潞安屯留區(qū)塊煤層氣酸化泡沫壓裂技術(shù)研究

王黎，陳波，李偉慧

（中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽476100）

潞安屯留區(qū)塊煤層氣酸化泡沫壓裂技術(shù)研究

王黎，陳波，李偉慧

（中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽476100）

針對潞安屯留區(qū)塊煤層儲層改造存在的問題，通過對本區(qū)塊煤層特征進(jìn)行分析研究，對壓裂液及支撐劑進(jìn)行優(yōu)選、對壓裂設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并采取加入預(yù)前置酸和氮?dú)馀菽瓑毫训拇胧瑥亩鉀Q了煤層壓裂施工中存在的滲流通道堵塞、壓裂液難返排、壓裂效果不理想的一些問題，在保證了煤層壓裂施工成功的同時也提高了煤層氣的產(chǎn)量，不僅為本區(qū)煤層氣開發(fā)提供幫助，更對全國的同類煤層儲層的改造開發(fā)具有借鑒意義。

煤層；預(yù)前置酸；氮?dú)馀菽瓑毫?/p>

山西潞安屯留區(qū)塊山西組3#煤層，本區(qū)裂隙較為發(fā)育，煤層氣資源豐富，但煤層壓力低、滲透率低、臨儲比低、機(jī)械強(qiáng)度低、儲層溫度低、吸附能力強(qiáng)，顯微裂隙發(fā)育程度比同煤級好、擴(kuò)散系數(shù)比同煤級大，為典型的過渡孔為主低滲低壓儲藏。因此，追求高煤層氣產(chǎn)量有著相當(dāng)大的難度。在壓裂施工中，因煤層相對砂巖儲層楊氏模量較低、泊松比較高、裂隙發(fā)育、大量煤粉、煤屑的存在加之地層污染和套管限壓的因素，給壓裂施工造成一定的困難。為此，針對本區(qū)塊煤層特征進(jìn)行分析研究，通過加入預(yù)前置酸，溶解了充填物，溝通了滲流通道，降低了施工壓力。同時泡沫還具有很好的降濾失作用，可減少入井液量，返排快，傷害低，攜砂濃度高，導(dǎo)流能力高，為以后煤層氣的研究開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。

1　壓裂液優(yōu)選與評價

1.1各壓裂液體系對煤巖的傷害對比

壓裂液性能的好壞直接關(guān)系到壓裂施工的成敗及壓后增產(chǎn)效果，壓裂液性能不好，容易造成脫砂，形成“砂丘”，導(dǎo)致壓裂施工失敗。若進(jìn)入煤層的壓裂液與煤層的主體不配伍，對煤層造成傷害，勢必減少煤層氣的產(chǎn)量。因此，必須對煤層壓裂液進(jìn)行研究和評價，尤其是評價各壓裂液體系對煤層的傷害程度與其攜砂性能，并最終優(yōu)選出適合本區(qū)煤層壓裂改造的壓裂液體系。通過試驗(yàn)得出各壓裂液體系對煤巖的傷害結(jié)果匯總表（見表1）。

表1　各液體體系對煤巖的傷害結(jié)果對比表

由表1可知：胍膠壓裂液和清潔壓裂液對煤巖的傷害率很大，不能作為本區(qū)煤層壓裂改造的壓裂液，氮?dú)馀菽瓑毫岩汉突钚运畨毫岩簩γ簬r的傷害率較小，可選用其作為本區(qū)煤層壓裂改造的壓裂液，故從傷害率上看，可以選用氮?dú)馀菽瓑毫岩汉突钚运畨毫岩骸?/p>

1.2各壓裂液體系攜砂性能對比

活性水壓裂液和氮?dú)馀菽瓑毫岩簩κ⑸暗臄y砂性能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)測定，具體情況（見表2）。

對不同粒徑的支撐劑在28℃活性水壓裂液和泡沫壓裂液中的沉降實(shí)驗(yàn)表明，在活性水中的沉降速度遠(yuǎn)大于在泡沫壓裂液中的沉降速度，且在泡沫壓裂液中的沉降速度均小于0.5 cm/s，說明泡沫壓裂液對支撐劑具有良好的懸浮作用和攜帶能力，可將支撐劑帶至裂縫遠(yuǎn)端，提高了有效支撐縫長度，同時使裂縫鋪砂剖面趨于合理，進(jìn)一步提高了裂縫導(dǎo)流能力，完全滿足現(xiàn)場施工攜砂的要求，故從攜砂性能上看，氮?dú)馀菽瓑毫岩罕然钚运畨毫岩焊m合本區(qū)煤層壓裂改造。

表2　石英砂分別在活性水和泡沫液中的沉降速度

2　支撐劑優(yōu)化

由于本區(qū)煤層埋深較淺、閉合壓力較低，石英砂和木質(zhì)支撐劑都可以滿足屯留礦的壓裂要求，但是考慮到投入與產(chǎn)出的性價比，采用天然石英砂作為該區(qū)塊壓裂的支撐劑。

2.1支撐劑粒徑組合

在泵注初期，采用20目～40目石英砂，被壓裂液攜帶到縫端的位置，起防砂和支撐裂縫的作用，然后尾追16目～20目石英砂，在縫口的位置，起支撐縫口的作用，增加縫口的導(dǎo)流能力，在經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)證明：當(dāng)16目～20目粗砂用量：20目～40目中砂用量=1：3時，既能滿足高的導(dǎo)流能力，又能保證壓裂施工成功率。

2.2支撐劑濃度

煤層壓裂液粘度通常較低，泵注程序采用階梯式注入，在泵注初期，砂比要低，防止在往裂縫縫端運(yùn)移過程中由于濾失作用使得支撐劑濃度過高，導(dǎo)致砂堵的發(fā)生，在泵注末期，應(yīng)該采用高砂比，保證在裂縫縫口處支撐劑分布在產(chǎn)層部分，提高裂縫的導(dǎo)流能力。在屯留礦壓裂中，在泵注初期砂比一般為20%，逐步提高砂比，在末期最高砂比達(dá)到55%。

3　壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1縫長優(yōu)化

煤層滲透率是裂縫規(guī)模優(yōu)化的重要影響因素，依據(jù)目標(biāo)區(qū)塊煤層基本條件，模擬不同滲透率條件下的支撐裂縫半長與壓后產(chǎn)氣量關(guān)系圖（見圖1）。

從模擬結(jié)果來看，總體上氣產(chǎn)量隨人工裂縫半長的增加而增大，但隨著人工裂縫半長的增加，產(chǎn)量增加的幅度逐漸變小。因此，綜合考慮煤層實(shí)際特點(diǎn)、壓裂施工風(fēng)險及投入產(chǎn)出情況，優(yōu)化裂縫半長為120 m～160 m。

3.2砂比優(yōu)化

目標(biāo)區(qū)域煤層楊氏模量為4 000 MPa～7 000 MPa，楊氏模量小，表明煤層儲層軟，支撐劑嵌入傷害大。支撐劑在煤層內(nèi)的嵌入對導(dǎo)流能力的傷害非常嚴(yán)重，研究表明，10 kg/m2鋪砂濃度下石英砂嵌入可使導(dǎo)流能力下降36.4%，同砂巖地層裂縫相比，支撐劑嵌入對煤層裂縫導(dǎo)流能力的傷害更大。因此，煤層氣井壓裂時應(yīng)該提高裂縫的鋪砂濃度，從而保證裂縫有足夠的導(dǎo)流能力。

圖1　支撐裂縫半長與壓后產(chǎn)氣量關(guān)系圖

圖2　平砂比與鋪砂濃度關(guān)系圖

從平均砂比與鋪砂濃度關(guān)系圖（見圖2）來看，平均砂比越大，鋪砂濃度越高，支撐劑嵌入傷害越小。當(dāng)平均砂比小于15%時，鋪砂濃度在10 kg/m2以下，則會出現(xiàn)嚴(yán)重的支撐劑嵌入傷害。依據(jù)煤層濾失情況、承砂能力及氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的攜砂能力，氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系平均砂比優(yōu)化為30%左右。

3.3排量優(yōu)化

目標(biāo)區(qū)塊煤層天然裂隙連通性差，但在壓裂過程中裂隙張開吸液，導(dǎo)致濾失量大大增加，同時煤層又具有較強(qiáng)的塑性特征，因此在排量較小的情況下人工裂縫基本不延伸。依據(jù)煤層的基本條件，對不同施工排量、不同前置液體積情況下，人工裂縫的延伸情況進(jìn)行模擬，結(jié)果（見圖3）。

從模擬圖上可以看出，在相同前置液體積下，低排量施工時其人工裂縫延伸距離很短。因區(qū)域煤層與頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)差異較大，因此，施工排量可在井口限壓允許的條件下，應(yīng)盡可能提高施工排量，以緩解濾失影響，確保充分造縫。綜合考慮前期施工情況、井口壓力及模擬結(jié)果，優(yōu)化氮?dú)馀菽瓑毫咽┕た偱帕繛? m3/min～ 7.5 m3/min。

圖3　前置液量與裂縫半長的關(guān)系圖

4　實(shí)例應(yīng)用

現(xiàn)場應(yīng)用3口井，壓裂施工成功率100%，有效率100%，3口井的具體施工參數(shù)（見表3）。

表3　屯留井區(qū)預(yù)前置酸+氮?dú)馀菽瓑毫丫y(tǒng)計(jì)表

圖4　三種施工液壓后平均產(chǎn)氣情況圖

效果分析：在潞安屯留區(qū)塊以前采用2種壓裂液體系對27口井進(jìn)行了壓裂施工改造，分別是活性水壓裂液和預(yù)前酸加活性水伴注氮?dú)鈮毫岩海卷?xiàng)目采用預(yù)前置酸加氮?dú)馀菽瓑毫岩海捎眠@三種壓裂液體系進(jìn)行壓裂改造后的排采產(chǎn)氣效果（見圖4）。

由圖4可知，在潞安屯留區(qū)塊采用氮?dú)馀菽瓑毫言霎a(chǎn)效果最顯著，平均單井產(chǎn)氣量達(dá)到1 800 m3/d。

5　結(jié)論

通過對屯留區(qū)塊壓裂施工井的分析，得出以下結(jié)論和認(rèn)識：

（1）通過對煤層煤樣物性及敏感性分析，對儲層的礦物組成、裂縫走向、孔喉結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的了解，對裂縫中的充填物進(jìn)行研究，通過加入預(yù)前置酸，溶解了充填礦物，溝通了滲流通道，降低施工壓力，為以后煤層氣的研究開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。

（2）泡沫具有很好的防濾失作用，在相同的條件下，其濾失量比普通壓裂液要低得多，泡沫壓裂液具有返排快、攜砂濃度高，導(dǎo)流能力高的特點(diǎn)，明顯優(yōu)于其它壓裂液，泡沫壓裂技術(shù)是本區(qū)煤層氣壓裂的較好選擇。

（3）在潞安屯留區(qū)塊應(yīng)用施工3口井，施工成功率100%，相比之下，酸化泡沫壓裂改造技術(shù)應(yīng)用效果最好，除部分井在統(tǒng)計(jì)時未排采之外，泡沫壓裂經(jīng)壓后平均日產(chǎn)氣超過普通壓裂井1 000 m3左右，增產(chǎn)效果顯著。

［1］吳百烈.煤層氣井水力壓裂幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.中國石油大學(xué)（華東），2011.

［2］劉會虎，桑樹勛，等.沁水盆地煤層氣井壓裂影響因素分析及工藝優(yōu)化［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，（11）：98-102.

［3］劉正，等.潞安礦區(qū)屯留井田煤層氣儲層物性特征［C］.煤層氣勘探開發(fā)理論與實(shí)踐，2007.

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.010

TE357.2

A

1673-5285（2015）04-0033-04

2015－03-05