煤層氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)參數(shù)確定與規(guī)范

王紀(jì)偉，張 燦，張 靜，李新發(fā)，張 峰

1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黑龍江大慶163318）

2.中國石油玉門油田分公司(甘肅酒泉735019）

■標(biāo)準(zhǔn)化

煤層氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)參數(shù)確定與規(guī)范

王紀(jì)偉1，張 燦1，張 靜2，李新發(fā)2，張 峰2

1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黑龍江大慶163318）

2.中國石油玉門油田分公司(甘肅酒泉735019）

通過分析總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)煤層氣儲(chǔ)層壓裂的技術(shù)方法，結(jié)合煤層氣儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和軟件模擬計(jì)算得出：壓裂液選用活性水經(jīng)濟(jì)成本低，表面張力可以控制在25～30mN/m，砂液比、裂縫導(dǎo)流能力能夠滿足開采要求；壓裂液中添加濃度為1%的KCL防膨劑，能夠改變儲(chǔ)層基質(zhì)的潤濕性，減少對儲(chǔ)層的傷害程度；天然石英砂支撐劑在30MPa以下時(shí)破碎率＜12%，能夠盡可能多的溝通多條割理系統(tǒng)；當(dāng)閉合壓力小于20MPa時(shí)，841～2 000μm粒徑石英砂導(dǎo)流能力大于420～841μm石英砂導(dǎo)流能力，壓裂前期注入420～841μm石英砂，后期適量注入841～2 000μm石英砂，可以提高裂縫的導(dǎo)流能力，減弱支撐劑的回流作用；壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2；儲(chǔ)層壓裂的裂縫半長設(shè)計(jì)在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲(chǔ)層厚度每米6m3計(jì)算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

煤層氣；壓裂；閉合壓力；導(dǎo)流能力；鋪砂濃度

全世界煤層氣資源量很大，世界上很多國家都發(fā)現(xiàn)了煤層氣資源。目前，煤層氣資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、加拿大、澳大利亞、印度、南非等十幾個(gè)國家，總計(jì)資源量在1.1×1014～1.3×1014m3之間。針對煤層氣的開發(fā)，真正已形成規(guī)模的國家主要有美國、加拿大和中國，并且都已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)。其中，開發(fā)技術(shù)最成熟的國家是美國，它是全球第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)煤層氣規(guī)模性開發(fā)、商業(yè)性開發(fā)的國家[1]。

在煤層氣的開發(fā)過程中，針對儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造技術(shù)是保證煤層氣開發(fā)的核心技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)煤層氣工業(yè)化生產(chǎn)的必須技術(shù)。因?yàn)閲鴥?nèi)外幾乎全部的煤層氣井都得進(jìn)行增產(chǎn)改造處理，才能獲得一定的工業(yè)產(chǎn)量。壓裂增產(chǎn)技術(shù)是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又低損害的煤層氣儲(chǔ)層特效改造技術(shù)，而且這項(xiàng)技術(shù)在國外相對比較成熟，成本低，對煤層氣儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造效果較佳

研究區(qū)煤層氣主要分布在2個(gè)儲(chǔ)層：Ⅰ層和Ⅱ?qū)?，兩?chǔ)層物性較好，Ⅰ層與Ⅱ?qū)又g有明顯的大的隔層。Ⅰ層孔隙度約4.2%～5.5%，滲透率在1.1× 10-3μm2左右，儲(chǔ)層厚度在8～10m之間，平均8.52m，閉合壓力約9MPa，溫度26℃，儲(chǔ)層上覆粉砂質(zhì)泥巖層。Ⅱ?qū)涌紫抖燃s4.8%～6.5%，滲透率為1.3×10-3μm2，儲(chǔ)層厚度在6～11m之間，平均9.18m，閉合壓力為11MPa，儲(chǔ)層溫度28℃。巖心分析得出：Ⅰ層和Ⅱ?qū)訉儆诘突?、低硫的穩(wěn)定儲(chǔ)層，儲(chǔ)層演示模量低，泊松比較高。整體看儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)比較單一，較為適合壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)的實(shí)施。

1 壓裂技術(shù)參數(shù)優(yōu)選

1.1 壓裂液優(yōu)選

1.1.1 壓裂液種類優(yōu)選

煤層氣儲(chǔ)層壓裂液的選定必須建立在煤層氣儲(chǔ)層的物性和儲(chǔ)層的開采特點(diǎn)之上，并且要求壓裂液與煤層氣儲(chǔ)層配伍。另外，所選壓裂液的砂液比要能夠達(dá)到現(xiàn)場施工的要求，壓裂所產(chǎn)生的裂縫結(jié)構(gòu)要滿足煤層氣開采所需要的導(dǎo)流能力。表1列舉了煤層氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)常用壓裂液的成本、傷害程度、支撐劑鋪置以及支撐裂縫長度等技術(shù)參數(shù)值[2]。

表1 常用壓裂液的技術(shù)參數(shù)對比

國內(nèi)的煤層氣井以活性水壓裂液為主，少數(shù)井開展了線性凝膠壓裂液或者交聯(lián)凍膠壓裂液的壓裂試驗(yàn)，同時(shí)也開展了各種類型壓裂液對煤層氣儲(chǔ)層傷害程度的分析與研究。研究結(jié)果表明：清潔壓裂液和活性水壓裂液對煤層氣儲(chǔ)層的污染較小，但制造裂縫的效率低，尤其不利于造長、寬縫；線性凝膠壓裂液和交聯(lián)凍膠壓裂液雖然可以制造高導(dǎo)流能力的長、寬縫，但是實(shí)驗(yàn)表明壓裂液對煤層氣儲(chǔ)層的污染性高。總之，不管哪種壓裂液對煤層氣儲(chǔ)層都有一定程度的改善性和傷害性，針對煤層氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)和低成本開發(fā)的要求，采用活性水壓裂液?；钚运畨毫岩河伤?、表面活性劑和降阻劑等組成，表面張力可以控制在25～30mN/m之間，壓裂液配制過程簡單，經(jīng)濟(jì)成本低，易于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

表2 各類支撐劑性能

1.1.2 防膨劑用量優(yōu)選

煤層氣儲(chǔ)層是由連通性較好的大分子網(wǎng)絡(luò)以及互不連通的大分子通道構(gòu)成，因此儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的吸附性，可以吸附各種類型的液體或者氣體，儲(chǔ)層吸附液體的直接后果就是導(dǎo)致儲(chǔ)層基質(zhì)膨脹。由于煤層氣儲(chǔ)層總的割理孔隙度大都只有1%～2%，所以即使儲(chǔ)層只是對壓裂液的吸附所導(dǎo)致的基質(zhì)膨脹，也會(huì)致使儲(chǔ)層的割理孔隙度大幅度下降，直接導(dǎo)致儲(chǔ)層的滲透率下降[3-4]。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明：由于煤層氣儲(chǔ)層吸附壓裂液所產(chǎn)生的基質(zhì)膨脹作用，活性水壓裂液、清潔壓裂液、線性凝膠壓裂液以及交聯(lián)凍膠壓裂液對煤層氣儲(chǔ)層滲透率的相對傷害比率為1∶3∶6∶9。在壓裂液中加入一定量的KCl不僅可以作為防止儲(chǔ)層吸水膨脹的穩(wěn)定劑，還能改變儲(chǔ)層基質(zhì)的潤濕性，進(jìn)而提高壓裂液返排率，減少對儲(chǔ)層的傷害程度。防膨劑KCL的濃度為1%時(shí)效果最佳。

1.2 支撐劑優(yōu)選

1.2.1 支撐劑種類優(yōu)選

國內(nèi)外適用于煤層氣儲(chǔ)層壓裂的常見支撐劑種類有：石英砂、陶粒、樹脂包衣砂、木質(zhì)支撐劑等，其性能見表2。

煤層氣儲(chǔ)層壓裂支撐劑的選擇與一般常規(guī)油氣儲(chǔ)層的壓裂截然不同，煤層氣儲(chǔ)層壓裂的目的是連通儲(chǔ)層的割理系統(tǒng)。煤層氣儲(chǔ)層基質(zhì)的滲透率很低，氣體主要通過割理流入井筒，因此不需要太高導(dǎo)流能力的裂縫，而需要盡可能多的溝通多條割理系統(tǒng)。研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層埋藏淺，閉合壓力低，故選用天然石英砂（30MPa以下時(shí)破碎率＜12%）作為支撐劑[5-6]。

1.2.2 支撐劑粒徑優(yōu)選

取煤樣進(jìn)行相關(guān)分析測試：不同粒徑大小的石英砂隨實(shí)驗(yàn)閉合壓力的變化。當(dāng)閉合壓力小于20MPa時(shí)，841～2 000μm粒徑石英砂導(dǎo)流能力明顯大于420～841μm粒徑石英砂；當(dāng)閉合壓力大于20MPa時(shí)，兩者導(dǎo)流能力相差不大。研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層閉合壓力小于20MPa，因此841～2 000μm粒徑石英砂可較好的滿足壓裂要求。在具體的壓裂施工過程中，前期注入小粒徑420～841μm石英砂，后期適量注入大粒徑841～2 000μm石英砂，以提高裂縫本身的導(dǎo)流能力，也可以減弱支撐劑的回流作用。

1.2.3 鋪砂濃度優(yōu)選

鋪砂濃度[7-8]對煤層氣儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力影響很大，導(dǎo)流能力可以通過裂縫導(dǎo)流能力測試儀測得。同一閉合壓力下，鋪砂濃度為10kg/m2時(shí)的導(dǎo)流能力明顯大于5kg/m2時(shí)的導(dǎo)流能力，加大鋪砂濃度能夠較大程度的提高儲(chǔ)層裂縫的導(dǎo)流能力。在閉合壓力20MPa時(shí)，鋪砂濃度10kg/m2的導(dǎo)流能力是5kg/m2時(shí)導(dǎo)流能力的3倍多，鋪砂濃度低于10kg/m2時(shí)，儲(chǔ)層導(dǎo)流能力下降幅度明顯，因此要求壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2。

1.3 壓裂規(guī)模確定

通過模擬計(jì)算可以得出：壓裂增產(chǎn)效率隨裂縫長度的增大而提高，且在一定的縫長范圍內(nèi)增產(chǎn)效率提高較快，但當(dāng)縫長超過一定值之后，增產(chǎn)速度趨于平緩，最佳裂縫半長隨著煤層氣儲(chǔ)層滲透率的降低而逐漸增大[9-10]。煤層氣儲(chǔ)層壓裂的裂縫半長設(shè)計(jì)在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲(chǔ)層厚度6m3/m計(jì)算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

2 結(jié)論

1）活性水壓裂液經(jīng)濟(jì)成本低，表面張力可以控制在25～30mN/m之間，砂液比能夠達(dá)到施工的要求，壓裂所產(chǎn)生的裂縫結(jié)構(gòu)能夠滿足煤層氣開采所需要的導(dǎo)流能力；壓裂液中添加濃度為1%的KCL防膨劑，能夠改變儲(chǔ)層基質(zhì)的潤濕性，減少對儲(chǔ)層的傷害程度。

2）天然石英砂支撐劑在30MPa以下破碎率＜12%，能夠盡可能多的溝通多條割理系統(tǒng)；當(dāng)閉合壓力小于20MPa時(shí)，841～2 000μm粒徑石英砂導(dǎo)流能力明顯大于420～841μm石英砂導(dǎo)流能力。壓裂前期注入420～841μm石英砂，后期適量注入841～2 000μm石英砂，可以提高裂縫本身的導(dǎo)流能力，減弱支撐劑的回流作用；壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2。

3）儲(chǔ)層壓裂的裂縫半長設(shè)計(jì)在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲(chǔ)層厚度6m3/m計(jì)算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

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According to the analysis and summary of the domestic and foreign techniques related to coalbed methane reservoir fracturing and the geological characteristics of coalbed methane reservoir,the following conclusions are drawn through the experimental data analy?sis and software simulation:when active water is used in fracturing fluid,the economic cost is low,and the surface tension can be con?trolled in 25～30 mN/m,and the ratio of sand to liquid and the seepage capacity of crack can meet the requirement；to add antiswelling agent KCI of 1%(mass fraction)in the fracturing fluid can change the wettability of the reservoir matrix and reduce the damage degree of the reservoir；when the pressure is less than 30 MPa,The crushing ratio of natural quartz sand proppant is less than 12%,fracturing can connect multiple cleat systems as much as possible；when the closure pressure is less than 20 MPa,the seepage capacity of the quartz sand of particle size 841～2 000μm is greater than that of the quartz sand of particle size 420～841μm,to inject the quartz sand of par?ticle size 420～841μm in the early stage of fracturing and to inject the quartz sand of particle size 841～2 000μm in the late stage of fracturing can improve the seepage capacity of cracks and weaken the backflow of proppant；the reasonable sand concentration is not lower than10 kg/m2；the reasonable crack half-length is 100～120 m,the amount of sand is calculated according to 6 m3 per meter reser?voir thickness in principle,the average value of sand ratio is greater than 13%,the construction flow rate is 5～6 m3/min,and the well?head pressure is limited to 50 MPa.

coalbed methane；fracturing；closure pressure；seepage capacity；sand concentration

尉立崗

2016-06-13

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)示范工程”（2011ZX05052)。

王紀(jì)偉（1988-），男，博士研究生，主要從事提高采收率理論與技術(shù)和油藏?cái)?shù)值模擬工作。