液氮伴注辅助水力压裂技术在构造煤储层煤层气增产中的应用研究

2012-12-16许耀波

中国煤层气 2012年4期

许耀波

( 中煤科工集团西安研究院，陕西 710054)

清水加砂压裂是改造煤层气储层最有效的技术措施之一，在煤层气勘探开发过程中被广泛应用，随着煤层气勘探开发朝着复杂地质条件的进行，尤其对于煤层渗透率和煤岩力学性能更加糟糕的构造软煤，采用常规的清水加砂压裂增产效果不是很理想，而液氮伴注辅助水力压裂复合技术在提高构造煤储层增产效果方面具有潜在的优势。

国外20 世纪90 年代已成功的将液氮伴注辅助水力压裂技术应用于煤层气储层增产改造中，国内到目前为止只有在山西原生结构煤中进行了现场试验，而对于构造煤这种复杂煤储层改造还没有应用先例，而液氮伴注辅助水力压裂复合技术能把常规的清水加砂压裂改造复杂煤储层的劣势转变为优势。于是通过精心的选井与优化设计研究，对淮北地区芦岭井田构造软煤开展液氮伴注辅助水力压裂复合增产先导性试验，取得了非常理想的效果。

1 淮北芦岭井田构造煤储层特征

淮北芦岭井田8 +9 号煤在构造应力的作用下，煤层发生反复的搓揉、挤压，致使煤的结构、构造与原生结构煤有巨大差异。通过系统总结分析，认为8 +9 号煤储层物性具有以下特征:

(1) 煤体结构特征主要以鳞片煤和揉皱煤为主，塑性变形明显，原生结构、构造被全部破坏，宏观裂隙、显微裂隙不太发育。

(2) 煤的孔喉类型主要以微孔和超微孔为主，煤的总孔容和比表面积较大，致使煤吸附煤层气量高，吸附能力强，煤层气愈不易解吸产出。

(3) 煤的孔喉较细，并且连通性较差，致使煤层渗透率较低，煤层气在煤层空隙中扩散运移速度缓慢，增大煤层气开采难度。

(4) 煤中粘土含量较高，并且孔喉对压裂液的吸附能力强，常规的清水压裂容易使压裂液大量滞留煤层空隙中，引起粘土膨胀，造成煤储层伤害，增产效果受到严重影响。

基于构造煤储层的上述特征，采用常规的水力压裂增产效果十分有限，因此提出了液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术。

2 液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术及现场实施

2.1 液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术原理

煤层气井液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术是采用液氮和清水压裂液组成的液-液两相混合液，在压裂过程中以伴注的形式注入煤层气井，随着温度和压力的变化，液氮在井筒内开始气化，产生大量的氮气，最终形成气液两相混合物进入煤层，同时这些氮气能对煤层产生多种作用。

(1) 氮气向煤层深部扩散，能够提高地层能量，阻止压裂液向煤层气储层深部吸渗，有助于压裂液快速排出，能够有效的抑制煤储层的粘土膨胀，减少压裂液对煤储层的污染。

(2) 氮气在等压状态下能通过降低游离甲烷分压，影响其吸附等温线，达到吸附甲烷被解吸出来，起到很好的增产效果。

2.2 液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术现场实施

本次试验选择淮北芦岭井田WLG05 井作为试验井，试验的目标煤层为8 +9 号煤，埋深794．0～808．8m; 厚度为12．1m，储层压力为7．5MPa，储层温度为34℃。

现场压裂施工采用常规的高压泵车组将活性水压裂液与液态氮混合压入地层，活性水施工排量为7．5m3/min 左右，液态氮排量为0．3m3/min，本次施工累计压入液态氮30m3，压裂完毕以后关井15天，让氮气在煤层中充分扩散。

压后排采阶段对井底压力、日产水量、日产气量数据进行采集，并且每月取一次水样进行水质分析，产出气的气体组分分析由气相色谱仪在实验室完成，在开始产气阶段，每5 天进行一次，在产气稳定阶段，改为每10 天进行一次。

3 液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术应用效果分析

3.1 排液情况分析

通过对产出水的水质分析可以看出，PH 值基本维持在7 左右，刚开始水中K+、Cl-的含量较高，随着排采作业的持续进行，3 个月后产出水中K+、Cl-的含量明显低于其它几口井的含量，不难看出前3 个月排采使压裂入井液体大量排出，产水以压裂液为主，排采后期出水则以煤层水为主。说明液氮气化以后产生大量氮气，扩散到煤层的深部，占据大部分空隙体积，提高了地层能量，有效地阻碍了压裂液向深部煤层渗流，有利于压裂液的快速彻底排出，减少压裂液对煤层的污染。

3.2 气成份变化分析

对采集气体进行气成份分析，取不同阶段测试数据如表1。

对气成分变化进行分析，刚开始氮气浓度较高，最高达到9．7%，之后缓慢降低，约120 天后，氮气浓度降到约2．2%，甲烷浓度开始为88．8%，之后甲烷浓度缓慢增高，约120 天后甲烷浓度上升到96．9%，说明产出气体中主要以甲烷为主，刚开始甲烷浓度低主要是气化后形成大量游离氮气影响的结果。

表1 不同阶段产出气体成分测试数据表

3.3 增产效果分析

WLG05 井实施液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术后，气产量增加迅速，产气量最高突破3000m3/d，进入稳定阶段，产气量基本稳定在1500m3/d 左右。

对比分析WLG05 井和其它几口常规清水加砂压裂井，在排采强度相对稳定的情况下，N2在等压状态下能通过降低游离甲烷分压，影响其吸附等温线，达到吸附甲烷被解吸出来，产气量增加明显，高产稳产时间长，较其它井增产效果达到50%，表明液氮辅助水力压裂复合增产技术对构造软煤具有良好的增产效果。

图1 氮气伴注与活性水压裂产气效果对比图

4 液氮伴注辅助水力压裂技术对构造煤储层增产的意义

通过对上述液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术应用效果进行分析，在压入液氮后，单井产气量明显增加，高产稳产时间更长。说明在构造煤储层中，煤的吸附能力强、微孔结构发育以及渗透率低等特征致使甲烷在煤储层中解吸、扩散、运移速度缓慢，不利于煤层气开采。采用常规的水力压裂只能提高气体的产出运移速度，无法提高构造煤储层甲烷分子解吸、扩散速度困难的问题。而采用液氮辅助水力压裂后，一方面液氮气化以后产生大量氮气，扩散到煤层的深部，提高地层能量，有效地阻碍了压裂液向深部煤层渗流，有利于压裂液的快速彻底排出，减少压裂液对煤层的污染，有助于煤层解吸出来的气体向裂缝扩散; 另一方面液氮在等压状态下能通过降低游离甲烷分压，影响其吸附等温线，达到吸附甲烷被解吸出来，因此能够有效提高甲烷在煤储层中解吸、扩散、运移速度缓慢问题，从而提高煤层气井煤层气产量，表明液氮伴注辅助水力压裂技术可以达到增加构造软煤气产量的目的，对构造软煤具有很好的适应性。