高能氣體壓裂技術在云南恩洪盆地煤層氣開發中的試驗應用

王建中

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

高能氣體壓裂技術在云南恩洪盆地煤層氣開發中的試驗應用

王建中

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

恩洪盆地煤層氣資源豐富,但煤儲層滲透率低、水敏性強,開發難度大。采用水力加砂壓裂技術對煤層氣井進行增產改造效果不理想,因此提出并開展了高能氣體壓裂技術在煤層氣開發中的試驗應用,以期在煤儲層中產生和形成多裂縫體系,同時產生較強的脈沖震蕩作用于地層,改善和提高煤層導流能力。本文介紹了高能氣體壓裂技術在B井煤儲層改造上的試驗應用,分析了作用機理、工藝設計等,并提出了今后的研究方向,對探索我國煤層氣有效開發的新途徑具有重要的意義。

煤層氣 高能氣體壓裂 工藝設計 試驗應用

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

恩洪盆地面積約620km2,含煤地層為上二疊統宣威組(P2x),共含煤18～73層,含氣量7.23～10.6m3/t,故煤層氣資源豐度較高、儲量較大。但是,由于地處于濱太平洋構造系與特提斯構造系的交接復合帶,盆地內地質構造復雜,其間向、背斜密集展布,并且被壓扭、壓性主干斷裂分隔,以及眾多伴及派生的斷裂穿插切割[1];造成煤儲層原生結構破壞嚴重,滲透性極差。

因此,為改善煤儲層的導流能力,獲取理想的煤層氣產能,先期施工的A井對煤儲層進行了水力加砂壓裂,但最大日產氣量僅700余m3,而且產量遞減非常快。分析主要原因是目的煤層含水性弱(煤田地質勘探抽水試驗鉆孔單位涌水量普通低于0.05l/s.m)并且具有很強的吸水性(A井壓裂施工時共注入壓裂液1067.4m3,但歷經6個月的排采僅產液460.493m3),煤層吸水變軟,支撐劑嵌入煤層,泄壓后壓裂縫閉合。

與水力加砂壓裂相比,高能氣體多級脈沖加載壓裂能夠減小對煤儲層造成水敏性污染,而且裂縫的延伸方向不受地應力控制、可形成多裂縫體系,此外成本也低得多。因此,B井擬采用高能氣體多級脈沖加載壓裂技術對煤儲層進行改造,以進一步探索適合恩洪地區煤層氣開采的新途徑。

1 B井井況

B井是在恩洪盆地施工的一口煤層氣參數+生產試驗井,其井況如下:

1.1 井身結構結構及套管程序(圖1)

圖1 井身結構示意圖

(1)一開井徑311.15mm,鉆至井深33.63m;下入φ244.5mm表層套管32.92m,固井水泥漿返至地面。

(2)二開井徑215.9mm,鉆至井深670m完鉆;下入φ177.8mm生產套管668.38m,固井水泥漿返至地面,人工井底656.08m。

1.2 目的煤層

B井共鉆遇27層煤,累計厚度24.85m。考慮到煤層含氣量普遍較高,而且含水性極弱,適合多層合采。因此本井擬對視厚度超過1m的煤層(組)進行射孔、壓裂,共計10層(表1)。

表1 B井射孔、壓裂煤層數據表

2 多級脈沖加載壓裂技術

高能氣體壓裂技術目前在油田上已經得到了較廣泛的推廣應用,產生了明顯的經濟效益和社會效益,但在煤層氣開發上進行試驗應用在我國尚屬首次。根據煤層氣開發特點,結合高能氣體壓裂技術的作用原理和在油田上的技術應用分析,針對B井井深小于1000m、地層壓力低、煤巖力學性質等特點,研究采用復合射孔和多級脈沖加載壓裂技術進行煤層壓裂改造試驗,以保證壓裂改造效果,達到改善儲層導流能力的目的。

2.1 作用機理

多級脈沖加載壓裂復合技術作用機理是以多種不同壓裂藥優化組合匹配,使其燃燒產生的大量高溫高壓氣體作為氣動力,通過特殊控制技術,逐級隔斷燃燒,有序釋放,形成多個高壓脈沖波(多個峰值壓力),通過射孔層段的孔眼通道進入地層,對地層實施多次連續高壓脈沖波沖擊加載壓裂,使地層產生和形成多條更長的裂縫體系,提高溝通天然裂縫的幾率,擴大有效的滲流半徑,以提高地層滲透性能,達到油氣井增產的目的[2]。

2.2 主要技術指標

耐壓:50MPa;耐溫:120℃;外徑:70mm,90mm;點火方式:撞擊點火。

2.3 設計原理

根據高能氣體壓裂技術藥量設計方法,多級脈沖加載壓裂每級峰值壓力計算公式[6]:

式中 m(i)——i級裝置;

f(i)——I級火藥力,J/g;

φ(i)——I級達到峰值壓力時火藥燃燒的百分數,取0.5～0.6;

α(i)——I級火藥余容;

P0——壓檔水柱壓力(每級認為不變);

V0——燃燒時形成的空腔,一般清水壓擋套管空腔為35m,泥漿壓擋為20m。

計算每組多級脈沖加載壓裂設計藥量,確定裝藥結構和工藝設計。

3 B井煤儲層射孔、多級脈沖壓裂工藝設計

針對B井較淺,射孔和壓裂的層多、層薄、夾層較多、間距較大等特點,進行施工工藝設計。

3.1 射孔工藝

為了保證煤層射孔壓裂效果和達到工藝設計要求,在煤層射孔方案設計上,設計采用四次分組層施工方案,89槍配102彈并配壓裂彈復合作用,以保證射孔設計要求和提高射孔效果。根據井況采用多級起爆工藝,滿足射孔設計要求。

3.2 多級脈沖壓裂工藝

在多級脈沖壓裂工藝上,設計分四組層進行四次壓裂施工,采用2～3級脈沖壓裂,以保證壓裂效果。由于首次在煤層氣井進行多級脈沖壓裂,從井況、安全、工藝效果等因素考慮,設計分組層多級脈沖壓裂方案,確保每層達到壓裂效果,設計最大峰值壓力58MPa。首次脈沖壓裂時井口油管關閉預留4～5mm縫隙泄壓,以利于套管保護和井口安全,根據現場施工情況逐步調整至全封閉壓裂,以提高能量利用率和壓裂效果。

3.3 煤儲層保護措施

實施多級脈沖壓裂,必須有壓井液壓井。在煤層壓井液保護煤層方面,針對煤層地質特征,應充分考慮煤儲層的保護措施,選擇相匹配的壓井液如乙醇、活性水等,壓井液避免對煤層氣的傷害或者二次污染。

3.4 安全預案措施

針對B井為首次進行多級脈沖壓裂現場試驗,結合現場要求,我們制定了B井復合射孔多級脈沖壓裂試驗施工預案,確保了施工工藝的安全和工藝成功。

表2 多級脈沖加載壓裂施工設計

4 現場試驗應用

4.1 射孔壓裂

根據射孔及多級多脈沖壓裂施工設計方案,在B井進行了現場試驗應用,首先完成了射孔施工,射孔發射率為100%。隨后完成了多級多脈沖壓裂施工,分四個層組進行(表2)。為保證安全和工藝的成功,施工工藝由開始的預留4～5mm縫隙泄壓,至完全井口封閉式壓裂,大大的提高了多脈沖壓裂效果,也驗證了全封閉的安全性,為高能氣體壓裂在煤層氣的應用試驗研究提供了寶貴的經驗。對煤儲層進行多級脈沖加載壓裂后,在井筒充滿壓井液(5%KCL溶液)的情況下,放噴管線點火火苗約0.5m,燃燒持續20min火力不減,證明高能氣體壓裂可以有效地壓開煤儲層。

4.2 排采結果驗證

B井排采結果非常不理想,在液面降至21#煤層以下后,最高日產氣量僅18.43m3。在排采期間以2mm油嘴排氣,套壓一直為0;關井半個月,套壓僅升至0.24MPa。

5 結論與建議

(1)現場試驗證明,把高能氣體壓裂技術應用于煤層氣開發的研究思想是可行的,對我國煤層氣的開發有重要的現實意義。

(2)多級脈沖壓裂現場工藝試驗應用,從5mm噴油嘴泄壓逐步調整至全封閉壓裂,以提高能量利于率和壓裂效果取得成功,為進一步開展煤層氣高能氣體壓裂技術研究打下了基礎。

(3)針對B井煤儲層厚度小、層多、夾層厚等特點,設計分層(組)多級脈沖壓裂方案,并且適當的增加了裝藥量,保證了施工工藝的成功,確保了每層(組)的壓裂效果。

(4)排采效果并不理想,分析原因是由于沒有加入支撐劑,隨著液面的下降井底壓力降低,壓裂縫重新閉合。

(5)利用高能氣體可以形成多裂縫體系的特點,在水力加砂壓裂前先用高能氣體進行預壓,可以產生更好的增產效果。

(6)針對煤層巖性特點,進一步開展高能氣體壓裂的優化設計方法、適用性試驗、裂縫延伸和不閉合條件等研究,以及液體火藥煤氣層壓裂應用研究等,為我國的煤層氣開發探索新的有效技術,具有重要的研究價值和應用前景。

[1] 桂寶林等,黔西滇東煤層氣地質與勘探,2001.1.

[2] 吳晉軍等,多級強脈沖加載壓裂技術的試驗研究與應用[J].石油礦場機械,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,工程師,中聯煤層氣有限責任公司。

(責任編輯 趙國泉)