低溫改造技術在沁水盆地南部煤層氣井試驗應用

馮樹仁 張 聰 吳定泉 金國輝 劉春春 楊 寧

(中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 046000)

1 低溫改造技術原理

低溫改造技術通常采用給井筒及地層中注入低溫氣體，以達到改變煤巖物性，輔助壓裂過程，促使形成更大地改造范圍，提高壓裂效果。

1.1 低溫氣體冷沖擊引起煤巖物理性質變化

大量實驗表明，溫度的變化可以引起煤巖彈性模量、泊松比、抗拉強度等煤巖力學參數發生變化，進而影響地應力、壓裂施工壓力和裂縫形態。

由于煤巖具有較小的導熱系數和敏感的熱脹冷縮特性，當壓裂時向井底注入液態CO2、N2等低溫氣體會對煤層產生冷沖擊；當近井筒煤層短時間快速與大量低溫氣體接觸，會造成局部溫度迅速而大幅降溫，導致煤基質劇烈收縮，煤巖孔隙度、滲透率隨之增大。周拿云利用西安科技大學教育部重點實驗室的MTS-815電液伺服試驗機對常溫條件下的飽和煤巖及不同溫度凍結的飽和煤進行單軸壓縮實驗，結果表明煤巖彈性模量隨溫度的降低逐漸增加，泊松比隨溫度的增加而增加。劉雨濛采用PFC2D軟件基于流固耦合理論進行建模，通過對井壁施加不同的持續載荷，模擬不同溫度條件下煤樣受力后裂縫擴展結果；在注入壓力為30MPa條件下，隨著溫度的降低，煤巖的彈性模量顯著增大，抗壓強度隨之增大，顆粒間膠結力增強，但同時脆性增強；由于脆性作用煤巖在最大主應力方向上更容易起裂并擴展延伸；隨溫度下降，生成裂紋數量越多，主裂縫延展速度更快，距離越遠(圖1)。

圖1 煤樣注入壓力為30MPa下各溫度裂縫擴展圖

此外，液態CO2粘度為0.03335MPa·s，粘度較低，流動性強，可以有效溝通煤儲層中的微小裂縫。相比較活性水壓裂僅形成剪切膨脹，低溫CO2改造可以形成深度的剪切位移，提高了微裂縫溝通的可能性。

1.2 低溫環境形成冰晶起到暫堵作用

常溫常壓下CO2、N2為氣態，CO2的臨界點為7.38MPa(31.1℃)，N2的臨界點為3.69MPa(-146.9℃)，超過該溫度及壓力后，CO2、N2將處于超臨界狀態。

低溫改造施工中，通常地面管匯中CO2以液態的形式儲存在儲罐中，壓力維持在1.5～2.5MPa，溫度穩定在-20℃左右；當地面管線中CO2注入井筒后，隨著低溫的CO2從井筒和儲層中吸收熱量，CO2溫度迅速上升，相態也從液態變為氣態。該過程儲層溫度急劇下降，CO2易形成固體水合物，在地層裂縫中可以起到與冰晶封堵一樣的效果；同時低溫造成一定范圍的地層溫度有所下降，同時也能對施工壓力起到一定程度的降低。

雖然冰晶封堵能力很強，但在實際的工程應用中，通常冰晶封堵的范圍是有限的，再加上地溫的作用，冰晶的封堵作用通常更利于用在轉向壓裂中，效果比將其用于降低壓裂液的濾失效果更好。

1.3 CO2、N2與CH4產生競爭吸附

由于篩濾置換作用的影響，煤對CO2、N2等小分子吸附分壓增大，降低了煤對CH4分子的吸附引力，與煤層形成競爭吸附，促進CH4解析，使更多的CH4分子從煤基質表面解吸出來，從而提高了煤層氣的解吸能力。

表1 不同氣體分子的直徑和空間結構

綜上所述，由于液態CO2、N2的低溫、造縫、冷沖擊和競爭吸附的特性，煤儲層力學性質受到低溫影響導致脆性增強，壓裂時裂縫延展性變好；同時由于低溫CO2易形成固體水合物而在裂縫中形成局部暫堵，實現裂縫專項，提高造縫效果，擴大改造范圍；競爭吸附作用促使煤層對CH4分子的吸附能力下降，提高了煤層CH4的解吸效率。

2 現場應用情況

在沁水盆地南部鄭村井區、鄭莊區塊西南部選取兩口井進行低溫改造試驗，兩口井均對3號壓裂進行低溫改造試驗，并采用相似的壓裂施工程序及管柱結構(圖2)。

圖2 低溫改造試驗井管柱結構示意圖

2.1 壓裂施工步驟

壓前準備及試壓：擺好施工設備、連接地面液相與氣相施工管線；首先使用清水循環注水部分主壓車及地面管線，循環液返回大罐，進行管線及井口試壓；然后使用液態CO2循環泵車，液態氣體管線使用液態N2試壓。套管注入氮氣，反循環頂替油套環空液體。

泵注程序：油管注入，液相施工限壓50MPa，氣相施工限壓45MPa，施工限壓受制于管柱承受壓力。油管壓力超過施工限定壓力后油套管環空用氮氣補壓；施工全程套管壓力不大于油管壓力。泵注過程進行四個階段，其中前三個階段先使用清水進行壓裂造縫攜砂，然后液相、氣相頂替，繼而進行低溫改造，第四階段進行清水壓裂造縫，液相頂替。

壓后控制：首先進行壓降測試，然后關井，拆卸管線；持續關井一段時間，并連續相等間隔時間記錄井口壓力；當壓力低于前期預測壓力值時開井放噴，并記錄放噴相關參數；直到放噴井口無溢流，起壓裂管柱。

2.2 試驗井施工情況及效果

FZ150井位于樊莊區塊，處于單斜構造，構造相對平緩，埋深824m，含氣量大于20m3/t，煤體結構以原生煤為主。該井2017年實施低溫CO2改造壓裂，注入液態CO2注入量251m3、液態N2注入37m3，清水壓裂液500m3，施工期間壓力、排量平穩。投產后產氣初期測試甲烷濃度82%，兩個月后甲烷濃度達到92%，三個月后甲烷濃度達到96%。穩產氣量2700m3，產量是鄰井活性水壓裂的3倍，穩產期4個月，排采曲線如圖3所示，截止目前，累計產氣量2160011m3，累計產水量456.7m3。

圖3 低溫改造試驗井排采曲線

Z-4井位于鄭莊區塊，處于單斜構造，構造相對平緩，煤層埋深494.5m，埋深相對較淺，含氣量大于20m3/t，距離南部后城腰斷層距離400m左右，煤體結構以碎裂-碎粒，鄰近評價井試井滲透率為0.015mD。該井2019年實施低溫CO2改造壓裂，注入液態CO2注入量356m3，液態N2注入28m3，清水壓裂液493m3，施工期間壓力、排量平穩。投產后產氣初期測試甲烷濃度86%，兩個月后甲烷濃度達到93%，三個月后甲烷濃度達到96%。穩產期日產氣1600m3，與鄰近井產量相當，穩產期8個月，排采曲線如圖3所示，累計產氣量752118m3，累產水量為665m3。

2.3 施工參數對比分析

與常規水力壓裂相比，低溫改造壓裂過程中的施工壓力、破裂壓力及人工裂縫情況存在一定差異。其中破裂壓裂不明顯，施工壓力有所下降，裂縫監測顯示，低溫改造試驗井裂縫半長較常規水力壓裂有所增長，縫高略有下降(表2)。

表2 低溫改造試驗井及鄰井施工參數表

此外，井底溫度測量顯示，開始施工前溫度為20～23℃，施工時最低溫度可達-6～-13℃，壓后關井3天溫度由10℃左右上升至23℃。表明壓裂改造過程中實現了低溫效果，同時作業后溫度恢復，防止因低溫影響煤層解吸，如圖4所示。

圖4 低溫改造過程中井底溫度/壓力計測試曲線

3 適應性分析

按照煤巖破壞程度將煤分為原生、碎裂、碎粒及糜棱四類煤體結構。原生煤和碎裂煤通常受到構造運動破壞程度低，煤體通常以完整的層理和塊狀結構為主，受到快速的冷沖擊會產生許多微裂縫；而碎裂煤和糜棱煤受到較嚴重的結構性破壞，煤巖破碎成很小的塊狀或粉狀，嚴重時可能產生膠結，受到冷沖擊通常很難產生新的微裂縫，因此，碎粒、糜棱煤發育區不適合采用注入液態CO2等低溫改造技術。

隨著煤層埋深的增加，地應力持續增加，煤層所受有效應力增加，注入液態CO2所產生的冷沖擊所需要的溫度需要更低；同時，地層溫度隨煤層埋深增加而增加，注入液態CO2會與周圍地層進行熱交換，導致到達煤層時的能量不能更好的促進煤層物性的變化，達不到預期的效果。因此，埋深較大的煤層氣井不宜采用注入液態CO2等低溫改造技術。

此外，由于本次試驗井均為新投產井，對于已經進行過一次壓裂的低產老井是否可以利用？筆者認為，老井已在一次壓裂時產生主裂縫，采用注入液態CO2、N2的低溫改造技術可以在遠端實現暫時將原有裂縫暫堵，當然更多的暫堵為次級裂縫，然后再次壓裂形成新縫，產生新的改造區域，獲得新的氣源，從而提高老井產量。