深層煤層氣壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用

深層煤層氣壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用

張軍濤，郭慶，汶鋒剛

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075)

摘要：水力壓裂是煤層氣開(kāi)采最有效的方式，延長(zhǎng)礦區(qū)深層煤層氣井的煤層深度達(dá)2000 m左右，由于煤層埋藏深和施工壓力高等特點(diǎn)，壓裂技術(shù)難度大，沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。介紹了延長(zhǎng)礦區(qū)深層煤層氣壓裂技術(shù)，該壓裂技術(shù)采用了活性水壓裂液、大排量低砂比、脈沖加砂和復(fù)合支撐的思路，目前該技術(shù)已成功在延長(zhǎng)的深層煤層氣井上進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：深層煤層氣；壓裂；應(yīng)用；排量

中圖分類(lèi)號(hào)：TE358

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-602X(2015)01-0078-03

收稿日期：2014-11-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”(2012BAC26B00)

作者簡(jiǎn)介：張軍濤(1981—)，男，陜西寶雞人，陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程師。

Abstract：Hydraulic fracturing is the most effective way of coal bed methone(CBM)exploitation, the depth of deep CBM well of the Yanchang Petroleum mining area is about 2000 m,by coal bed buried deep and construction pressure is high,fracturing technology is difficult,not mature experiences can be used.This paper introduces deep CBM fracturing technology of the Yanchang Petroleum mining area,the fracturing technology used water activity of fracturing fluid,large displacement sand ratio low pulse with sand and composite support ideas.At present, the technology has been successfully tested in 2 deep CBM wells of the Yanchang Petroleum mining area.

延長(zhǎng)石油所處的鄂爾多斯盆地發(fā)育石炭—二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)兩套含煤巖系，煤層發(fā)育，厚度大。盆地內(nèi)埋深1000～2000 m煤層氣資源量大。盆地深層巨大的煤層氣資源預(yù)示著廣闊的勘探開(kāi)發(fā)前景。開(kāi)采煤層氣必須在煤層與井筒之間建立有效的連通孔道，而產(chǎn)生這種連通孔道的最有效方式是對(duì)煤層進(jìn)行水力壓裂[1]。煤層氣井壓裂與油氣井壓裂相比在技術(shù)上有很大的差異：煤層割理系統(tǒng)發(fā)育，濾失嚴(yán)重，難以形成長(zhǎng)縫；煤層溫度低，容易吸附和傷害，儲(chǔ)層保護(hù)難度大；煤層壓裂完后，支撐劑和煤粉反吐控制難度大[2]；可見(jiàn)，煤層氣壓裂施工難度較大。而延長(zhǎng)礦區(qū)深層煤層氣井的煤層深達(dá)2000 m左右，壓裂施工的技術(shù)難度遠(yuǎn)大于常規(guī)煤層氣井，沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。針對(duì)深層煤層氣壓裂存在的難題，延長(zhǎng)的壓裂技術(shù)人員通過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，形成了適合延長(zhǎng)深層煤層氣的壓裂技術(shù)。該技術(shù)主要由深層煤層氣壓裂液技術(shù)和深層煤層氣壓裂工藝技術(shù)組成。

1深層煤層氣壓裂液技術(shù)

水力壓裂改造煤層的過(guò)程中，壓裂液不但起到造縫和攜砂的作用，同時(shí)由于壓裂液侵入壓裂儲(chǔ)層，還會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成一定的傷害，特別對(duì)于比表面較大的煤層，其傷害程度尤為嚴(yán)重。為此，壓裂液的研究不但要滿足壓裂工藝的要求，具有較高的粘度以滿足造縫和攜砂的要求；而且更重要的是壓裂液必須與儲(chǔ)層配伍性良好，從而盡可能地降低由于外來(lái)液體的侵入對(duì)地層帶來(lái)的傷害。由此可見(jiàn)，煤層氣井用壓裂液的研究應(yīng)首先在認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上[3]，再結(jié)合壓裂工藝的要求，形成既能保證壓裂施工順利實(shí)施，又能減少壓裂液對(duì)煤層造成的傷害。

1.1　目前常用煤層氣壓裂液類(lèi)型

(1)活性水壓裂液

活性水壓裂液主要成分是清水、活性劑、防膨劑和助排劑等?；钚运畨毫岩赫扯鹊汀Φ秃鸵追蹬?，不存在破膠等問(wèn)題，對(duì)煤層污染相對(duì)較輕，可以在排水采氣時(shí)隨地層水一同采出。主要不足是：攜砂能力相對(duì)較差，濾失大。

(2)瓜膠壓裂液

瓜膠壓裂液與活性水相比，具有攜砂能力強(qiáng)、濾失低和相對(duì)造縫長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但水基壓裂液在煤層中返排困難、存在破膠不徹底和殘?jiān)絺Φ葐?wèn)題，對(duì)煤層污染傷害嚴(yán)重。

(3)清潔壓裂液

近年來(lái)，清潔壓裂液已在國(guó)內(nèi)外的煤層氣壓裂中大量使用[4]。該壓裂液主要優(yōu)點(diǎn)是：易破膠，破膠后不含固相殘?jiān)?；?duì)煤層中的粘土有良好的防膨效果，能夠降低粘土膨脹對(duì)煤層的傷害[5]；攜砂能力強(qiáng)，抗剪切力強(qiáng)，壓裂時(shí)排量的選擇空間較大，有利于控制裂縫的縱向延伸，有利于形成更長(zhǎng)的支撐裂縫；清潔壓裂液施工時(shí)，摩阻較低，可以降低施工時(shí)的水馬力。但該壓裂液在煤層中的吸附對(duì)煤層造成的影響一直存在爭(zhēng)議，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層情況慎用[6]。

(4)泡沫壓裂液

泡沫壓裂液是一種優(yōu)質(zhì)的低傷害壓裂液體系，是壓裂液類(lèi)型的重要組成部分，具有粘度高，濾失低，清潔裂縫，損害小等特點(diǎn)。國(guó)外已于20世紀(jì)90年代將CO2泡沫壓裂技術(shù)成功應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層改造。我國(guó)近幾年來(lái)也開(kāi)始將N2和CO2泡沫壓裂技術(shù)成功應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層的改造[7]。但該壓裂液由于返排控制難度較大，返排過(guò)快容易造成煤粉的二次運(yùn)移，造成堵塞傷害，同時(shí)也存在施工成本較高和施工準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。

1.2　延長(zhǎng)深層煤層氣壓裂液優(yōu)化

煤層氣井用壓裂液在一定程度上，可以借鑒現(xiàn)行水基壓裂液性能評(píng)價(jià)，但由于煤層氣儲(chǔ)層割理發(fā)育、表面積大、吸附性強(qiáng)、壓力低等與油藏儲(chǔ)層不同的特性，由此而引起的高注入壓力、復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)、砂堵、支撐劑的嵌入、壓裂液的返排及煤粉堵塞等問(wèn)題，使得煤層氣井用壓裂液與油氣田壓裂液存在著差異?？紤]到煤層的特點(diǎn)及壓裂工藝的要求，對(duì)煤層氣井用壓裂液的各添加劑、壓裂液性能及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了優(yōu)化，其優(yōu)化原則為：

(1)盡可能少地使用添加劑，特別是有機(jī)類(lèi)添加劑，以減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害；

(2)開(kāi)發(fā)適合煤層氣壓裂用的壓裂液材料，使之與煤層相配伍；

(3)在保證壓裂工藝及施工條件下，降低壓裂液成本，以滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的要求。

根據(jù)延長(zhǎng)煤層氣儲(chǔ)層特征和優(yōu)化原則，對(duì)瓜膠壓裂液、清潔壓裂液和活性水壓裂液在室內(nèi)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)得出活性水壓裂液的傷害率遠(yuǎn)低于瓜膠壓裂液和清潔壓裂液的傷害率。因此，為了達(dá)到煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)的目的，優(yōu)選活性水為延長(zhǎng)石油的深層煤層氣壓裂液。

2深層煤層氣壓裂工藝技術(shù)

在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外煤層氣井的壓裂經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)活性水壓裂液的特點(diǎn)，優(yōu)化形成了大排量、低砂比、脈沖加砂和復(fù)合支撐的煤層氣壓裂工藝技術(shù)。

2.1　大排量壓裂技術(shù)

由于煤層存在大量的天然割理系統(tǒng)和壓裂采用的為活性水壓裂液，導(dǎo)致煤層氣在壓裂過(guò)程中液體濾失量大、液體效率低[8]，為了提高液體效率，并結(jié)合活性水壓裂液的特點(diǎn)，優(yōu)選了大排量注入壓裂液的方式，以便有效控制液體濾失，以保證裂縫有效延伸，提高煤層改造的有效半徑。

2.2　低砂比壓裂技術(shù)

煤層的特性、壓裂液、排量和支撐劑的密度共同決定了煤層氣壓裂的砂比。煤層性脆、易濾失和易破碎的特性導(dǎo)致煤層在壓裂過(guò)程中容易砂堵，壓裂液粘度低也容易導(dǎo)致砂堵，采用低砂比壓裂技術(shù)可有效防止煤層砂堵，有利于增加裂縫縫長(zhǎng)。

2.3　脈沖加砂技術(shù)

煤層氣獲得增產(chǎn)的主要途徑是盡可能的溝通天然割理系統(tǒng)和增加縫長(zhǎng)。脈沖加砂工藝是在壓裂施工過(guò)程中，采取前置液和攜砂液多次交替注入的方式來(lái)泵入支撐劑。該技術(shù)不但有利于盡可能多的溝通天然割理系統(tǒng)和增加縫長(zhǎng)，而且還可以有效防止砂堵，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高壓裂成功率。

2.4　復(fù)合支撐技術(shù)

延長(zhǎng)礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層閉合壓力小于20 MPa，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)，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[9]。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

深層煤層氣壓裂技術(shù)在延長(zhǎng)礦區(qū)進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，2口井均采用活性水壓裂液，采取了大排量注入脈沖加砂的方式，壓裂設(shè)計(jì)攜砂液的施工排量4～6 m3。壓裂設(shè)計(jì)平均砂比小于8%。在加砂前期先加入0.15～0.30 mm的支撐劑，在加砂中期加入0.425～0.85 mm的支撐劑，在加砂后期加入0.90～1.20 mm的支撐劑。最高壓力達(dá)到了65 MPa，成功的完成了國(guó)內(nèi)最深煤層氣井的加砂壓裂。目前，2口井正在進(jìn)行排采作業(yè)。詳細(xì)壓裂數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　Y-1井煤層氣壓裂施工曲線

圖2　Y-2井煤層氣壓裂施工曲線

4認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)2口井現(xiàn)場(chǎng)壓裂的成功是延長(zhǎng)在深層煤層氣壓裂工藝技術(shù)上的一大突破，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)最深煤層氣井壓裂成功，為深層煤層氣的開(kāi)發(fā)提供了重要的技術(shù)保障。

(2)2口井現(xiàn)場(chǎng)壓裂的成功證實(shí)了采用活性水壓裂液、大排量低砂比、脈沖加砂和復(fù)合支撐的技術(shù)思路是可行的。

(3)煤層氣壓裂過(guò)程形成的是復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)，不僅形成水平裂縫，垂直裂縫，而且裂縫通常沿多個(gè)方向擴(kuò)展，因此，需要對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的延伸規(guī)律進(jìn)行理論研究，這對(duì)煤層改造具有重要的意義。

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[責(zé)任編輯李曉霞]

Research and Application of Deep Coal Bed Methane

Fracturing Technology

ZHANG Jun-tao,GUO QING,WEN Feng-gang

(Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)CO.,LTD,Xi'an 710075,China)

Key words：Coal bed methane; fracturing; application；discharge rate