性和有效性上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

(2)活性水壓裂技術(shù)是我國(guó)煤層氣藏開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)，已在深部煤層進(jìn)行了多口井壓裂實(shí)踐。深部煤層氣井活性水壓裂時(shí)，較之淺埋深煤層，破裂壓力較高。增產(chǎn)效果較好的深部煤層氣直井，普遍采用大液量注入，同時(shí)控制砂比在15%左右。

(3)深部煤層氣井壓裂作業(yè)時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)壓力異常偏高的情況，往往是受到了壓裂液性能、地層微裂縫、儲(chǔ)層巖性、鉆井液污染及煤粉堵塞等因素的影響，需要根據(jù)地質(zhì)資料和施工情況進(jìn)行判斷。

(4)為推動(dòng)深部煤層氣藏的開(kāi)發(fā)，除了要對(duì)現(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，還需要發(fā)展在地質(zhì)條件復(fù)雜的深部煤層能夠有效地形成具有一定長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力的規(guī)整人工裂縫的壓裂理論。此外，超低密度支撐劑和可控濾失速率的增能助解吸壓裂液的等新型壓裂材料的研制可以幫助實(shí)現(xiàn)支撐劑的有效輸送、鋪置以及煤層氣的順利解吸。

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Fracturing characteristics analysis of 800 meters deeper coalbed methane vertical wells

YANG Zhao-zhong1，YANG Su2，ZHANG Jian3，LI Xiao-gang2

(1.ResearchDepartment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.SchoolofPetroleumandNaturalGasEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;3.DevelopmentandProductionDepartment,ChinaUnitedCoalbedMethaneCompany,Beijing100011,China)

Abstract:In this study,the samples were taken from the wells of Qinshui Basin with depth more than 800 meters.Geological features of deep coal seam were summarized.The fracturing difficulties were also analyzed.According to the statistics of fracturing data from 10 deep wells,which used active water fracturing technologies and obtained some good effects,the characteristics of fracturing construction parameters for deep CBM wells using the existing technologies were summarized.The factors that cause the abnormal high pressure of fracturing in deep coal bed gas reservoir were analyzed.The strategies of deep coalbed methane reservoir were proposed.The research results show that deep coal beds have high temperature,high pressure,high ground stress,poor reservoir physical properties and strong heterogeneity,which makes the applicability and validity of the existing technologies face severe challenges.The vertical well fracturing uses large volume injection and 15% sand ratio.Abnormal pressure of fracturing is influenced by fracturing fluid properties,the formation of micro fractures,reservoir lithology,drilling fluid pollution,coal blockage and other factors.The development of deep coal beds in the future depends on not only the optimization of active water fracturing technology,but also the promotion of fracturing theories and the development of new materials.

Key words:deep coalbed;geological features;vertical well fracturing;construction parameters

中圖分類(lèi)號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0100-05

作者簡(jiǎn)介:楊兆中(1969—)，男，四川瀘州人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:sgylxg@swpu.edu.cn。通訊作者：楊蘇(1987—)，男，河南濮陽(yáng)人，博士研究生。E-mail:201411000050@stu.swpu.edu.cn

基金項(xiàng)目:“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05042-002)

收稿日期:2015-09-11修回日期:2015-10-25責(zé)任編輯:張曉寧

楊兆中，楊蘇，張健，等.800 m以深直井煤儲(chǔ)層壓裂特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):100-104.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9026

Yang Zhaozhong，Yang Su，Zhang Jian，et al.Fracturing characteristics analysis of 800 meters deeper coalbed methane vertical wells[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):100-104.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9026