吐哈油田煤層氣壓裂新技術探索及應用

劉劍輝

（吐哈油田公司工程技術研究院，新疆鄯善838202）

1 概述

我國煤氣層資源豐富，地下2000m以內的淺煤氣層資源量約為36.7×1012m3，儲量位居世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大；在當前國際能源日益緊缺的形勢下，非常規能源煤層氣的開采就顯得尤其重要；目前煤層氣開采最有效的方法就是通過儲層進行壓裂改造，力爭在儲層與井筒之間建立流暢通道。但是非常規氣田開發暫時沒有成熟的壓裂工藝可借鑒，目前還在逐步探索，本文通過對煤層氣與常規油氣藏壓裂機理的異同對比，分析國內外壓裂工藝概況，進行工藝優化，最終確定出一套適用于吐哈油田煤層氣特征的壓裂新技術，為煤層氣壓裂勘探提供技術參考[1]。

2 常規砂巖儲層與煤巖儲層基礎數據對比

為了探索煤層氣有效增產措施工藝，首先通過查找資料分析了常規天然氣砂巖儲層與煤巖儲層的異同點，結果如表1所示。

砂巖層和煤巖層在生氣能力、儲氣方式、孔隙結構、儲集物性等方面存在較大的差異，導致煤層氣與常規天然氣在壓裂和產出機理上存在差別，主要表現在以下4個方面：

（1）壓裂液的濾失方式和濾失規律不同（部分濾失和全濾失）。

（2）壓裂液造縫的延伸規律不同（砂巖是造縫，煤巖是破碎）。

（3）壓裂支撐劑的支撐方式和嵌入方式不同（砂巖在支撐，煤巖是混合）。

（4）產出機理不同（天然氣是運移—儲藏—壓力驅動—滲流；煤層氣是降壓—解吸—擴散—滲流，如圖1所示）。

3 煤層氣體積壓裂工藝研究

通過對常規砂巖儲層和煤層儲藏的基礎數據對比，以及目前國內煤層壓裂技術現狀分析，探索出一套適合吐哈油田煤層特征的工藝技術，具體工藝研究如下[2-3]。

3.1 煤層氣壓裂液體系對比及優化

煤層壓裂與常規砂巖儲層壓裂中，壓裂液體系的選擇優化同等重要，壓裂液不但需要造縫和攜砂，同時由于液體浸入儲層，會造成一定的傷害，特別對于比表面積較大的煤層，其傷害程度尤為嚴重。因此，壓裂液的研究不但要滿足壓裂工藝的要求，還要與儲層配伍性良好，盡可能降低對地層的傷害。目前常用煤層氣壓裂液類型有以下幾種，如表2所示。

3.2 吐哈油田煤層氣壓裂液優選

根據吐哈油田儲層和工藝對壓裂液的要求：

（1）低傷害，降低水敏和壓裂液殘渣等傷害。

（2）低粘度，溝通割理和微縫。

表1 砂巖與煤巖基礎數據對比

圖1 煤層氣體流動特征

表2 煤層氣常用壓裂液對比

（3）具備一定攜砂能力，形成近井筒附近高導流能力裂縫。

（4）易返排，減少液體滯留時間。

（5）低摩阻，大排量條件易施工。

最終確定吐哈油田煤巖儲層壓裂液體系優選活性水壓裂施工。

3.3 吐哈油田煤層氣支撐劑優選

煤層氣支撐劑的選擇主要考慮以下幾方面因素：（1）支撐劑嵌入；（2）防止壓后返砂和吐砂；（3）溝通煤層裂隙系統；（4）低密度，易懸浮；（5）其他與常規壓裂考慮因素相同（如成本、圓球度、導流能力等）。

吐哈油田礦區煤層氣儲層閉合壓力小于30MPa，經技術經濟綜合評價，主支撐劑優選石英砂。針對煤層氣儲層易濾失的特點，在加砂前期先加入細粒徑支撐劑對天然割理進行處理，以降低濾失；在加砂中期加入中粒徑支撐劑以達到裂縫延伸的目的；在加砂后期加入粗粒徑支撐劑，充填井筒邊緣地帶，人工的形成高滲帶，以保證煤層氣流的順利暢通[4]。

最終確定吐哈油田煤巖儲層支撐劑優選40～70目陶粒+20～40目石英砂+20～40目固特砂。

3.4 加砂工藝優選

針對吐哈油田煤層割理發育，低楊、高伯的儲層特征，為解決裂縫短而且寬、進砂困難的問題，采取增大液量造復雜長縫為主，選擇段塞式加砂工藝，降低砂堵風險[5-7]。

段塞的有效性在于它借助水力切割作用對彎曲裂縫進行沖刷、打磨、切割，使裂縫表面平滑，從而降低或消除近井地帶裂縫彎曲摩阻；另一方面，小粒徑支撐劑段塞式加砂在多裂縫產生的同時可在除主裂縫外的其他分支裂縫中填補微縫，降低濾失，并且聚集形成阻礙流體流動的砂團，阻止裂縫進液，分支裂縫不再延伸，保證主裂縫向前延伸，最終形成復雜型長縫。

3.5 施工參數優化設計

為了更好地指導煤層氣儲層壓裂的技術應用，在壓裂施工前，首先進行小型壓裂測試，測試結果如表3所示，這樣可以對目的層物性參數、地層閉合壓裂、射孔及近井筒摩阻、壓裂液摩阻、濾失情況進行分析，同時可以對井內管柱安全性、設備承受能力進行驗證，從而為后期正式加砂壓裂設計提供可靠依據。

表3 核5X井小型測試結果表

通過注入壓降測試得出儲層滲透率差（0.0115×10-3μm2）、近井地帶污染小（表皮系數-3.6）、地層壓力系數較高（1.33MPa/100m）、地層破裂壓力和閉合壓力中等（破裂壓力44.747MPa、閉合壓力40.35MPa），地層存在一定微裂縫的結論，此結論可以用于指導壓裂設計。

根據小型壓裂測試資料修正地層參數后，導入施工數據，可模擬形成實際裂縫形態，如表4所示。

表4 核5X井FPT軟件模擬裂縫參數

通過軟件模擬，可確定出區塊煤巖儲層壓裂工藝基本參數，施工排量10～12m3/min，全程段塞式加砂，最高砂比12%～15%，平均砂比4%～5%，總液量1000～1300m3。

4 現場應用

2016年8月，吐哈油田首次在煤層氣儲層中開展大規模大排量段塞式新工藝壓裂，在核5X井順利完成試驗，該井采用全程活性水段塞式加砂壓裂，實際施工排量達到10m3/min，入井液量1188.4m3，入井總砂量60m3，優選40～70目陶粒+20～40目石英砂+20～40目固特砂大粒徑組合支撐劑，尾追固特砂有效防止壓后吐砂情況發生，施工壓力50.6～81.7MPa，停泵壓力23.6MPa，施工按照壓裂設計順利結束，成功完成了吐哈油田煤層氣勘探領域的首口試驗，施工曲線如圖2所示。

圖2 核5X井煤層氣壓裂施工曲線

5 認識與結論

（1）核5X井壓裂的成功是吐哈油田在煤層氣壓裂工藝技術上的一大突破，為煤巖儲層勘探開發提供了有力的技術保障。

（2）核5X井壓裂的成功驗證了全程活性水段塞式加砂、大排量低砂比、大粒徑組合支撐劑工藝技術思路在吐哈油田是可行的。

（3）吐哈煤層氣壓裂技術認識上還是存在一定的不足，比如活性水壓裂雖然可以極大降低儲層傷害，但是存在攜砂能力較低的問題；同時，活性水濾失較大，造縫不充分，縫高容易失控，裂縫不能有效得到延伸，這將是下一步繼續優化研究的方向。

[1] 郭洋，楊勝來.煤層氣壓裂和排采技術應用現狀與進展[J].天然氣與石油，2011，29（4）：62-64.

[2] 彭鵬，楊兆中，梅永貴，等.煤層氣體積壓裂施工參數優化[J].油氣藏評價與開發，2015,5（6）：68-71.

[3] 楊琦.煤層氣壓裂新技術研究[J].能源與環保，2017,39（1）：117-119.

[4] 張軍濤，郭慶，汶鋒剛.深層煤層氣壓裂技術的研究與應用[J].延安大學學報，2015,34（1）：78-80.

[5] 李辛子，王運海，姜昭琛，等.深部煤層氣勘探開發進展與研究[J].煤炭學報，2016,41（1）：24-26.

[6] 羅平亞.關于大幅度提高我國煤層氣井單井產量的探討[J].天然氣工業，2013,33（6）：1-6.

[7] 宋曉丹，孔令峰，洪保民，等.我國煤層氣產業發展政策現狀分析與發展建議[J].天然氣工業，2013,33（2）：2-7.