潞安屯留區塊煤層氣酸化泡沫壓裂技術研究

王黎，陳波，李偉慧

（中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽476100）

潞安屯留區塊煤層氣酸化泡沫壓裂技術研究

王黎，陳波，李偉慧

（中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽476100）

針對潞安屯留區塊煤層儲層改造存在的問題，通過對本區塊煤層特征進行分析研究，對壓裂液及支撐劑進行優選、對壓裂設計進行優化，并采取加入預前置酸和氮氣泡沫壓裂的措施，從而解決了煤層壓裂施工中存在的滲流通道堵塞、壓裂液難返排、壓裂效果不理想的一些問題，在保證了煤層壓裂施工成功的同時也提高了煤層氣的產量，不僅為本區煤層氣開發提供幫助，更對全國的同類煤層儲層的改造開發具有借鑒意義。

煤層；預前置酸；氮氣泡沫壓裂

山西潞安屯留區塊山西組3#煤層，本區裂隙較為發育，煤層氣資源豐富，但煤層壓力低、滲透率低、臨儲比低、機械強度低、儲層溫度低、吸附能力強，顯微裂隙發育程度比同煤級好、擴散系數比同煤級大，為典型的過渡孔為主低滲低壓儲藏。因此，追求高煤層氣產量有著相當大的難度。在壓裂施工中，因煤層相對砂巖儲層楊氏模量較低、泊松比較高、裂隙發育、大量煤粉、煤屑的存在加之地層污染和套管限壓的因素，給壓裂施工造成一定的困難。為此，針對本區塊煤層特征進行分析研究，通過加入預前置酸，溶解了充填物，溝通了滲流通道，降低了施工壓力。同時泡沫還具有很好的降濾失作用，可減少入井液量，返排快，傷害低，攜砂濃度高，導流能力高，為以后煤層氣的研究開發提供了有力的技術支持。

1　壓裂液優選與評價

1.1各壓裂液體系對煤巖的傷害對比

壓裂液性能的好壞直接關系到壓裂施工的成敗及壓后增產效果，壓裂液性能不好，容易造成脫砂，形成“砂丘”，導致壓裂施工失敗。若進入煤層的壓裂液與煤層的主體不配伍，對煤層造成傷害，勢必減少煤層氣的產量。因此，必須對煤層壓裂液進行研究和評價，尤其是評價各壓裂液體系對煤層的傷害程度與其攜砂性能，并最終優選出適合本區煤層壓裂改造的壓裂液體系。通過試驗得出各壓裂液體系對煤巖的傷害結果匯總表（見表1）。

表1　各液體體系對煤巖的傷害結果對比表

由表1可知：胍膠壓裂液和清潔壓裂液對煤巖的傷害率很大，不能作為本區煤層壓裂改造的壓裂液，氮氣泡沫壓裂液和活性水壓裂液對煤巖的傷害率較小，可選用其作為本區煤層壓裂改造的壓裂液，故從傷害率上看，可以選用氮氣泡沫壓裂液和活性水壓裂液。

1.2各壓裂液體系攜砂性能對比

活性水壓裂液和氮氣泡沫壓裂液對石英砂的攜砂性能在實驗室進行了試驗測定，具體情況（見表2）。

對不同粒徑的支撐劑在28℃活性水壓裂液和泡沫壓裂液中的沉降實驗表明，在活性水中的沉降速度遠大于在泡沫壓裂液中的沉降速度，且在泡沫壓裂液中的沉降速度均小于0.5 cm/s，說明泡沫壓裂液對支撐劑具有良好的懸浮作用和攜帶能力，可將支撐劑帶至裂縫遠端，提高了有效支撐縫長度，同時使裂縫鋪砂剖面趨于合理，進一步提高了裂縫導流能力，完全滿足現場施工攜砂的要求，故從攜砂性能上看，氮氣泡沫壓裂液比活性水壓裂液更適合本區煤層壓裂改造。

表2　石英砂分別在活性水和泡沫液中的沉降速度

2　支撐劑優化

由于本區煤層埋深較淺、閉合壓力較低，石英砂和木質支撐劑都可以滿足屯留礦的壓裂要求，但是考慮到投入與產出的性價比，采用天然石英砂作為該區塊壓裂的支撐劑。

2.1支撐劑粒徑組合

在泵注初期，采用20目～40目石英砂，被壓裂液攜帶到縫端的位置，起防砂和支撐裂縫的作用，然后尾追16目～20目石英砂，在縫口的位置，起支撐縫口的作用，增加縫口的導流能力，在經過大量的現場試驗證明：當16目～20目粗砂用量：20目～40目中砂用量=1：3時，既能滿足高的導流能力，又能保證壓裂施工成功率。

2.2支撐劑濃度

煤層壓裂液粘度通常較低，泵注程序采用階梯式注入，在泵注初期，砂比要低，防止在往裂縫縫端運移過程中由于濾失作用使得支撐劑濃度過高，導致砂堵的發生，在泵注末期，應該采用高砂比，保證在裂縫縫口處支撐劑分布在產層部分，提高裂縫的導流能力。在屯留礦壓裂中，在泵注初期砂比一般為20%，逐步提高砂比，在末期最高砂比達到55%。

3　壓裂設計優化設計

3.1縫長優化

煤層滲透率是裂縫規模優化的重要影響因素，依據目標區塊煤層基本條件，模擬不同滲透率條件下的支撐裂縫半長與壓后產氣量關系圖（見圖1）。

從模擬結果來看，總體上氣產量隨人工裂縫半長的增加而增大，但隨著人工裂縫半長的增加，產量增加的幅度逐漸變小。因此，綜合考慮煤層實際特點、壓裂施工風險及投入產出情況，優化裂縫半長為120 m～160 m。

3.2砂比優化

目標區域煤層楊氏模量為4 000 MPa～7 000 MPa，楊氏模量小，表明煤層儲層軟，支撐劑嵌入傷害大。支撐劑在煤層內的嵌入對導流能力的傷害非常嚴重，研究表明，10 kg/m2鋪砂濃度下石英砂嵌入可使導流能力下降36.4%，同砂巖地層裂縫相比，支撐劑嵌入對煤層裂縫導流能力的傷害更大。因此，煤層氣井壓裂時應該提高裂縫的鋪砂濃度，從而保證裂縫有足夠的導流能力。

圖1　支撐裂縫半長與壓后產氣量關系圖

圖2　平砂比與鋪砂濃度關系圖

從平均砂比與鋪砂濃度關系圖（見圖2）來看，平均砂比越大，鋪砂濃度越高，支撐劑嵌入傷害越小。當平均砂比小于15%時，鋪砂濃度在10 kg/m2以下，則會出現嚴重的支撐劑嵌入傷害。依據煤層濾失情況、承砂能力及氮氣泡沫壓裂液體系的攜砂能力，氮氣泡沫壓裂液體系平均砂比優化為30%左右。

3.3排量優化

目標區塊煤層天然裂隙連通性差，但在壓裂過程中裂隙張開吸液，導致濾失量大大增加，同時煤層又具有較強的塑性特征，因此在排量較小的情況下人工裂縫基本不延伸。依據煤層的基本條件，對不同施工排量、不同前置液體積情況下，人工裂縫的延伸情況進行模擬，結果（見圖3）。

從模擬圖上可以看出，在相同前置液體積下，低排量施工時其人工裂縫延伸距離很短。因區域煤層與頂底板巖石力學參數差異較大，因此，施工排量可在井口限壓允許的條件下，應盡可能提高施工排量，以緩解濾失影響，確保充分造縫。綜合考慮前期施工情況、井口壓力及模擬結果，優化氮氣泡沫壓裂施工總排量為4 m3/min～ 7.5 m3/min。

圖3　前置液量與裂縫半長的關系圖

4　實例應用

現場應用3口井，壓裂施工成功率100%，有效率100%，3口井的具體施工參數（見表3）。

表3　屯留井區預前置酸+氮氣泡沫壓裂井統計表

圖4　三種施工液壓后平均產氣情況圖

效果分析：在潞安屯留區塊以前采用2種壓裂液體系對27口井進行了壓裂施工改造，分別是活性水壓裂液和預前酸加活性水伴注氮氣壓裂液，本項目采用預前置酸加氮氣泡沫壓裂液，采用這三種壓裂液體系進行壓裂改造后的排采產氣效果（見圖4）。

由圖4可知，在潞安屯留區塊采用氮氣泡沫壓裂增產效果最顯著，平均單井產氣量達到1 800 m3/d。

5　結論

通過對屯留區塊壓裂施工井的分析，得出以下結論和認識：

（1）通過對煤層煤樣物性及敏感性分析，對儲層的礦物組成、裂縫走向、孔喉結構有了進一步的了解，對裂縫中的充填物進行研究，通過加入預前置酸，溶解了充填礦物，溝通了滲流通道，降低施工壓力，為以后煤層氣的研究開發提供了有力的技術支持。

（2）泡沫具有很好的防濾失作用，在相同的條件下，其濾失量比普通壓裂液要低得多，泡沫壓裂液具有返排快、攜砂濃度高，導流能力高的特點，明顯優于其它壓裂液，泡沫壓裂技術是本區煤層氣壓裂的較好選擇。

（3）在潞安屯留區塊應用施工3口井，施工成功率100%，相比之下，酸化泡沫壓裂改造技術應用效果最好，除部分井在統計時未排采之外，泡沫壓裂經壓后平均日產氣超過普通壓裂井1 000 m3左右，增產效果顯著。

［1］吳百烈.煤層氣井水力壓裂幾何參數優化設計［D］.中國石油大學（華東），2011.

［2］劉會虎，桑樹勛，等.沁水盆地煤層氣井壓裂影響因素分析及工藝優化［J］.煤炭科學技術，2013，（11）：98-102.

［3］劉正，等.潞安礦區屯留井田煤層氣儲層物性特征［C］.煤層氣勘探開發理論與實踐，2007.

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.010

TE357.2

A

1673-5285（2015）04-0033-04

2015－03-05