投球暫堵壓裂工藝在煤層氣井的應(yīng)用

蔡 華 張光波 楊 陽 王少良 白宇杉 王振東

(1.河北華北石油天成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 062552；2.中石油華北油田工程技術(shù)研究院，河北 062552；3.中國(guó)石油煤層氣開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北 062552；4.中石油華北油田第一采油廠，河北 062552)

華北油田于2006年開始在沁水盆地南部進(jìn)行煤層氣商業(yè)化開發(fā)，主要開發(fā)山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層。目前已投產(chǎn)生產(chǎn)井3000余口，經(jīng)過十多年的規(guī)模開發(fā)，產(chǎn)氣量穩(wěn)步提升。早期對(duì)煤層氣開發(fā)認(rèn)識(shí)不足，借鑒常規(guī)油氣壓裂方式改造，造成了大量低產(chǎn)井，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到開發(fā)方案設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過多年的探索，形成了一系列低產(chǎn)井治理工藝技術(shù)，一定程度上盤活了低產(chǎn)井。針對(duì)煤粉堵塞、應(yīng)力敏感、氣鎖等排采管控問題直井形成了解堵性重復(fù)壓裂技術(shù)，可以解除堵塞、擴(kuò)展裂縫，重建滲流通道；針對(duì)一次壓裂清潔壓裂液污染直井，采用化學(xué)化學(xué)解堵工藝可以解除地層污染、增大滲透率；針對(duì)埋深大難造縫的直井，研發(fā)“多段加砂”壓裂工藝，造長(zhǎng)縫、擴(kuò)寬縫；對(duì)構(gòu)造煤發(fā)育難造縫直井，研發(fā)頂、底板壓裂工藝，建立穩(wěn)定通道；針對(duì)應(yīng)力集中、低滲導(dǎo)致首次壓裂效果差井，探索造穴壓裂，在煤層段實(shí)施水力噴射造穴，利用洞穴形成應(yīng)力釋放區(qū)，誘導(dǎo)儲(chǔ)層微裂縫張開，改善滲透性。

煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)多樣，縱向煤巖力學(xué)性質(zhì)差異大，部分井天然裂隙發(fā)育，重復(fù)壓裂壓裂液僅能沖洗或順著原有裂縫延伸，未能造新縫，導(dǎo)致措施改造效果不明顯。本文探討了一種煤層氣重復(fù)壓裂的新思路，利用尼龍球暫堵射孔炮眼，實(shí)現(xiàn)同層縱向上造新縫，加砂形成新的滲透通道，使單井的改造范圍增大。

1 投球暫堵壓裂工藝原理

(1)工藝原理

由于煤儲(chǔ)層垂向非均質(zhì)性強(qiáng)，力學(xué)性質(zhì)差異大，首次壓裂在縱向上不能夠完全改造煤層。投球可暫堵流量較大的孔眼(圖1)，迫使壓裂液轉(zhuǎn)向進(jìn)入流量較小的孔眼，改造力學(xué)性質(zhì)較大的煤層段，達(dá)到煤層段均一改造的目的。

圖1 投球壓裂工藝示意圖

(2)暫堵球受力分析

假設(shè)暫堵球在井筒中的運(yùn)動(dòng)可看作自由沉降過程, 忽略球與球、球與管壁之間的摩擦和碰撞。進(jìn)入井筒中的暫堵球受到重力、液體浮力以及水流動(dòng)力的作用而做加速運(yùn)動(dòng),具體可分為兩個(gè)加速運(yùn)動(dòng)階段,第一加速階段摩阻為動(dòng)力,第二加速階段為阻力,取決于水流與小球相對(duì)速度產(chǎn)生的摩阻力的方向。當(dāng)重力、浮力和摩擦力達(dá)到平衡的時(shí)候,小球開始做等速運(yùn)動(dòng),直到到達(dá)射孔孔眼處。

暫堵球井下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受多種因素的影響,包括“慣性力”、“轉(zhuǎn)向力”、“持球力”和“脫離力”。投球壓裂關(guān)鍵點(diǎn)是如何保證暫堵球流向所封堵的孔眼和保證暫堵球坐封。球流向孔眼條件為轉(zhuǎn)向力大于慣性力；球坐封孔眼條件為持球力大于脫離力(圖2)。影響坐封效果因素繁主要有2個(gè)敏感變化參數(shù)：排量和封堵孔眼數(shù)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)：排量越大(大于5m3/min)，壓力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼；封堵孔眼越少(小于50%)，壓力差越大，越有利于球流向并坐封孔眼。

圖2 暫堵球受力分析

2 投球暫堵壓裂工藝選井原則

通常建產(chǎn)區(qū)選擇資源富集有利區(qū)，構(gòu)造平緩、遠(yuǎn)離大斷層、含氣量高、埋深適中。但資源的富集不等同于高產(chǎn)區(qū)，工程技術(shù)改造與地質(zhì)條件的不適應(yīng)導(dǎo)致了部分井產(chǎn)氣效果不理想。分析認(rèn)為投球暫堵壓裂工藝選井原則主要有兩個(gè)：

(1)煤體結(jié)構(gòu)垂向非均質(zhì)性強(qiáng)，首次改造不均一的煤儲(chǔ)層

高階煤為裂隙性儲(chǔ)層，內(nèi)部特征非常復(fù)雜，平面或者垂向上煤體結(jié)構(gòu)破碎程度差異明顯，對(duì)開發(fā)的影響較大。煤體結(jié)構(gòu)主要分為原生、碎裂、碎粒和糜棱結(jié)構(gòu)。原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤硬度高、塑性強(qiáng)，壓裂過程中濾失小，造縫效率高，易形成網(wǎng)狀縫，單井產(chǎn)氣效果好。碎裂、糜棱結(jié)構(gòu)煤硬度低，裂隙發(fā)育，但是連通性差，塑性差，壓裂時(shí)濾失嚴(yán)重，易于破裂但難形成主縫，裂縫較短，單井產(chǎn)氣量低。若煤層中發(fā)育碎粒、糜棱煤，射孔時(shí)全井段射孔，壓裂過程中首先破裂的是碎粒、糜棱煤，原生、碎裂煤得不到改造或者改造效果差，單井產(chǎn)氣效果往往不理想。

采用“投球暫堵壓裂”工藝二次改造，壓裂過程中使用暫堵球暫堵導(dǎo)流能力較強(qiáng)的碎粒、糜棱煤層段的射孔孔眼，減少碎粒、糜棱煤的分壓作用，使裂縫在原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤中延伸(圖3)，可獲得較高的產(chǎn)氣量。

圖3 投球壓裂示意圖

(2)一次壓裂曲線類型為低穩(wěn)定或下降型

壓裂過程可分為試壓、前置液、攜砂液、頂替液和測(cè)壓降5個(gè)階段。攜砂液階段是壓裂裂縫擴(kuò)展和延伸的階段，在一定程度上反映出地下煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征、壓裂液運(yùn)移狀況以及壓裂裂縫等信息。根據(jù)攜砂液階段形態(tài)特征，煤層氣井壓裂曲線(圖4)可劃分為穩(wěn)定、波動(dòng)、上升和下降四種類型。通常來說，穩(wěn)定型說明已形成了主縫、造縫和濾失與注入動(dòng)態(tài)平衡，裂縫延伸效果較好。波動(dòng)型是由于地層和應(yīng)力的非均質(zhì)性導(dǎo)致裂縫效果較差。上升型反映了煤層較致密，原生裂隙不發(fā)育，縫內(nèi)易發(fā)生砂堵，壓裂效果也較差。下降型說明壓裂裂縫溝通了斷層、陷落柱、天然裂隙或者頂?shù)装?，壓裂效果較差。

圖4 壓裂曲線類型

投球暫堵壓裂工藝選擇一次壓裂曲線形態(tài)為低壓力穩(wěn)定或者緩慢下降型。此類型壓裂曲線的井在一次壓裂過程中溝通了斷層、天然裂隙或者溝通了頂?shù)装澹┕毫^同一埋深的其它井呈低水平穩(wěn)定或者隨著排量的提升施工壓力緩慢下降趨勢(shì)(圖5)。說明一次壓裂并未有效改造煤儲(chǔ)層，壓裂液僅僅延伸了原有的裂隙系統(tǒng)，未在煤層中造新縫。采用投球暫堵壓裂工藝二次改造，壓裂過程中使用暫堵球暫堵導(dǎo)流能力較強(qiáng)的天然裂隙或溝通頂?shù)装鍖佣蔚纳淇卓籽?，使壓裂裂縫在有效煤層中延伸，可獲得較好的改造效果。

圖5 投球暫堵壓裂壓裂曲線類型

3 實(shí)施效果

對(duì)23口井實(shí)施投球壓裂工藝，見效井16口，見效率70%，單井增氣量800m3，措施改造效果良好。

以HG5-1為例，該井位于樊莊區(qū)塊北部，埋深852.9m，煤層厚度5.05m。一次壓裂共注入壓裂液837.16m3，砂量40.06m3。由于一次壓裂改造效果差，日產(chǎn)氣量?jī)H有200m3左右(圖6)。分析認(rèn)為由于煤層底部構(gòu)造煤發(fā)育，壓裂過程中濾失大，造成施工壓力偏低，壓裂曲線呈緩慢下降性。初期施工壓力9MPa左右，后期緩慢下降，到壓裂中后期施工壓力僅有5MPa左右(圖7)。

圖6 HG5-1井生產(chǎn)曲線

圖7 HG5-1井一次壓裂曲線

圖8 HG5-1井二次壓裂曲線

二次壓裂采用投球暫堵壓裂工藝改造，共注入壓裂液575.63m3，砂量40.15m3，前置液階段共投球40個(gè)。應(yīng)用投球壓裂工藝后，壓裂施工壓力平穩(wěn)，施工壓力7MPa左右，較一次壓裂施工壓力上升了2MPa左右(圖8)，可見起到了一定的封堵效果。二次壓裂改造效果較好，達(dá)到了預(yù)期目的，日產(chǎn)氣量由措施前的200m3上升到2400m3，增加了2200m3。