低温改造技术在沁水盆地南部煤层气井试验应用

冯树仁 张 聪 吴定泉 金国辉 刘春春 杨 宁

(中国石油华北油田山西煤层气分公司，山西 046000)

1 低温改造技术原理

低温改造技术通常采用给井筒及地层中注入低温气体，以达到改变煤岩物性，辅助压裂过程，促使形成更大地改造范围，提高压裂效果。

1.1 低温气体冷冲击引起煤岩物理性质变化

大量实验表明，温度的变化可以引起煤岩弹性模量、泊松比、抗拉强度等煤岩力学参数发生变化，进而影响地应力、压裂施工压力和裂缝形态。

由于煤岩具有较小的导热系数和敏感的热胀冷缩特性，当压裂时向井底注入液态CO2、N2等低温气体会对煤层产生冷冲击；当近井筒煤层短时间快速与大量低温气体接触，会造成局部温度迅速而大幅降温，导致煤基质剧烈收缩，煤岩孔隙度、渗透率随之增大。周拿云利用西安科技大学教育部重点实验室的MTS-815电液伺服试验机对常温条件下的饱和煤岩及不同温度冻结的饱和煤进行单轴压缩实验，结果表明煤岩弹性模量随温度的降低逐渐增加，泊松比随温度的增加而增加。刘雨濛采用PFC2D软件基于流固耦合理论进行建模，通过对井壁施加不同的持续载荷，模拟不同温度条件下煤样受力后裂缝扩展结果；在注入压力为30MPa条件下，随着温度的降低，煤岩的弹性模量显著增大，抗压强度随之增大，颗粒间胶结力增强，但同时脆性增强；由于脆性作用煤岩在最大主应力方向上更容易起裂并扩展延伸；随温度下降，生成裂纹数量越多，主裂缝延展速度更快，距离越远(图1)。

图1 煤样注入压力为30MPa下各温度裂缝扩展图

此外，液态CO2粘度为0.03335MPa·s，粘度较低，流动性强，可以有效沟通煤储层中的微小裂缝。相比较活性水压裂仅形成剪切膨胀，低温CO2改造可以形成深度的剪切位移，提高了微裂缝沟通的可能性。

1.2 低温环境形成冰晶起到暂堵作用

常温常压下CO2、N2为气态，CO2的临界点为7.38MPa(31.1℃)，N2的临界点为3.69MPa(-146.9℃)，超过该温度及压力后，CO2、N2将处于超临界状态。

低温改造施工中，通常地面管汇中CO2以液态的形式储存在储罐中，压力维持在1.5～2.5MPa，温度稳定在-20℃左右；当地面管线中CO2注入井筒后，随着低温的CO2从井筒和储层中吸收热量，CO2温度迅速上升，相态也从液态变为气态。该过程储层温度急剧下降，CO2易形成固体水合物，在地层裂缝中可以起到与冰晶封堵一样的效果；同时低温造成一定范围的地层温度有所下降，同时也能对施工压力起到一定程度的降低。

虽然冰晶封堵能力很强，但在实际的工程应用中，通常冰晶封堵的范围是有限的，再加上地温的作用，冰晶的封堵作用通常更利于用在转向压裂中，效果比将其用于降低压裂液的滤失效果更好。

1.3 CO2、N2与CH4产生竞争吸附

由于筛滤置换作用的影响，煤对CO2、N2等小分子吸附分压增大，降低了煤对CH4分子的吸附引力，与煤层形成竞争吸附，促进CH4解析，使更多的CH4分子从煤基质表面解吸出来，从而提高了煤层气的解吸能力。

表1 不同气体分子的直径和空间结构

综上所述，由于液态CO2、N2的低温、造缝、冷冲击和竞争吸附的特性，煤储层力学性质受到低温影响导致脆性增强，压裂时裂缝延展性变好；同时由于低温CO2易形成固体水合物而在裂缝中形成局部暂堵，实现裂缝专项，提高造缝效果，扩大改造范围；竞争吸附作用促使煤层对CH4分子的吸附能力下降，提高了煤层CH4的解吸效率。

2 现场应用情况

在沁水盆地南部郑村井区、郑庄区块西南部选取两口井进行低温改造试验，两口井均对3号压裂进行低温改造试验，并采用相似的压裂施工程序及管柱结构(图2)。

图2 低温改造试验井管柱结构示意图

2.1 压裂施工步骤

压前准备及试压：摆好施工设备、连接地面液相与气相施工管线；首先使用清水循环注水部分主压车及地面管线，循环液返回大罐，进行管线及井口试压；然后使用液态CO2循环泵车，液态气体管线使用液态N2试压。套管注入氮气，反循环顶替油套环空液体。

泵注程序：油管注入，液相施工限压50MPa，气相施工限压45MPa，施工限压受制于管柱承受压力。油管压力超过施工限定压力后油套管环空用氮气补压；施工全程套管压力不大于油管压力。泵注过程进行四个阶段，其中前三个阶段先使用清水进行压裂造缝携砂，然后液相、气相顶替，继而进行低温改造，第四阶段进行清水压裂造缝，液相顶替。

压后控制：首先进行压降测试，然后关井，拆卸管线；持续关井一段时间，并连续相等间隔时间记录井口压力；当压力低于前期预测压力值时开井放喷，并记录放喷相关参数；直到放喷井口无溢流，起压裂管柱。

2.2 试验井施工情况及效果

FZ150井位于樊庄区块，处于单斜构造，构造相对平缓，埋深824m，含气量大于20m3/t，煤体结构以原生煤为主。该井2017年实施低温CO2改造压裂，注入液态CO2注入量251m3、液态N2注入37m3，清水压裂液500m3，施工期间压力、排量平稳。投产后产气初期测试甲烷浓度82%，两个月后甲烷浓度达到92%，三个月后甲烷浓度达到96%。稳产气量2700m3，产量是邻井活性水压裂的3倍，稳产期4个月，排采曲线如图3所示，截止目前，累计产气量2160011m3，累计产水量456.7m3。

图3 低温改造试验井排采曲线

Z-4井位于郑庄区块，处于单斜构造，构造相对平缓，煤层埋深494.5m，埋深相对较浅，含气量大于20m3/t，距离南部后城腰断层距离400m左右，煤体结构以碎裂-碎粒，邻近评价井试井渗透率为0.015mD。该井2019年实施低温CO2改造压裂，注入液态CO2注入量356m3，液态N2注入28m3，清水压裂液493m3，施工期间压力、排量平稳。投产后产气初期测试甲烷浓度86%，两个月后甲烷浓度达到93%，三个月后甲烷浓度达到96%。稳产期日产气1600m3，与邻近井产量相当，稳产期8个月，排采曲线如图3所示，累计产气量752118m3，累产水量为665m3。

2.3 施工参数对比分析

与常规水力压裂相比，低温改造压裂过程中的施工压力、破裂压力及人工裂缝情况存在一定差异。其中破裂压裂不明显，施工压力有所下降，裂缝监测显示，低温改造试验井裂缝半长较常规水力压裂有所增长，缝高略有下降(表2)。

表2 低温改造试验井及邻井施工参数表

此外，井底温度测量显示，开始施工前温度为20～23℃，施工时最低温度可达-6～-13℃，压后关井3天温度由10℃左右上升至23℃。表明压裂改造过程中实现了低温效果，同时作业后温度恢复，防止因低温影响煤层解吸，如图4所示。

图4 低温改造过程中井底温度/压力计测试曲线

3 适应性分析

按照煤岩破坏程度将煤分为原生、碎裂、碎粒及糜棱四类煤体结构。原生煤和碎裂煤通常受到构造运动破坏程度低，煤体通常以完整的层理和块状结构为主，受到快速的冷冲击会产生许多微裂缝；而碎裂煤和糜棱煤受到较严重的结构性破坏，煤岩破碎成很小的块状或粉状，严重时可能产生胶结，受到冷冲击通常很难产生新的微裂缝，因此，碎粒、糜棱煤发育区不适合采用注入液态CO2等低温改造技术。

随着煤层埋深的增加，地应力持续增加，煤层所受有效应力增加，注入液态CO2所产生的冷冲击所需要的温度需要更低；同时，地层温度随煤层埋深增加而增加，注入液态CO2会与周围地层进行热交换，导致到达煤层时的能量不能更好的促进煤层物性的变化，达不到预期的效果。因此，埋深较大的煤层气井不宜采用注入液态CO2等低温改造技术。

此外，由于本次试验井均为新投产井，对于已经进行过一次压裂的低产老井是否可以利用？笔者认为，老井已在一次压裂时产生主裂缝，采用注入液态CO2、N2的低温改造技术可以在远端实现暂时将原有裂缝暂堵，当然更多的暂堵为次级裂缝，然后再次压裂形成新缝，产生新的改造区域，获得新的气源，从而提高老井产量。