煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)方法研究

彭科翔

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煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)方法研究

彭科翔

（貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

我國(guó)煤層氣單井產(chǎn)量較低，嚴(yán)重制約著煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。要提高單井產(chǎn)量，關(guān)鍵在于增大煤層氣解吸速度和范圍。只有對(duì)煤層氣直井進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂，才能達(dá)到這種效果。首先從煤層可壓性分析入手，討論煤層氣的開(kāi)采特征、地應(yīng)力分布、天然裂縫和層理等對(duì)縫網(wǎng)形成的影響。其次，提出縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容，利用誘導(dǎo)應(yīng)力改變水平地應(yīng)力分布，產(chǎn)生應(yīng)力反轉(zhuǎn)，同時(shí)，針對(duì)射孔方式、小型測(cè)試壓裂和主壓裂設(shè)計(jì)、支撐劑和壓裂液的選擇等提出具體設(shè)計(jì)方法。所提出的煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)方法，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步完善推廣，具有較好的應(yīng)用前景。

煤層氣；單井產(chǎn)量；縫網(wǎng)壓裂；設(shè)計(jì)方法

我國(guó)利用地面直井開(kāi)發(fā)煤層氣，已有20多年，形成了一系列的配套開(kāi)發(fā)技術(shù)[1-3]。但是，煤層氣單井產(chǎn)量較低，卻成為制約我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸[4-7]。目前，煤層氣直井需要水力壓裂改造后，才能投產(chǎn)。盡管改造后，在一定程度上能夠提高產(chǎn)量，但效果并不理想。改造體積范圍較小和解吸速度較低是造成煤層氣單井產(chǎn)量低的兩個(gè)主要原因。與煤層氣的儲(chǔ)層特征比較類(lèi)似，頁(yè)巖氣通過(guò)大規(guī)?？p網(wǎng)壓裂[8]，卻得到了快速開(kāi)發(fā)，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，這也給煤層氣的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。通過(guò)縫網(wǎng)壓裂改造，可以解決這兩大問(wèn)題，因此，需要對(duì)煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂進(jìn)行深入研究。

1 煤層氣儲(chǔ)層可壓性分析

1.1 物性和開(kāi)采特征

煤層氣藏物性較差，孔隙度較低，約為5%，平均滲透率在10-3md數(shù)量級(jí)以下，必須經(jīng)過(guò)水力壓裂改造后，才能投產(chǎn)。煤層氣主要以吸附的形式存在于煤層基質(zhì)微孔隙中，只有少量氣體以游離態(tài)存在。同時(shí)，煤層多含水，主要存在于煤層的天然裂縫中。因此，必須經(jīng)過(guò)排水降壓，才能有大量的煤層氣從基質(zhì)中解吸擴(kuò)散出來(lái)，通過(guò)天然和人工裂縫滲流運(yùn)移到井筒中[9-12]。

解吸、擴(kuò)散和滲流速度三者中的最小速度，決定了煤層氣的最終開(kāi)采速度。由于煤層壓力較低、煤層對(duì)氣體的吸附能力較強(qiáng)以及滲透率較低，造成煤層氣的解吸和擴(kuò)散速度低于氣體在裂縫中的滲流速度，因此，提高解吸和擴(kuò)散速度成為提高煤層氣產(chǎn)量的首要問(wèn)題。

1.2 礦物分析

主要分析煤層中的粘土、碎屑巖和碳酸鹽巖的組成和含量比例等。如果石英和鈣質(zhì)等脆性礦物含量較高，壓裂時(shí)，在煤層內(nèi)就比較容易產(chǎn)生縫網(wǎng)。如果粘土含量較高，就需要考慮壓裂過(guò)程中防止膨脹問(wèn)題。

1.3 地應(yīng)力分析

地應(yīng)力大小和分布是決定壓裂裂縫擴(kuò)展和形態(tài)特征的關(guān)鍵因素。主要通過(guò)水平主應(yīng)力差異系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)生縫網(wǎng)的難易程度，公式如下:

利用水平主應(yīng)力差異系數(shù)來(lái)判斷形成縫網(wǎng)的難易程度時(shí)，需要根據(jù)具體的煤層氣區(qū)塊和儲(chǔ)層特征，如對(duì)山西晉城礦區(qū)西部某一煤層，當(dāng)水平主應(yīng)力差異系數(shù)小于0.47時(shí)，比較容易產(chǎn)生縫網(wǎng)；大于0.84時(shí)，產(chǎn)生平直裂縫。其它區(qū)塊可以參考這一范圍，用以確定是否存在形成縫網(wǎng)的可能性[13]。

1.4 天然裂縫和層理

由于煤層中天然裂縫比較發(fā)育，存在大量的面割理和端割理，因此，在縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮如何將大量的天然裂縫溝通起來(lái)，以形成一個(gè)大的縫網(wǎng)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)體積改造[14,15]。另外，需要考慮煤層內(nèi)是否存在較薄的泥巖或砂巖等，這些層理對(duì)縫網(wǎng)也有較大影響。

2 設(shè)計(jì)方法及內(nèi)容

設(shè)計(jì)原理是通過(guò)壓裂過(guò)程中產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，改變最大與最小水平主應(yīng)力的分布，利用縫內(nèi)凈壓力的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，并盡可能溝通天然裂縫，最終形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。

2.1 誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算

假設(shè)三維裂縫垂直于縫長(zhǎng)方向上的橫截面為橢圓形，空間分布如圖1。

圖1 三維裂縫空間分布

在水力壓裂過(guò)程中，裂縫內(nèi)的壓力較高，在垂直于裂縫壁面的方向上，產(chǎn)生較大的誘導(dǎo)應(yīng)力，如圖2。

圖2 二維裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力分布

根據(jù)Sneddon和Elliot所提出的無(wú)限長(zhǎng)平面裂縫周?chē)鷳?yīng)力分布理論，在裂縫周?chē)a(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算如下[16]。

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算得到垂直于裂縫壁面所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力與距離之間的關(guān)系，如圖3。

圖3 誘導(dǎo)應(yīng)力分布

可看到，壓裂過(guò)程中所產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力在最小水平主應(yīng)力方向上，增加幅度最大，在最大水平主應(yīng)力方向上，有所增大，但幅度較小；在裂縫壁面上的誘導(dǎo)應(yīng)力最大，為裂縫內(nèi)的凈壓力值；隨著距離的增大，誘導(dǎo)應(yīng)力下降較快；當(dāng)垂直距離增大到裂縫半高的3倍后，誘導(dǎo)應(yīng)力變化較小，基本趨于穩(wěn)定。

2.2 射孔方式

參照頁(yè)巖氣縫網(wǎng)壓裂中的分段多簇射孔方式，在煤層氣中由單段集中射孔改為分簇射孔，同時(shí)優(yōu)化射孔方位、孔徑和孔密，盡可能有利于形成縫網(wǎng)。在圖4中，可看到，當(dāng)采用常規(guī)射孔方式時(shí)，由于孔眼比較集中，比較容易形成單一裂縫；當(dāng)采用分簇射孔后，射孔簇存在一定的間距，上下簇的孔眼分別產(chǎn)生裂縫，在遠(yuǎn)井地帶相互干擾，容易形成縫網(wǎng)。

圖4 常規(guī)射孔時(shí)的裂縫形態(tài)和分簇射孔時(shí)的裂縫形態(tài)

2.3 小型測(cè)試壓裂

不僅用來(lái)估計(jì)壓裂的難易程度、壓裂液濾失和破裂壓力等，而且通過(guò)增大規(guī)模，在地層內(nèi)起到改變局部地應(yīng)力的效果，以有助于縫網(wǎng)的形成。在低滲透儲(chǔ)層中，測(cè)試壓裂所用液量一般在60 m3。但是對(duì)于煤層氣藏這種天然裂縫比較發(fā)育的地層，用量太少，難以真正反映出遠(yuǎn)井地帶的地應(yīng)力。因此，應(yīng)參考頁(yè)巖氣藏的測(cè)試壓裂設(shè)計(jì)，增大煤層氣藏測(cè)試壓裂時(shí)的用液量，可增大到200 m3左右[17]。同時(shí)，也可以在測(cè)試時(shí)，加入粉砂，封堵較小的裂縫，這樣，在主壓裂時(shí)，有利于裂縫及早轉(zhuǎn)向。

2.4 主壓裂

主要考慮用液量、泵注程序、施工排量和加砂方式以及返排控制等。通過(guò)控制排量大小，改變井底凈壓力，進(jìn)而控制裂縫擴(kuò)展方式；通過(guò)優(yōu)化泵注程序，實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向或溝通天然裂縫等；調(diào)整加砂方式，控制裂縫延伸或轉(zhuǎn)向；施工結(jié)束后，通過(guò)返排方式優(yōu)化，以使支撐縫網(wǎng)體積最大化。

目前，煤層氣直井壓裂規(guī)模較小，一般在500 m3以下。要實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂，必須增大施工規(guī)模?？蓞⒄枕?yè)巖氣藏壓裂，將壓裂液用量增大到1 000 m3以上。因?yàn)椋簩託獠靥烊涣芽p比較發(fā)育，濾失量較大，要形成有效的縫網(wǎng)系統(tǒng)和足夠的改造體積，必然要增大壓裂液用量。應(yīng)該增大排量到6甚至10 m3/min以上，這樣，在壓裂開(kāi)始階段，可以減少微小裂縫的張開(kāi)，降低濾失，有利于形成主裂縫[18]。排量較大，液體的沖擊力會(huì)較大，可以提高裂縫擴(kuò)展速度，也有利于攜帶支撐劑。另外，為了在施工結(jié)束時(shí)，尾追大粒徑的支撐劑，需要改變排量，降低沉砂高度，增大砂堤上的液體過(guò)流高度和面積，最終將大粒徑支撐劑沉降在近井筒區(qū)域。加砂濃度和用量需要不斷調(diào)整。在開(kāi)始加砂階段，利用段塞降低孔眼和近井筒附近的摩阻，提高液體流動(dòng)速度。隨后逐步提高加砂濃度，利用高速流體攜帶進(jìn)入不斷增長(zhǎng)的裂縫內(nèi)。根據(jù)裂縫延伸情況，增大加砂濃度，改變裂縫內(nèi)的摩阻，進(jìn)而提高凈壓力，實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向或迫使天然裂縫張開(kāi)。需要根據(jù)壓裂施工和地層特征，制定出合理的加砂濃度和用量。

2.5 支撐劑

除了滿足閉合壓力的要求外，主要考慮在壓裂液中的運(yùn)移和懸浮性能。通過(guò)壓裂液的懸浮攜帶和水力沖擊，盡可能將支撐劑運(yùn)送到較小的縫網(wǎng)內(nèi)，形成有效支撐。加砂量的多少并不是主要考慮因素，關(guān)鍵通過(guò)混砂液增大對(duì)煤層的水力沖擊作用，同時(shí)，利用高速流體中的支撐劑顆粒打磨沖蝕細(xì)小裂縫，最終，增大改造體積和范圍。

2.6 壓裂液

盡可能使用低粘度壓裂液，以利于縫網(wǎng)延伸和溝通，同時(shí)，要求壓裂液容易返排，減少煤層對(duì)壓裂液的吸附量，降低對(duì)煤層的傷害。

3 結(jié)論

1）通過(guò)借鑒頁(yè)巖氣藏縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，從煤層的可壓性分析、射孔設(shè)計(jì)、小型測(cè)試壓裂和主壓裂設(shè)計(jì)以及支撐劑和壓裂液優(yōu)選等方面，提出煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)思路和方法。

2）我國(guó)煤層氣單井產(chǎn)量較低，嚴(yán)重制約著煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過(guò)縫網(wǎng)壓裂，可以解決這一問(wèn)題，因此，應(yīng)加強(qiáng)煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂的研究。

3）根據(jù)所提出的煤層氣直井縫網(wǎng)壓裂設(shè)計(jì)思路和方法，進(jìn)行室內(nèi)縫網(wǎng)壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步完善推廣，最終形成縫網(wǎng)壓裂的配套技術(shù)。

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Study on Network Fracturing Design Method of Vertical Wells in Coal-bed Methane Reservoir

（Guizhou Wujiang Hydropower Development Company Limited, Guizhou Guiyang 550002，China)

The coal-bed methane production of single well is low, which prevents the development of coal-bed methane industry. In order to increase the single well production, it is critical to raise the rate and volume of coalbed methane desorption. Only the well is stimulated by network fracturing, the goal can be achieved. In this paper, the fracability of coalbed was discussed, including the development characteristics, the stress distribution, the natural fractures and beddings.Then, the network fracturing design method was presented, and the stress reversal could be obtained by induced stress during hydraulic fracturing treatment, so it can be used to form network fractures. At the same time, the design details for perforating, calibration and main fracturing, the fracturing fluid and proppants were put forward. These methods and research scope discussed above should be improved by on-site tests continuously, so the future will be excellent.

Coal-bed methane；Well production；Network fracturing；Design methods

TE 357

A

1671-0460（2017）10-2159-03

大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目號(hào)：2016ZX05060

2017-09-06

彭科翔（1990-），男，研究生本科畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，碩士畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)工程，油氣開(kāi)采理論與應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：541081111@qq.com。