韓城區(qū)塊煤層氣井二次改造工藝優(yōu)化及現(xiàn)場試驗

梁智飛， 劉長松， 甄懷賓， 趙海峰， 王成旺

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院, 北京 102249；2.中石油煤層氣有限責任公司, 北京 100028；3.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司, 北京 100095）

我國煤層氣資源儲量豐富，目前已建成多個示范性煤層氣產(chǎn)業(yè)基地[1]。初次壓裂改造后，地質、工程等因素會造成煤層氣井產(chǎn)量迅速衰減，需進行二次壓裂改造以提高產(chǎn)量[2-4]。學者們在選井選層、壓裂時機和工藝技術等方面開展了多因素、多方法的二次壓裂研究和應用[5-11]。在選井選層方面，資源條件、開發(fā)條件和工藝技術等均是制約煤層氣井產(chǎn)量的主要因素。倪小明等人[12]利用“系統(tǒng)工程事故樹分析法+多層模糊數(shù)學綜合評價法”對二次壓裂選井標準進行研究，有效降低了施工成本。楊兆中等人[13]基于灰色關聯(lián)法，運用逼近理想解排序法（TOPSIS）優(yōu)選二次壓裂井。煤層氣井壓裂時機方面，倪小明等人[14]根據(jù)“多層次模糊綜合評價原理”對二次壓裂改造時機進行了評價。壓裂改造工藝方面，間接壓裂、酸化壓裂、暫堵壓裂是煤層氣井增產(chǎn)中常用的壓裂改造技術[15-17]，聶帥帥等人[18]對絨囊流體的封堵能力和控水性能進行了優(yōu)化研究，提高了煤層暫堵壓裂效果。現(xiàn)場施工試驗表明，上述壓裂工藝雖具備一定優(yōu)勢，但在煤儲層改造中未能表現(xiàn)出較好的適應性。二次改造后，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生煤粉、煤泥較為嚴重，且新裂縫擴展距離受限，未能實現(xiàn)低產(chǎn)能煤層氣井有效增產(chǎn)。

總體而言，現(xiàn)有工藝在一定程度上制約著韓城區(qū)塊煤層氣有效開發(fā)。為此，筆者剖析了韓城區(qū)塊11#煤層地質特征，提出了以解決“煤粉堵塞裂縫+新裂縫延伸距離有限”為主要目標的壓裂設計思路，結合“酸化+暫堵”與“分段加砂”工藝，形成了“酸化+暫堵”煤層氣復合二次改造新工藝。

1 煤層地質概況

韓城區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，其煤層氣開發(fā)主力煤層為二疊系山西組3#、5#和太原組11#煤層。其中，11#煤層探明儲量 41.4×108m3，占總探明儲量的45.2%，該煤層厚度大于2 m區(qū)域開層率高達93.8%，而區(qū)塊整體采出程度僅7.6%。因此，11#煤層是韓城區(qū)塊煤層氣規(guī)模動用和整體開發(fā)的關鍵。地質測井資料顯示（見圖1），11#煤層頂板泥巖泊松比低，楊氏模量高，可壓性較強，與煤層相比更容易起裂；底板為泥巖，滲透性較弱，含水性較差。煤層頂、底板應力差1.5～8.3 MPa，水平應力差較小。若在K2灰?guī)r層和11#煤層之間實施射孔壓裂，根據(jù)鄰井壓裂井溫測試結果，壓裂裂縫易被限定在灰?guī)r和煤層之間。

圖1 韓城區(qū)塊11#煤層地質測井解釋Fig.1 Geological logging interpretation of No.11 coal seam in Hancheng Block

2 常規(guī)二次改造技術分析

目前，韓城區(qū)塊已應用的常規(guī)二次壓裂改造技術主要有間接壓裂、酸化壓裂和暫堵壓裂等技術。

2.1 間接壓裂技術

間接壓裂技術是在老井煤層的頂板或底板射孔，需要考慮頂、底板與煤層應力情況，通過工藝選擇和壓裂設計使水力裂縫向下或向上擴展穿透目標煤層，間接改造煤儲層。以韓城區(qū)塊11#煤層J1井為例，分析間接壓裂施工效果。根據(jù)測井資料顯示，該井煤層埋深835.70～843.20 m，初始產(chǎn)氣階段僅3個月，產(chǎn)氣量衰減為256.4 m3/d。優(yōu)選煤層頂板進行射孔壓裂，實施間接壓裂二次改造，射孔井段為832.00～835.50 m。經(jīng)過二次壓裂后，該井產(chǎn)氣量325.0 m3/d，產(chǎn)氣量僅有較小幅提升。

間接壓裂二次改造壓裂液濾失嚴重，并未形成有效裂縫，且產(chǎn)氣量未明顯提升，二次壓裂改造失敗。其主要原因在于煤層氣J1井初次壓裂導致煤體構造損壞嚴重，二次壓裂過程中頂板起裂后易溝通原有裂縫系統(tǒng)，導致壓裂液濾失嚴重，無法形成有效裂縫。此外，間接壓裂儲層改造未解決初次壓裂產(chǎn)生的煤粉、煤泥引起的堵塞問題。二次壓裂改造、排采過程中再次產(chǎn)生大量堵塞物質，嚴重降低了裂縫的導流性能，導致煤層氣井產(chǎn)能不足。

2.2 酸化壓裂技術

酸化壓裂技術是通過加酸溶解壓裂產(chǎn)生的煤粉、煤泥，清除原裂縫內(nèi)的污染物或恢復已閉合的裂縫，并利用支撐劑提供有效支撐，提高裂縫導流能力[19]。以煤層氣J2井為例，分析二次酸化壓裂儲層改造效果。該井初始階段產(chǎn)氣量較為平穩(wěn)，連續(xù)生產(chǎn)30月后，氣井基本不產(chǎn)氣。二次儲層改造優(yōu)選煤層頂板泥巖間接射孔，如圖2所示，壓裂過程中前置液體系中加酸清潔裂縫端部，頂替液后加酸清潔縫網(wǎng)絡；重復加酸清潔裂縫端部煤粉、煤泥堵塞，以消除初次壓裂造成的堵塞影響。

圖2 11#煤層J2井壓裂施工曲線Fig.2 Fracturing curve of Well J2 in No.11 Coal Seam

根據(jù)微地震結果顯示，該井重復酸壓后，裂縫半徑為43.50 m，裂縫擴展有限，表現(xiàn)出“穩(wěn)產(chǎn)期較短、產(chǎn)能不足”的特征。煤層氣井初始產(chǎn)氣1 000 m3/d以上，連續(xù)生產(chǎn)2年后產(chǎn)量逐漸遞減，穩(wěn)定產(chǎn)氣量為 472.0 m3/d。

煤層氣J2井酸化壓裂后未維持長期高產(chǎn)的主要原因在于，酸化壓裂改造雖然解決了裂縫端部產(chǎn)生煤粉的問題，但酸液空間分布不均勻，近井地帶酸濃度較高，使得煤體破裂程度加劇，進一步引起煤粉堵塞裂縫。此外，在原有裂縫附近射孔時，若不暫堵原有裂縫，新裂縫將在原有裂縫基礎上延伸且距離有限，導致壓裂改造效果不理想。

2.3 暫堵壓裂技術

暫堵壓裂技術是利用高強度、耐高溫暫堵材料堵塞老縫，使老縫延伸一段距離后形成轉向縫或直接堵塞老射孔，在煤層重新射孔壓裂形成新裂縫[20-22]。以煤層氣J3井為例，分析暫堵壓裂儲層改造效果。測井資料顯示，該井煤層埋深929.60～937.70 m，煤層厚度為 8.10 m。連續(xù)生產(chǎn) 2 年后，該井產(chǎn)氣量逐漸遞減，穩(wěn)定產(chǎn)氣量為300.0 m3/d。

J3井暫堵壓裂施工曲線見圖3，從其可以看出，第一暫堵階段施工壓力先明顯升高然后回落，結合微地震結果判斷有新裂縫形成；第二暫堵階段施工壓力平緩且無明顯壓力波動，結合微地震結果判斷并未形成新裂縫，表明轉向壓裂失敗。產(chǎn)氣效果方面，該井自2019年2月起產(chǎn)氣量大幅提升，穩(wěn)定產(chǎn)氣量1 581.2 m3/d，產(chǎn)水量 4.0 m3/d。實施暫堵壓裂后，生產(chǎn)期間套壓衰減過快、生產(chǎn)周期較短，且產(chǎn)氣量逐漸遞減。總體而言，采用暫堵壓裂儲層改造技術，新裂縫僅在近井地帶發(fā)生轉向，但壓裂縫趨于在主應力方向上延伸，且裂縫延伸距離有限。此外，壓裂縫端部仍堆積大量煤粉，二次壓裂后煤體破碎嚴重，制約了該井后期產(chǎn)量的提升。

圖3 J3井暫堵壓裂施工曲線Fig.3 Temporary plugging fracturing curve of Well J3

3 二次改造工藝優(yōu)化

韓城區(qū)塊11#煤層以構造煤為主，初次壓裂后煤體破碎較為嚴重，煤層不具備二次壓裂改造條件；但煤層頂板泥巖泊松比低，楊氏模量高，脆性強，破裂壓力較煤層更低。酸液對11#煤頂板泥巖溶蝕率為12.0%～23.0%，為煤儲層縫網(wǎng)二次改造提供了有利條件。綜合分析3種常規(guī)煤層氣井二次壓裂技術，其主要缺陷表現(xiàn)在：初次、二次壓裂過程中產(chǎn)生大量煤粉、煤泥堵塞裂縫；在原有裂縫系統(tǒng)上進行射孔，新裂縫延伸距離有限。

基于11#煤層地質特征，針對上述常規(guī)工藝缺陷，提出“酸化+暫堵”復合工藝改進方案，其主要技術要點為：恢復儲層壓力，暫堵原裂縫系統(tǒng)，補壓新層位且交替注酸清潔裂縫網(wǎng)絡，分段加砂，變排量注入形成復雜裂縫網(wǎng)絡。

3.1 “酸化+暫堵”復合工藝

1）恢復儲層壓力，暫堵裂縫系統(tǒng)。向煤儲層中注入一定量的防膨液，以恢復儲層壓力、補充生產(chǎn)能量。采用“季銨鹽類有機防膨劑+鉀鹽為主的無機防膨劑”結合的方式，提高防膨效果。根據(jù)初次壓裂投產(chǎn)前的井底流壓設定儲層原始地層壓力，防膨液補充體積為生產(chǎn)累計產(chǎn)出與排液體積+氣體虧空體積-初次壓裂注入壓裂液體積。封堵原有裂縫系統(tǒng)，防止裂縫在原有裂縫上延伸，根據(jù)11#煤儲層特征，優(yōu)選煤層頂板泥巖為二次壓裂改造層位；保證射孔段位置與初次壓裂裂縫系統(tǒng)間隔，以避免新裂縫在原有裂縫基礎上延伸導致的延伸距離有限，形成有效裂縫滲流系統(tǒng)。

2）酸化溶蝕堵塞物質。二次壓裂施工前置液階段，依據(jù)頂板、煤層應力情況，優(yōu)化施工排量，控制裂縫在頂板延伸。首先以低排量注入鹽酸，利用部分酸液溶蝕充填在煤層裂隙中的膠結物，降低煤儲層破裂壓力及縫內(nèi)凈壓力。前置液體系選擇活性水壓裂液或清潔壓裂液，同時在“大排量、大液量、高凈壓力”作用下，使煤層頂板泥巖起裂。由于泥巖層位上部K2灰?guī)r限制了裂縫擴展向上擴展，使裂縫向下部煤層延伸，縱向上溝通煤層，增大了煤層裂縫的有效滲流面積，間接改造煤層。

3）活性水壓裂液與鹽酸持續(xù)交替注入。通過多次刺激儲層使其產(chǎn)生壓力激動，增大裂縫在砂質泥巖層的延伸長度。此外，酸液可將初次壓裂和二次壓裂改造產(chǎn)生的煤泥部分溶蝕，解除縫端堵塞。為使裂縫遠端與煤層裂隙系統(tǒng)有效連通，需保證反應時間，以充分溶蝕煤粉，并防止殘酸在近井產(chǎn)生沉淀造成堵塞。壓裂施工后期，可尾追部分土酸，溶蝕二次壓裂過程中產(chǎn)生的煤粉、煤泥等。

3.2 “分段加砂”工藝

采用“分段加砂、變排量”注入工藝。攜砂液排量越大，支撐劑運移距離越長，且不易產(chǎn)生砂堵現(xiàn)象。因此，應提高攜砂液階段的壓裂液施工排量，以保證加砂成功率。此外，為提高壓裂液攜砂性能，需采用較高黏度攜砂液。初始加砂階段優(yōu)選40～70目石英砂暫堵溝通頂板與煤層的枝狀裂縫，使裂縫持續(xù)在頂板擴展。若施工壓力增高不明顯，則重復暫堵轉向注入工藝，后期加砂階段優(yōu)選20/40目粗砂，以填充酸溶主裂縫，達到復合支撐裂縫目的，形成高導流能力裂縫網(wǎng)絡。頂替液階段后期適當深推破膠劑，提高破膠效果。

4 現(xiàn)場試驗

韓城11#煤層J4、J5、J6井進行了現(xiàn)場試驗。以J4井為例，由于前期排采制度不合理，煤體破碎嚴重，造成產(chǎn)氣量銳減，甚至不產(chǎn)氣。二次壓裂改造時應用“酸化+暫堵”復合工藝，在煤層頂板泥巖補壓新層位，間接改造煤層。測井資料顯示，該井煤層埋深 966.00～970.00 m，煤層厚度 4.00 m。初次壓裂后，穩(wěn)產(chǎn)期平均產(chǎn)量602.5 m3/d，二次壓裂改造前產(chǎn)氣量 392.0 m3/d、產(chǎn)水量 0.9 m3/d。為有效溝通煤層，優(yōu)選射孔層段為957.00～960.00 m，中間射孔深度為958.50 m。二次改造壓裂液泵注程序為：1）前置液階段，78.0 m3活性水壓裂液+14.7 m3鹽酸+77.0 m3清潔壓裂液+26.0 m3鹽酸+21.0 m3清潔壓裂液+20.0 m3土酸+260.1 m3活性水壓裂液+停泵反應 30 min；2）攜砂液階段，258.0 m3清潔壓裂液+31.0 m3砂；3）頂替液階段，38.9 m3活性水壓裂液+26.7 m3土酸+80.0 m3活性水壓裂液。施工曲線見圖4。

圖4 煤層氣J4井壓裂施工曲線Fig.4 Fracturing curve of CBM Well J4

分析J4井壓裂施工全過程，根據(jù)微地震監(jiān)測結果獲得壓裂期間壓裂段井深位置的時間水平能量切片、壓力突變時間前后破裂能量變化及三維裂縫展布，求取裂縫參數(shù)，描述裂縫擴展，分析改造效果。從裂縫擴展角度分析，J4井儲層改造效果較為理想（見圖5。圖5（a）中：A（80，520），B（530，50），方位角 137.36°）。

圖5 J4井微地震裂縫監(jiān)測結果Fig.5 Microseismic fracture monitoring results of Well J4

從圖5可以看出，J4井壓裂裂縫半長為110.00 m，裂縫總高度為 33.00 m，裂縫體積為 424 000.0 m3。裂縫向上壓穿頂部灰?guī)r并延伸至上部小段灰?guī)r隔層，裂縫上部高度為12.90 m；裂縫向下壓穿煤層延伸至下部泥巖，裂縫高度分布于945.60～978.60 m。從產(chǎn)能角度分析，該井二次改造后日產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量較為平穩(wěn)，平均產(chǎn)氣量為3 765.6 m3/d。二次壓裂后相比初次壓裂穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量提升6～7倍，儲層改造效果較好。

應用“酸化+暫堵”復合壓裂工藝后，J4井產(chǎn)氣量幅度提升較大。借鑒J4井試驗經(jīng)驗，相繼在J5、J6井進行了煤層氣二次壓裂試驗。初次壓裂后，由于追求短期高產(chǎn)，排采制度不合理，J5、J6井停止產(chǎn)氣。二次壓裂改造后，2口井恢復產(chǎn)氣能力，產(chǎn)氣量可達 3 000.0～4 000.0 m3/d，且上產(chǎn)潛力較高（見圖6）。J4、J5和J6 井二次壓裂試驗成功，說明該工藝可為該地區(qū)及相同地質條件煤層氣老井改造提供技術支持。

圖6 煤層氣J5、J6井二次壓裂產(chǎn)氣曲線Fig.6 Gas production curves of CBM Wells J5 and J6 after secondary fracturing

5 結論與建議

1）間接壓裂、酸化壓裂和暫堵壓裂等常規(guī)二次改造技術不適用于初次壓裂構造破碎嚴重的煤層，單一工藝無法實現(xiàn)裂縫轉向或裂縫網(wǎng)絡清潔，表現(xiàn)為裂縫擴展程度小和產(chǎn)能不足。

2）復合二次改造工藝可以解決低產(chǎn)能煤層氣井煤粉、煤泥堵塞及二次改造時新裂縫延有限的問題。微地震監(jiān)測結果表明，復合二次改造工藝的儲層改造效果較好，可形成高效滲流系統(tǒng)，實現(xiàn)低產(chǎn)能煤層氣井的產(chǎn)能釋放。

3）在后續(xù)煤層氣井二次壓裂改造時，建議結合相應區(qū)塊二次壓裂井資源豐度、初次壓裂排采制度和二次壓裂時機等，進一步優(yōu)化“暫堵、加砂、注酸”等工藝，提升低產(chǎn)能煤層氣井的改造效果。