投球暂堵压裂工艺在煤层气井的应用

蔡 华 张光波 杨 阳 王少良 白宇杉 王振东

(1.河北华北石油天成实业集团有限公司，河北 062552；2.中石油华北油田工程技术研究院，河北 062552；3.中国石油煤层气开采先导试验基地，河北 062552；4.中石油华北油田第一采油厂，河北 062552)

华北油田于2006年开始在沁水盆地南部进行煤层气商业化开发，主要开发山西组3号煤层和太原组15号煤层。目前已投产生产井3000余口，经过十多年的规模开发，产气量稳步提升。早期对煤层气开发认识不足，借鉴常规油气压裂方式改造，造成了大量低产井，远远没有达到开发方案设计要求。

经过多年的探索，形成了一系列低产井治理工艺技术，一定程度上盘活了低产井。针对煤粉堵塞、应力敏感、气锁等排采管控问题直井形成了解堵性重复压裂技术，可以解除堵塞、扩展裂缝，重建渗流通道；针对一次压裂清洁压裂液污染直井，采用化学化学解堵工艺可以解除地层污染、增大渗透率；针对埋深大难造缝的直井，研发“多段加砂”压裂工艺，造长缝、扩宽缝；对构造煤发育难造缝直井，研发顶、底板压裂工艺，建立稳定通道；针对应力集中、低渗导致首次压裂效果差井，探索造穴压裂，在煤层段实施水力喷射造穴，利用洞穴形成应力释放区，诱导储层微裂缝张开，改善渗透性。

煤层气地质条件复杂，煤体结构多样，纵向煤岩力学性质差异大，部分井天然裂隙发育，重复压裂压裂液仅能冲洗或顺着原有裂缝延伸，未能造新缝，导致措施改造效果不明显。本文探讨了一种煤层气重复压裂的新思路，利用尼龙球暂堵射孔炮眼，实现同层纵向上造新缝，加砂形成新的渗透通道，使单井的改造范围增大。

1 投球暂堵压裂工艺原理

(1)工艺原理

由于煤储层垂向非均质性强，力学性质差异大，首次压裂在纵向上不能够完全改造煤层。投球可暂堵流量较大的孔眼(图1)，迫使压裂液转向进入流量较小的孔眼，改造力学性质较大的煤层段，达到煤层段均一改造的目的。

图1 投球压裂工艺示意图

(2)暂堵球受力分析

假设暂堵球在井筒中的运动可看作自由沉降过程, 忽略球与球、球与管壁之间的摩擦和碰撞。进入井筒中的暂堵球受到重力、液体浮力以及水流动力的作用而做加速运动,具体可分为两个加速运动阶段,第一加速阶段摩阻为动力,第二加速阶段为阻力,取决于水流与小球相对速度产生的摩阻力的方向。当重力、浮力和摩擦力达到平衡的时候,小球开始做等速运动,直到到达射孔孔眼处。

暂堵球井下运动状态受多种因素的影响,包括“惯性力”、“转向力”、“持球力”和“脱离力”。投球压裂关键点是如何保证暂堵球流向所封堵的孔眼和保证暂堵球坐封。球流向孔眼条件为转向力大于惯性力；球坐封孔眼条件为持球力大于脱离力(图2)。影响坐封效果因素繁主要有2个敏感变化参数：排量和封堵孔眼数。通过计算发现：排量越大(大于5m3/min)，压力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼；封堵孔眼越少(小于50%)，压力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼。

图2 暂堵球受力分析

2 投球暂堵压裂工艺选井原则

通常建产区选择资源富集有利区，构造平缓、远离大断层、含气量高、埋深适中。但资源的富集不等同于高产区，工程技术改造与地质条件的不适应导致了部分井产气效果不理想。分析认为投球暂堵压裂工艺选井原则主要有两个：

(1)煤体结构垂向非均质性强，首次改造不均一的煤储层

高阶煤为裂隙性储层，内部特征非常复杂，平面或者垂向上煤体结构破碎程度差异明显，对开发的影响较大。煤体结构主要分为原生、碎裂、碎粒和糜棱结构。原生、碎裂结构煤硬度高、塑性强，压裂过程中滤失小，造缝效率高，易形成网状缝，单井产气效果好。碎裂、糜棱结构煤硬度低，裂隙发育，但是连通性差，塑性差，压裂时滤失严重，易于破裂但难形成主缝，裂缝较短，单井产气量低。若煤层中发育碎粒、糜棱煤，射孔时全井段射孔，压裂过程中首先破裂的是碎粒、糜棱煤，原生、碎裂煤得不到改造或者改造效果差，单井产气效果往往不理想。

采用“投球暂堵压裂”工艺二次改造，压裂过程中使用暂堵球暂堵导流能力较强的碎粒、糜棱煤层段的射孔孔眼，减少碎粒、糜棱煤的分压作用，使裂缝在原生、碎裂结构煤中延伸(图3)，可获得较高的产气量。

图3 投球压裂示意图

(2)一次压裂曲线类型为低稳定或下降型

压裂过程可分为试压、前置液、携砂液、顶替液和测压降5个阶段。携砂液阶段是压裂裂缝扩展和延伸的阶段，在一定程度上反映出地下煤储层的地质特征、压裂液运移状况以及压裂裂缝等信息。根据携砂液阶段形态特征，煤层气井压裂曲线(图4)可划分为稳定、波动、上升和下降四种类型。通常来说，稳定型说明已形成了主缝、造缝和滤失与注入动态平衡，裂缝延伸效果较好。波动型是由于地层和应力的非均质性导致裂缝效果较差。上升型反映了煤层较致密，原生裂隙不发育，缝内易发生砂堵，压裂效果也较差。下降型说明压裂裂缝沟通了断层、陷落柱、天然裂隙或者顶底板，压裂效果较差。

图4 压裂曲线类型

投球暂堵压裂工艺选择一次压裂曲线形态为低压力稳定或者缓慢下降型。此类型压裂曲线的井在一次压裂过程中沟通了断层、天然裂隙或者沟通了顶底板，施工压力较同一埋深的其它井呈低水平稳定或者随着排量的提升施工压力缓慢下降趋势(图5)。说明一次压裂并未有效改造煤储层，压裂液仅仅延伸了原有的裂隙系统，未在煤层中造新缝。采用投球暂堵压裂工艺二次改造，压裂过程中使用暂堵球暂堵导流能力较强的天然裂隙或沟通顶底板层段的射孔孔眼，使压裂裂缝在有效煤层中延伸，可获得较好的改造效果。

图5 投球暂堵压裂压裂曲线类型

3 实施效果

对23口井实施投球压裂工艺，见效井16口，见效率70%，单井增气量800m3，措施改造效果良好。

以HG5-1为例，该井位于樊庄区块北部，埋深852.9m，煤层厚度5.05m。一次压裂共注入压裂液837.16m3，砂量40.06m3。由于一次压裂改造效果差，日产气量仅有200m3左右(图6)。分析认为由于煤层底部构造煤发育，压裂过程中滤失大，造成施工压力偏低，压裂曲线呈缓慢下降性。初期施工压力9MPa左右，后期缓慢下降，到压裂中后期施工压力仅有5MPa左右(图7)。

图6 HG5-1井生产曲线

图7 HG5-1井一次压裂曲线

图8 HG5-1井二次压裂曲线

二次压裂采用投球暂堵压裂工艺改造，共注入压裂液575.63m3，砂量40.15m3，前置液阶段共投球40个。应用投球压裂工艺后，压裂施工压力平稳，施工压力7MPa左右，较一次压裂施工压力上升了2MPa左右(图8)，可见起到了一定的封堵效果。二次压裂改造效果较好，达到了预期目的，日产气量由措施前的200m3上升到2400m3，增加了2200m3。