沁南盆地冷凍煤儲層壓裂技術探索與實踐

朱碧云 樊崇建 霍洪濤 李城 張忠璽 齊守金

1.中國石油華北油田山西煤層氣分公司；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司；3.中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

0 引言

沁南盆地位于山西省沁水縣和高平市等地，是我國的主要采煤區之一。煤層氣資源預估產量達到3.9 億m3［1］，煤炭儲藏量達到2.8 千億t。該地區產層屬于石炭?二疊系，具有低孔、低壓、低滲透率特點，需要對煤層進行改造來提升產量。目前在沁南盆地，改造煤層的主流方法是進行水力壓裂，相對于常規油氣田產層，煤層具有質地松軟、壓力低、氣水共存、面積大的特點，其本身天然裂縫系統發育。水力壓裂對煤層氣生產確實起到了推動作用，但效果并不十分明顯。

低滲透煤層原有孔隙較為復雜，壓裂液漏失嚴重，削弱了造縫效果，難以形成長裂縫，最終形成的裂縫導流能力低；煤層吸附特性導致其易在壓裂過程中受損，被沖刷下來的煤粉等雜質以及遇水膨化后的煤基質等易堵塞煤層微孔隙，造成孔隙度降低和滲透率降低；煤巖要比油藏中常見的砂巖更容易受到壓力傷害［2-3］，壓力急升急降對孔隙度有著不可逆的傷害；濾失導致大量壓裂液留在煤層，減緩了排采期，延長了滯留在煤層的時間，從而導致長期浸泡煤層，加劇了對煤層污染程度；壓裂施工作業產生煤粉是不可避免的，若通過壓裂液中加潤濕劑和分散劑，確實可有效減輕煤粉聚集的影響，但對滲透率的影響也不容忽視。

宋佳等研究認為在歷次煤層壓裂過程中壓裂液效率一般只有15%～30%［4］，王欣等通過對裂縫長度和導流能力、滲透率和最后產氣關系的數值模擬，得出裂縫長度對產量的影響高達36.4%～46.3%［5］，所以，改造煤層重要目標之一就是延長裂縫長度和改善煤層濾失量。

20 世紀80 年代美國就已應用二氧化碳對低滲透性地層壓裂，取得了良好的增產增滲效果［6］，但低溫煤層改造技術則主要集中于增產機制的室內理論研究，在現場實踐方面還相對空白。筆者基于液體二氧化碳壓裂的技術優勢［7］，選取沁水盆地X150-1 煤層氣井作為儲層改造試驗對象，分析儲層改造過程中煤層裂隙擴展特征。

1 冷凍煤層技術原理及冷凍劑的選擇

1.1 技術原理

根據低溫氣體對巖體冷凍致裂機理，當低溫氣體注入煤層后裂隙中的水會結冰膨脹9%，擠壓裂隙面導致裂隙擴展［8］。劉泉聲將低溫裂隙水結冰體積膨脹造成的對巖體裂隙壁的擠壓力稱之為凍脹力［9］。采用 FLAC3D 軟件對單裂隙進行了凍脹熱–力耦合試驗，發現冰體溫度效應對凍脹位移影響顯著［10］。張春會對飽和水裂隙煤開展的液氮溶浸試驗，通過煤樣聲速、裂隙面積變化率和煤樣表面微觀結構的變化，得出煤體在液氮快速冷卻作用下，裂隙內水結成冰，但煤體骨架約束冰體積膨脹，從而對煤的裂隙產生凍脹壓力，當凍脹壓力超過煤的抗拉強度時，煤裂隙擴展，裂隙空間擴大，并誘發新裂隙萌生［11］。任韶然進行了低溫氣體對煤巖的冷沖擊試驗，發現超低溫可以增加面割理之間的連通性，從而使得煤巖整體滲透率增加［12］。

冷凍煤層技術原理是：以常溫下氣態液體作為壓裂液，通過油管泵注到煤層中，壓裂液作用于煤層并發生熱交換，低溫破壞煤體結構，促使煤層產生裂隙，在此過程中，煤層孔隙中的液態水被冷凍，轉化為冰晶狀態。由于冰晶密度比水的密度低，會產生體積膨脹，從而撐脹煤巖縫隙。而且，隨著溫度降低，煤巖韌性降低但脆性升高，致使冰晶更易破碎周圍巖石，從而擴大孔隙，隨著壓裂過程的持續進行，在煤體內形成具有一定形態的裂縫展布空間。

1.2 冷凍劑的選擇

除了氟利昂以外，常見的冷凍劑還有液氮和干冰等。冷凍劑的工作原理是，對臨界點高的氣體加壓液化，然后再氣化吸熱，人工制造低溫。關于冷凍劑的選擇，主要從安全、制冷效果和置換效果方面進行考慮。

(1)出于環保安全，首先排除了以R12 為代表的CFCs (氟氯烴)，它雖然無毒、不可燃、不爆炸、無刺激性、壓力適中，制冷效率高，但對臭氧層有破壞作用，溫室效應潛能值(GWP)在1300 以上，所以不能選擇該冷凍劑。

(2)出于置換效果，液氮在冷凍地層工程中是理想的冷凍劑，操作系統簡單，使用設備少，且氮氣為大氣組成部分，綠色環保［13］，但是對比二氧化碳，在煤層中，煤巖對其有更大的吸附分壓作用，這樣就降低了煤巖對甲烷的吸附，最大程度提高了甲烷的解析。研究表明，CO2比CH4具有更強的吸附性［14］，在同一溫度壓力情況下，相同煤樣對CO2的吸附能力是CH4的兩倍左右［15］。據杜鋒等(2015)研究認為，若原子不帶電荷，則范德華能很小，且不會產生靜電，所以，煤巖會吸附大量CO2［16］。如圖1 顯示，當壓力增加時，煤巖吸附量也隨之增加，而煤巖優先選擇的CO2量也越大。當冷凍劑在高壓流體作用下，揮發出大量CO2氣體的時候，必然會置換出大量CH4，從而起到增氣增產作用。

圖1 CH4 和CO2 氣體等溫吸附曲線Fig.1 Adsorption isotherms of CH4 and CO2

(3)對常見的幾種冷凍劑進行了制冷效果比較，選擇了無毒、不可燃、不易爆、安全系數高的液態二氧化碳。二氧化碳沸點低，單位容積制冷能力強，其在高壓注入壓裂過程中，0 ℃以上就可形成固體水合物［17］；液態二氧化碳自膨脹性高，在地層熱交換中可氣化膨脹，達到相變增壓擴縫的效果；其黏度小，密度也小，流動性強，可以在管線和煤層縫隙中快速、大范圍流動，增加冰凍范圍。

2 冷凍煤層壓裂工藝和壓裂液的選擇

2.1 工藝方式的選擇

冷凍煤層改造工藝，不同于以無水無傷害的液態二氧化碳為攜砂液進行二氧化碳干法壓裂［18］，該工藝是通過水驅壓裂成縫，利用二氧化碳暫堵作用實現造長縫的目的，然后利用液態二氧化碳使煤體制裂。

二氧化碳臨界溫度31.06 ℃，氣液兩相臨界壓力7.383 MPa，密度1.816 kg/m3，黏度0.064 mPa·s。二氧化碳在常溫、6.079 8 MPa 壓力下冷凝成無色液體，再在低壓下迅速蒸發，凝結成一塊塊壓緊的冰雪狀固體物質，其溫度是?78.5 ℃。冷凍煤層改造技術正是利用二氧化碳的這一性質改造煤層，其作用主要有3 方面：(1)液態二氧化碳在裂縫中運移時會蒸發氣化，遇水形成冰晶，起到暫堵作用，改變裂縫走向(石英砂被冰晶包裹，砂比更高，攜砂更遠，造縫更長)；(2)冷凍后的煤層形成破碎裂縫，提高了煤層比表面積，增大了解吸面，增加產氣能力；(3)煤對二氧化碳吸附分壓作用可以降低煤對煤層氣的吸附，提高煤層氣解吸能力。

而在二氧化碳干法壓裂技術中二氧化碳則是被用作攜帶液，而非冷凍劑。二氧化碳干法壓裂對儲層傷害小，但由于其黏度低，攜砂能力差，摩擦壓降大，在儲層里容易濾失，導致其用量極高，造成成本居高不下。

2.2 壓裂液的選擇

在油氣田開發中，活性水和凍膠是常見的壓裂液，并且應用效果也不錯。從攜砂效果來看，凍膠壓裂液性能極優，其濾失量小，黏度大，攜砂量高，但對于煤層氣井作業，儲層保護應放在首位，凍膠壓裂液雖然攜砂量大，但其黏度高，很容易黏附在煤層中，由于煤層埋深較淺，地層溫度不高，凍膠壓裂液不易揮發，難以快速返排，相比活性水，凍膠壓裂液對地層傷害率達到了90%［19］。

目前在沁南盆地壓裂作業中普遍采用活性水壓裂液。所謂壓裂液對煤層傷害就是煤層吸附了大量壓裂液而造成了體積膨脹，所以要盡可能少地在壓裂液中添加有機物，從這一點考慮，活性水更適合作煤層壓裂液。叢連鑄通過吸附潤濕實驗也證明了在煤樣中清水與KCl 活性水溶液膨脹量差別不大［20］。

在冷凍煤層壓裂作業中，還要考慮冷凍效率。因為在冷凍煤層壓裂工藝中，冰晶不僅來源于煤層縫隙里的儲層水，更多地來源于壓裂液。所以，壓裂液的冰點溫度直接決定了壓裂效果。

冰點是指在一定壓力(通常指101 325 Pa)下固態純溶劑與溶液達到平衡時的溫度。一般情況下清水冰點為0 ℃，而活性水冰點要低于這個溫度，溶液凝固點降低公式如下。

式中，ΔTf為凝固點降低值，℃；Kf為已知溶劑凝固點降低常數；CB為溶質質量摩爾濃度，mol/kg。

假設使用2%KCl 活性水作為壓裂液，將Kf=1.86，CB=1 000×2%/74.5 mol/kg 代入式(1)，ΔTf=0.5℃，則其凝固點為?0.5 ℃。

更低的冰點需要消耗更多的能量，因此，從這方面考慮，清水是冷凍煤層壓裂作業中最佳壓裂液。

3 現場實施及效果評價

3.1 試驗井地質概況

沁水盆地地處山西東南部，四面環山，北靠五臺，南連中條，西望呂梁，東鄰太行。沁南煤層氣是整個煤層氣勘探開發的熱點地區，本次試驗地點選在沁水盆地鄭村區塊X150-1 煤層氣井3 號煤層。通過煤層取心巖樣測定該區塊滲透率0.014×10?3～3.34×10?3μm2，屬于低～中等滲透率。

該區塊煤層埋深500～1 000 m，3 號煤層厚度4.51～6.51 m，噸煤含氣量10.78～25.29 m3，地層水中平均含有607.78 mg/L 鉀離子和鈉離子。頂底板巖為泥質灰巖和黑色泥巖，還有部分為灰黑色砂質泥巖。該地區3 號煤巖頂底板厚度分布穩定，直接頂板巖性厚度為2～20 m，蓋層橫向連續性好，直接底板巖性厚度3～12 m，小于直接頂板。

同井組鄰井X150-2 的3 號煤層采用普通水力加砂壓裂，本次壓裂施工重點關注臨井X150-2 井，并記錄臨井壓力變化。

3.2 實施過程

為觀察井筒內溫度變化，在施工管柱中加裝了溫度計，包括耐低溫封隔器在內的所有管柱部件耐低溫?40 ℃、耐高壓35 MPa，采取了油管注入的壓裂方式。施工過程如下。

(1)合理布置施工設備，連接液相與氣相施工管線。

(2)管線試壓。使用清水循環注水主壓車及地面管線，循環液返回大罐，對管線及井口清水試壓60 MPa；使用氮氣對二氧化碳和氮氣管線試壓50 MPa。

(3)向套管內注入氮氣，油管放噴至無液體噴出，關閉放噴閥門。

(4)泵注程序。對于油管注入，液相施工限壓50 MPa，氣相施工限壓45 MPa。油管壓力超過20 MPa 后油套管環空用氮氣補壓8～15 MPa，施工全程套管壓力不大于油管壓力。

泵注程序分4 個階段，施工液按順序依次注入。第1、第2、第3 階段循環過程相同：常規壓裂階段依次注入前置液、攜砂液、頂替液，低溫改造階段依次注入氮氣頂替、二氧化碳頂替、氮氣頂替。第4 階段循環：常規壓裂階段依次注入前置液、攜砂液、頂替液。

(5)壓裂完成后測壓60 min，關井，悶井7 d，每小時記錄一次井口壓力。壓力高于5 MPa 繼續悶井，低于5 MPa 開井放噴。

X150-1 井低溫改造壓裂液用量411.87 m3，二氧化碳頂替液用量251.10 m3，氮氣用量2.16 萬m3，40/70 目石英砂12.44 m3，20/40 目石英砂5.13 m3。

3.3 低溫改造過程裂縫擴展階段特征

泵注過程分為4 個循環(見圖2)，前3 個循環均包括常規壓裂和低溫改造2 個過程，第4 個循環屬于收尾階段，為常規水力壓裂。通過常規壓裂撐開裂縫，低溫改造冷凍煤基質和裂隙水達到降低濾失、持續造縫的目的。

圖2 X150-1 井施工曲線Fig.2 Profiles of downhole temperature and pressure of Well X150-1

第1 次循環：在低溫改造階段以4 m3/min 排量注入149.7 m3液態二氧化碳，井筒溫度由10.96 ℃降至?3.65 ℃，低于清水壓裂液冰點，此時地層壓力為13.85 MPa，冰晶產生，根據周拿云(2013)［21］煤層氣井冰晶暫堵壓裂實驗研究得到煤巖突破壓力梯度，經計算此時凍結半徑為0.03 m。

由圖2 可知，低溫改造階段開始時，壓力急劇上升，說明形成的冰晶具有較好的封堵能力。這種封堵有效降低了壓裂液濾失量，能夠達到造縫轉向效果。后續氮氣頂替將第2 次循環常規壓裂攜砂液造縫階段隔離開，避免低溫改造對水力改造造成的影響。

第2 次循環：以4.0 m3排量將65.9 m3液態二氧化碳輸送至冷凍點。井筒溫度由5.84 ℃降至?2.71℃，冷凍半徑為 0.028 m。

第3 次循環：液態二氧化碳注入量為35.5 m3，計算得到凍結半徑為0.029 m。

第4 次循環進行常規水力壓裂，將經過多次低溫、回溫后的煤體壓裂。

冷凍煤層壓裂采取交替泵注方式。若將制冷劑和水直接注入地層，會導致在縫隙前緣形成冰晶，堵塞縫隙，進而影響后續壓裂液注入，最終導致施工壓力提升。泵注程序先加砂壓裂，進行造縫并且擴大縫隙，然后再泵注氮氣、液態二氧化碳，對先期進入儲層的壓裂液進行冷凍，形成冰晶，一是產生膨脹應力，擴展儲層裂隙寬度［12］，二是實現冷凍煤巖和暫堵的效果，再泵注氮氣，將下一階段的壓裂液與先期冰凍后較低溫度的壓裂液隔離，使其擴大和延伸縫隙，為下一個冰凍點擴展空間，如此循環重復，直至完成設計。實踐表明，在作業中冰晶表現了很強的封堵能力，但封堵范圍有限。CO2注入煤層后作用機理是煤體孔隙中的液態水被冷凍后轉化為冰晶，體積膨脹，從而撐脹煤巖縫隙，擴大裂隙空間。煤層冷凍起到的是暫堵作用，目的是使壓裂液濾失降低和有效轉向造縫，冷凍半徑并不需要非常大，只需達到促成轉向壓裂、減少壓穿煤層、降低漏失的效果，這樣，就可達到更有效擴展裂隙、產生新裂隙且持續造新縫的目的。

3.4 不同壓裂工藝施工效果對比

X150-2 井與X150-1 井位于同一井場，具有相同的地質條件、煤層特點和產氣潛力。X150-2 井采用常規水力壓裂，每個泵注階段均沒有明顯破裂壓力(圖3)，而X150-1 井注低溫氣體階段則出現壓力驟升(圖2)，分析認為X150-1 井形成了冰晶，起到了暫堵作用，從而出現壓力驟升現象，可以起到壓縮煤基質、降低濾失量、建立有效孔裂隙通道的效果。

圖3 X150-2 井施工曲線Fig.3 Treatment profile during cryogenic fracturing in Well X150-2

從表1 中可以明顯看出，在相同儲層和井筒條件下，采用冷凍煤層壓裂方式的X150-1 井最高施工壓力明顯高于采用常規水力壓裂方式的X150-2 井。在低溫狀態下煤層所能承受的破裂壓力升高，因此常規水力壓裂施工壓力受限較大，冷凍煤層提高了施工壓力限制區域。充分證明了冷凍煤層比常規水力壓裂具有更好的封堵能力和防漏失效果，可達到有效造縫轉向、持續造縫的目的。

表1 X150-2 井和X150-1 井施工參數對比Table 1 Comparison of treatment parameters between Wells X150-2 and X150-1

從后期排采效果可以看出，X150-1 井解吸時間要早于X150-2 井，從產氣效果來看，X150-1 井日產氣3 052 m3/d，高于X150-2 井日產氣912 m3/d，進一步證明了煤層對CO2吸附能力高于CH4，低溫改造過程中，不僅產生大量孔裂隙，而且大量的CH4氣體被CO2置換出。從長期排采效果看，排采初期X150-1井的日排水1.7 m3，高于X150-2 井的日排水0.8 m3，在后期液面降至煤層附近后，X150-1 井的日排水仍有0.5 m3，而X150-2 井的日排水只有0.1 m3，再次證明了冷凍煤層措施效果要好于使用常規水力壓裂改造的X150-2 井。

3.5 經濟性分析

沁南盆地煤層改造措施通常為水力壓裂，X150-2 井水力壓裂后單井平均日產氣800 m3/d，相同儲層條件的X150-1 井冷凍煤層措施后單井平均日產氣2 500 m3/d，考慮到單井氣量增長期、穩產期和遞減期綜合影響，預計X150-1 單井年平均創效90 萬元，X150-2 井年平均創效25 萬元，5 年可分別創效450 萬元和125 萬元。

由于液體二氧化碳的儲存和運輸需要特殊的轉運車輛，致使冷凍煤層壓裂技術要求較高。單井冷凍煤層壓裂成本為190 萬元，單井常規水力壓裂成本為30 萬元，因此，應用該技術更要注重措施選井。該技術主要適用于漏失嚴重、易出現壓竄現象的煤層氣井改造。在措施改造選井過程中，在易壓穿、煤粉含量較大、曾經有過高產歷史、周圍有含水層的井內應用該技術更具有實施價值。該技術作為診療性措施改造手段，是常規水力壓裂技術的有效補充。

4 技術優劣勢

技術優勢：(1)適用于壓力低儲層，可減少漏失量，有利于造長裂縫，形成產氣通道。(2)壓裂液對煤層傷害較小。煤巖基質孔隙小，吸附性強，外來流體進入煤巖裂縫系統后，其所含的微粒、膠液殘渣等容易堵塞煤巖孔隙，造成滲透率下降，煤基質膨脹加劇了這一現象。冷凍煤層壓裂技術所使用的是清潔水壓裂液，所含微粒及雜質較其他壓裂液類型更少，本身就減少了對儲層的傷害，其次，冷凍過程中的冰晶暫堵能獲得較高的施工壓力，壓縮了煤基質體積，可以在一定程度上抵消壓裂液造成的煤基質膨脹。(3)煤對CO2的吸附能力要高于對CH4的吸附能力，所以，冷凍煤層壓裂技術使用的液態CO2可提高CH4解吸能力。(4)擴大煤巖解吸面積，降低壓敏影響。由于煤巖應力敏感性較高，傳統水力壓裂容易造成壓敏傷害，而液態CO2蒸發時大量吸熱，造成煤巖局部不均勻降壓，進而導致其受力不均，由此形成破裂裂縫，在施工壓力解除后，仍能夠擴大表面積，增加解吸面，達到增產效果。

技術劣勢：(1)液體二氧化碳造價成本相比普通水力壓裂要高很多。液體二氧化碳具有低溫和液態兩種物理特性，常溫氣態加工成液態對生產環境要求較高，同時，也不得不考慮低溫二氧化碳運輸和保存所需成本問題。(2)需要提高套管在冷凍施工過程對溫度耐受程度。注入井筒的低溫二氧化碳是通過井口套管導入地下煤層中的，因常規套管難以耐受超低溫度，而且需要經過多次長時間注入，這也要求施工過程中使用更高規格的井下工具。(3)安全性也是施工過程必須考慮的因素。低溫二氧化碳在施工操作過程中可能造成接觸凍傷，需要投入更高的安全防護成本。

5 結論

(1)與常規水力壓裂施工曲線的平滑性不同，由于低溫改造過程中出現了冰晶暫堵現象，壓力急劇上升，這某種程度上達到了降低壓裂液濾失量、使煤層裂縫轉向并且持續不斷造縫的目的；冰晶具有很強的封堵能力，但封堵范圍有限，所以用其進行轉向壓裂要比降低壓裂液濾失量效果更好。

(2)與地質條件、儲層埋深相差不大的鄰井X150-2 井對比，采用冷凍煤儲層壓裂工藝的X150-1井生產效果優于采用常規水力壓裂工藝的X150-2井，前者日產氣長期穩定在2 000 m3以上，日產水最高1.6 m3，目前穩定在0.6 m3，后者日產氣800 m3，日產水最高0.7 m3，目前0.1 m3。由此判斷冷凍煤儲層壓裂工藝在造縫長度、造縫范圍、控制壓敏傷害、增加孔隙度方面要優于常規水力壓裂作業。

(3)目前液體二氧化碳較高的生產造價仍然是制約煤層改造技術發展的重要原因，在多口鄰井中均采用冷凍煤層改造儲層技術勢必增加成本，因此建議在煤質較軟、改造難度大、滲透率較低、多手段難以達到改造效果的煤層中應用該技術。