煤层气井N2泡沫压裂技术探讨

刘长延

(中石化中原石油勘探局，河南 濮阳 457164)

煤层气井N2泡沫压裂技术探讨

刘长延

(中石化中原石油勘探局，河南 濮阳 457164)

针对中国煤储层“三低一高”的特点和常规压裂效果差、煤层气井产量低的现状，提出了煤层气井N2泡沫压裂技术。通过实验研究，优选气相、液相，优化泡沫配方，提高铺砂浓度，完善施工技术、储层保护和压后排液措施，现场应用2口井，效果显著。实践证明，N2泡沫压裂技术可有效提高煤层气井产量，推广应用前景较好。

N2泡沫;压裂;煤层气井;施工技术;效果

引 言

中国煤储层具有“三低一高”的特点，在煤层气开发试验中，有不少关键技术问题尚待解决。最为关注的问题是煤层渗透率普遍较低，地面煤层气井最常用和最有效的增产措施是水力加砂压裂。水力加砂压裂的目标是在地层中形成一条高导流能力的支撑裂缝［1］，提高煤层渗透性和气井产量。由于煤层的强吸附、低渗透、低强度特征，常规水力加砂压裂效果普遍不好，这也是目前煤层气井产量普遍不高的一个重要原因。研究应用压裂新技术，提高压裂增产效果，是地面煤层气开发的一项关键技术。

1 煤层气井常规压裂存在问题

煤层气井一般较浅，压裂常用的支撑剂是石英砂，常用的压裂液有活性水、胶液。由于胶液对煤层伤害大，目前绝大多数煤层气井都是应用活性水加砂压裂工艺。而活性水的压裂液效率低，携砂能力差，只能采用大液量、大排量、低砂比方式对煤层进行压裂改造，但仍然存在以下问题:①支撑剂运移距离短，铺置在近井地带;②大排量使缝高过大，冲刷导致煤粉量增加;③煤层性偏软，低砂比形成的微量支撑剂容易嵌入到煤层;④大液量增加了外来流体和添加剂对煤层的伤害。这些缺陷降低了裂缝的支撑长度和导流能力，导致煤层气井增产效果普遍不理想。晋煤蓝焰公司从采煤巷道观测发现，活性水加砂压裂井的支撑剂运移距离不超过50 m，大部分支撑剂堆积在井筒周围20 m范围内。

2 N2泡沫压裂技术

2.1 特点

N2泡沫由N2、起泡剂和水基压裂液组成，具有如下特点。

(1)与常规水基压裂液相比，只有固体支撑剂和少量无聚合物压裂液进入煤层，减少了外来流体对煤层的伤害。

(2)泡沫压裂液可在裂缝壁面形成阻挡层，从而大大降低压裂液向地层内滤失的速度，减少滤失量，减轻压裂液对地层的伤害。

(3)泡沫压裂液携砂性能高，可以高砂比施工，从而提高裂缝铺砂浓度。

(4)返排效果好。表现在2个方面:①由于泡沫密度低，井筒液柱压力低，对储层产生的回压也大大降低，有利于压裂液排出井筒;②流动过程中泡沫里气体发生膨胀，会产生一定能量，加速压裂液的返排。

(5)注入的N2增加了煤层中气体流动的能量和气体的渗透率，并置换被煤吸附的CH4气体［2］，从而提高煤层气产量和采收率。

2.2 泡沫体系优化

2.2.1 气相优选

泡沫压裂液的气相选择，国内外普遍采用CO2和N2，但哪种气体更适合于煤层压裂，还需进一步的研究。煤层基质中的微小孔隙具有比表面积大，吸附作用强的特点，对于CH4，其吸附－解吸完全可逆［3］，但对于CO2和N2，对其在地层条件下的吸附解吸特性以及是否会对煤层造成“气锁”伤害，还需进一步研究。模拟真实的地层温度、地层压力及压裂、返排时的压力变化情况，对煤样进行多组分吸附－解吸实验。在接近地层压力条件下先吸附CH4，达到饱和，然后在接近最小地应力的条件下吸附CO2或N2，最后降低压力共同解吸。共同解吸时模拟排水采气过程，压力低于地层压力，且逐渐降低，在此过程中，根据高压釜内气体的监测浓度计算其解吸量。室内实验和机理分析证明，煤层对CO2的吸附是不可逆的［4］，CO2置换CH4后，形成的多分子层会占据微小的煤层孔隙，从而阻碍CH4分子的解吸与扩散，形成“气锁”伤害［5］，不适合用于煤层水力压裂，更适合于ECBM(一口井注气驱动，邻井采气)。而N2的吸附解－吸过程是可逆的，可用于水力压裂。此外，煤层气井一般较浅，地层温度低，达不到液态CO2气化需要的温度。因此，煤层气井泡沫压裂液的气相选择N2。

2.2.2 液相优选

N2泡沫压裂液的液相即水基压裂液，其性能直接关系到压裂施工的成败及压后增产效果。压裂液对煤层的伤害主要有2个方面:①取决于煤层本身的特性;②压裂液带来的外来物质会造成各种伤害。选取晋城煤心，通过煤心渗透率伤害实验和吸附伤害实验进行N2泡沫的液相优选。实验结果显示，清洁压裂液、活性水有利于煤层气的解吸，活性水对煤层的伤害程度最低，清洁压裂液次之，胶液对煤层的伤害最为严重，活性水、清洁压裂液、线性胶、冻胶对煤层的伤害程度比例大致为1 ∶3 ∶6 ∶9［6］。优选出活性水或清洁压裂液作为N2泡沫的液相。

2.2.3 泡沫配方优化

通过分析影响泡沫稳定性的因素，测定表面张力和界面张力，评价压裂液流变性能、泡沫稳定性、配伍性能、防膨性能、伤害性能以及破胶性能，筛选起泡剂等各种添加剂，优化N2泡沫压裂液配方。泡沫压裂液技术指标:基液黏度为15～20 mPa·s，起泡率为210% ～260%，半衰期大于600 min。

2.3 支撑剂优选

煤层气井一般较浅，压裂过程中对支撑剂的强度要求不高，因此煤层气井压裂通常选择石英砂作为支撑剂，目前主要使用粒径为20～40目和16～20目石英砂。针对石英砂破碎率高、导流能力差的缺陷，采用特殊工艺制成的新型覆膜砂和低密度支撑剂，具有密度低、圆球度好、破碎率低、化学惰性好、防嵌入等优点，也得到了一定的应用。但由于煤岩的硬度较小，压裂中支撑剂嵌入情况较严重，煤岩易破碎，碎屑颗粒充填到支撑剂中，同时支撑剂存在破碎及吸附伤害，多种作用导致支撑裂缝的导流能力降低。实验研究表明，加大铺砂浓度、采用低破碎率支撑剂、降低压裂液伤害能在一定程度上提高煤层裂缝的导流能力［7－8］。考虑工程需要和经济成本，优选圆球度好、粒径均匀的天然石英砂或性能更好的覆膜砂、低密度支撑剂作为煤层压裂支撑剂。

2.4 煤储层保护

煤储层具有松软、割理发育、表面积大、吸附性强以及压力低等特性，由此引起高注入压力、复杂的裂缝系统、砂堵、支撑剂的嵌入、压裂液的返排及煤粉堵塞等问题，使得煤层气井储层保护更加重要。

(1)由于煤岩的表面积非常巨大，具有较强的吸附能力，要求压裂液同煤层及煤层流体完全配伍，不发生不良的吸附和反应。

(2)煤层割理发育，要求压裂液本身清洁，除配液用水应符合低渗层注入水水质要求外，压裂液破胶残渣也应较低，以避免对煤层孔隙的堵塞。

(3)压裂液须返排彻底，通过添加高效助排剂、伴注高能气体，提高压裂液返排率。

(4)入井压裂液与煤储层温度差尽可能小。

(5)支撑剂清洁无杂质。

(6)降低注入压力，减少裂缝附近压实伤害。

(7)应用煤粉分散剂，使煤粉在压裂液中均匀分布，降低施工压力;在排液时，煤粉随着压裂液排出地层，避免堵塞裂缝通道，减少开采过程中的煤粉堵塞现象，提高开采效率。

(8)放喷排液速度控制得当，排采缓慢、连续。

2.5 N2泡沫压裂施工技术

N2泡沫压裂由2组设备进行，一组负责泵注压裂液和支撑剂，另一组泵注N2，在井口前端的高压管线汇合，通过压裂井口进入井筒。地面N2以液态存储在罐内，压裂施工时通过液氮泵车将N2打入高压管汇与压裂液混合进入井内。这时N2通过了泵车的高压泵和蒸发器，变成了温度为15℃以上的N2气体，即在地面就已形成了泡沫。因而液柱压力低，造成对井底的回压低，同时泡沫的摩阻高，导致地面施工压力高，为有效地降低管柱摩阻，煤层压裂通常采用光套管注入方式。

泡沫压裂施工有3种施工控制技术:恒定内相、恒定泡沫质量和恒定井底总排量。泡沫液加入支撑剂后，泡沫液中外相仍为液相，内相变为支撑剂和气相，从施工操作方便考虑，采用恒定内相和恒定泡沫质量的控制方式，在操作上较为困难，N2泵车挡位的排量变化难以达到设计要求的变化值，因此采用恒定井底总排量方式进行施工。

2.6 压后排液

N2在压裂返排时可产生巨大的能量，为了保证压后能及时开井排液，压裂施工前应将排液工作充分准备好。在放喷流程上有比较明确的要求。压后及时开井排液，利用2条管线轮流连续放喷，并严格控制放喷排液速度。放喷初期一般控制放喷流量为20～60 L/min，待井口压力降低、裂缝闭合后逐渐增大放喷流量。放喷时要随时观测井口压力和排出液体的含砂情况。压后放喷流量控制是N2泡沫压裂返排是否出砂的关键。

3 现场应用

在山西沁水潘河矿区，中原油田应用N2泡沫压裂技术，对中联公司的PH1－6井、PH1井成功进行了N2泡沫加砂压裂施工。PH1－6井完钻井深为359.21 m，压裂煤层井段为307.0～313.0 m，施工共注入压裂液为301 m3，注入液氮为52 t，加入20～40目石英砂17 m3，平均砂比为16.7%。PH1井完钻井深为412 m，压裂煤层井段为362.60～368.60 m，施工共注入压裂液327 m3，注入液氮54.5 t，加入20～40目石英砂37 m3，16～20目树脂包衣石英砂5 m3，平均砂比为12.8%，阶段最高砂比为29%。压前气、水产量为0，压后排液5～7 d见气，PH1－6井日产气量为3 000～4 000 m3/d，年累计产气量达到112×104m3/a，PH1井日产气量为2 000～5 800 m3/d，年累计产气量达到82×104m3/a，是邻井气产量的1.5倍。在晋城、淮北、屯留等区块，应用N2伴注加砂压裂技术的煤层气井，气产量普遍较高。目前，国内清洁压裂液和N2泡沫添加剂性能更好，N2泵车配套齐全，应用新型清洁压裂液或活性水配置的无聚合物N2泡沫，必将大大提高煤层水力加砂压裂增产效果，为中国煤层气产业快速发展提供有效的技术支持。

4 结论

(1)N2泡沫滤失小，返排效果好，伤害小，携砂性能高，可以提高压裂裂缝铺砂浓度，能有效提高煤层气井压裂增产效果。

(2)N2泡沫压裂技术先进，应用效果显著，可在煤层气井推广应用。

［1］Lacy L L，Rickards A r，Bilden D M．Fracture width and embedment testing in soft reservoir sandstone［C］．SPE36421，1996:25 －29．

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Approach to N2foam fracturing technique for CBM wells

LIU Chang－yan
(Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，SINOPEC，Puyang，Henan457164，China)

Coal measures in China are characterized by“three lows and one high”，poor effect of conventional fracturing and low production，so that N2foam fracturing has been proposed for CBM wells．Experimental study has been conducted to optimize gas and liquid phases and foam formula，and to improve sand－packing concentration，operation technique，reservoir protection and postfrac fluid discharge measures．Field application in two wells has achieved remarkable result，showing N2foam fracturing can effectively increase the production of CBM wells and will have a bright application future．

N2foam;fracturing;CBM well;operation technique;result

TE357.3

A

1006－6535(2011)05－0114－03

20110322;改回日期20110610

国家科技攻关项目“沁水盆地南部无烟煤煤层气田开采技术研究”(2004BA616A－08－01);中原油田分公司重大攻关课题“煤层气藏压裂增产技术研究”(2006208－1)

刘长延(1972－)，男，工程师，1994年毕业于江汉石油学院采油工程专业，2006年毕业于中国石油大学(华东)油气田开发工程专业，获硕士学位，主要从事压裂工艺和煤层气开发技术研究应用工作。

编辑 王 昱