高能气体压裂技术在云南恩洪盆地煤层气开发中的试验应用

王建中

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

高能气体压裂技术在云南恩洪盆地煤层气开发中的试验应用

王建中

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

恩洪盆地煤层气资源丰富,但煤储层渗透率低、水敏性强,开发难度大。采用水力加砂压裂技术对煤层气井进行增产改造效果不理想,因此提出并开展了高能气体压裂技术在煤层气开发中的试验应用,以期在煤储层中产生和形成多裂缝体系,同时产生较强的脉冲震荡作用于地层,改善和提高煤层导流能力。本文介绍了高能气体压裂技术在B井煤储层改造上的试验应用,分析了作用机理、工艺设计等,并提出了今后的研究方向,对探索我国煤层气有效开发的新途径具有重要的意义。

煤层气 高能气体压裂 工艺设计 试验应用

Abstract:The coalbed methane resoureces are abundance in Enhong Basin.Where for the coal reservoir’s low permeability and high water sensitivity,the development meets much difficult.The regular hydrofracture has little effect on the reservoir stimulation,so the high-energy fracture were experimented and applied in the development of CBM in of the formation of multi-fractures in the coal reservoir,as well as producing pulse shock on the stratum to improve the coal reservoir’s flow conductivity.This paper introduces the application of high-energyfracture in the coal reservoir stimulation of Well B,and also analyzes high-energyfracture’s action mechanism and technical design method.It proposes the research orientation of the kind technic.It is important on exploring new way to develop CBM effectively in China.

Keywords:CBM;high-energy fracture;technical design;application

恩洪盆地面积约620km2,含煤地层为上二叠统宣威组(P2x),共含煤18～73层,含气量7.23～10.6m3/t,故煤层气资源丰度较高、储量较大。但是,由于地处于滨太平洋构造系与特提斯构造系的交接复合带,盆地内地质构造复杂,其间向、背斜密集展布,并且被压扭、压性主干断裂分隔,以及众多伴及派生的断裂穿插切割[1];造成煤储层原生结构破坏严重,渗透性极差。

因此,为改善煤储层的导流能力,获取理想的煤层气产能,先期施工的A井对煤储层进行了水力加砂压裂,但最大日产气量仅700余m3,而且产量递减非常快。分析主要原因是目的煤层含水性弱(煤田地质勘探抽水试验钻孔单位涌水量普通低于0.05l/s.m)并且具有很强的吸水性(A井压裂施工时共注入压裂液1067.4m3,但历经6个月的排采仅产液460.493m3),煤层吸水变软,支撑剂嵌入煤层,泄压后压裂缝闭合。

与水力加砂压裂相比,高能气体多级脉冲加载压裂能够减小对煤储层造成水敏性污染,而且裂缝的延伸方向不受地应力控制、可形成多裂缝体系,此外成本也低得多。因此,B井拟采用高能气体多级脉冲加载压裂技术对煤储层进行改造,以进一步探索适合恩洪地区煤层气开采的新途径。

1 B井井况

B井是在恩洪盆地施工的一口煤层气参数+生产试验井,其井况如下:

1.1 井身结构结构及套管程序(图1)

图1 井身结构示意图

(1)一开井径311.15mm,钻至井深33.63m;下入φ244.5mm表层套管32.92m,固井水泥浆返至地面。

(2)二开井径215.9mm,钻至井深670m完钻;下入φ177.8mm生产套管668.38m,固井水泥浆返至地面,人工井底656.08m。

1.2 目的煤层

B井共钻遇27层煤,累计厚度24.85m。考虑到煤层含气量普遍较高,而且含水性极弱,适合多层合采。因此本井拟对视厚度超过1m的煤层(组)进行射孔、压裂,共计10层(表1)。

表1 B井射孔、压裂煤层数据表

2 多级脉冲加载压裂技术

高能气体压裂技术目前在油田上已经得到了较广泛的推广应用,产生了明显的经济效益和社会效益,但在煤层气开发上进行试验应用在我国尚属首次。根据煤层气开发特点,结合高能气体压裂技术的作用原理和在油田上的技术应用分析,针对B井井深小于1000m、地层压力低、煤岩力学性质等特点,研究采用复合射孔和多级脉冲加载压裂技术进行煤层压裂改造试验,以保证压裂改造效果,达到改善储层导流能力的目的。

2.1 作用机理

多级脉冲加载压裂复合技术作用机理是以多种不同压裂药优化组合匹配,使其燃烧产生的大量高温高压气体作为气动力,通过特殊控制技术,逐级隔断燃烧,有序释放,形成多个高压脉冲波(多个峰值压力),通过射孔层段的孔眼通道进入地层,对地层实施多次连续高压脉冲波冲击加载压裂,使地层产生和形成多条更长的裂缝体系,提高沟通天然裂缝的几率,扩大有效的渗流半径,以提高地层渗透性能,达到油气井增产的目的[2]。

2.2 主要技术指标

耐压:50MPa;耐温:120℃;外径:70mm,90mm;点火方式:撞击点火。

2.3 设计原理

根据高能气体压裂技术药量设计方法,多级脉冲加载压裂每级峰值压力计算公式[6]:

式中 m(i)——i级装置;

f(i)——I级火药力,J/g;

φ(i)——I级达到峰值压力时火药燃烧的百分数,取0.5～0.6;

α(i)——I级火药余容;

P0——压档水柱压力(每级认为不变);

V0——燃烧时形成的空腔,一般清水压挡套管空腔为35m,泥浆压挡为20m。

计算每组多级脉冲加载压裂设计药量,确定装药结构和工艺设计。

3 B井煤储层射孔、多级脉冲压裂工艺设计

针对B井较浅,射孔和压裂的层多、层薄、夹层较多、间距较大等特点,进行施工工艺设计。

3.1 射孔工艺

为了保证煤层射孔压裂效果和达到工艺设计要求,在煤层射孔方案设计上,设计采用四次分组层施工方案,89枪配102弹并配压裂弹复合作用,以保证射孔设计要求和提高射孔效果。根据井况采用多级起爆工艺,满足射孔设计要求。

3.2 多级脉冲压裂工艺

在多级脉冲压裂工艺上,设计分四组层进行四次压裂施工,采用2～3级脉冲压裂,以保证压裂效果。由于首次在煤层气井进行多级脉冲压裂,从井况、安全、工艺效果等因素考虑,设计分组层多级脉冲压裂方案,确保每层达到压裂效果,设计最大峰值压力58MPa。首次脉冲压裂时井口油管关闭预留4～5mm缝隙泄压,以利于套管保护和井口安全,根据现场施工情况逐步调整至全封闭压裂,以提高能量利用率和压裂效果。

3.3 煤储层保护措施

实施多级脉冲压裂,必须有压井液压井。在煤层压井液保护煤层方面,针对煤层地质特征,应充分考虑煤储层的保护措施,选择相匹配的压井液如乙醇、活性水等,压井液避免对煤层气的伤害或者二次污染。

3.4 安全预案措施

针对B井为首次进行多级脉冲压裂现场试验,结合现场要求,我们制定了B井复合射孔多级脉冲压裂试验施工预案,确保了施工工艺的安全和工艺成功。

表2 多级脉冲加载压裂施工设计

4 现场试验应用

4.1 射孔压裂

根据射孔及多级多脉冲压裂施工设计方案,在B井进行了现场试验应用,首先完成了射孔施工,射孔发射率为100%。随后完成了多级多脉冲压裂施工,分四个层组进行(表2)。为保证安全和工艺的成功,施工工艺由开始的预留4～5mm缝隙泄压,至完全井口封闭式压裂,大大的提高了多脉冲压裂效果,也验证了全封闭的安全性,为高能气体压裂在煤层气的应用试验研究提供了宝贵的经验。对煤储层进行多级脉冲加载压裂后,在井筒充满压井液(5%KCL溶液)的情况下,放喷管线点火火苗约0.5m,燃烧持续20min火力不减,证明高能气体压裂可以有效地压开煤储层。

4.2 排采结果验证

B井排采结果非常不理想,在液面降至21#煤层以下后,最高日产气量仅18.43m3。在排采期间以2mm油嘴排气,套压一直为0;关井半个月,套压仅升至0.24MPa。

5 结论与建议

(1)现场试验证明,把高能气体压裂技术应用于煤层气开发的研究思想是可行的,对我国煤层气的开发有重要的现实意义。

(2)多级脉冲压裂现场工艺试验应用,从5mm喷油嘴泄压逐步调整至全封闭压裂,以提高能量利于率和压裂效果取得成功,为进一步开展煤层气高能气体压裂技术研究打下了基础。

(3)针对B井煤储层厚度小、层多、夹层厚等特点,设计分层(组)多级脉冲压裂方案,并且适当的增加了装药量,保证了施工工艺的成功,确保了每层(组)的压裂效果。

(4)排采效果并不理想,分析原因是由于没有加入支撑剂,随着液面的下降井底压力降低,压裂缝重新闭合。

(5)利用高能气体可以形成多裂缝体系的特点,在水力加砂压裂前先用高能气体进行预压,可以产生更好的增产效果。

(6)针对煤层岩性特点,进一步开展高能气体压裂的优化设计方法、适用性试验、裂缝延伸和不闭合条件等研究,以及液体火药煤气层压裂应用研究等,为我国的煤层气开发探索新的有效技术,具有重要的研究价值和应用前景。

[1] 桂宝林等,黔西滇东煤层气地质与勘探,2001.1.

[2] 吴晋军等,多级强脉冲加载压裂技术的试验研究与应用[J].石油矿场机械,2005.Vol,No.1.

The Application of High-energy Gas Fracture Technique in the Development of CBM in Enhong Basin of Yunnan Province

Wang Jianzhong
(China United Coalbed Methane Corp.,Ltd,Beijing 100011)

王建中,男,工程师,中联煤层气有限责任公司。

(责任编辑 赵国泉)