吐哈油田煤層氣壓裂新技術(shù)探索及應(yīng)用

劉劍輝

（吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善838202）

1 概述

我國(guó)煤氣層資源豐富，地下2000m以內(nèi)的淺煤氣層資源量約為36.7×1012m3，儲(chǔ)量位居世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大；在當(dāng)前國(guó)際能源日益緊缺的形勢(shì)下，非常規(guī)能源煤層氣的開(kāi)采就顯得尤其重要；目前煤層氣開(kāi)采最有效的方法就是通過(guò)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造，力爭(zhēng)在儲(chǔ)層與井筒之間建立流暢通道。但是非常規(guī)氣田開(kāi)發(fā)暫時(shí)沒(méi)有成熟的壓裂工藝可借鑒，目前還在逐步探索，本文通過(guò)對(duì)煤層氣與常規(guī)油氣藏壓裂機(jī)理的異同對(duì)比，分析國(guó)內(nèi)外壓裂工藝概況，進(jìn)行工藝優(yōu)化，最終確定出一套適用于吐哈油田煤層氣特征的壓裂新技術(shù)，為煤層氣壓裂勘探提供技術(shù)參考[1]。

2 常規(guī)砂巖儲(chǔ)層與煤巖儲(chǔ)層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了探索煤層氣有效增產(chǎn)措施工藝，首先通過(guò)查找資料分析了常規(guī)天然氣砂巖儲(chǔ)層與煤巖儲(chǔ)層的異同點(diǎn)，結(jié)果如表1所示。

砂巖層和煤巖層在生氣能力、儲(chǔ)氣方式、孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)集物性等方面存在較大的差異，導(dǎo)致煤層氣與常規(guī)天然氣在壓裂和產(chǎn)出機(jī)理上存在差別，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）壓裂液的濾失方式和濾失規(guī)律不同（部分濾失和全濾失）。

（2）壓裂液造縫的延伸規(guī)律不同（砂巖是造縫，煤巖是破碎）。

（3）壓裂支撐劑的支撐方式和嵌入方式不同（砂巖在支撐，煤巖是混合）。

（4）產(chǎn)出機(jī)理不同（天然氣是運(yùn)移—儲(chǔ)藏—壓力驅(qū)動(dòng)—滲流；煤層氣是降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流，如圖1所示）。

3 煤層氣體積壓裂工藝研究

通過(guò)對(duì)常規(guī)砂巖儲(chǔ)層和煤層儲(chǔ)藏的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比，以及目前國(guó)內(nèi)煤層壓裂技術(shù)現(xiàn)狀分析，探索出一套適合吐哈油田煤層特征的工藝技術(shù)，具體工藝研究如下[2-3]。

3.1 煤層氣壓裂液體系對(duì)比及優(yōu)化

煤層壓裂與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層壓裂中，壓裂液體系的選擇優(yōu)化同等重要，壓裂液不但需要造縫和攜砂，同時(shí)由于液體浸入儲(chǔ)層，會(huì)造成一定的傷害，特別對(duì)于比表面積較大的煤層，其傷害程度尤為嚴(yán)重。因此，壓裂液的研究不但要滿足壓裂工藝的要求，還要與儲(chǔ)層配伍性良好，盡可能降低對(duì)地層的傷害。目前常用煤層氣壓裂液類型有以下幾種，如表2所示。

3.2 吐哈油田煤層氣壓裂液優(yōu)選

根據(jù)吐哈油田儲(chǔ)層和工藝對(duì)壓裂液的要求：

（1）低傷害，降低水敏和壓裂液殘?jiān)葌Α?/p>

（2）低粘度，溝通割理和微縫。

表1 砂巖與煤巖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖1 煤層氣體流動(dòng)特征

表2 煤層氣常用壓裂液對(duì)比

（3）具備一定攜砂能力，形成近井筒附近高導(dǎo)流能力裂縫。

（4）易返排，減少液體滯留時(shí)間。

（5）低摩阻，大排量條件易施工。

最終確定吐哈油田煤巖儲(chǔ)層壓裂液體系優(yōu)選活性水壓裂施工。

3.3 吐哈油田煤層氣支撐劑優(yōu)選

煤層氣支撐劑的選擇主要考慮以下幾方面因素：（1）支撐劑嵌入；（2）防止壓后返砂和吐砂；（3）溝通煤層裂隙系統(tǒng)；（4）低密度，易懸?。唬?）其他與常規(guī)壓裂考慮因素相同（如成本、圓球度、導(dǎo)流能力等）。

吐哈油田礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層閉合壓力小于30MPa，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)，主支撐劑優(yōu)選石英砂。針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層易濾失的特點(diǎn)，在加砂前期先加入細(xì)粒徑支撐劑對(duì)天然割理進(jìn)行處理，以降低濾失；在加砂中期加入中粒徑支撐劑以達(dá)到裂縫延伸的目的；在加砂后期加入粗粒徑支撐劑，充填井筒邊緣地帶，人工的形成高滲帶，以保證煤層氣流的順利暢通[4]。

最終確定吐哈油田煤巖儲(chǔ)層支撐劑優(yōu)選40～70目陶粒+20～40目石英砂+20～40目固特砂。

3.4 加砂工藝優(yōu)選

針對(duì)吐哈油田煤層割理發(fā)育，低楊、高伯的儲(chǔ)層特征，為解決裂縫短而且寬、進(jìn)砂困難的問(wèn)題，采取增大液量造復(fù)雜長(zhǎng)縫為主，選擇段塞式加砂工藝，降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

段塞的有效性在于它借助水力切割作用對(duì)彎曲裂縫進(jìn)行沖刷、打磨、切割，使裂縫表面平滑，從而降低或消除近井地帶裂縫彎曲摩阻；另一方面，小粒徑支撐劑段塞式加砂在多裂縫產(chǎn)生的同時(shí)可在除主裂縫外的其他分支裂縫中填補(bǔ)微縫，降低濾失，并且聚集形成阻礙流體流動(dòng)的砂團(tuán)，阻止裂縫進(jìn)液，分支裂縫不再延伸，保證主裂縫向前延伸，最終形成復(fù)雜型長(zhǎng)縫。

3.5 施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了更好地指導(dǎo)煤層氣儲(chǔ)層壓裂的技術(shù)應(yīng)用，在壓裂施工前，首先進(jìn)行小型壓裂測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，這樣可以對(duì)目的層物性參數(shù)、地層閉合壓裂、射孔及近井筒摩阻、壓裂液摩阻、濾失情況進(jìn)行分析，同時(shí)可以對(duì)井內(nèi)管柱安全性、設(shè)備承受能力進(jìn)行驗(yàn)證，從而為后期正式加砂壓裂設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

表3 核5X井小型測(cè)試結(jié)果表

通過(guò)注入壓降測(cè)試得出儲(chǔ)層滲透率差（0.0115×10-3μm2）、近井地帶污染?。ū砥は禂?shù)-3.6）、地層壓力系數(shù)較高（1.33MPa/100m）、地層破裂壓力和閉合壓力中等（破裂壓力44.747MPa、閉合壓力40.35MPa），地層存在一定微裂縫的結(jié)論，此結(jié)論可以用于指導(dǎo)壓裂設(shè)計(jì)。

根據(jù)小型壓裂測(cè)試資料修正地層參數(shù)后，導(dǎo)入施工數(shù)據(jù)，可模擬形成實(shí)際裂縫形態(tài)，如表4所示。

表4 核5X井FPT軟件模擬裂縫參數(shù)

通過(guò)軟件模擬，可確定出區(qū)塊煤巖儲(chǔ)層壓裂工藝基本參數(shù)，施工排量10～12m3/min，全程段塞式加砂，最高砂比12%～15%，平均砂比4%～5%，總液量1000～1300m3。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016年8月，吐哈油田首次在煤層氣儲(chǔ)層中開(kāi)展大規(guī)模大排量段塞式新工藝壓裂，在核5X井順利完成試驗(yàn)，該井采用全程活性水段塞式加砂壓裂，實(shí)際施工排量達(dá)到10m3/min，入井液量1188.4m3，入井總砂量60m3，優(yōu)選40～70目陶粒+20～40目石英砂+20～40目固特砂大粒徑組合支撐劑，尾追固特砂有效防止壓后吐砂情況發(fā)生，施工壓力50.6～81.7MPa，停泵壓力23.6MPa，施工按照壓裂設(shè)計(jì)順利結(jié)束，成功完成了吐哈油田煤層氣勘探領(lǐng)域的首口試驗(yàn)，施工曲線如圖2所示。

圖2 核5X井煤層氣壓裂施工曲線

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）核5X井壓裂的成功是吐哈油田在煤層氣壓裂工藝技術(shù)上的一大突破，為煤巖儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)保障。

（2）核5X井壓裂的成功驗(yàn)證了全程活性水段塞式加砂、大排量低砂比、大粒徑組合支撐劑工藝技術(shù)思路在吐哈油田是可行的。

（3）吐哈煤層氣壓裂技術(shù)認(rèn)識(shí)上還是存在一定的不足，比如活性水壓裂雖然可以極大降低儲(chǔ)層傷害，但是存在攜砂能力較低的問(wèn)題；同時(shí)，活性水濾失較大，造縫不充分，縫高容易失控，裂縫不能有效得到延伸，這將是下一步繼續(xù)優(yōu)化研究的方向。

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