深层煤层气压裂技术的研究与应用

2015-12-29张军涛,郭庆,汶锋刚

延安大学学报（自然科学版） 2015年1期

深层煤层气压裂技术的研究与应用

张军涛，郭庆，汶锋刚

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安710075)

摘要：水力压裂是煤层气开采最有效的方式，延长矿区深层煤层气井的煤层深度达2000 m左右，由于煤层埋藏深和施工压力高等特点，压裂技术难度大，没有成熟的经验可以借鉴。介绍了延长矿区深层煤层气压裂技术，该压裂技术采用了活性水压裂液、大排量低砂比、脉冲加砂和复合支撑的思路，目前该技术已成功在延长的深层煤层气井上进行了2口井的现场压裂试验。

关键词：深层煤层气；压裂；应用；排量

中图分类号：TE358

文献标识码：A

文章编号：1004-602X(2015)01-0078-03

收稿日期：2014-11-20

基金项目：国家科技支撑计划项目“陕北煤化工CO2捕集、埋存与提高采收率技术示范”(2012BAC26B00)

作者简介：张军涛(1981—)，男，陕西宝鸡人，陕西延长石油(集团)有限责任公司工程师。

Abstract：Hydraulic fracturing is the most effective way of coal bed methone(CBM)exploitation, the depth of deep CBM well of the Yanchang Petroleum mining area is about 2000 m,by coal bed buried deep and construction pressure is high,fracturing technology is difficult,not mature experiences can be used.This paper introduces deep CBM fracturing technology of the Yanchang Petroleum mining area,the fracturing technology used water activity of fracturing fluid,large displacement sand ratio low pulse with sand and composite support ideas.At present, the technology has been successfully tested in 2 deep CBM wells of the Yanchang Petroleum mining area.

延长石油所处的鄂尔多斯盆地发育石炭—二叠纪和侏罗纪两套含煤岩系，煤层发育，厚度大。盆地内埋深1000～2000 m煤层气资源量大。盆地深层巨大的煤层气资源预示着广阔的勘探开发前景。开采煤层气必须在煤层与井筒之间建立有效的连通孔道，而产生这种连通孔道的最有效方式是对煤层进行水力压裂[1]。煤层气井压裂与油气井压裂相比在技术上有很大的差异：煤层割理系统发育，滤失严重，难以形成长缝；煤层温度低，容易吸附和伤害，储层保护难度大；煤层压裂完后，支撑剂和煤粉反吐控制难度大[2]；可见，煤层气压裂施工难度较大。而延长矿区深层煤层气井的煤层深达2000 m左右，压裂施工的技术难度远大于常规煤层气井，没有成熟的经验可以借鉴。针对深层煤层气压裂存在的难题，延长的压裂技术人员通过多年的技术攻关，形成了适合延长深层煤层气的压裂技术。该技术主要由深层煤层气压裂液技术和深层煤层气压裂工艺技术组成。

1深层煤层气压裂液技术

水力压裂改造煤层的过程中，压裂液不但起到造缝和携砂的作用，同时由于压裂液侵入压裂储层，还会对储层造成一定的伤害，特别对于比表面较大的煤层，其伤害程度尤为严重。为此，压裂液的研究不但要满足压裂工艺的要求，具有较高的粘度以满足造缝和携砂的要求；而且更重要的是压裂液必须与储层配伍性良好，从而尽可能地降低由于外来液体的侵入对地层带来的伤害。由此可见，煤层气井用压裂液的研究应首先在认识煤储层特征的基础上[3]，再结合压裂工艺的要求，形成既能保证压裂施工顺利实施，又能减少压裂液对煤层造成的伤害。

1.1　目前常用煤层气压裂液类型

(1)活性水压裂液

活性水压裂液主要成分是清水、活性剂、防膨剂和助排剂等。活性水压裂液粘度低、伤害低和易返排，不存在破胶等问题，对煤层污染相对较轻，可以在排水采气时随地层水一同采出。主要不足是：携砂能力相对较差，滤失大。

(2)瓜胶压裂液

瓜胶压裂液与活性水相比，具有携砂能力强、滤失低和相对造缝长等优点。但水基压裂液在煤层中返排困难、存在破胶不彻底和残渣吸附伤害等问题，对煤层污染伤害严重。

(3)清洁压裂液

近年来，清洁压裂液已在国内外的煤层气压裂中大量使用[4]。该压裂液主要优点是：易破胶，破胶后不含固相残渣；对煤层中的粘土有良好的防膨效果，能够降低粘土膨胀对煤层的伤害[5]；携砂能力强，抗剪切力强，压裂时排量的选择空间较大，有利于控制裂缝的纵向延伸，有利于形成更长的支撑裂缝；清洁压裂液施工时，摩阻较低，可以降低施工时的水马力。但该压裂液在煤层中的吸附对煤层造成的影响一直存在争议，应根据储层情况慎用[6]。

(4)泡沫压裂液

泡沫压裂液是一种优质的低伤害压裂液体系，是压裂液类型的重要组成部分，具有粘度高，滤失低，清洁裂缝，损害小等特点。国外已于20世纪90年代将CO2泡沫压裂技术成功应用于煤层气储层改造。我国近几年来也开始将N2和CO2泡沫压裂技术成功应用于煤层气储层的改造[7]。但该压裂液由于返排控制难度较大，返排过快容易造成煤粉的二次运移，造成堵塞伤害，同时也存在施工成本较高和施工准备时间较长等问题。

1.2　延长深层煤层气压裂液优化

煤层气井用压裂液在一定程度上，可以借鉴现行水基压裂液性能评价，但由于煤层气储层割理发育、表面积大、吸附性强、压力低等与油藏储层不同的特性，由此而引起的高注入压力、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，使得煤层气井用压裂液与油气田压裂液存在着差异。考虑到煤层的特点及压裂工艺的要求，对煤层气井用压裂液的各添加剂、压裂液性能及经济成本进行了优化，其优化原则为：

(1)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；

(2)开发适合煤层气压裂用的压裂液材料，使之与煤层相配伍；

(3)在保证压裂工艺及施工条件下，降低压裂液成本，以满足市场经济的要求。

根据延长煤层气储层特征和优化原则，对瓜胶压裂液、清洁压裂液和活性水压裂液在室内通过大量的实验进行了评价，实验得出活性水压裂液的伤害率远低于瓜胶压裂液和清洁压裂液的伤害率。因此，为了达到煤层气储层保护的目的，优选活性水为延长石油的深层煤层气压裂液。

2深层煤层气压裂工艺技术

在总结了国内外煤层气井的压裂经验的基础上，针对活性水压裂液的特点，优化形成了大排量、低砂比、脉冲加砂和复合支撑的煤层气压裂工艺技术。

2.1　大排量压裂技术

由于煤层存在大量的天然割理系统和压裂采用的为活性水压裂液，导致煤层气在压裂过程中液体滤失量大、液体效率低[8]，为了提高液体效率，并结合活性水压裂液的特点，优选了大排量注入压裂液的方式，以便有效控制液体滤失，以保证裂缝有效延伸，提高煤层改造的有效半径。

2.2　低砂比压裂技术

煤层的特性、压裂液、排量和支撑剂的密度共同决定了煤层气压裂的砂比。煤层性脆、易滤失和易破碎的特性导致煤层在压裂过程中容易砂堵，压裂液粘度低也容易导致砂堵，采用低砂比压裂技术可有效防止煤层砂堵，有利于增加裂缝缝长。

2.3　脉冲加砂技术

煤层气获得增产的主要途径是尽可能的沟通天然割理系统和增加缝长。脉冲加砂工艺是在压裂施工过程中，采取前置液和携砂液多次交替注入的方式来泵入支撑剂。该技术不但有利于尽可能多的沟通天然割理系统和增加缝长，而且还可以有效防止砂堵，降低施工风险，提高压裂成功率。

2.4　复合支撑技术

延长矿区煤层气储层闭合压力小于20 MPa，经技术经济综合评价，支撑剂优选石英砂。针对煤层气储层易滤失的特点，在加砂前期先加入细粒径支撑剂对天然割理进行处理，以降低滤失；在加砂中期加入中粒径支撑剂以达到裂缝延伸的目的；在加砂后期加入粗粒径支撑剂，充填井筒边缘地带，人工的形成高渗带，以保证煤层气流的顺利畅通[9]。

3现场应用

深层煤层气压裂技术在延长矿区进行了2口井的现场试验，2口井均采用活性水压裂液，采取了大排量注入脉冲加砂的方式，压裂设计携砂液的施工排量4～6 m3。压裂设计平均砂比小于8%。在加砂前期先加入0.15～0.30 mm的支撑剂，在加砂中期加入0.425～0.85 mm的支撑剂，在加砂后期加入0.90～1.20 mm的支撑剂。最高压力达到了65 MPa，成功的完成了国内最深煤层气井的加砂压裂。目前，2口井正在进行排采作业。详细压裂数据见图1和图2。