煤層氣井酸化壓裂增產(chǎn)機(jī)理及施工程序優(yōu)化

王鏡惠 梅明華 劉娟 王華軍

摘? ? ? 要：為了明確酸化壓裂對煤儲層增產(chǎn)改造的適應(yīng)性，通過煤樣碳酸巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試和酸液浸泡前后滲透率實驗，得到了酸液對煤樣滲透率的影響規(guī)律，將研究成果應(yīng)用于酸化壓裂工藝選井和現(xiàn)場實施。結(jié)果表明，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且填充在割理、裂縫中是研究區(qū)儲層滲透率較低的重要原因;酸化壓裂能夠有效提高煤樣滲透率，但碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%，儲層滲透率低于0.2 mD時效果較好;酸化壓裂工藝應(yīng)該包括小型預(yù)壓裂、酸化處理、注替液和燜井4個環(huán)節(jié)，其中小型預(yù)壓裂應(yīng)逐級提排量，控制前置液量小于總液量的17%，最大排量小于6 m3·min-1，砂比小于15%;酸化處理分為注前置酸、處理酸和后置酸，排量和液量逐級降低;最后需要注入頂替液，并燜井24 h以上。研究內(nèi)容對煤層氣井酸化壓裂增產(chǎn)工藝實施具有指導(dǎo)意義。

關(guān)? 鍵? 詞：煤層氣井;酸化;增產(chǎn)措施;碳酸鹽礦物;施工方案

中圖分類號：TE357.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1892-04

Abstract： In order to clarify the adaptability of acidizing fracturing to coalbed gas reservoirs， the stimulation mechanism of acidizing fracturing was studied through the content test of carbonate rock incoal samples and the permeability change experiment after acid soaking， and then a reasonable construction planwas put forward. The results showed that the content of carbonate was high in some areas， and the permeability of fractures was greatly reduced when carbonate minerals were filled in the cleavage and fractures. The permeability of 6 coal samples was increased perfectly after soaking them in acid solution. When the content of carbonate minerals was more than 1%， clay mineral content was less than 2%， and the permeability was less than 0.2 mD， the performance of acidizing fracturing was perfect. The acidizing fracturing process should include four steps： small pre-fracturing， acidizing treatment， fluid injection and confining well. In the small pre-fracturing， the displacement should be increased step by step， andthe pre-flush volume should be less than 17% of the total fluid volume， the maximum displacement should be less than 6 m3·min-1， and the sand ratio should be less than 15%. The acidification treatment was divided into pre-acid injection， treatment acid and post-acid injection. Finally， displacement fluid should be injected and the well should be confined for more than 24 h. Field test showed that the well selection principle and construction technology effectively improved the output of a single well.

Key words： Coalbed methane wells; Acidizing fracturing; Stimulation measures; Carbonate minerals; Construction plan

沁水盆地南部3#煤層為目前主力開發(fā)煤層，埋深在600～1 000 m之間[1]，深部煤層大面積分布;3#煤層煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組反射率高達(dá)58.4%～75.4%，最大鏡質(zhì)體反射率較高達(dá)到3.27%～3.98%，為高煤階煤層氣儲層[2];3#煤層抗壓強(qiáng)度為7.45～20.91 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.36～0.93 MPa，彈性模量分布在580～1 630 MPa之間，彈性模量數(shù)值相對較低;東北部為擠壓應(yīng)力區(qū)，西南部為拉張應(yīng)力區(qū)[3]，原生煤、碎裂煤、碎粒煤均不同程度發(fā)育。3#煤層試井滲透率普遍低于1.0×10-4 ?m2，為低滲、特低滲儲層，滲透率高低取決于裂縫寬度和密度。開發(fā)區(qū)目前煤層氣井整體產(chǎn)量偏低，壓裂是煤層增產(chǎn)的主要措施[4]，酸化壓裂利于進(jìn)一步提升壓裂縫波及區(qū)煤層滲透率，郭濤等研究認(rèn)為煤層酸化在理論上可行，可以提高煤層滲透率10倍以上，但是酸化時間和酸濃度具有地質(zhì)適應(yīng)性[5]。趙博等研究了煤巖滲透率對酸化作用的影響，認(rèn)為鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～15%為最佳，且酸化時間過長會造成滲透率降低，建議12 h左右[6]。張迎新等從工程角度闡釋了酸化壓裂的影響范圍，指出酸化壓裂時可以產(chǎn)生101.56 m的高效導(dǎo)流裂縫[7]。王軍鵬等認(rèn)為煤層具有酸敏性，煤層中的黏土礦物等與酸液形成難以溶解的礦物，造成儲層傷害[8]。因此酸化壓裂是否適應(yīng)于研究區(qū)域，合理的施工步驟及施工參數(shù)需要進(jìn)一步確定，本文基于室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)對酸化壓裂的選井原則、施工步驟及參數(shù)進(jìn)行了研究。

1? 碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)及賦存

1.1? 碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3#煤層中碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～3.87%，平均0.72%;15#煤層中碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%～2.39%，平均0.76%;3#煤層中碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15#煤層，可能與15#煤層成巖過程中的石英交代作用有關(guān)。劉貝等研究表明，沁水盆地南部柿莊北區(qū)塊3#煤層碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～2%，平均0.56%，15#煤層碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～0.7%，平均0.18%，3#煤層的碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣高于15#煤層[9]。

1.2? 碳酸鹽賦存

煤層氣儲層為致密儲層，滲透率高低取決于裂縫寬度和密度，尤其是裂縫寬度對滲透率具有重要影響。以往研究表明，儲層滲透率與裂縫寬度的3次方成正比，因此碳酸鹽類礦物填充在裂縫中會導(dǎo)致裂縫滲透率大幅降低，同理通過酸化將裂縫中的碳酸鹽礦物溶蝕，也會大幅增加儲層滲透率。

2? 室內(nèi)實驗

2.1? 煤樣及酸液制備

從研究區(qū)域采集煤樣，加工成直徑為25 mm、長度為50 mm的煤柱，選取碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布在0.4%～1.34%的煤樣進(jìn)行室內(nèi)實驗，增加實驗的針對性。

本次實驗采用12%鹽酸+3%氫氟酸。

2.2? 實驗步驟

采用碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定儀對碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測試;采用氣體滲透率測試儀對煤樣初始滲透率和酸化浸泡不同時間后的煤樣滲透率進(jìn)行測試;煤樣在酸液中浸泡后分別置于80 ℃恒溫箱中烘干，直至重量不再發(fā)生變化后進(jìn)入下一個浸泡時間段測試;各煤樣在酸液中浸泡時間分別為1、12、24 h。

3? 酸化效果影響因素分析

3.1? 礦物類型及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2表明，6塊煤樣在酸液中浸泡后滲透率增加了1.34～11.73倍，表明酸化壓裂確實能夠有效提高煤樣滲透率，且整體上碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，滲透率增加倍數(shù)越大。這主要是由于割理裂縫中的方解石（CaCO3）和白云石（CaMg（CO3）2）與酸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將碳酸鹽礦物轉(zhuǎn)化為溶于水的物質(zhì)，被水帶走，使得裂縫滲透率提高，其化學(xué)反應(yīng)式為：

圖2表明碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時，滲透率增幅較高，平均達(dá)到6.8倍以上;而碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時，滲透率平均增幅為1.4倍，這表明酸化壓力應(yīng)該選擇碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的儲層。

圖3表明，3號煤樣在酸液中浸泡后最終滲透率低于初始滲透率，這與其他煤樣結(jié)果不同，主要是由于該煤樣黏土礦物和黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到9.8%和3.2%，且高嶺石、伊利石等黏土礦物和黃鐵礦所填充在割理裂隙中，這些礦物與酸液反應(yīng)能形成固體沉淀物質(zhì)或水化膨脹導(dǎo)致滲透率降低[10]，因此一般選擇黏土礦物小于5%且黃鐵礦小于1%的儲層進(jìn)行酸化壓裂。

3.2? 浸泡時間

圖3表明，除煤樣3以外，各煤樣滲透率均隨浸泡時間增加而增加，這是由于浸泡時間越長，碳酸鹽礦物與酸液接觸時間越長，反應(yīng)越充分，滲透率增加幅度越大。圖3還表明，當(dāng)浸泡時間增加至24 h時，曲線趨于平緩，因此現(xiàn)場施工可以選擇注入酸液后燜井時間為24 h。

3.3? 煤層滲透率

圖4是根據(jù)圖3得到的，煤樣初始滲透率與酸化后增滲倍數(shù)間關(guān)系圖。

圖4數(shù)據(jù)表明，初始滲透率小于0.2 mD時，煤樣酸化后滲透率增加倍數(shù)較大，滲透率繼續(xù)增大，煤樣酸化后滲透率增加倍數(shù)降低。這是由于研究區(qū)煤樣滲透率較低的重要原因是煤巖裂縫被碳酸鹽礦物填充，因此滲透率較低的井酸化效果較好。因此一般選取滲透率小于0.2 mD的儲層進(jìn)行酸化壓裂。

4? 施工方案

4.1? 施工設(shè)計思路

酸化壓裂整體思路為先造縫、后溶縫，即通過有效造縫，為酸液波及更大的范圍，溶解更多的碳酸鹽提供條件。因此，酸化壓裂施工包括小型預(yù)壓裂、酸化處理、注替液和燜井4個環(huán)節(jié)。

4.2? 小型預(yù)壓裂

小型預(yù)壓裂是為了造縫和攜砂，小型預(yù)壓裂包括注前置液、注攜砂液和注頂替液3個階段。前置液應(yīng)控制在小型預(yù)壓裂總液量的17%以內(nèi)，避免壓裂液大量注入，進(jìn)而降低壓裂液對煤層氣儲層的傷害;另外在注入前置液的過程中應(yīng)該采用逐級提排量、控制最大排量的方式，排量從2 m3·min-1開始，每次增加1 m3·min-1，將排量提高至6 m3·min-1后保持該排量開始注入攜砂液，從而避免壓裂裂縫垂直貫穿煤層頂?shù)装澹瑴贤ê畬印y砂液和頂替液均以6 m3·min-1注人，其中頂替液量一般為10～15 m3，其余液量全部為攜砂液，砂量一般在30～40 m3之間，砂比控制在15%以內(nèi)，保證有效攜砂。

4.3? 酸化處理

該階段是為了將酸液壓入煤層中，使酸液在煤層中盡可能波及更大的面積。注前置酸是為了用酸液進(jìn)一步頂替之前注入的壓裂液，排量為? ? ? ?2.5 m3·min-1，液量為40 m3;注處理酸液是為了將酸液與煤層中碳酸鹽礦物充分接觸，通過變排量進(jìn)入不同的孔裂隙中，排量范圍為1.2～2.5 m3·min-1，液量為35 m3;最后以1.2 m3·min-1的排量注入5 m3后置酸液，結(jié)束酸化處理過程。

4.4? 注頂替液和燜井

以低于1～1.2 m3·min-1的排量注入活性水壓裂液10 m3，將酸液頂替進(jìn)入煤層中，最大限度發(fā)揮酸液作用，同時避免井筒及附近殘留酸液造成腐蝕。根據(jù)表1可知，煤樣滲透率隨著浸泡時間增加而增加，浸泡24 h時滲透率達(dá)到最大，因此燜井時間應(yīng)該在24 h以上，使酸液與碳酸鹽礦物充分反應(yīng)。

5? 現(xiàn)場試驗

H1-1井3#煤層含氣量較高，為20.5 m3·t-1;注入壓降試井滲透率為0.15 mD;煤心顯微組分分析表明碳酸鹽類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到2.1%，掃描電鏡觀測顯示部分割理裂縫被碳酸鹽類礦物填充。該井初次壓裂采用活性水壓裂，投產(chǎn)后日產(chǎn)氣量始終小于200 m3·d-1，開發(fā)效果較差（圖5）。

鑒于其地質(zhì)條件符合酸化壓裂選井原則，在排采500 d后采用酸化壓裂工藝對3#煤層進(jìn)行二次壓裂，壓裂液包括活性水壓裂液400 m3和酸液（12%鹽酸+3%氫氟酸）80 m3，壓裂砂30 m3，施工工藝按照4.2-4.4步驟進(jìn)行，壓裂施工曲線如圖6所示。壓裂后，最高日產(chǎn)氣量增加到2 400 m3，生產(chǎn)2年后，目前產(chǎn)量仍高于1 300 m3，表明酸化壓裂后效果較好（圖5）。

6? 結(jié) 論

1）研究區(qū)3#、15#煤層碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%～3.87%和0.17%～2.39%，部分區(qū)域碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且3#煤層普遍高于15#煤層。酸鹽類礦物填充在割理、裂縫中會導(dǎo)致裂縫滲透率大幅降低。

2）6塊煤樣在酸液中浸泡后滲透率增加了1.34～11.73倍，表明酸化壓裂確實能夠有效提高煤樣滲透率，且整體上碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，黏土礦物和黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，初始滲透率小于0.2 mD時，滲透率增加倍數(shù)越大，酸化效果越好。

3）酸化壓裂工藝應(yīng)該包括小型預(yù)壓裂、酸化處理、注替液和燜井4個環(huán)節(jié)，其中小型預(yù)壓裂前置液應(yīng)小于總液量的17%，應(yīng)逐級提排量，控制最大排量為6 m3·min-1，砂比小于15%。酸化處理分為注前置酸、處理酸和后置酸，排量和液量逐級降低;最后需要注入頂替液，并燜井24 h以上。現(xiàn)場試驗表明，該選井原則和施工工藝能夠有效提高單井產(chǎn)量。

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