投球暫堵壓裂工藝在煤層氣井的應用

蔡 華 張光波 楊 陽 王少良 白宇杉 王振東

(1.河北華北石油天成實業集團有限公司，河北 062552；2.中石油華北油田工程技術研究院，河北 062552；3.中國石油煤層氣開采先導試驗基地，河北 062552；4.中石油華北油田第一采油廠，河北 062552)

華北油田于2006年開始在沁水盆地南部進行煤層氣商業化開發，主要開發山西組3號煤層和太原組15號煤層。目前已投產生產井3000余口，經過十多年的規模開發，產氣量穩步提升。早期對煤層氣開發認識不足，借鑒常規油氣壓裂方式改造，造成了大量低產井，遠遠沒有達到開發方案設計要求。

經過多年的探索，形成了一系列低產井治理工藝技術，一定程度上盤活了低產井。針對煤粉堵塞、應力敏感、氣鎖等排采管控問題直井形成了解堵性重復壓裂技術，可以解除堵塞、擴展裂縫，重建滲流通道；針對一次壓裂清潔壓裂液污染直井，采用化學化學解堵工藝可以解除地層污染、增大滲透率；針對埋深大難造縫的直井，研發“多段加砂”壓裂工藝，造長縫、擴寬縫；對構造煤發育難造縫直井，研發頂、底板壓裂工藝，建立穩定通道；針對應力集中、低滲導致首次壓裂效果差井，探索造穴壓裂，在煤層段實施水力噴射造穴，利用洞穴形成應力釋放區，誘導儲層微裂縫張開，改善滲透性。

煤層氣地質條件復雜，煤體結構多樣，縱向煤巖力學性質差異大，部分井天然裂隙發育，重復壓裂壓裂液僅能沖洗或順著原有裂縫延伸，未能造新縫，導致措施改造效果不明顯。本文探討了一種煤層氣重復壓裂的新思路，利用尼龍球暫堵射孔炮眼，實現同層縱向上造新縫，加砂形成新的滲透通道，使單井的改造范圍增大。

1 投球暫堵壓裂工藝原理

(1)工藝原理

由于煤儲層垂向非均質性強，力學性質差異大，首次壓裂在縱向上不能夠完全改造煤層。投球可暫堵流量較大的孔眼(圖1)，迫使壓裂液轉向進入流量較小的孔眼，改造力學性質較大的煤層段，達到煤層段均一改造的目的。

圖1 投球壓裂工藝示意圖

(2)暫堵球受力分析

假設暫堵球在井筒中的運動可看作自由沉降過程, 忽略球與球、球與管壁之間的摩擦和碰撞。進入井筒中的暫堵球受到重力、液體浮力以及水流動力的作用而做加速運動,具體可分為兩個加速運動階段,第一加速階段摩阻為動力,第二加速階段為阻力,取決于水流與小球相對速度產生的摩阻力的方向。當重力、浮力和摩擦力達到平衡的時候,小球開始做等速運動,直到到達射孔孔眼處。

暫堵球井下運動狀態受多種因素的影響,包括“慣性力”、“轉向力”、“持球力”和“脫離力”。投球壓裂關鍵點是如何保證暫堵球流向所封堵的孔眼和保證暫堵球坐封。球流向孔眼條件為轉向力大于慣性力；球坐封孔眼條件為持球力大于脫離力(圖2)。影響坐封效果因素繁主要有2個敏感變化參數：排量和封堵孔眼數。通過計算發現：排量越大(大于5m3/min)，壓力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼；封堵孔眼越少(小于50%)，壓力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼。

圖2 暫堵球受力分析

2 投球暫堵壓裂工藝選井原則

通常建產區選擇資源富集有利區，構造平緩、遠離大斷層、含氣量高、埋深適中。但資源的富集不等同于高產區，工程技術改造與地質條件的不適應導致了部分井產氣效果不理想。分析認為投球暫堵壓裂工藝選井原則主要有兩個：

(1)煤體結構垂向非均質性強，首次改造不均一的煤儲層

高階煤為裂隙性儲層，內部特征非常復雜，平面或者垂向上煤體結構破碎程度差異明顯，對開發的影響較大。煤體結構主要分為原生、碎裂、碎粒和糜棱結構。原生、碎裂結構煤硬度高、塑性強，壓裂過程中濾失小，造縫效率高，易形成網狀縫，單井產氣效果好。碎裂、糜棱結構煤硬度低，裂隙發育，但是連通性差，塑性差，壓裂時濾失嚴重，易于破裂但難形成主縫，裂縫較短，單井產氣量低。若煤層中發育碎粒、糜棱煤，射孔時全井段射孔，壓裂過程中首先破裂的是碎粒、糜棱煤，原生、碎裂煤得不到改造或者改造效果差，單井產氣效果往往不理想。

采用“投球暫堵壓裂”工藝二次改造，壓裂過程中使用暫堵球暫堵導流能力較強的碎粒、糜棱煤層段的射孔孔眼，減少碎粒、糜棱煤的分壓作用，使裂縫在原生、碎裂結構煤中延伸(圖3)，可獲得較高的產氣量。

圖3 投球壓裂示意圖

(2)一次壓裂曲線類型為低穩定或下降型

壓裂過程可分為試壓、前置液、攜砂液、頂替液和測壓降5個階段。攜砂液階段是壓裂裂縫擴展和延伸的階段，在一定程度上反映出地下煤儲層的地質特征、壓裂液運移狀況以及壓裂裂縫等信息。根據攜砂液階段形態特征，煤層氣井壓裂曲線(圖4)可劃分為穩定、波動、上升和下降四種類型。通常來說，穩定型說明已形成了主縫、造縫和濾失與注入動態平衡，裂縫延伸效果較好。波動型是由于地層和應力的非均質性導致裂縫效果較差。上升型反映了煤層較致密，原生裂隙不發育，縫內易發生砂堵，壓裂效果也較差。下降型說明壓裂裂縫溝通了斷層、陷落柱、天然裂隙或者頂底板，壓裂效果較差。

圖4 壓裂曲線類型

投球暫堵壓裂工藝選擇一次壓裂曲線形態為低壓力穩定或者緩慢下降型。此類型壓裂曲線的井在一次壓裂過程中溝通了斷層、天然裂隙或者溝通了頂底板，施工壓力較同一埋深的其它井呈低水平穩定或者隨著排量的提升施工壓力緩慢下降趨勢(圖5)。說明一次壓裂并未有效改造煤儲層，壓裂液僅僅延伸了原有的裂隙系統，未在煤層中造新縫。采用投球暫堵壓裂工藝二次改造，壓裂過程中使用暫堵球暫堵導流能力較強的天然裂隙或溝通頂底板層段的射孔孔眼，使壓裂裂縫在有效煤層中延伸，可獲得較好的改造效果。

圖5 投球暫堵壓裂壓裂曲線類型

3 實施效果

對23口井實施投球壓裂工藝，見效井16口，見效率70%，單井增氣量800m3，措施改造效果良好。

以HG5-1為例，該井位于樊莊區塊北部，埋深852.9m，煤層厚度5.05m。一次壓裂共注入壓裂液837.16m3，砂量40.06m3。由于一次壓裂改造效果差，日產氣量僅有200m3左右(圖6)。分析認為由于煤層底部構造煤發育，壓裂過程中濾失大，造成施工壓力偏低，壓裂曲線呈緩慢下降性。初期施工壓力9MPa左右，后期緩慢下降，到壓裂中后期施工壓力僅有5MPa左右(圖7)。

圖6 HG5-1井生產曲線

圖7 HG5-1井一次壓裂曲線

圖8 HG5-1井二次壓裂曲線

二次壓裂采用投球暫堵壓裂工藝改造，共注入壓裂液575.63m3，砂量40.15m3，前置液階段共投球40個。應用投球壓裂工藝后，壓裂施工壓力平穩，施工壓力7MPa左右，較一次壓裂施工壓力上升了2MPa左右(圖8)，可見起到了一定的封堵效果。二次壓裂改造效果較好，達到了預期目的，日產氣量由措施前的200m3上升到2400m3，增加了2200m3。