煤層氣儲層壓裂技術參數確定與規范

王紀偉，張 燦，張 靜，李新發，張 峰

1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室（黑龍江大慶163318）

2.中國石油玉門油田分公司(甘肅酒泉735019）

■標準化

煤層氣儲層壓裂技術參數確定與規范

王紀偉1，張 燦1，張 靜2，李新發2，張 峰2

1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室（黑龍江大慶163318）

2.中國石油玉門油田分公司(甘肅酒泉735019）

通過分析總結國內外相關煤層氣儲層壓裂的技術方法，結合煤層氣儲層的地質特征，通過實驗數據分析和軟件模擬計算得出：壓裂液選用活性水經濟成本低，表面張力可以控制在25～30mN/m，砂液比、裂縫導流能力能夠滿足開采要求；壓裂液中添加濃度為1%的KCL防膨劑，能夠改變儲層基質的潤濕性，減少對儲層的傷害程度；天然石英砂支撐劑在30MPa以下時破碎率＜12%，能夠盡可能多的溝通多條割理系統；當閉合壓力小于20MPa時，841～2 000μm粒徑石英砂導流能力大于420～841μm石英砂導流能力，壓裂前期注入420～841μm石英砂，后期適量注入841～2 000μm石英砂，可以提高裂縫的導流能力，減弱支撐劑的回流作用；壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2；儲層壓裂的裂縫半長設計在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲層厚度每米6m3計算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

煤層氣；壓裂；閉合壓力；導流能力；鋪砂濃度

全世界煤層氣資源量很大，世界上很多國家都發現了煤層氣資源。目前，煤層氣資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、加拿大、澳大利亞、印度、南非等十幾個國家，總計資源量在1.1×1014～1.3×1014m3之間。針對煤層氣的開發，真正已形成規模的國家主要有美國、加拿大和中國，并且都已經形成一定的產業。其中，開發技術最成熟的國家是美國，它是全球第一個成功實現煤層氣規模性開發、商業性開發的國家[1]。

在煤層氣的開發過程中，針對儲層的增產改造技術是保證煤層氣開發的核心技術，也是實現煤層氣工業化生產的必須技術。因為國內外幾乎全部的煤層氣井都得進行增產改造處理，才能獲得一定的工業產量。壓裂增產技術是一項既經濟又低損害的煤層氣儲層特效改造技術，而且這項技術在國外相對比較成熟，成本低，對煤層氣儲層的增產改造效果較佳

研究區煤層氣主要分布在2個儲層：Ⅰ層和Ⅱ層，兩儲層物性較好，Ⅰ層與Ⅱ層之間有明顯的大的隔層。Ⅰ層孔隙度約4.2%～5.5%，滲透率在1.1× 10-3μm2左右，儲層厚度在8～10m之間，平均8.52m，閉合壓力約9MPa，溫度26℃，儲層上覆粉砂質泥巖層。Ⅱ層孔隙度約4.8%～6.5%，滲透率為1.3×10-3μm2，儲層厚度在6～11m之間，平均9.18m，閉合壓力為11MPa，儲層溫度28℃。巖心分析得出：Ⅰ層和Ⅱ層屬于低灰、低硫的穩定儲層，儲層演示模量低，泊松比較高。整體看儲層結構比較單一，較為適合壓裂增產改造技術的實施。

1 壓裂技術參數優選

1.1 壓裂液優選

1.1.1 壓裂液種類優選

煤層氣儲層壓裂液的選定必須建立在煤層氣儲層的物性和儲層的開采特點之上，并且要求壓裂液與煤層氣儲層配伍。另外，所選壓裂液的砂液比要能夠達到現場施工的要求，壓裂所產生的裂縫結構要滿足煤層氣開采所需要的導流能力。表1列舉了煤層氣儲層壓裂改造技術常用壓裂液的成本、傷害程度、支撐劑鋪置以及支撐裂縫長度等技術參數值[2]。

表1 常用壓裂液的技術參數對比

國內的煤層氣井以活性水壓裂液為主，少數井開展了線性凝膠壓裂液或者交聯凍膠壓裂液的壓裂試驗，同時也開展了各種類型壓裂液對煤層氣儲層傷害程度的分析與研究。研究結果表明：清潔壓裂液和活性水壓裂液對煤層氣儲層的污染較小，但制造裂縫的效率低，尤其不利于造長、寬縫；線性凝膠壓裂液和交聯凍膠壓裂液雖然可以制造高導流能力的長、寬縫，但是實驗表明壓裂液對煤層氣儲層的污染性高?？傊还苣姆N壓裂液對煤層氣儲層都有一定程度的改善性和傷害性，針對煤層氣儲層的特點和低成本開發的要求，采用活性水壓裂液?；钚运畨毫岩河伤⒈砻婊钚詣┖徒底鑴┑冉M成，表面張力可以控制在25～30mN/m之間，壓裂液配制過程簡單，經濟成本低，易于工業化推廣應用。

表2 各類支撐劑性能

1.1.2 防膨劑用量優選

煤層氣儲層是由連通性較好的大分子網絡以及互不連通的大分子通道構成，因此儲層具有較強的吸附性，可以吸附各種類型的液體或者氣體，儲層吸附液體的直接后果就是導致儲層基質膨脹。由于煤層氣儲層總的割理孔隙度大都只有1%～2%，所以即使儲層只是對壓裂液的吸附所導致的基質膨脹，也會致使儲層的割理孔隙度大幅度下降，直接導致儲層的滲透率下降[3-4]。

室內實驗研究表明：由于煤層氣儲層吸附壓裂液所產生的基質膨脹作用，活性水壓裂液、清潔壓裂液、線性凝膠壓裂液以及交聯凍膠壓裂液對煤層氣儲層滲透率的相對傷害比率為1∶3∶6∶9。在壓裂液中加入一定量的KCl不僅可以作為防止儲層吸水膨脹的穩定劑，還能改變儲層基質的潤濕性，進而提高壓裂液返排率，減少對儲層的傷害程度。防膨劑KCL的濃度為1%時效果最佳。

1.2 支撐劑優選

1.2.1 支撐劑種類優選

國內外適用于煤層氣儲層壓裂的常見支撐劑種類有：石英砂、陶粒、樹脂包衣砂、木質支撐劑等，其性能見表2。

煤層氣儲層壓裂支撐劑的選擇與一般常規油氣儲層的壓裂截然不同，煤層氣儲層壓裂的目的是連通儲層的割理系統。煤層氣儲層基質的滲透率很低，氣體主要通過割理流入井筒，因此不需要太高導流能力的裂縫，而需要盡可能多的溝通多條割理系統。研究區煤層氣儲層埋藏淺，閉合壓力低，故選用天然石英砂（30MPa以下時破碎率＜12%）作為支撐劑[5-6]。

1.2.2 支撐劑粒徑優選

取煤樣進行相關分析測試：不同粒徑大小的石英砂隨實驗閉合壓力的變化。當閉合壓力小于20MPa時，841～2 000μm粒徑石英砂導流能力明顯大于420～841μm粒徑石英砂；當閉合壓力大于20MPa時，兩者導流能力相差不大。研究區煤層氣儲層閉合壓力小于20MPa，因此841～2 000μm粒徑石英砂可較好的滿足壓裂要求。在具體的壓裂施工過程中，前期注入小粒徑420～841μm石英砂，后期適量注入大粒徑841～2 000μm石英砂，以提高裂縫本身的導流能力，也可以減弱支撐劑的回流作用。

1.2.3 鋪砂濃度優選

鋪砂濃度[7-8]對煤層氣儲層的導流能力影響很大，導流能力可以通過裂縫導流能力測試儀測得。同一閉合壓力下，鋪砂濃度為10kg/m2時的導流能力明顯大于5kg/m2時的導流能力，加大鋪砂濃度能夠較大程度的提高儲層裂縫的導流能力。在閉合壓力20MPa時，鋪砂濃度10kg/m2的導流能力是5kg/m2時導流能力的3倍多，鋪砂濃度低于10kg/m2時，儲層導流能力下降幅度明顯，因此要求壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2。

1.3 壓裂規模確定

通過模擬計算可以得出：壓裂增產效率隨裂縫長度的增大而提高，且在一定的縫長范圍內增產效率提高較快，但當縫長超過一定值之后，增產速度趨于平緩，最佳裂縫半長隨著煤層氣儲層滲透率的降低而逐漸增大[9-10]。煤層氣儲層壓裂的裂縫半長設計在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲層厚度6m3/m計算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

2 結論

1）活性水壓裂液經濟成本低，表面張力可以控制在25～30mN/m之間，砂液比能夠達到施工的要求，壓裂所產生的裂縫結構能夠滿足煤層氣開采所需要的導流能力；壓裂液中添加濃度為1%的KCL防膨劑，能夠改變儲層基質的潤濕性，減少對儲層的傷害程度。

2）天然石英砂支撐劑在30MPa以下破碎率＜12%，能夠盡可能多的溝通多條割理系統；當閉合壓力小于20MPa時，841～2 000μm粒徑石英砂導流能力明顯大于420～841μm石英砂導流能力。壓裂前期注入420～841μm石英砂，后期適量注入841～2 000μm石英砂，可以提高裂縫本身的導流能力，減弱支撐劑的回流作用；壓裂鋪砂濃度不小于10kg/m2。

3）儲層壓裂的裂縫半長設計在100～120m較為合理，加砂量原則上按射開儲層厚度6m3/m計算，砂比平均值大于13%，施工排量5～6m3/min，井口限壓50MPa。

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According to the analysis and summary of the domestic and foreign techniques related to coalbed methane reservoir fracturing and the geological characteristics of coalbed methane reservoir,the following conclusions are drawn through the experimental data analy?sis and software simulation:when active water is used in fracturing fluid,the economic cost is low,and the surface tension can be con?trolled in 25～30 mN/m,and the ratio of sand to liquid and the seepage capacity of crack can meet the requirement；to add antiswelling agent KCI of 1%(mass fraction)in the fracturing fluid can change the wettability of the reservoir matrix and reduce the damage degree of the reservoir；when the pressure is less than 30 MPa,The crushing ratio of natural quartz sand proppant is less than 12%,fracturing can connect multiple cleat systems as much as possible；when the closure pressure is less than 20 MPa,the seepage capacity of the quartz sand of particle size 841～2 000μm is greater than that of the quartz sand of particle size 420～841μm,to inject the quartz sand of par?ticle size 420～841μm in the early stage of fracturing and to inject the quartz sand of particle size 841～2 000μm in the late stage of fracturing can improve the seepage capacity of cracks and weaken the backflow of proppant；the reasonable sand concentration is not lower than10 kg/m2；the reasonable crack half-length is 100～120 m,the amount of sand is calculated according to 6 m3 per meter reser?voir thickness in principle,the average value of sand ratio is greater than 13%,the construction flow rate is 5～6 m3/min,and the well?head pressure is limited to 50 MPa.

coalbed methane；fracturing；closure pressure；seepage capacity；sand concentration

尉立崗

2016-06-13

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發示范工程”（2011ZX05052)。

王紀偉（1988-），男，博士研究生，主要從事提高采收率理論與技術和油藏數值模擬工作。