煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究

尹锦涛，田杰苗，孙建博，刘 刚

(1.陕西延长石油 (集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075;2.陕西延长石油 (集团)有限责任公司油气勘探公司英旺采油厂，陕西延安 716299)

煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中，在大多数煤层气储层中，煤岩裂隙或割理系统中充满了水，水的压力体现煤层气吸附压力，为了产气，首先要排水降压解吸，这决定煤层气的产出是一个区别于常规天然气的“排水—降压—解吸—扩散—渗流”的复杂过程。我国煤层气储层条件较差，具有低孔、低渗、非均质性强的特点［1－2］，普遍存在常规开采方式开发效果差的问题，为了提高煤层气单井产量，实现商业化开采，必须进行增产改造，改善井底渗流条件，提高煤储层的渗透能力，促进排水降压，增加煤层气单井产量。水力压裂改造技术是当前煤层气增产的首选方法，也是被证明的煤层气开采的一种有效的增产方法［3－4］。本文主要对煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法开展研究，并进行了实例分析。

1 水力压裂及其增产机理

1.1 水力压裂

水力压裂是指向地下岩层泵入高压液体致使岩层产生裂缝达到油气增产目的的一种技术，是利用地面高压泵组，将高黏液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，便在井底附近地层产生裂缝;继续注入带有支撑剂的携砂液，使裂缝向前延伸并充填支撑剂，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使井恢复其自然产能或使产能超过自然水平，同时改变地层中流体渗流方式，达到增产增注、补救钻井过程中对储层伤害的目的［5］。

1.2 水力压裂增产渗流机理

水力压裂能够增产增注的渗流力学机理是将原来井中流体径向渗流模式改变为线性渗流模式。图1为一口普通直井渗流场投影，其平面径向流流场特点是平面上流线和等势线皆向井口高度聚集，渗流阻力较大，不是油气开采中的有利渗流模式。如果对生产井进行水力压裂，并能够产生有一定传导能力的垂直裂缝，那么原来的平面径向渗流模式将改变为平面线性流 (高导流能力裂缝)或双线性流模式 (低导流能力裂缝)。

图1 直井平面径向流流场投影图Fig.1 Projection of vertical plane radial flow field

图2为具有垂直裂缝的直井流场投影，其线性流或双线性流的流场特点是流线和等势线平行分布，与平面径向流相比，线性流或双线性流模式的渗流阻力要小得多，是油气开采中的有利渗流模式。渗流模式的改变减小了近井地层的渗流阻力，提高了地层能量的利用率，在相同生产压差下井的产能或注入能力增加。图2还可以表示一口具有水平裂缝井的流场剖面 (这时井筒剖面是一个矩形)，在近井地带水平裂缝范围内，流体为线性流方式，而在加砂水平裂缝内则以径向流方式流入井，其提高地层能量利用率的作用与垂直裂缝类似［6］。

图2 具有垂直裂缝直井线性流流场图Fig.2 Linear flow field schematic of vertical well with vertical fractures

1.3 水力压裂在煤层气开采中的应用

我国多数地区煤层的渗透率低，通常小于1mD，按常规油气藏以渗透率划分储层的标准进行分类，煤层属于特低渗透或致密储层，水力压裂改造技术是煤层气增产的首选方法，也是煤层气开采的一种有效的增产方法。通过高压驱动水流挤入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝来降低压力损失并提高井口与自然裂缝系统的连通性，形成多条具有高导流能力的渗流带，增加煤层的渗透性。通过对煤层进行水力压裂，能够消除钻井过程中钻井液对煤层的伤害，有效连通井筒和煤层，改变煤层中气的渗流方式，增加渗流面积，减少流动阻力，使煤层气井的产能得以提高［7］。

2 水力压裂效果评价方法

2.1 裂缝导流能力

图3为垂直裂缝导流能力示意图，定量描述水力裂缝导流能力的方法是定义水力裂缝的导流系数，其公式为［8］:

式中 Cf——水力裂缝导流系数，mD·ft;

Kf——裂缝 (割理)渗透率，mD;

w——裂缝宽度，ft。

图3 垂直裂缝导流能力示意图Fig.3 Conductivity schematic of vertical fractures

它表示黏度系数为1的流体，在单位压力梯度作用下通过单位高度裂缝截面的流量。无量纲化后，相应形成无量纲导流系数为:

式中 CfD——导流系数，无量纲;

K——储层渗透率，mD;

xf——裂缝半长，ft。

对于垂直裂缝的无量纲导流能力，Prats［8］最初定义其与现今导流系数的关系为:

Prats称α为相对导流系数。

水平裂缝导流能力示意图如图4所示。相应形成无量纲导流系数为:

式中 rf——裂缝延展半径，ft。

图4 水平裂缝导流能力示意图Fig.4 Conductivity schematic of horizontal fractures

无量纲导流系数表示了裂缝传导能力与地层供给能力的对比。以带有垂直裂缝的生产井为例，将式 (4)变形，可得到如下形式:

式中 μ—— 流体黏度，mPa·s;

h—— 有效厚度，ft。

根据Darcy定律可知，上式的分子是单位压力梯度下裂缝内流体流出的流量，而分母则是单位压力梯度下地层内进入裂缝的流体流量［6］。

2.2 表皮系数

表皮系数通常被用于评价储层的改造效果。因为我国煤层气井大多经过压裂，所以表皮系数可以被用来反映增产改造对煤层气井产量的影响。

表皮系数的大小反映出钻井、完井、压裂增产改造对油气井产能的影响情况。表皮系数可以通过裂缝无量纲导流系数CfD、裂缝半长xf、表皮系数S及井径rw的关系图版来表示。其相关性如图5所示。当裂缝无量纲导流能力大于300时，假设的径向表皮系数与裂缝导流系数无关，这时曲线值稳定值为 0.5［9］。

图5 表皮系数与裂缝半长和导流能力关系图(据 Heber Cinco－Ley and Fernando Samaniego，1981)Fig.5 Relationship between the skin coefficient and the fracture half－length and conductivity

表皮系数是一个无量纲数，是衡量井底附近储层因受到伤害而引起流体渗流阻力增加或因储层得到改善而使得流体渗流阻力减小的尺度，它是评价储层伤害或改善程度的一个最常用的参数，其大小直接反映地层伤害、改善和单井产能损失或提高情况。在钻完井过程中，储层受完井液(如钻井液、水泥浆、射孔液和压井液等)侵入的影响，以及打开程度不完善、井轴与油层倾斜、气体在井壁附近的紊流因素的影响，形成与原地层特性不同的“表皮”区 (图6)，形成表皮效应，使井周围地层内流体产生非理想流动［10］。一般情况下，使流线偏离井点方向或限制流量的任何现象 (如部分射开、不合理射孔数目、近井地带相变及湍流等)都会导致正表皮因子，表示有流阻或地层伤害存在，渗透率低于先前自然裂缝的渗透率;相反，如果通过改造储层渗透率高于先前自然裂缝的渗透率，那么表皮系数就是负值。

图6 井中表皮效应图(据GRI，1996)Fig.6 Skin effect in wells

3 煤层气储层压裂改造及效果分析

3.1 储层改造基础数据

沁水盆地南部是目前我国煤层气取得初步成功的地区。区内主力煤层为山西组3号煤层、太原组15号煤层，其中3号煤层厚度平均为6m，横向基本连续，厚度变化不大。采用沁水盆地南部沁水县固县乡A井3号煤层山西组单层开采情况(深度为542.0～547.9m，厚度为5.9m)进行效果分析。

3.2 压裂效果分析

3号煤层压裂前后效果对比如表1所示，从中说明压裂改造起到了改善储层的效果。

表1 压裂前后3号煤层试井分析结果表Table 1 Well test analysis results of No.3Coal Bed before and after fracturing

3.2.1 煤层渗透率

压裂后测试3号煤层渗透率值为2.8mD，比压裂前渗透率1.75mD高，说明压裂后3号煤层的渗透率得到提高。

3.2.2 煤层压力

压裂后测试3号煤层压力为694.6psi，比压裂前的532.1psi高出162.5psi。分析原因可能为:

(1)井组压裂后，大量的压裂液进入煤层，无法在较短的时间内完全滤失，显示为煤层压力升高。

(2)压裂液进入煤层后占据相当大的体积，使煤岩受到压缩变形，从而使煤层的地应力分布发生变化，造成压力暂时性升高。

(3)压后压力扩散、平衡时间较短也是造成煤层压力暂时性升高的原因之一。

3.2.3 表皮系数

压裂前计算了3号煤层的表皮系数为正值(6.25)，反映煤层在钻井过程中受到一定程度的伤害，压裂后计算3号煤层的表皮系数为负值 (－2)，反映经过压裂改造，煤层条件得到了有效改善。

3.2.4 裂缝导流能力及裂缝半长

压裂后的试井测试分析能够获取裂缝导流能力及裂缝半长值。此次压裂裂缝半长的结果为223.1ft，针对煤层来说，裂缝半长相对较长，一方面反映压裂规模较大;另一方面反映压裂效果比较好，同时压裂后计算裂缝导流能力为0.1mD·ft，表明压裂后裂缝具有一定的导流能力。

4 结束语

(1)水力压裂能够增产增注的渗流力学机理是将原来井中流体径向渗流模式改变为线性渗流模式。

(2)通过对煤层进行水力压裂，能够消除钻井过程中钻井液对煤层的伤害，有效连通井筒和煤层，改变煤层中气的渗流方式，增加渗流面积，减小流动阻力。

(3)评价煤层气水力压裂增产效果的主要参数为煤层渗透率、表皮系数及裂缝导流能力和裂缝半长。

［1］杨陆武，孙茂远.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求 ［J］.天然气工业，2002，21(6):17－19.

［2］秦勇，曾勇.煤层甲烷储层评价及生产技术 ［M］.北京:中国矿业大学出版社，1996.

［3］刘渝.用水力压裂法开采煤层甲烷气［J］.特种油气藏，1994，1(1):60－62.

［4］张亚蒲，杨正明，鲜保安.煤层气增产技术 ［J］.特种油气藏，2006，13(1):95－98.

［5］沈建国，石孝志，陆灯云，等.八角场气田大型加砂压裂工艺实践 ［J］.天然气工业，2006，26(8):90－92.

［6］蔡长宇.水力压裂井产能研究 ［D］.中国地质大学(北京)，2005.

［7］冯三利，胡爱梅，叶建平.中国煤层气勘探开发技术研究［M］.北京:石油工业出版社，2007:175－189.

［8］Prats M.Effect of Vertical Fracture on Reservoir Behavior——Incompressible FluidCase ［C］.35th Annual Fall Meeting of SPE，Denver，1960:58－60.

［9］Heber Cinco－Ley，Fernando Samaniego－V.Transient Pressure Analysis:Finite Conductivity Fracture Case Versus Damaged Fracture Case［C］.SPE 10179，1981.

［10］Saulsberry J L，Schafer P S，Schraufnagel，et al.A Guide to Coalbed Methane Reservoir Engineering［R］.Gas Research Institute Report GRI－94/0397，Chicago Illinois，1996.