李 亭
(成都理工大學能源學院)
煤層氣井小型測試壓裂優(yōu)化設計研究*
李 亭
(成都理工大學能源學院)
小型測試壓裂在壓裂過程中具有重要作用,需進行優(yōu)化設計,以便更準確地把握地層情況,為主壓裂提供設計和施工依據。針對煤層氣井的小型測試壓裂設計,提出了設計原則;從注入體積和時間等方面考慮,建立了優(yōu)化設計模型,并進行了實例計算。針對煤層氣井小型測試壓裂,提出了相關認識和結論。表3參7
煤層氣井 小型測試壓裂 優(yōu)化設計
小型測試壓裂在主壓裂之前進行,主要用于測試地層壓裂的難易程度和壓裂液的適應性,同時確定地層的濾失系數、液體摩阻、裂縫幾何尺寸、破裂壓力和延伸壓力以及閉合壓力等參數,為主壓裂設計和施工提供重要參考。國外對煤層氣井的小型測試壓裂分析和設計研究較多[1-4],而國內有針對性的研究較少。對此,本文在參考常規(guī)儲層測試壓裂的基礎上,提出煤層氣井的小型測試壓裂設計原則及計算模型,以更好地指導現(xiàn)場施工。
1.1 壓裂液的選擇
對于煤巖層,一般選用濃度為2%的KCl水溶液,但為了測試主壓裂所用的壓裂液特性,在測試壓裂時,也要使用相同類型的壓裂液。一般,先注入2%的KCl水溶液,再注入主壓裂所使用的壓裂液,同時測試這兩種液體的特性。
1.2 注入排量的控制
由于煤巖層較軟、易碎等特點,壓裂時容易產生多裂縫,因此要適當控制注入排量,盡量避免產生多裂縫,以便形成主裂縫。同時,由于煤巖層濾失嚴重,要形成主裂縫,注入排量一定要高于濾失速度。
1.3 注入體積的控制
由于固井和射孔的影響,煤巖層壓裂時,容易在近井筒出現(xiàn)裂縫撓曲現(xiàn)象,為了消除這種影響,要求裂縫具有一定的長度,因此對注入體積有一定的要求。
1.4 關井時間
通過分析停泵關井后壓力與時間的關系,來確定地層壓力、濾失系數和液體參數等,這是關井的主要目的,也是決定測試成敗的關鍵,因此必須對關井時間進行優(yōu)化。關井時間既不能太長,影響生產,同時也不能太短,以免造成所計算的參數誤差過大。
2.1 泵注程序
為了測試液體的摩阻,一般用階梯升或階梯降排量方式,本文建議使用階梯升排量的方式。因為煤巖彈性模量較低,如果一開始使用大排量,比較容易產生多裂縫,產生較大的摩阻,從而降低液體效率,所以使用階梯升排量的方式,使排量逐漸上升,盡量避免產生多裂縫。
2.2 泵注排量和體積的計算
根據液體體積平衡原理,注入體積等于裂縫體積和濾失體積,即:
式中:
Qi—注入體積,m3;
Vf—裂縫體積,m3;
Vl—濾失體積,m3。
(1)濾失體積的計算
假設液體沿縫長方向垂直裂縫壁面向地層濾失,根據Carter公式計算濾失體積。單位裂縫長度上的
濾失速度為:
式中:
q1(t,da)—t時刻,裂縫面積增量為da時的濾失速度;
τ(a)—裂縫面積為a時所對應的時間;
a—裂縫面積。
又裂縫面積的增加與時間成一定比例關系[5-6],有:
式中:
a—時間為τ時的裂縫面積與停泵時的裂縫面積之比,小數;
由于齒輪工作時,齒輪相當于一個懸臂梁,增大模數和齒面寬度可以提高輪齒的抗彎強度,降低齒輪副嚙合時輪齒的彈性變形,從而降低嚙合脈動,達到控制噪聲的目的。
A—停泵時的裂縫面積,m2;
e—指數,當e=1時,為上限值;e=2為下限值。
將式(3)代入式(2)并積分,有:
式中:
t0—泵注時間,min;
Af—裂縫面積,m2;
Ak—有效濾失面積裂縫內濾失高度,m;hf—裂縫高度,m。)
方括號內上方為e=1時的上限值;下方為e=2時的下限值。
整個泵注時間段內的總濾失量為:
式中:
k—因初濾失或天然裂縫開啟造成濾失量增加,對綜合濾失系數C的校正。
方括號內上方為e=1時的上限值;下方為e=2時的下限值。
(2)縫寬的計算
根據體積平衡原理,停泵時的裂縫體積等于停泵到裂縫閉合這一時間段內的濾失總量[7],因此,有:
式中:
方括號內上方為函數的上限值;下方為函數的下限值。
由此得到:
即
式中:
ˉW—裂縫平均縫寬,m;
(3)裂縫閉合時間的計算
假設液體效率為Ef,裂縫體積與濾失體積之比為Ff,則有:
由式(9)知:
由式(5)、(7)、(8)知:
將式(15)、(16)代入式(11)中得到:
由式(12)得:
根據液體效率,可以反求閉合時間:
這樣,可以由閉合時間計算出平均縫寬,進而計算裂縫體積,然后再代入式(1),就可以計算出所需要注入液體的總體積。
山西沁水盆地南部某區(qū)塊煤層氣井基本數據見表1,計算結果見表2,升排量泵注程序見表3。假設
注入流體為2%的KCl水溶液。由表2可以看到,在注入量和時間確定的情況下,隨濾失系數的增大,濾失量在增大,液體效率降低,所形成的縫寬和長度都在減小。根據小型壓裂測試時降排量或升排量的要求,確定一個最小注入體積,然后根據本文的公式,可以計算出壓裂裂縫的寬度、縫長和閉合時間。再根據鉆完井過程中對煤層的傷害程度,確定小型壓裂所要穿透的深度,選擇不同的縫長,進而確定出最終的壓裂液注入量,達到優(yōu)化的目的。
表1 煤層氣井基本數據
表2 計算結果表
1)本文提出的方法與裂縫形態(tài)無關,根據注入量與濾失量相等的體積平衡原理,建立了煤層氣井小型壓裂設計模型,計算比較簡便。
2)實例計算表明,可以根據不同的壓裂縫長需要,選擇對應的注入量以及排量組合。
3)在選擇注入量時,應綜合考慮煤層氣井在鉆井、固井和完井過程中所遇到的煤層污染傷害,以及煤層厚度等情況,確保所形成的裂縫足夠長,能夠穿越污染傷害區(qū),可以準確解釋煤儲層參數。
4)針對模型應用情況,下一步還需要結合煤儲層地質構造、滲流、地應力等參數,進行綜合優(yōu)化設計。
表3 階梯升排量泵注程序
1 B W McDaniel.Benefits and Problems of MiniFrac Applications in Coalbed MethaneWells.SPE 21591,1990.
2 R G Jeffrey,JR Enever.A Stimulation and Production Experiment in a Vertical Coal Seam Gas Drainage Well.SPE 36982,1996.
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4 Khalil Rahman,Abbaas Khaksar.Implications of Geomechanical Analysis on the Success of Hydraulic Fracturing:Lesson Learned from an Australian Coalbed Methane Gas Field.SPE 106276,2007.
5 M Y Soliman,Talal Gamadi.Testing Tight Gas and Unconventional Formations and Determination of Closure Pressure. SPE 150948,2012.
6 M Y Soliman.New Method for Determination of Formation Permeability,Reservoir Pressure,and Fracture Properties from a Minifrac Test.USRMS,05-658,2005,5:658-670.
7 P.A.Warembourg.New Analysis Technology for Determining Fracture Parameters from Calibration Treatments:Case Histories,Rocky Mountain area.SPE 17502,1990.
(修改回稿日期 2013-03-18 編輯 文敏)
國家科技重大專項(項目編號:2011ZX05060-002)“煤層氣井壓裂新技術研究專題”,示范工程名稱:山西沁水盆地南部煤層氣直井開發(fā)示范工程
李亭,男,1976年出生,成都理工大學能源學院2011級在讀博士;從事低滲透和非常規(guī)油氣藏增產技術研究。地址:(610059)四川省成都市成都理工大學能源學院綜合樓416室。電話:18200122076。E-mail:2695377412@qq.com