煤儲(chǔ)層空氣小壓裂工藝技術(shù)研究

任貴陽(yáng)，王信通

(1.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，洛陽(yáng) 471203；2.河南省壓裂工程技術(shù)研究中心，洛陽(yáng) 471000)

1 研究背景

不同煤階煤的物理特性差異較大，決定了煤層氣賦存地質(zhì)特征也各不相同，而且在不同區(qū)域，由于物理化學(xué)條件產(chǎn)生的作用不同，使得同一煤階煤在煤層氣生成機(jī)理與賦存條件存在很大的差異，這些因素直接影響到煤層氣吸附與解析特征，決定著煤層氣的開(kāi)發(fā)技術(shù)、工藝[1-4]。

目前，我國(guó)的煤儲(chǔ)層改造技術(shù)主要以水力壓裂為主，其他工藝也在不斷應(yīng)用與改進(jìn)發(fā)展[5]。常規(guī)水力壓裂技術(shù)、洞穴完井工藝、多分支水平井技術(shù)等針對(duì)我國(guó)部分煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，在一定范圍的煤層氣開(kāi)發(fā)上取得了成功，但也存在著明顯的局限性。因此，針對(duì)我國(guó)煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，探索適合我國(guó)煤儲(chǔ)層特點(diǎn)的煤層氣開(kāi)采工藝技術(shù)勢(shì)在必行[6-10]。

空氣動(dòng)力煤儲(chǔ)層改造技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種煤儲(chǔ)層新技術(shù)方法，有著獨(dú)特的儲(chǔ)層改造方式與效果，它對(duì)我國(guó)廣泛分布的中低階煤與碎粒煤、碎裂煤煤層氣的開(kāi)發(fā)起到了積極的推動(dòng)作用，在一定程度上，解決了我國(guó)中低階煤煤層氣開(kāi)發(fā)的技術(shù)難題。從空氣動(dòng)力煤儲(chǔ)層改造技術(shù)理論的形成與工藝研發(fā)，初步應(yīng)用試驗(yàn)，到工藝技術(shù)體系的形成，經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的應(yīng)用研究，已取得了很大的進(jìn)步，但如何使這種工藝技術(shù)更好地應(yīng)用于煤儲(chǔ)層改造，更好發(fā)揮其改造效果，還需要得益于該項(xiàng)工藝技術(shù)的不斷發(fā)展、改進(jìn)與完善[11-14]。

2 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂的作用

2.1 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂原理

實(shí)施煤儲(chǔ)層空氣小壓裂的主要目的是要在煤儲(chǔ)層中形成裂縫，為氣體動(dòng)力改造創(chuàng)造條件。煤儲(chǔ)層氣體動(dòng)力改造作業(yè)前的小型壓裂是在地面利用高壓變量泵通過(guò)井口裝置與管線將清水(加入2%KCl)以超過(guò)地層吸收能力的排量注入井中，在儲(chǔ)層部位憋起高壓，即在地層中產(chǎn)生裂縫，液體進(jìn)入裂縫中，裂縫逐漸向前延伸，在煤儲(chǔ)層中形成了具有一定長(zhǎng)度、寬度與高度的裂縫[15-18]。

與常規(guī)水力壓裂不同的是煤儲(chǔ)層空氣小壓裂使用的介質(zhì)是清水，不需要加入支撐劑，而且設(shè)備配置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，作業(yè)成本低?？諝鈩?dòng)力改造配合煤儲(chǔ)層空氣小壓裂是發(fā)揮氣體動(dòng)力改造工藝優(yōu)勢(shì)，提高改造效果的有效方法。但是，煤儲(chǔ)層空氣小壓裂主要還是針對(duì)原生結(jié)構(gòu)保存好、強(qiáng)度高的煤儲(chǔ)層，對(duì)于碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等構(gòu)造煤的氣體動(dòng)力改造就不需要進(jìn)行改造前的小型壓裂。

2.2 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂的作用

煤儲(chǔ)層空氣動(dòng)力改造作業(yè)前的小型壓裂不同于壓裂施工前的小規(guī)模壓裂，它不需要有大型的施工設(shè)備、大量的壓裂液儲(chǔ)備與支撐劑，也不同于煤氣井注入/壓降試井，它不需要有精度較高的數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄儀表及嚴(yán)格的操作要求，但是它具有獲取煤儲(chǔ)層相關(guān)參數(shù)，粗略評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層特性與改造難易程度，也具有壓開(kāi)煤層，在井周及其一定范圍內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，為后續(xù)空氣動(dòng)力改造創(chuàng)造更好的條件，以便發(fā)揮氣體動(dòng)力改造的優(yōu)勢(shì)(圖1)。

圖1 煤儲(chǔ)層氣體動(dòng)力改造井模型Figure 1 Coal reservoirgas dynamic transformation well model

2.3 空氣小壓裂對(duì)煤儲(chǔ)層參數(shù)的測(cè)試

煤儲(chǔ)層空氣小壓裂與儲(chǔ)層參數(shù)測(cè)試為小排量不加支撐劑的壓裂與測(cè)試，采用不下入井內(nèi)管柱、以井口壓力變化觀測(cè)數(shù)據(jù)換算至儲(chǔ)層中點(diǎn)壓力變化數(shù)據(jù)來(lái)分析地層參數(shù)。根據(jù)壓裂液排量注入變化方式，小壓裂與測(cè)試可以分為升排量泵注方式、降排量泵注方式、穩(wěn)定排量泵注方式、平衡泵注方式、壓降測(cè)試方式。

1)升排量泵注方式。采用階梯提升排量的泵注方式，一方面可以實(shí)施對(duì)煤儲(chǔ)層的小型壓裂，另一方面可以利用排量-壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算獲取地層破裂壓力參數(shù)，為后續(xù)壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)降排量泵注方式。采用階梯降低排量的泵注方式，一方面可以實(shí)施對(duì)煤儲(chǔ)層的小型壓裂，另一方面可以利用排量-壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算獲取地層相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)穩(wěn)定排量泵注方式。采用穩(wěn)定排量的泵注方式，一方面可以實(shí)施對(duì)煤儲(chǔ)層的小型壓裂，另一方面可以利用排量-壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算獲取地層裂縫延伸壓力及相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4)平衡泵注方式。在降排量泵注的最后一個(gè)階段，采用穩(wěn)定低排量的泵注方式使井筒壓力達(dá)到平衡的壓裂與測(cè)試，一方面可以實(shí)施對(duì)煤儲(chǔ)層的小型壓裂，另一方面它可以準(zhǔn)確地獲取煤層的閉合壓力參數(shù)。

5)壓降測(cè)試方式。壓裂停泵后繼續(xù)觀測(cè)一定時(shí)間內(nèi)壓降數(shù)據(jù)，利用時(shí)間-壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算獲取地層裂縫閉合壓力、滲透率及其他相關(guān)參數(shù)。

3 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂工藝技術(shù)方法

3.1 作業(yè)流程

3.1.1 基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

1)井的基本數(shù)據(jù)：包括鉆井、井身結(jié)構(gòu)、固井等基本數(shù)據(jù)，以及井徑擴(kuò)大率、井斜等數(shù)據(jù)。

2)煤層數(shù)據(jù)：包括煤層名稱、深度、厚度與結(jié)構(gòu)、傾角、頂板與底板厚度及巖性等。

3)鉆井液資料：包括類型、比重、黏度、含砂量與pH值。

3.1.2 設(shè)備檢查

對(duì)壓裂與測(cè)試用的儀表、泵、裝置進(jìn)行檢查、保養(yǎng)，保證能夠正常運(yùn)行。

3.1.3 施工步驟

1)安裝井口裝置、觀測(cè)儀表，連接地面管線、壓井管匯等。

2)地面試壓：試壓壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)的地面最大注入壓力，穩(wěn)壓20mim為合格。

3)根據(jù)設(shè)計(jì)的注入方式注入液體、關(guān)井等操作。

4)完成小型壓裂與測(cè)試操作，拆除相關(guān)設(shè)備。

3.2 數(shù)據(jù)錄取

1)數(shù)據(jù)記錄方式：采用高精度可存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)、電子流量計(jì)、電子溫度計(jì)觀測(cè)錄取數(shù)據(jù)。

2)需要錄取的數(shù)據(jù)：井口壓力變化數(shù)據(jù)、注入液體流量與注入量、大氣溫度與液體溫度，以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

3)應(yīng)當(dāng)選用精度較高的數(shù)據(jù)記錄儀表，錄取數(shù)據(jù)的精度應(yīng)當(dāng)滿足分析計(jì)算地層相關(guān)參數(shù)要求，以精確地獲取空氣動(dòng)力改造前煤儲(chǔ)層的參數(shù)，為后續(xù)施工參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

3.3 數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)

采用具有小型測(cè)試分析功能的軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋，獲得關(guān)于煤儲(chǔ)層特征的參數(shù)，如儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層滲透率、破裂壓力、裂縫閉合壓力等數(shù)據(jù)，一方面為氣體動(dòng)力改造施工參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，指導(dǎo)空氣動(dòng)力改造作業(yè)，另一方面可以數(shù)據(jù)對(duì)比，分析改造效果，以進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整作業(yè)參數(shù)。

4 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂設(shè)備配置

煤儲(chǔ)層空氣小壓裂所使用的設(shè)備包括井口裝置、高壓變量泵、壓井管匯、高壓管匯、觀測(cè)儀表及其他輔助設(shè)備。其中，井口裝置、壓井管匯、地面高壓管匯、與觀測(cè)儀表是與空氣動(dòng)力改造作業(yè)設(shè)備共用，通過(guò)閥門控制調(diào)整用于在小型壓裂作業(yè)或空氣動(dòng)力改造作業(yè)。高壓變量泵是專門為小型壓裂配置的設(shè)備，僅用于煤層小型壓裂。本節(jié)主要對(duì)小型壓裂使用的高壓變量泵、觀測(cè)儀表進(jìn)行敘述。

4.1 高壓變量泵

高壓變量泵是小型壓裂的關(guān)鍵設(shè)備，其注入壓力要大于設(shè)計(jì)的最高壓力，注入排量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以滿足作業(yè)要求。高壓變量泵技術(shù)要求如下：

1)排量穩(wěn)定的三缸以上柱塞泵，額定壓力不小于21MPa，額定排量0～200L/min。

2)動(dòng)力設(shè)備：功率大小應(yīng)與高壓變量泵相匹配，持續(xù)工作時(shí)間不小于24h。

瓦斯壓力(含量)是一項(xiàng)十分重要的標(biāo)志突出危險(xiǎn)性大小的指標(biāo)，由于測(cè)定條件和管理等因素的影響，絕大部分煤層區(qū)域沒(méi)有實(shí)測(cè)瓦斯壓力參數(shù)，此時(shí)就必須根據(jù)具體的條件和瓦斯壓力分布規(guī)律，采用一定的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)出煤層各處的瓦斯壓力，繪制瓦斯壓力等值線，為突出危險(xiǎn)區(qū)域劃分和工作面前方突出危險(xiǎn)性大小提供依據(jù)。

4.2 電子壓力計(jì)

電子壓力計(jì)是記錄井口壓力變化的主要儀表，應(yīng)當(dāng)選擇選擇高精度電子壓力計(jì)，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確錄取壓力數(shù)據(jù)。其技術(shù)要求如下：

1)壓力量程：不小于30MPa。

2)溫度量程：-25～100℃。

3)數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)：不低于30 000組。

4)精確度：不低于0.025%FS。

5)溫度分辨率：不低于0.01℃。

6)壓力分辨率：不低于0.001MPa。

4.3 電子流量計(jì)

電子流量計(jì)是記錄注入液體排量的關(guān)鍵儀表，要求能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確記錄、顯示注入流量，記錄精度不低于1%FS。

5 煤儲(chǔ)層空氣小壓裂技術(shù)要求

1)壓裂液的選擇:對(duì)于煤層，為了防止和降低水敏傷害，抑制儲(chǔ)層中黏土礦物水化膨脹，注入液體一般選用濃度為2%的KCl水溶液。

2)注入排量的控制:由于煤巖層具有彈性模量低、較軟、易碎等特點(diǎn)，壓裂時(shí)容易產(chǎn)生多裂縫，因此要適當(dāng)控制注入排量，盡量避免產(chǎn)生多裂縫，以便形成主裂縫。同時(shí)，由于煤巖層濾失嚴(yán)重，要形成主裂縫，注入排量一定要高于濾失速度。

3)注入量的控制:根據(jù)煤儲(chǔ)層特性及確定的壓裂與測(cè)試方法，升排量注入方式要求注入液體的體積為20～50m3；穩(wěn)定排量注入方式要求注入液體的體積為20～40m3；降排量注入方式要求注入液體的體積為5～15m3；平衡排量注入方式要求注入液體的體積為5～10m3。同時(shí)，要保證裂縫具有一定的長(zhǎng)度，注入液體的量要有一定的要求，不能太少。

4)注入排量與時(shí)間:升排量注入：宜分6～9個(gè)階段階梯提升排量，其中應(yīng)有低于破裂壓力下的排量階段不少3個(gè)，第一個(gè)排量應(yīng)選取最低排量泵車采用最小的排量進(jìn)行；高于破裂壓力下的排量階段不少于3個(gè)。每排量階段注入時(shí)間1～2min。定排量注入：根據(jù)煤層厚度、煤層滲透率確定，排量盡可地大，穩(wěn)定排量測(cè)試時(shí)間3～5min。降排量注入：宜分3～5個(gè)階段階梯降低排量，每降低一次排量，持續(xù)10～15s的注入時(shí)間。平衡測(cè)試注入：降排量測(cè)試的最后一個(gè)階段將排量降低到0.5～1.0m3/min，穩(wěn)定泵注至壓力曲線趨于平穩(wěn)或出現(xiàn)上升趨勢(shì)時(shí)，即可停泵測(cè)壓降。

5)壓降測(cè)試時(shí)間:在進(jìn)行壓降測(cè)試時(shí)，停泵后觀測(cè)壓降時(shí)間不應(yīng)少于60min。

6 結(jié)論

儲(chǔ)層壓裂改造作業(yè)之前都是要進(jìn)行小規(guī)模壓裂，以用于測(cè)試地層壓裂的難易程度和壓裂液的適應(yīng)性，同時(shí)也用于確定諸如儲(chǔ)層破裂壓力、裂縫閉合壓力、裂縫延伸壓力、液體摩阻、濾失系數(shù)等參數(shù)，為主壓裂設(shè)計(jì)和施工提供重要參考依據(jù)，煤儲(chǔ)層的壓裂改造同樣存在主壓裂前的小型壓裂測(cè)試。

由于氣體具有可壓縮性，在高壓狀態(tài)下，氣體通過(guò)滲流作用很容易滲透到煤層，對(duì)于原生結(jié)構(gòu)保存較好且強(qiáng)度大破碎裂壓力高、剪切應(yīng)力與壓應(yīng)力高的煤儲(chǔ)層，通過(guò)氣體的擴(kuò)張作用使煤層直接產(chǎn)生一些新的裂隙是存在一定困難的，因此，借助于煤儲(chǔ)層空氣動(dòng)力改造前的小型壓裂，使煤層在井周及井周一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較多的裂隙，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施對(duì)煤儲(chǔ)層的空氣動(dòng)力改造，會(huì)取得事半功倍的效果。