大規(guī)?？p網(wǎng)壓裂在深部煤層氣中的應(yīng)用

徐寶恒 郭大立

(西南石油大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

我國(guó)煤層氣雖然儲(chǔ)量巨大，但根據(jù)中國(guó)工程院研究報(bào)告，今后15 年內(nèi)我國(guó)天然氣對(duì)外需求依賴程度依然偏高。2020 年至2035 年，對(duì)外需求比例由42%攀升至55%，在國(guó)家發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，嚴(yán)重威脅國(guó)家天然氣戰(zhàn)略安全［1］。相較于美國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)，我國(guó)煤層氣具有滲透率低、埋藏深、孔隙度較小、穩(wěn)產(chǎn)能力待落實(shí)等不利條件，國(guó)內(nèi)已知開采區(qū)塊，如保德、沁水、晉城等單井日均產(chǎn)氣量?jī)H1 800~2 000 m3，韓城、吉縣淺部區(qū)塊更只有300~700 m3。故深部煤層氣的勘探與利用開發(fā)、單井產(chǎn)氣量的大幅度增產(chǎn)技術(shù)［2］將成為我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)研究的重要方向。

陳勉等［3］通過室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工裂縫和天然裂縫在相交過程中存在兩種擴(kuò)展結(jié)果：穿過或轉(zhuǎn)向，基于地應(yīng)力與巖石力學(xué)和裂縫延伸相交行為，總結(jié)了人工壓裂縫和天然裂縫的4 類延伸基本形態(tài)；Mayerhofer 等［4］提出“油藏體積改造”概念，并指出最大化縫網(wǎng)體積是壓裂效果提高的條件之一；趙金洲等［5］闡述了頁巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)的形成原因；胥云等［6］較全面地闡述了體積改造的核心內(nèi)涵，給出了未來油氣藏開發(fā)方向。目前，研究者普遍對(duì)深部煤層氣總體探勘開發(fā)、深部煤層地質(zhì)及氣體機(jī)理認(rèn)識(shí)程度較低。為此，受頁巖氣革命的啟發(fā)［7］，深部煤層氣應(yīng)走大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)裂縫和體積壓裂的道路，即制造最可能大的有效縫網(wǎng)，最大限度地?cái)U(kuò)張壓降范圍，促使儲(chǔ)層煤層氣以最短的裂縫通道先氣體擴(kuò)散、后滲透導(dǎo)流入井，以垂直井代替水平井效果，從而達(dá)到節(jié)省開采費(fèi)用和提高儲(chǔ)層動(dòng)用率的目的。

1 縫網(wǎng)形成機(jī)理

1.1 割理

與頁巖儲(chǔ)層存在的天然裂縫不同，割理是深部煤儲(chǔ)層最重要的特征，也是汽水的主要滲流通道。以鄂爾多斯DJ區(qū)塊8號(hào)煤為例，從宏觀上看巖心存在較多的面割理和端割理，面割理平行延伸于整個(gè)巖心，端割理存在于面割理之間且間距呈無規(guī)律排列，觀察和統(tǒng)計(jì)得出面割理密度為6 條/5 cm，端割理密度為7 條/5 cm；從微觀上看割理發(fā)育清晰，存在填充物，如圖1所示。

圖1 8號(hào)煤層巖心斷面及微觀割理

1.2 酸可溶物含量

在天然氣開采過程中，水力壓裂已成為增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效措施和途徑，酸化壓裂在煤層氣開采過程中應(yīng)用較少，普遍認(rèn)為酸化壓裂在煤層氣增產(chǎn)中不能達(dá)到預(yù)期的效果，但也有一些煤層氣壓裂酸化的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較好的效果。究其內(nèi)在原因是煤儲(chǔ)層中的割理中可能存在酸可溶物。為研究割理中填充物的礦物種類含量，用5 口煤層氣井中取得的巖心做X 衍射實(shí)驗(yàn)分析，得出填充物平均含量占比，如圖2所示。

圖2 割理填充物占比

1.3 脆性指數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)決定了儲(chǔ)層巖石的可壓性，脆性指數(shù)是巖石力學(xué)參數(shù)的重要指標(biāo)。儲(chǔ)層巖石的形變能力和脆性主要受彈性模量和泊松比的影響。同樣地，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)分析表明，脆性指數(shù)在煤巖方面也適用，煤巖彈性模量越大，煤巖泊松比越小，煤巖的脆性越強(qiáng)。DJ 8 號(hào)煤熱演化程度高，割理中脆性礦物較多，是深部煤層氣縫網(wǎng)壓裂的依據(jù)之一。針對(duì)13口井25個(gè)煤層巖樣進(jìn)行測(cè)試，泊松比最小值為0.18，最大值為0.28，平均值為0.22；彈性模量最小值為5 492 MPa，最大值為10 205 MPa，平均值為8 125 MPa。根據(jù)Rickman［8］提出的脆性指數(shù)方程，得到脆性指數(shù)為35.5~44.7。該區(qū)塊8號(hào)煤煤巖彈性模量與埋深線性回歸成正比，與泊松比成反比，大致得出脆性指數(shù)與埋深成正比，這是深部煤層氣可壓性的有利條件。

1.4 水平應(yīng)力差

儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展實(shí)質(zhì)上為水力壓裂裂縫在儲(chǔ)層中的延伸及與天然裂縫的交互擴(kuò)充。目前，國(guó)內(nèi)外壓裂物理模擬設(shè)備主要分為兩類：一是大尺寸真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，巖樣通常為水泥或煤粉人工澆鑄的形狀為300 mm×300 mm×300 mm的正方體；二是全直徑壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，從DJ 區(qū)塊取全直徑天然煤芯進(jìn)行試驗(yàn)研究，巖樣為直徑102 mm、高300 mm的圓柱體。

相關(guān)學(xué)者通過三軸試驗(yàn)系統(tǒng)模擬裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)得出，在低逼近角、低壓力差下，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向壓裂液動(dòng)能損失小，水力裂縫向天然裂縫方向擴(kuò)展；在高逼近角、中低應(yīng)力差下，壓裂液受慣性影響不易發(fā)生轉(zhuǎn)向，水力裂縫穿過天然裂縫延伸或發(fā)生水力裂縫穿過和沿著天然裂縫延伸的模式形成簡(jiǎn)單縫網(wǎng)；以上同樣適用于煤巖，全直徑壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，低水平主應(yīng)力差下只要縫網(wǎng)形成，則縫網(wǎng)延伸形態(tài)就與割理形態(tài)基本一致。綜上各種試驗(yàn)分析皆表明，較低的水平應(yīng)力差煤巖更易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

圖3 全直徑壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

1.5 壓裂液黏度

在壓裂施工過程中，縫網(wǎng)是否形成和復(fù)雜度與壓裂液黏度有關(guān)，Beugelsdijk 等［9］對(duì)壓裂液黏度對(duì)裂縫延伸影響進(jìn)行研究，試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。低黏度壓裂液常與天然裂縫交互作用，高黏度壓裂液則不然，即壓裂液黏度越高，裂縫的復(fù)雜程度越低。這是由于壓裂液黏度越高，在裂縫內(nèi)流動(dòng)時(shí)與縫壁摩阻越大，壓力液動(dòng)能損失越大，同時(shí)裂縫變寬，且由于質(zhì)量守恒原理，裂縫長(zhǎng)度越短，裂縫復(fù)雜性越低。

圖4 流體黏度對(duì)裂縫延伸形態(tài)的試驗(yàn)對(duì)比

1.6 施工排量

對(duì)Bamett壓裂裂縫的改變規(guī)律進(jìn)行分析，運(yùn)用微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：產(chǎn)量與儲(chǔ)層壓裂規(guī)模呈正相關(guān)，同時(shí)深部煤層氣井的產(chǎn)量與儲(chǔ)層改造體積的規(guī)模也呈正相關(guān)，因此可以通過增大儲(chǔ)層改造的體積，來達(dá)到提高深部煤層氣產(chǎn)量的效果。根據(jù)Mayerhofer等［4］的研究結(jié)果可知5口井壓裂規(guī)模與裂縫長(zhǎng)度之間的相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，壓裂規(guī)模越大，裂縫形態(tài)越復(fù)雜，裂縫總長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

圖5 施工排量與縫網(wǎng)裂縫總長(zhǎng)度相關(guān)關(guān)系

1.7 加砂量與酸液用量

酸液用量和加砂量直接影響裂縫的支撐效果及導(dǎo)流能力，進(jìn)而影響產(chǎn)氣量。酸量和加砂量不足，導(dǎo)致裂縫閉合程度大，裂縫長(zhǎng)度和寬度達(dá)不到預(yù)期效果，導(dǎo)流能力和壓后產(chǎn)能下降。改造效果差，加砂量過多，影響攜砂液對(duì)支撐劑的運(yùn)移距離，易造成砂堵和泵壓異常偏高，施工成本增加。因此，合理的加砂量與酸液用量是造縫網(wǎng)的關(guān)鍵。

2 施工設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鄂爾多斯DJ 區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南部，是目前國(guó)內(nèi)探明第一塊埋深超2 000 m，資源儲(chǔ)量超1 000億m3、高豐度的整裝大型煤層氣田。目前，該區(qū)塊深部煤層氣共投產(chǎn)21 口，平均深度2 300 余m，分布?xì)饩緟?shù)為煤層厚度為4~12 m，含氣量較高為18~26 m3/t，含氣飽和度高為96.12%~100%，壓裂即見氣，煤儲(chǔ)層以游離氣為主，平均密度2.10 g/cm3，物性分析平均孔隙度3.24%，煤體結(jié)構(gòu)完整，儲(chǔ)集性能良好。以該區(qū)塊DJ19 井為例，采用大規(guī)模壓裂酸化技術(shù)，根據(jù)其儲(chǔ)層特征、頂?shù)装宸馍w條件、前期壓裂情況、歷史施工工藝等對(duì)該井進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

DJ19 井設(shè)計(jì)思路如下：①儲(chǔ)層頂?shù)装宸馍w條件較好，煤層裂縫延伸高度受控，為了最大可能地提高裂縫長(zhǎng)度，提高加砂量，采用光套管變黏滑溜水壓裂，大排量、大液量、大砂量施工。②注酸降低煤巖破裂強(qiáng)度，降低施工壓力，減小加砂難度，同時(shí)溶蝕割理中的填充物，促進(jìn)多裂縫的產(chǎn)生。③為提高該井施工的成功率，提高加砂量，增加煤層支撐裂縫長(zhǎng)度，提高導(dǎo)流能力，采用100目，40/70目石英砂組合支撐劑方式加砂。

統(tǒng)計(jì)該區(qū)塊日均產(chǎn)氣量約1 500 m3，經(jīng)大規(guī)模壓裂酸化技術(shù)改造后，DJ19井日均產(chǎn)氣量超4 000 m3，D19井日產(chǎn)量明顯高于D1-D18井日產(chǎn)量，改造排采曲線如圖6所示。

圖6 鄂爾多斯DJ19井排采曲線

3 結(jié)論

①深部煤儲(chǔ)層割理發(fā)育、割理中酸可溶物含量多、儲(chǔ)層面割理和端割理密度大、脆性指數(shù)與埋深成正比等深部煤層特定屬性是深部煤層氣可壓的有利條件，低黏度壓裂液、大排量壓裂規(guī)模、適量的加砂量與酸液用量等可控工程因素有利于縫網(wǎng)大規(guī)模形成與擴(kuò)展，水平應(yīng)力差小及割理發(fā)育在水力壓裂時(shí)更易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

②水力壓裂和酸化壓裂是油氣藏開發(fā)最常用的手段，普遍認(rèn)為深部煤層具有水力壓裂效果差、酸化壓裂不具可行性的特點(diǎn)，大規(guī)模酸化縫網(wǎng)壓裂技術(shù)在鄂爾多斯DJ 區(qū)塊的應(yīng)用，其改造效果拓展了人們對(duì)非常規(guī)天然氣的認(rèn)識(shí)，有望促進(jìn)我國(guó)深部煤層氣龐大儲(chǔ)量的開發(fā)。