煤层气井压裂技术现状研究及应用.docx

煤层气井压裂技术现状研究及应用 摘 要：煤层气其主要成分为高纯度甲烷。煤层气开发的主要增产措施是压裂，而压裂设计是实施压裂作业的关键。本文介绍了煤层气储层的特征，并根据美国远东能源公司煤层气井压裂工艺技术，对其在山西寿阳区块几口井的压裂设计进行了分析。讨论了煤层气井压裂设计的主要参数如施工排量、压裂液、支撑剂、加砂程序的优化措施。 关键词：煤层气 储层 压裂设计 小型压裂测试 树脂涂层砂 1 引言 美国是率先进行煤层气开采的国家，其煤层气工业起步于70年代，大规模的发展则是在80年代。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，经测算煤层甲烷总资源量为30351012 m3，约是美国的三倍。我国煤层气目前处于商业化生产的阶段。至今已在全国各煤矿区施工600多口煤层气井、10余个井组，大部分进行了压裂增产等措施。煤层气是我国常规天然气最现实、最可靠的替代能源，开发和利用煤层气可以有效地弥补我国常规天然气在地域分布上的不均和供给量上的不足。山西省是中国煤层气储量最丰富的地区之一，开发利用煤层气的优势十分突出，如何坚持科学发展的指导思想，解决开发利用过程中遇到的难点和瓶颈问题，达到合理有效地开发利用是我们当前应该着重思考的问题。 2 煤层气概况 煤层气俗称瓦斯，其主要成分为高纯度甲烷，是成煤过程中生成的、并以吸附和游离状态赋存于煤层及周岩的自储式天然气体，属于非常规天然气。在亿万年漫长的煤炭形成过程中，都有以甲烷为主的气体产生，如果它较多地从母质煤炭岩层中游离迁移出来并进入具有孔隙性和渗透性均良好的构造中储存积聚，则被称为煤成气（即煤基天然气），其开采方式与常规天然气较相似。 2.1 煤层气的赋存特点 煤层气藏与常规气藏最大的差异就是煤层甲烷不是以简单的游离状态储存于煤岩的孔隙中，煤层气中90%以上均是吸附状态附着于煤的内表面上，少量的煤层气是以游离状态储存于煤岩的割理、裂隙和孔隙中，还有部分煤层气是以溶解状态储存于煤层水中。煤是一种多孔介质，其中微孔隙特别发育，形成了异常巨大的内表面面积，据测定每吨煤的内表面面积可达0.929亿m2 。煤的颗粒表面分子通过范德华力吸引周围气体分子，这是固体表面上进行的一种物理吸附过程。压力对吸附作用有明显影响，国内外的研究均表明，随着压力增加，煤对甲烷的吸附量逐渐增大。 2.2 煤层气储层特征 煤层气储层具有特殊的孔隙结构和渗流特征，对外界条件比较敏感，易受外来液相、固相、压力变化等的影响，比常规油气储层更易受到伤害。煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙，具有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许多方块（基质块体）：基质是主要的储气空间，而裂隙是主要的渗透通道。 2.3 煤层气储层微观破坏机理 煤的孔隙结构是煤中挥发分在成煤过程中转变为固定炭时形成的许多微小气孔组成。煤岩的孔隙裂隙系统可以看成由微孔隙和颗粒间的微裂隙组成。通过前人进行的煤结构观察实验分析可以得出，煤层气煤岩的微观破坏形式是沿微孔隙某个方向的穿粒断裂和沿晶（即沿裂隙或节理层理）断裂及它们之间的相互耦合，如图1所示。 图2-1 煤的微观断裂形式 穿粒和沿晶断裂主要有两种类型：第一类是具有微孔隙和微裂隙的断裂；第二类是无微孔隙存在的沿晶断裂，如图2所示。 图2-2 煤的穿粒、沿晶断裂 3 煤层气井压裂技术现状 3.1 煤层气井压裂 3.1.1煤层压裂目的 煤层的压裂目的是解除污染堵塞，沟通井筒与煤层天然裂缝系统，增加水产量促进降压速度，加快气体解吸产出；扩大井筒附近压降分布范围，避免应力集中。 3.1.2煤层气井压裂设计要素优化讨论 压裂设计是实施压裂作业的关键，需要周密地考虑储层特性、井筒设计、压裂方法、压裂设备、压裂液和支撑剂等方面。现就以下几个方面分析： （1）施工排量：是压裂设计的关键参数，它会影响施工泵压、管柱摩阻、静压力，进而影响裂缝的几何尺寸。施工排量主要取决于完井方式，井身结构、压裂注入方式、压裂管柱、井口压力和压裂设备功率等因素的限制，同时对裂缝高度有一定的影响。 （2）压裂液：首先，所选择的压裂液必须与储层具有良好的配伍性，尽量降低对地层的污染；其次，必须能够造成足够宽的裂缝来容纳支撑剂，同时具有强的携砂能力。目前应用活性水作为压裂液比较广泛，它的成本低，性能好，易于使用，但可能引起水敏性地层的损害，而且不得已利用大排量来弥补高滤失，对压裂设备要求较高。 （3）支撑剂：理想的支撑剂的特性为强度高、抗腐蚀、低重力、成本低。 （4）砂比：不同的压裂液体系对于砂比的要求不同。在煤层气井压裂中，对于活性水压裂液体系来说，一般要求平均砂比在10%-15%左右。如果采用携砂能力强的清洁压裂液体系，砂比可达20-25%，最高砂浓度能达到650Kg/m3，能够改造所有层，并且降低了施工压力和施工排量。 3.2 美国远东能源公司煤层压裂技术思路分析 2.压裂前进行小型压裂测试。 施工前进行小型测试压裂，以确定储层的滤失系数、裂缝延伸速度、延伸压力、裂缝闭合压力等重要设计参数。在小型压裂前，循环试压，稳压10分钟，压降小于5%为合格。试压合格后，灌满井筒，然后进行小型测试压裂，迅速提高排量，在排量8.0m3/min下得到破裂压力后，稳定排量，然后降排量测试，排量阶梯降分别为8、6、4、2m3/min，停泵测压30分钟，然后再开始正式加砂压裂。 3.采用活性水压裂液体系。 压裂液在压裂改造中起着很重要的作用，美国远东公司在压裂液中采用了几种较为先进的添加剂。加入一定浓度的消泡剂，防膨剂，助排剂和杀菌剂配制成需要的活性水压裂液，降低了对地层孔隙的污染，成本较低，是目前最主流的压裂了体系。 4.采用树脂涂层砂作为支撑剂。 在人工裂缝的尺寸方面采用了长裂缝的设计理念，采用中强度支撑剂树脂砂，防止支撑剂回吐和改善导流能力。树脂涂层砂的作用原理是在压裂石英砂颗粒表面涂敷一层薄而有一定韧性的树脂层，该涂层可以将原支撑剂改变为具有一定面积的接触。当该支撑剂进入裂缝以后，由于温度的影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使颗粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，将原来颗粒之间的点与点接触变成小面积接触，降低了作用在砂砾上的负荷，增加了砂粒的抗破碎能力。固结在一起的砂砾形成带有渗透率的网状滤段，阻止压裂砂的外吐。而且原油、地层水和酸对树脂涂层砂没有影响。 这种支撑剂渗透率高，强度比石英砂大，具有较好的裂缝传导率，其几何形状、强度和耐高温抗化学作用性都很好。预固化树脂包层砂是近10余年来发展起来的，针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成。一般它的颗粒密度为2.55kg/m3，比石英砂略轻。由于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层的面积上减少了点负荷。这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支撑剂带的孔隙，使裂缝保持有较高导流能力。 5.采用了大排量压裂车组作保障，单井的最低排量达到8 m3 /min。 施工排量可以影响施工静压力，从而对裂缝高度、长度、几何形状会有直接的影响，由于煤层气储层的特殊特点，国内外一般在压裂煤层时采用高排量施工，用以弥补煤层对活性水滤失大的缺陷。 6.正式加砂压裂时采用前置液与携砂液交替注入的方式，每注入一次前置液时，携砂液的浓度增加30kg/m3。携砂液浓度由最初的60kg/m3提高到180kg/m3，直到加砂完成。 3.3 现场应用及效果 3.3.1基本井况 2010年4月份，在山西寿阳某区块现场试验6口煤层气井。这几口井完井深度从654m-876m不等，煤层厚度3.1m-10.1m之间，山西组5#和9#煤层，施工管柱为光套管，套管规格有139.7mm和177.8mm两种。完井方式为射孔完井，127枪/1m弹，16孔/m。 3.3.2施工工艺 现场施工采用光套管注入，压裂前灌满井筒10m3活性水，注入前置液30m3后排量阶梯降进行小型压裂测试，求得裂缝闭合压力和破裂梯度等重要参数。再开始正式加砂压裂，其中两口井支撑剂各为20/40目石英砂23.2m3 、40/70目树脂砂23.7m3。而前置液和携砂液交替注入的方式，加砂浓度从64.4kg/m3和66kg/m3分别提高到177.1kg/m3和181.5kg/m3完成加砂泵注程序后停泵测压降90分钟。破裂压力分别为8.3MPa-16.23MPa之间，排量控制在8m3 /min左右。 3.3.3压后效果 这6口井压后效果显著，其中效果最显著的一口井平均产水量达到17m3 /d，产气量2200 m3 /d，证明了美国远东能源公司此次在山西寿阳区块的试验压裂非常成功。 4 结论与认识 （1）我国煤层气压裂起步较晚，相对国外的先进水平，存在一定的差距。美国远东能源公司的煤层气压裂工艺比较先进，而且压后效果显著，值得借鉴和学习。 （2）压裂设计作为煤层气开发的主要增产措施还有待进一步提高。压裂工艺技术的改进主要可以从施工排量，压裂液体系和支撑剂几个方面完善优化。压裂液中尽可能少地使用添加剂，特别是有机类添加剂，以减少对煤储层的伤害。压裂液和支撑剂的性能是压裂过程中取得良好效果的有力保证。 （3）裂缝的有效长度，宽度和缝口的导流能力大小是影响增产效果的主要条件。 （4）树脂砂在某些地区煤层气井压裂中的应用效果很好，值得研究应用并推广。 参考文献 吴达才.关于煤层气开发利用的思考.太原科技，2008；01（01） 雷群等. BJ公司压裂技术思路分析.天然气工业，2004；24（1