液氮伴注輔助水力壓裂技術(shù)在構(gòu)造煤儲層煤層氣增產(chǎn)中的應(yīng)用研究

許耀波

( 中煤科工集團西安研究院，陜西 710054)

清水加砂壓裂是改造煤層氣儲層最有效的技術(shù)措施之一，在煤層氣勘探開發(fā)過程中被廣泛應(yīng)用，隨著煤層氣勘探開發(fā)朝著復(fù)雜地質(zhì)條件的進行，尤其對于煤層滲透率和煤巖力學(xué)性能更加糟糕的構(gòu)造軟煤，采用常規(guī)的清水加砂壓裂增產(chǎn)效果不是很理想，而液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合技術(shù)在提高構(gòu)造煤儲層增產(chǎn)效果方面具有潛在的優(yōu)勢。

國外20 世紀(jì)90 年代已成功的將液氮伴注輔助水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤層氣儲層增產(chǎn)改造中，國內(nèi)到目前為止只有在山西原生結(jié)構(gòu)煤中進行了現(xiàn)場試驗，而對于構(gòu)造煤這種復(fù)雜煤儲層改造還沒有應(yīng)用先例，而液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合技術(shù)能把常規(guī)的清水加砂壓裂改造復(fù)雜煤儲層的劣勢轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。于是通過精心的選井與優(yōu)化設(shè)計研究，對淮北地區(qū)蘆嶺井田構(gòu)造軟煤開展液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)先導(dǎo)性試驗，取得了非常理想的效果。

1 淮北蘆嶺井田構(gòu)造煤儲層特征

淮北蘆嶺井田8 +9 號煤在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，煤層發(fā)生反復(fù)的搓揉、擠壓，致使煤的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與原生結(jié)構(gòu)煤有巨大差異。通過系統(tǒng)總結(jié)分析，認為8 +9 號煤儲層物性具有以下特征:

(1) 煤體結(jié)構(gòu)特征主要以鱗片煤和揉皺煤為主，塑性變形明顯，原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造被全部破壞，宏觀裂隙、顯微裂隙不太發(fā)育。

(2) 煤的孔喉類型主要以微孔和超微孔為主，煤的總孔容和比表面積較大，致使煤吸附煤層氣量高，吸附能力強，煤層氣愈不易解吸產(chǎn)出。

(3) 煤的孔喉較細，并且連通性較差，致使煤層滲透率較低，煤層氣在煤層空隙中擴散運移速度緩慢，增大煤層氣開采難度。

(4) 煤中粘土含量較高，并且孔喉對壓裂液的吸附能力強，常規(guī)的清水壓裂容易使壓裂液大量滯留煤層空隙中，引起粘土膨脹，造成煤儲層傷害，增產(chǎn)效果受到嚴重影響。

基于構(gòu)造煤儲層的上述特征，采用常規(guī)的水力壓裂增產(chǎn)效果十分有限，因此提出了液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)。

2 液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)及現(xiàn)場實施

2.1 液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)原理

煤層氣井液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)是采用液氮和清水壓裂液組成的液-液兩相混合液，在壓裂過程中以伴注的形式注入煤層氣井，隨著溫度和壓力的變化，液氮在井筒內(nèi)開始氣化，產(chǎn)生大量的氮氣，最終形成氣液兩相混合物進入煤層，同時這些氮氣能對煤層產(chǎn)生多種作用。

(1) 氮氣向煤層深部擴散，能夠提高地層能量，阻止壓裂液向煤層氣儲層深部吸滲，有助于壓裂液快速排出，能夠有效的抑制煤儲層的粘土膨脹，減少壓裂液對煤儲層的污染。

(2) 氮氣在等壓狀態(tài)下能通過降低游離甲烷分壓，影響其吸附等溫線，達到吸附甲烷被解吸出來，起到很好的增產(chǎn)效果。

2.2 液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場實施

本次試驗選擇淮北蘆嶺井田WLG05 井作為試驗井，試驗的目標(biāo)煤層為8 +9 號煤，埋深794．0～808．8m; 厚度為12．1m，儲層壓力為7．5MPa，儲層溫度為34℃。

現(xiàn)場壓裂施工采用常規(guī)的高壓泵車組將活性水壓裂液與液態(tài)氮混合壓入地層，活性水施工排量為7．5m3/min 左右，液態(tài)氮排量為0．3m3/min，本次施工累計壓入液態(tài)氮30m3，壓裂完畢以后關(guān)井15天，讓氮氣在煤層中充分擴散。

壓后排采階段對井底壓力、日產(chǎn)水量、日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)進行采集，并且每月取一次水樣進行水質(zhì)分析，產(chǎn)出氣的氣體組分分析由氣相色譜儀在實驗室完成，在開始產(chǎn)氣階段，每5 天進行一次，在產(chǎn)氣穩(wěn)定階段，改為每10 天進行一次。

3 液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用效果分析

3.1 排液情況分析

通過對產(chǎn)出水的水質(zhì)分析可以看出，PH 值基本維持在7 左右，剛開始水中K+、Cl-的含量較高，隨著排采作業(yè)的持續(xù)進行，3 個月后產(chǎn)出水中K+、Cl-的含量明顯低于其它幾口井的含量，不難看出前3 個月排采使壓裂入井液體大量排出，產(chǎn)水以壓裂液為主，排采后期出水則以煤層水為主。說明液氮氣化以后產(chǎn)生大量氮氣，擴散到煤層的深部，占據(jù)大部分空隙體積，提高了地層能量，有效地阻礙了壓裂液向深部煤層滲流，有利于壓裂液的快速徹底排出，減少壓裂液對煤層的污染。

3.2 氣成份變化分析

對采集氣體進行氣成份分析，取不同階段測試數(shù)據(jù)如表1。

對氣成分變化進行分析，剛開始氮氣濃度較高，最高達到9．7%，之后緩慢降低，約120 天后，氮氣濃度降到約2．2%，甲烷濃度開始為88．8%，之后甲烷濃度緩慢增高，約120 天后甲烷濃度上升到96．9%，說明產(chǎn)出氣體中主要以甲烷為主，剛開始甲烷濃度低主要是氣化后形成大量游離氮氣影響的結(jié)果。

表1 不同階段產(chǎn)出氣體成分測試數(shù)據(jù)表

3.3 增產(chǎn)效果分析

WLG05 井實施液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)后，氣產(chǎn)量增加迅速，產(chǎn)氣量最高突破3000m3/d，進入穩(wěn)定階段，產(chǎn)氣量基本穩(wěn)定在1500m3/d 左右。

對比分析WLG05 井和其它幾口常規(guī)清水加砂壓裂井，在排采強度相對穩(wěn)定的情況下，N2在等壓狀態(tài)下能通過降低游離甲烷分壓，影響其吸附等溫線，達到吸附甲烷被解吸出來，產(chǎn)氣量增加明顯，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時間長，較其它井增產(chǎn)效果達到50%，表明液氮輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)對構(gòu)造軟煤具有良好的增產(chǎn)效果。

圖1 氮氣伴注與活性水壓裂產(chǎn)氣效果對比圖

4 液氮伴注輔助水力壓裂技術(shù)對構(gòu)造煤儲層增產(chǎn)的意義

通過對上述液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用效果進行分析，在壓入液氮后，單井產(chǎn)氣量明顯增加，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時間更長。說明在構(gòu)造煤儲層中，煤的吸附能力強、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)育以及滲透率低等特征致使甲烷在煤儲層中解吸、擴散、運移速度緩慢，不利于煤層氣開采。采用常規(guī)的水力壓裂只能提高氣體的產(chǎn)出運移速度，無法提高構(gòu)造煤儲層甲烷分子解吸、擴散速度困難的問題。而采用液氮輔助水力壓裂后，一方面液氮氣化以后產(chǎn)生大量氮氣，擴散到煤層的深部，提高地層能量，有效地阻礙了壓裂液向深部煤層滲流，有利于壓裂液的快速徹底排出，減少壓裂液對煤層的污染，有助于煤層解吸出來的氣體向裂縫擴散; 另一方面液氮在等壓狀態(tài)下能通過降低游離甲烷分壓，影響其吸附等溫線，達到吸附甲烷被解吸出來，因此能夠有效提高甲烷在煤儲層中解吸、擴散、運移速度緩慢問題，從而提高煤層氣井煤層氣產(chǎn)量，表明液氮伴注輔助水力壓裂技術(shù)可以達到增加構(gòu)造軟煤氣產(chǎn)量的目的，對構(gòu)造軟煤具有很好的適應(yīng)性。

5 結(jié)論與建議

(1) 構(gòu)造煤具有孔喉細、孔容和比表面積大、半封閉孔和細瓶頸孔發(fā)育、連通性差、吸附能力強、粘土成分含量高、煤體結(jié)構(gòu)軟等特點，致使煤層氣開采難度大，采用常規(guī)的水力加砂壓裂增產(chǎn)效果十分有限。

(2) 液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)具備了常規(guī)水力壓裂的基本特點，同時擁有常規(guī)水力壓裂之外的多種優(yōu)勢，還具有施工簡單方便的特點，是構(gòu)造煤儲層增產(chǎn)改造的有效技術(shù)措施。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示: 實施該復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)后，壓裂液排出迅速，增產(chǎn)效果達50%，有效地減少了煤層污染，提高了單井產(chǎn)量，表明液氮輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)能夠有效提高甲烷在煤儲層中解吸、擴散、運移速度緩慢問題，對構(gòu)造軟煤具有很好的適應(yīng)性。

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