煤层气体积压裂施工参数优化

彭鹏，杨兆中，梅永贵，郭简，李小刚，路艳军

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500；2.中国石油山西煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）

煤层气体积压裂施工参数优化

彭鹏1，杨兆中1，梅永贵2，郭简2，李小刚1，路艳军1

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500；2.中国石油山西煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）

我国煤层气藏具有低压、低饱和、低渗透、非均质性强、储层构造复杂、临界解吸压力低的特点。山西沁水盆地煤层气井经过常规的压裂技术改造后，依旧产量低下、产量递减速度快。为了提高单井产量，借鉴页岩气井的体积压裂技术。选用一口井作为模拟井采用体积压裂技术，优选出一组施工参数为：800 m3液量规模，45%的前置液比例，4.5 m3/min的前置液排量，7 m3/min的携砂液排量，8%的平均砂比并采用2个段塞。对X井进行现场施工，实际施工参数与模拟出的施工参数较符合，根据排采曲线可得日产量达900 m3，结果表明，使用体积压裂技术增大改造体积，提高单井产量，对煤层气的开采具有广泛的推广意义。

煤层气；体积压裂；施工参数

1 体积压裂的概念

体积压裂是从页岩气开发发展起来的一种新型压裂技术。该技术在水力压裂时，借鉴微地震监测技术，通过大规模滑溜水压裂，采用大液量、大排量来增大“增产改造体积”[1-4]。在水力压裂主裂缝延伸过程中，应力场的变化和流体的渗入，导致天然裂缝张开及剪切滑移，从而在脆性岩石中形成人工裂缝和天然裂缝相互交错的三维立体裂缝网络系统，增加了裂缝改造体积，裂缝形态从常规砂岩储层简单的单翼平面缝转变为大规模的裂缝带，达到扩大裂缝改造体积、改善储集层渗流通道的目的。

2 煤层气体积压裂的可行性

煤岩是一种特殊的沉积岩，具有高泊松比、低弹性模量、割理发育的特点[5]。我国煤层气藏具有低压、低饱和、低渗透（渗透率通常小于1×10-3μm2）、非均质性强、储层构造复杂、临界解吸压力低[6-7]的特点。这决定了每口井要达到经济产量必须采用压裂改造措施。而影响煤层压裂效果的关键因素是储层的泄气面积和储层中煤层气向井筒解吸—扩散—渗流的速度。常规的水力压裂主要是增大泄气面积、提高渗流能力，但不能解决煤层气解吸扩散的问题。而在一定条件下的体积压裂能够把煤层“切割”成各级大小的煤块，增大了泄气面积的同时，加快了煤层气解吸扩散的速度，能够“缩短”煤层中气体流向井筒的距离，进而提高了煤层气单井的产量[8]。

体积压裂改造工艺技术可明显改善煤储集层的渗流环境，提高单井产量；其增产改造效果与煤储集层内天然裂缝、节理与层理等结构薄弱面的发育程度、岩石的脆性指数和水平主应力差值等密切相关，并用MEYER软件数值模拟了山西临汾煤层气井组的一口井，证明了在煤储集层内实施体积压裂技术是可行的[9]。因此，借鉴页岩气有效开发的研究成果和思路，考虑在煤层气开采中采用体积压裂技术，在煤层中形成裂缝网络，增大裂缝改造体积，从而提高产量。

3 体积压裂施工参数优化研究

3.1 施工参数范围选择

3.1.1 液量优选

常规压裂施工需要液量600 m3左右，而体积压裂需要液量较大，所以选用600～800 m3的压裂规模进行施工。

3.1.2 前置液比例优选

前置液量决定了在支撑剂到达裂缝端部前可以获得多少裂缝的穿透深度。对于煤层这样的高滤失层更是如此。所以，必须泵注充分的前置液量才是造出所需缝长的关键。结合地层滤失情况，优化前置液比例为25%～45%。

3.1.3 施工排量优选

煤层厚度较薄，压裂容易出现穿层的现象，采用缝网压裂软件模拟观察活性水在不同排量下形成的裂缝形态。结果发现，裂缝高度随排量增加而增大，当活性水排量大于8 m3/min后裂缝高度上窜十分的严重。因此，优选出该区煤层气缝网压裂施工前置液排量在4～6 m3/min，携砂液阶段排量在6～8 m3/min。

3.1.4 平均砂比优选

根据缝网压裂软件模拟不同砂比情况下的支撑裂缝长度，结果发现平均砂比为8%时支撑裂缝较长，平均砂比18%时形成的裂缝导流能力较高，但支撑长度较短，且导流能力不均匀。因此，平均砂比应控制在8%～18%。

3.1.5 段塞数量

段塞就是在前置液中泵注几段少量支撑剂的混砂液。段塞的有效性就在于它借助水力切割作用对弯曲裂缝进行冲刷、打磨、切割，使裂缝表面平滑，从而降低或消除近井地带裂缝弯曲摩阻。另一方面，前置液中的支撑剂在多裂缝刚产生之时可在除主裂缝外的其它狭窄裂缝中快速聚集形成阻碍液体流动的砂团，阻止裂缝进液，裂缝不再延伸，从而使得主裂缝变得更宽，保证了主裂缝的延伸，为随后的携砂液提供了所需的通道。根据现场经验，选择段塞数量为0～4个[10]。

3.2 施工参数优化设计

为了更好地指导体积压裂技术的现场应用，根据山西沁水盆地南部储层压裂地质特征情况，通过各种资料综合选择出适合进行缝网压裂的X井，其主要参数见表1。

利用正交设计软件设计出了关于液体规模、平均砂比、前置液比、前置液排量、携砂液排量、段塞数量的6因素5水平正交实验（表2），以期优化出一组施工参数，来指导现场应用。

利用缝网压裂软件，对上述施工参数优化正交实验表给出的模拟组合进行模拟计算，得压裂裂缝形态三维图（图1）和直观分析见表3。

从直观分析表中可以看出，前置液比的极差最大，其次是液体规模、段塞数量、前置液液排量、平均砂比，最后是携砂液排量，即对SRV影响程度从大到小依次为：前置液比、液体规模、段塞数量、前置液排量、平均砂比，携砂液排量。作出直观分析见图2。

表1 所选井主要参数Table 1 The main parameters of a selected well

表2 模拟井缝网压裂施工参数优化正交Table 2 Fracturing construction parameter perpendicularity of simulated well seam net

图1 模拟井体积压裂裂缝形状压裂裂缝形态三维Fig.1 Three dimensional volume fracturing fracture shape of a simulated well

表3 模拟井模拟结果直观分析Table 3 Simulated result visual analysis of a simulated well

根据直观分析图，SRV随主要因素前置液比和液体规模的增大而不断增大。结合现场实际情况以及成本考虑，各个指标应选择高前置液比、大液量、中等段塞数量、中等偏小前置液排量、低平均砂比、中等携砂液排量进行施工，得最优水平组合模拟结果见表4。

图2 直观分析Fig.2 Visual analysis

从上表可知，优化出的最优水平组合的增产改造体积SRV为96 738 m3，高于之前所模拟的结果，说明优化出的水平组合是最优的。

因此，针对模拟井的体积压裂改造正交模拟的施工参数为800 m3液量规模，45%的前置液比例，4.5 m3/min的前置液排量，7 m3/min的携砂液排量，8%的平均砂比并采用两个段塞。

表4 模拟井最优水平组合模拟结果Table 4 Simulated results of the optimized level combination of a simulated well

表5 X井施工参数Table 5 Construction parameters of well X

图3 X井压裂监测结果Fig.3 Fracturing monitoring results of well X

表6 检测数据与评价结果Table 6 Test data and evaluation results

4 实例应用

2013年10月份对这口井进行了体积压裂，其压裂施工参数见表5。

压裂后割理检测结果见图3，检测数据及评价结果见表6。

俯视图表明，X井压裂，人工割理方向北西向，存在两组以上平行割理、斜切割理，压裂效果较好。侧视图表明了压裂割理高度及其随长度的变化，X井压裂，割理高度大体平稳。从结果看割理在井的两侧发育是不对称的，东翼割理偏长。割理的不对称产生的原因通常是由于地层岩体几何形状的复杂性和渗透率的差别造成的。由平行于割理方向侧视图可以看出平均割理面倾向西南，倾角为2°。

到2015年5月，X井的排采曲线（图4）。

图4 X井的排采曲线Fig.4 Production curves of well X

X井在2014年5月开始产气，在2015年3月15日前日产气为300 m3/d，到5月9日产气不断增加至900 m3/d，产量还有不断增大的趋势，说明体积压裂在这口井取得了很好的效果。

5 结论

1）根据调研国内外体积压裂的文献，借鉴页岩气等非常规天然气实施体积压裂的成功经验，针对煤层气层提出了体积压裂的改造措施。

2）根据体积压裂的适用条件优选出一口模拟井，并利用煤层气井体积压裂软件对模拟井进行施工参数优化设计，得出了煤层气井体积压裂的最优施工参数为800 m3液量规模，45%的前置液比例，4.5 m3/min的前置液排量，7 m3/min的携砂液排量，8%的平均砂比并采用2个段塞。

3）现场施工一口X井，实际施工参数与模拟出的施工参数较符合，借鉴微地震监测技术，并根据排采曲线可得，产量达到900 m3/d，此口井使用体积压裂技术达到了增大改造体积，提高单井产量的目的。

[1]吴奇，胥云，刘玉章，等.美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示[J].石油钻采工艺，2011，33（2）：1-7.

[2]吴奇，胥云，王晓泉，等.非常规油气藏体积改造技术——内涵、优化设计与实现[J].石油勘探与开发，2012，39（3）：352-358.

[3]陈作，薛承瑾，蒋廷学，等.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议[J].天然气工业，2010，30（10）：30-32.

[4]Mayerhofer M J,Lolon E,Warpinski N R,et al.What is stimulat⁃ed reservoir volume?[J].SPE 119890,2010,25(1)：89-98.

[5]李增学，魏久传，刘莹.煤地质学[M].北京：地质出版社，2005.

[6]冯三利，叶建平.中国煤层气勘探开发技术研究进展[J].中国煤田地质，2003，15（6）：24-28.

[7]刘贻军，娄建青.中国煤层气储层特征及开发技术探讨[J].天然气工业，2004，24（1）：68-71.

[8]罗平亚.关于大幅度提高我国煤层气井单井产量的探讨[J].天然气工业，2013，33（6）：1-6.

[9]程林林，程远方，祝东峰，等.体积压裂技术在煤层气开采中的可行性研究[J].新疆石油地质，2014，35（5）：598-602.

[10]曾雨辰.砂段塞工艺在中原油田斜井压裂中的应用[J].天然气工业，2004，24（9）：60-63.

（编辑：尹淑容）

Construction parameter optimization of coalbed methane volume fracturing

Peng Peng1,Yang Zhaozhong1,Mei Yonggui2,Guo Jian2,Li Xiaogang1and Lu Yanjun1
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.Shanxi Coalbed Methane Gas Exploration and Development Company,PetroChina,Jincheng,Shanxi 048000,China)

The coalbed methane(CBM)in China has many characteristics,such as low pressure,low saturation,low permeability, strong aeolotropism,complex reservoir structure and low critical desorption pressure.Although conventional fracturing technology reform was implemented in CBM wells of Qinshui basin in Shanxi Province,the production was still low and declined rapidly.In or⁃der to improve per well production,this paper drew lessons from volume fracturing technology of shale gas wells.Choose a well as a simulation well and volume fracturing technology was adopted.A set of construction parameters were selected,involving 800 m3flu⁃id volume,45%ahead fluid,4.5 m3min ahead fluid volume,7 m3/min sand carrying agent,8%average proppant concentration and two slugs.Field construction of well X shows that,the actual parameters correspond with simulated parameters,and daily pro⁃duction reaches 900 m3according to production curves.The results indicate that volume fracturing technology can increase reser⁃voir volume and per well production,thereby providing references for CBM exploitation.

coalbed methane(CBM),volume fracturing,construction parameter

TE371

A

2015-07-13。

彭鹏（1991—），男，在读硕士研究生，油气藏增产改造理论与技术研究。