沁水盆地煤层气水力压裂投产技术优化

郭军峰 田 炜 李雪琴 毛生发 孙九江

(中国石油股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司, 山西 048000)

1 引言

煤层气是一种由煤源岩生成并直接吸附于其上, 以吸附、游离和溶解三态存在于煤层中的非常规天然气。针对沁水煤层气田复杂的储层类型和气井的生产动态特征, 为了提高单井产量和稳产能力, 为进一步合理开发提供前期准备, 对水力压裂工艺进行改造, 是沁水煤层气田开发的有效途径。因此必须在研究沁水煤层气田气藏基本特征、储层敏感性因素和压裂施工影响因素的基础上优化压裂施工参数, 最终确定沁水煤层气田井区最优化的压裂工艺。

煤层气开发初期由于对煤层压裂技术的认识不足, 压裂施工主要借鉴廊坊分院的压裂施工方法进行施工。此阶段施工成功率较低, 5%的井第一次压裂未成功; 多数井产量低, 产气效果不理想。压裂60 多口井, 压裂液以活性水为主, 少数井选用清洁液压裂。从总体效果来看, 这些井的产气效果不理想。因此, 需要对压裂工艺技术进行探索、试验。通过前期压裂井效果评价, 以及对煤层物理、力学性质的认识可看出： 煤岩由于具有与砂岩、灰岩等油层岩石不同的物理性质、力学性质, 所以必须适当提高施工排量, 才能增加有效裂缝的延伸长度, 保证施工的成功率; 由于总注入液量偏低, 对煤层的改造效率较低, 人工影响改造范围较小。所以适量增加总注入量, 可以扩大改造范围, 提高压裂的改造效率。

2 煤层气气藏基本特征

山西组3#煤在郑庄- 樊庄区块内, 厚度在4．06～7．19m 之间, 一般在4．5～6．5m 左右。3#煤层的含气饱和度几乎均在70%以上, 平均87．9%。本区煤岩具有很高的含气饱和度。

根据岩心观察, 该区块3#煤层割理发育密度为530～580 条/m, 属于高密度割理发育区, 割理宽约lμm, 充填不明显。扫描电镜观察, 本区煤岩中发育的裂隙宽度一般在5～10μm, 个别宽10～100μm, 裂缝连通性好, 为充填或半充填, 充填物少。3#煤层的渗透率为0．014～3．43×10-3μm2, 大部分小于0．5 ×10-3μm2, 属于低到中等渗透率,具有一定的渗透条件。

该区煤层埋藏浅, 煤层温度低。煤层气勘探深度500 ～600m 范 围 内, 煤 储 层 温 度 为22．72 ～26．48 ℃。该区地处北方, 恒温带深度50m 左右,温度约17 ℃, 区域上地温梯度多在1．3～2．5 ℃/100m之间。根据樊庄区块煤层气勘探测温资料,地温梯度约为1．5 ℃/100m, 地温梯度较低, 属于低温异常区。

注入/压降试井测试, 该区煤储层压力为2．77～4．76MPa, 平均3．73MPa, 储层压力梯度为0．6～0．8MPa/100m。其中, 3#煤层储层压力为2．77～4．20MPa, 平均3．48MPa, 储层压力梯度平均 为0．67MPa/100m。压力较低, 为低压煤层气藏。

3 以往压裂工艺技术及难点分析

3#煤层前期压裂资料是认识该地区储层、评价压裂效果最直接最有效的技术手段之一。通过对前期压裂施工资料的统计分析, 可以评价该地区压裂效果影响较大的因素和影响规律, 为后续的压裂规划提供参考。

3．1 施工规模

压裂液使用活性水, 压裂液用量在300～750m3之间, 加砂量30～60m3, 施工排量是2～8m3/min,平均砂比5．4%～23%。在煤层气井压裂中, 相对用液量比较大, 施工排量较高, 砂比不是很高的井, 其产量很好。说明在煤层气井压裂中应尽可能的对煤层自身存在的裂隙进行沟通, 而不是单纯的加砂, 支撑裂缝。

3．2 施工压力

破裂压力在9．6～32．3MPa, 压裂破裂压力变化幅度大, 说明各井的岩石物性差异较大, 储层在平面上的非均质性较强。

3．3 煤层裂缝形态统计分析

对统计的裂缝方位及缝高数据总结发现, 试验区的煤层压裂裂缝形态主要表现为： 水平缝、垂直缝、先水平缝后垂直缝、两冀不对称缝 (一冀为垂直缝, 一冀为水平缝) 4 种类型, 而且煤层所产生的裂缝一般首先在井筒附近产生不规则水平缝, 随着裂缝的进一步延伸, 有的井产生水平缝, 有的井产生垂直缝。

由于煤的特殊性, 其支撑缝半长一般不超过60～150m。但是我们对樊庄的压裂井进行了微地震裂缝形态监测。裂缝的方位是北东东方向对称, 裂缝长度在180m, 裂缝高度超出了煤层厚度。并且存在多裂缝的现象。

通过对压裂施工井进行总结分析在煤层气井压裂中, 使用活性水压裂液, 由于滤失的影响, 相对用液量比较大; 多重水力裂缝的出现使压裂过程中, 裂缝前进的流体流动阻力增大, 从而出现异常压力值; 施工时的排量控制, 尽可能的少产生煤粉, 妨碍裂缝扩展; 应尽可能的对煤层自身存在的裂隙进行沟通, 而不是单纯的加砂, 支撑裂缝。

4 压裂改造工艺优化

4．1 优选压裂液体系

煤层岩心压汞资料, 孔隙度可达2．90%～10．52%, 以微孔为主, 发育了少量的中孔和大孔,孔隙中值半径53．09～93．64μm, 这一孔隙特征导致煤的孔隙比表面积增大, 吸附能力非常强, 压裂液对煤层的伤害也就相应的增大, 所以煤层气井压裂必须考虑压裂液对煤层的伤害。压裂液对煤层伤害的主要原因有两个方面： 一方面是自来煤层本身的特性, 另一方面是来自压裂液中的化学材料对煤层的伤害。煤层气压裂液常用的压裂液有： 活性水、清洁压裂液等。活性水清洁压裂液对煤岩渗透率的相对伤害率分别是3．2%、26%。

由于煤层总的隔理孔隙度仅为1～2%, 即使压裂液的吸附导致基质的极轻微的膨胀, 也会导致隔理孔隙度及渗透率的相对大的下降。并且煤对液体的吸附和基质所引起的膨胀是完全不可逆的。根据KCL 的吸附特性和对煤心防膨效果KCL 用量选择1．0%, 就可满足要求。

(1) 活性水压裂液

活性水压裂液配方： 清水+1．0%氯化钾。

由于活性水对煤层污染相对较轻, 活性水伤害率13．9%。返排时间不受限制, 甚至可以在排水采气时随地层水一同采出。主要不足是： 携砂能力相对较差, 滤失大。排量在5～8m3/min 以上, 压裂效果较好。

(2) 清洁压裂液

清洁压裂液的配方： 0．8%QY- A+0．2%QY-1+1．0%KCL

清洁压裂液的优点是对煤层的伤害较小, 携砂性能比活性水要高, 但是使用清洁压裂液的压裂井目前的产气量并不是很高, 其优越性没有体现。沁水煤层气田在10～11 月份相对温度比较低, 清洁压裂液要求的温度最低不得低于15 ℃, 山区夜间温度低于所要求的温度, 液体不能充分的交联, 影响了煤层气井压裂后的效果, 温度过低, 造成液体不能破胶, 返排困难, 对地层造成一定的伤害, 影响产能。

4．2 支撑剂的优化

支撑剂的选择也是压裂施工是否顺利进行的关键。支撑剂的筛选应注意支撑剂的回流, 支撑剂应能深侵煤层以及能够最大限度地降低煤粉回流。根据煤层浅, 地应力小的特点, 采用价格低廉的天然石英砂。根据理论分析, 压裂层的流体产量增产比与施工规模 (加砂量) 成正比, 故加砂量应充分发挥压裂液的携砂能力, 尽量提高砂比和砂量。

对压裂支撑剂要求： 选用符合Q/SY125 - 2005标准的φ20/40 目, φ16/20 目天然石英砂。采用的是兰州石英砂, 对其物性进行的实验对比如表1。

表1 不同产地的石英砂性能对比表

围场石英砂比兰州石英砂的破碎率要低, 为了增加裂缝导流能力, 是否使用围场石英砂。对两组粒径的石英砂导流能力测试, 分别采用两组支撑剂铺置浓度： 10kg/m2和15kg/m2, 测定每个闭合压力下导流能力 (为三个流量下导流能力的平均值) 。见表2、3、4、5。

表2 小粒径兰州砂导流能力测试结果铺砂浓度(10kg/m2)

表3 小粒径兰州砂导流能力测试结果铺砂浓度(15kg/m2)

表4 大粒径兰州砂导流能力测试结果铺砂浓度(10kg/m2)

表5 大粒径兰州砂导流能力测试结果铺砂浓度(15kg/m2)

实践证明, 小粒径的支撑剂可较好地满足上述的要求, 尤其是在压裂初期。随着压裂施工的进行, 可逐步泵入大粒径 (40/60 目或者20/40 目)的支撑剂, 以提高裂缝的导流能力, 减少支撑剂的回流。

采用低粘压裂液时, 小颗粒的支撑剂的优点更突出。在低粘压裂液中, 支撑剂会很快沉降, 井眼周围裂缝中将出现支撑剂沉淀层。相比之下, 小颗粒支撑剂的的沉降趋势小的多, 因而可以增大支撑剂侵入深度。支撑剂的铺砂浓度不应小于5g/m2。

4．3 确定压裂规模

由于煤的特殊性, 其支撑缝半长一般不超过60～150m, 樊庄试验区的压裂资料解释： 煤层裂缝单翼长度最长达127m, 最短为8m, 一般为50 -90m。考虑到注入/降法测得的煤层渗透率为0．3×10-3～2．0 ×10-3μm2, 模拟的渗透率选择0．1、0．5、1．0、2．0、5 ×10-3μm2。在不同的渗透率条件下进行增产效果的模拟计算, 结果如图1 所示。

图1 压裂裂缝半长与增产倍数曲线

从模拟结果可以看出, 压裂增产倍数随裂缝长度的增大而提高, 且在一定的缝长范围内增产倍数提高较快, 而当缝长超过一定数值之后, 增产倍数提高速度趋于平缓; 最佳裂缝半长随储层渗透率降低而逐渐增大。考虑沁水盆地煤层的渗透率范围,裂缝半长设计在100～120m。

4．4 施工参数控制

统计樊庄区块煤层井压裂施工参数, 平均加砂33．5m3, 最低砂比7．3%, 最高砂比32．4%, 平均砂比20．7%; 最低施工排量4．0m3/min, 最高施工排量8．0m3/min, 平均施工排量5．7m3/min。

由于近井地带煤层中多裂缝的产生和煤粉伴随压裂液运移及部分煤粉对裂缝前端产生堵塞作用,煤层压裂的处理压力梯度往往高于0．0226MPa/m,比常规储层压裂压力高。而且, 由于压裂液的注入, 近井地带原始天然裂缝重新开启, 使动态渗透率和动态孔隙度都随之而增加, 导致滤失较大, 因此较大的前置液量和较高的施工排量是必须的。

4．5 压裂配套技术的优化

综合以上各项数据考虑, 采取光套管注入、兰州石英砂、变排量 (2～8m3/min) 、大液量 (500～750m3) 、高砂量 (60m3) 、砂比 (8～16%) 的活性水压裂配套技术进行施工。

5 现场应用统计

在现场采取光套管注入、兰州石英砂、变排量(2 ～8m3/min) 、大液量 (500 ～750m3) 、高砂量(60m3) 、砂比 (8～16%) 的活性水压裂配套技术进行施工。

变排量压裂工艺是采用由低排量起泵逐步向高排量渐进式转变的注入方式。其主要目的有两个方面： 有效防止裂缝在纵向的过度延伸; 煤储层顶、底板厚度差异较大, 多数井中不足以阻挡裂缝的纵向延伸, 采用变排量工艺技术能够有效控制裂缝高度, 从而获得最佳的缝长, 初始阶段的低排量, 还能够防止压敏且有利于煤层开裂。同时能够减少煤粉的产生, 有利于裂缝形态的扩展与延伸。

表6 裂缝监测数据对比表

根据裂缝监测结果 (表6) 可以看出, 变排量施工的裂缝高度明显低于恒排量施工的裂缝高度,说明变排量压裂可以较好控制裂缝的高度, 有效防止裂缝在纵向的过度延伸。

统计变排量活性水压裂91 口, 其中日均产气量 (Q) 1500m3以上23 口、500 ～1500m329 口、500m3以下39 口 (如表7 所示) 。压裂有效率为93．40%, 日产气量9 万m3。

表7 压裂效果统计表

6 结论

(1) 根据压裂裂缝监测的结果可以看出压出的裂缝长度一般为80～120m, 裂缝高度一般为6～9m, 压裂形成的裂缝形态复杂, 裂缝短且粗。根据阵列声波测井解释, 我们可以看出压裂后顶板661～666．7m、底板672．5～680m 相对压裂前各向异性增强, 说明顶底板有一定程度的压开。

(2) 变排量压裂可以较好控制裂缝的高度, 有效防止裂缝在纵向的过度延伸。

(3) 大液量整体压裂可以较好增大降压面积,有利于煤层气的解吸, 对煤层气的增产有一定效果。

(4) 石英砂密度为2．65kg/m3, 活性水基液密度约为1．02kg/m3, 密度差异大, 同时活性水粘度低, 悬砂能力差, 支撑剂输送效率差, 大部分支撑剂沉入产层下的底板中, 无法到达裂缝顶端, 不能获得较长、更为有效的支撑裂缝。因此, 建议下一步采用低密度支撑剂进行压裂。

(5) 活性水压裂液对煤层伤害小, 但是由于它粘度小、滤失大、携砂能力弱等特点, 所以造成支撑剂输送效率差。建议研制低伤害、小滤失、高粘度的压裂液, 能进一步改善压裂效果。

(6) 根据裂缝监测的结果表明, 压裂只能实现部分井的沟通, 无法达到理想的整体排水降压效果。建议改进压裂施工工艺, 使井间相互连通, 达到整体降压的目的。

(7) 体积压裂是指在水力压裂过程中, 使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移, 形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络, 从而增加改造体积, 提高初始产量和最终采收率。体积压裂在页岩气开发中取得了良好的效果, 建议在煤层气的开发中进行体积压裂来提高初始产量和最终采收率。

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