煤層氣井壓裂效果影響因素分析與技術(shù)對策

何雨遙，李小剛，楊兆中，蘇洲

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

煤層氣井壓裂效果影響因素分析與技術(shù)對策

何雨遙，李小剛，楊兆中，蘇洲

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

煤層作為自生自儲(chǔ)式非常規(guī)儲(chǔ)層較常規(guī)儲(chǔ)層開采難度大，在我國直接表現(xiàn)為單井產(chǎn)量低，嚴(yán)重制約煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以壓裂煤層氣井產(chǎn)能為基礎(chǔ)，分析并研究了影響壓裂效果的因素及其影響方式，主要包括壓裂液類型、支撐劑性能、排量和砂比等施工參數(shù)以及應(yīng)力狀態(tài)的改變，其主要通過作用于滲透率、導(dǎo)流能力、裂縫的延伸來對增產(chǎn)效果產(chǎn)生影響。最后針對國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀提出可提高煤層氣井壓裂效果的技術(shù)對策，為進(jìn)一步發(fā)展我國煤層氣井增產(chǎn)改造技術(shù)提供視角。

煤層氣；產(chǎn)能；增產(chǎn)效果；壓裂技術(shù)；壓裂液；支撐劑

壓裂作為煤層氣井增產(chǎn)的主要技術(shù)手段，已成為煤層氣開發(fā)的核心和關(guān)鍵。相較于常規(guī)儲(chǔ)層，煤巖的強(qiáng)吸附特征和發(fā)育的微裂隙特點(diǎn)使有效造縫和裂縫延伸問題變得尤為突出，給壓裂工藝提出了更高的技術(shù)要求。在煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢下，為了大幅度提高我國煤層氣產(chǎn)量，壓裂增產(chǎn)改造措施成為了亟待攻關(guān)的技術(shù)難題之一。以煤層氣井產(chǎn)能為基礎(chǔ)，研究影響壓裂效果的因素具有直接的參考意義。倪小明、蘇現(xiàn)波等［1-2］曾就煤層氣井產(chǎn)能主控地質(zhì)因素進(jìn)行了分析；湯達(dá)禎、鮮寶安等［3-4］就影響煤層氣井產(chǎn)能的地質(zhì)和工程因素開展了研究；郭大立［5］根據(jù)現(xiàn)場情況從排采和增產(chǎn)兩方面研究了影響煤層氣開發(fā)效果的因素。為了完善壓裂增產(chǎn)方面的理論研究，本文依托壓裂煤層氣井產(chǎn)能關(guān)系對影響煤層氣壓裂效果的因素及其影響方式進(jìn)行了分析，并針對國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀總結(jié)了可提高煤層氣井壓裂效果的技術(shù)對策。

1　煤層氣井產(chǎn)能影響因素

煤層氣開采與常規(guī)天然氣有顯著不同，主要因其同為烴源巖和產(chǎn)層，而且運(yùn)移方式復(fù)雜［6］。煤層中的甲烷多以吸附狀態(tài)賦存于致密的煤基質(zhì)微孔隙中，所以吸附狀態(tài)的煤層氣在被有效開采之前需要先從煤表面解析成為游離氣，既而由基質(zhì)向微裂縫擴(kuò)散，最后滲流到大裂縫和井筒中被采出。煤層割理和裂隙中分布著大量地層水，煤層氣開采還需經(jīng)歷排水-降壓的過程，因而煤層氣的單井產(chǎn)量受諸多因素影響，壓裂煤層氣井產(chǎn)能公式的建立也更為復(fù)雜。YuLou等［7］同時(shí)考慮了煤層氣的吸附和擴(kuò)散以及滲流特性，結(jié)合langmiur方程和Fick第一定律建立了較為完善的壓裂煤層氣井產(chǎn)能方程。基于該方程的數(shù)值模擬顯示，儲(chǔ)層/裂縫滲透率及導(dǎo)流能力越高，煤層氣產(chǎn)能越大，且產(chǎn)能與裂縫半長、生產(chǎn)壓差、氣體解析與擴(kuò)散系數(shù)成正相關(guān)。

2　影響煤層氣井壓裂效果的因素分析

2.1壓裂液降低煤巖滲透率

煤巖由有機(jī)大分子組成且內(nèi)表面積大，具有很強(qiáng)的吸附能力，除煤層氣外還能吸附各種外來氣液體。該能力對表面活性劑含量較大的泡沫壓裂液表現(xiàn)尤甚，吸附將使煤基質(zhì)發(fā)生不可逆的膨脹，極大降低割理孔隙度和滲透率，煤表面吸附層還會(huì)嚴(yán)重影響甲烷的擴(kuò)散能力。煤層中天然裂縫發(fā)育，水力裂縫與之溝通會(huì)增大滲流空間、擴(kuò)大壓裂液濾失范圍、減小裂縫長度［8］。相對而言，活性水壓裂液濾失較大，裂縫長度更短；凍膠壓裂液在濾失同時(shí)還會(huì)在裂縫壁面形成濾餅形成表皮傷害，破膠后殘?jiān)鼘⒍氯罾磉M(jìn)一步降低裂縫滲透率（見表1）。此外，煤巖中的粘土礦物與壓裂液接觸引起的水敏膨脹、煤儲(chǔ)層低溫低壓特性導(dǎo)致壓裂液難以破膠返排、較強(qiáng)的毛管力引發(fā)的毛細(xì)管自吸等，均會(huì)引起儲(chǔ)層滲透率降低［9］。

表1　煤層常用壓裂液對滲透率的主要影響方式Table.1 The main impacts fracturing fluids have on permeability

2.2支撐劑嵌入影響裂縫導(dǎo)流能力

支撐劑作用在于保持裂縫張開使裂縫具有高導(dǎo)流能力。然而煤巖抗壓、抗張強(qiáng)度均較低，質(zhì)地相對松軟，支撐劑容易嵌入地層，導(dǎo)致裂縫寬度變小，導(dǎo)流能力下降［10］。支撐劑嵌入還會(huì)引起煤巖破碎而產(chǎn)生煤粉，煤粉在運(yùn)移時(shí)不斷填充支撐劑顆粒間的空隙，進(jìn)一步降低裂縫滲透率和導(dǎo)流能力。此外，嵌入的支撐劑會(huì)在裂縫壁面形成應(yīng)力集中區(qū)，壓縮其他天然裂縫，降低水力裂縫周圍煤巖滲透率。由于煤層埋深偏淺，閉合壓力較低，支撐劑在煤層中容易發(fā)生回流，不僅影響裂縫導(dǎo)流能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起射孔孔眼堵塞、磨損閥門等，既影響增產(chǎn)效果又增加成本。

2.3壓裂施工參數(shù)對縫長的影響

壓裂規(guī)模直接影響壓裂增產(chǎn)效果，包括液量、砂比等。煤巖低楊氏模量、高泊松比的巖性特點(diǎn)使煤層表現(xiàn)出塑性特征，致其難以形成長縫，加上煤層中發(fā)育的天然裂縫使壓裂液更容易濾失，因而煤層中一般采用大排量來增強(qiáng)壓裂液造縫能力。通過液量的增加來增大裂縫在三位方向上的擴(kuò)展程度，尤其是長度方向上的延伸。但是當(dāng)煤層與上下圍巖的楊氏模量相差不大時(shí)，排量過大會(huì)使裂縫突破圍巖限制，嚴(yán)重時(shí)擴(kuò)展到煤層頂?shù)装澹瑴贤ê畬樱绊憵怏w排采。砂比也是壓裂的關(guān)鍵因素，砂比過小時(shí)支撐劑得不到有效鋪置而影響充填效果，過大又會(huì)增大攜砂難度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成砂堵。

2.4應(yīng)力狀態(tài)改變影響裂縫擴(kuò)展

煤巖中裂縫的擴(kuò)展是水平應(yīng)力和天然裂縫雙重作用的結(jié)果，當(dāng)水平主應(yīng)力差較小時(shí)，垂直裂縫主要沿天然割理、裂縫方向隨機(jī)擴(kuò)展；水平主應(yīng)力差增大時(shí)，形態(tài)簡單的水力縫主要沿垂直最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展［11］。因而水平應(yīng)力差的變化將影響裂縫擴(kuò)展及其幾何尺寸的受控難度。煤層壓裂過程中工作液的注入與排出都能引起裂縫內(nèi)外應(yīng)力的變化，在影響裂縫形態(tài)的同時(shí)，還會(huì)因?yàn)槊簬r較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性改變儲(chǔ)層滲透率。

3　提高煤層氣井壓裂效果的技術(shù)對策

3.1低傷害壓裂液體系

目前用于煤層的壓裂液主要有活性水、聚合物基凝膠、泡沫壓裂液和清潔壓裂液，各具特點(diǎn)但又尚存不足。斯倫貝謝在清潔壓裂液的基礎(chǔ)上研制了CoalFrac，既不含固相也不含聚合物，可進(jìn)一步降低對地層的傷害，其常與氮化泡沫體系結(jié)合使用，一是為了減小注入地層的液體體積、利于甲烷的解析，二是氮還可控制壓裂液濾失、加速壓裂液返排［12］。此外，利用活性水壓裂液造縫、稠化活性水或低濃度瓜膠生物酶壓裂液攜砂，可在減小地層傷害的同時(shí)降低施工成本。為減輕煤粉對裂縫造成的堵塞，在常規(guī)活性水壓裂液中可加入懸浮煤粉的添加劑，防止固體顆粒的凝聚和沉降。

3.2新型支撐劑改進(jìn)技術(shù)

3.2.1分級注入不同粒徑支撐劑不同粒徑支撐劑顆粒在裂縫中的運(yùn)移情況（見圖1），距離井筒越遠(yuǎn)，裂縫內(nèi)靜壓力越低、裂縫張開程度越小，所以大顆粒多分布在近井筒附近，小顆粒更容易運(yùn)移到遠(yuǎn)場位置［13］。由于粒徑小的支撐劑破碎率低，且在相同砂比下鋪置層數(shù)更多，所以為了減少支撐劑嵌入并保持導(dǎo)流能力，通常選用粒徑較小的支撐劑，但是此舉容易引發(fā)砂堵。因此，為提高支撐劑鋪砂效果，應(yīng)采用分級注入的方式，隨著泵注程序的進(jìn)行逐漸增大支撐劑粒徑，使其在裂縫中得以有效鋪置，增強(qiáng)支撐效果。

3.2.2新型材料支撐劑實(shí)現(xiàn)支撐劑在縫內(nèi)的有效鋪置，需保證壓裂液的攜砂性能和施工泵送條件，否則就要盡可能降低支撐劑密度［14］。超低密度支撐劑（Ultralightweight proppant）和自懸浮支撐劑（Self-suspending Proppant）是目前的研究熱點(diǎn)，超低密度支撐劑主要包括多孔陶粒樹脂涂層和復(fù)合材料兩大類，該類支撐劑具有較低的相對密度和必要的力學(xué)性能；自懸浮支撐劑是在石英砂或陶粒外部包裹一層聚合物，該聚合物因在液體中發(fā)生膨脹而引起支撐劑體積增大而被懸浮，隨著支撐劑的運(yùn)移聚合物不斷分解，支撐劑繼而沉降于裂縫底部［15］。

圖1　不同粒徑支撐劑顆粒在裂縫中的運(yùn)移情況Fig.1 The migration of aniso-diameter proppant particle in fracture

3.3連續(xù)油管水力噴射分層壓裂

連續(xù)油管水力噴射分層壓裂適用于煤層氣在縱向上連續(xù)分布多薄層的特點(diǎn)，目前多采用連續(xù)油管完井、水力噴射器射孔、環(huán)空進(jìn)行大排量加砂壓裂。該技術(shù)通過連續(xù)油管帶噴射工具和定位器實(shí)現(xiàn)薄層精細(xì)壓裂，利用上提下放的封隔器進(jìn)行多次壓裂，高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)使其在國外得到廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)試點(diǎn)中也取得顯著效益。鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊山西組結(jié)合U型井使用該技術(shù)進(jìn)行煤層氣開采，利用垂直井排水降壓、水平井形成多裂縫，開采結(jié)果顯示不僅產(chǎn)量明顯提高，還有效控制了支撐劑的回流現(xiàn)象［16］。

3.4高能氣體多級脈沖加載壓裂

高能氣體多級脈沖加載壓裂（Multi-Pulse loading Fracturing）是在高能氣體壓裂基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的壓裂技術(shù)。其作用機(jī)理是通過高能氣體裝置在煤層中產(chǎn)生高溫高壓的氣體，利用多級脈沖的振蕩作用連通基質(zhì)中的孔隙，溝通天然裂縫形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)擴(kuò)大有效泄流面積［17］。該壓裂技術(shù)相較于常規(guī)壓裂，壓裂液引起的傷害更小，其通過剪切破壞形成的裂縫更難閉合，有利于煤層氣排采［18］。

3.5間接壓裂技術(shù)

間接壓裂技術(shù)（Indirect Vertical Fracturing Conductivity）是利用煤層垂直滲透率大于水平滲透率這一總體規(guī)律，在相鄰煤層的低應(yīng)力砂巖或粉砂巖層段中壓裂形成垂直裂縫，從而有效溝通煤層，間接實(shí)現(xiàn)對煤層的改造。間接壓裂技術(shù)適用于三明治式砂巖和煤層相間的儲(chǔ)層，可以實(shí)現(xiàn)一條裂縫縱向延伸進(jìn)入兩套煤層一并開采［19］。在美國猶他州、落基山脈中部以及圣胡安盆地均已實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的成功應(yīng)用。

4　結(jié)論

（1）壓裂液和支撐劑作為工藝材料主要通過儲(chǔ)層滲透率和裂縫導(dǎo)流能力對壓裂效果產(chǎn)生影響，而液量、砂比等施工參數(shù)主要影響縫長和裂縫的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。

（2）為進(jìn)一步完善煤層氣井壓裂增產(chǎn)技術(shù)，需研究出適應(yīng)于煤層特性的低傷害壓裂液和新型支撐劑，并在注入方式上加以改進(jìn)。

（3）連續(xù)油管水力噴射分層壓裂、高能氣體多級脈沖加載壓裂、間接壓裂等技術(shù)有賴于更多的現(xiàn)場實(shí)踐來加以完善。

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Analysis of factors on fracturing effect of CBM wells and technical countermeasures

HE Yuyao，LI Xiaogang，YANG Zhaozhong，SU Zhou
（State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

Coal bed，as a self-generated reservoir，is far more difficult to exploit than conventional reservoir.Consequently，the low production per well seriously hampered the development of CBM industry.Based on fractured CBM well's productivity，study found that fracturing factors affecting stimulation effect mainly include the performance of fracturing fluids and proppant，constructor parameters and the change of stress state.They mainly influence stimulation effect through permeability，conductivity and fracture cracks.In view of the present technical situation both at home and abroad，this paper proposed technical countermeasures which can improve fracturing effect，providing perspective to further develop the stimulation technologies of fracturing CBM wells in China.

coal bed methane（CBM）；productivity；stimulation effect；fracturing technique；fracturing fluid；proppant

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.002

TE357.12

A

1673-5285（2015）04-0006-04

2015－02-12

國家科技重大專項(xiàng)，項(xiàng)目編號：2011ZX05042-002-001。

何雨遙，女（1989-），西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事油氣藏增產(chǎn)理論與技術(shù)研究工作，郵箱：253948947@qq.com。