煤层气井层内转向压裂技术研究与应用_王理国.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Beijing Jiuzun Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100085, China Abstract Coalbed methane in Guizhou has high reservoir stress, low permeability and low porosity, and the conven- tional fracturing technology has a low degree of coal seam transation, and has limited transation volume and buck area. In order to explore the more efficient coal seam reconstruction technology, combined with conventional oil and gas field temporary plugging theory, temporary plugging is introduced into the fracturing technology. This tech- nique is based on the theory of temporary plugging in conventional oil and gas fields, and analyzes the mechanism of turning from cracks in coal seam, turning radius, influencing factors and adaptability. The ZDJ-02 temporary plugging agent was screened and the size, dosage, dosing process and construction displacement of the temporary plugging agent were optimized to ensure that the coal seam was modified to a greater extent. At the same time, three wells were selected in Liupanshui and Bijie Prefecture, Guizhou Province to carry out the field test, and the results were very good. The exploration and development of coalbed methane and coalbed methane industry in Guizhou and fracturing research are of great significance. Keywords coalbed methane; deflection in fracture; temporary blocking agent; fracturing 贵州煤层气资源丰富，煤储层具有高应力、低 渗透、低孔隙的特点，常规的压裂技术对该地区煤 层改造的程度较低，导致产气量很低，稳产期较短。 暂堵转向压裂技术可以获得更大的改造体积和动 用程度，但是暂堵转向压裂技术目前只用于常规 砂岩气，国内外对于煤层气井转向压裂的研究很 少，特别是煤层气井层内转向压裂技术还没有开 展相关的研究。为探索更高效的煤层改造技术， 实现煤层气的高产和稳产，笔者引入煤层层内暂堵 转向压裂技术，并开展了相关的研究和应用。 1 层内暂堵转向压裂技术 1.1 层内裂缝暂堵转向机理 暂堵转向压裂技术包括缝口转向和层内转向。 ChaoXing 第 2 期 王理国等 煤层气井层内转向压裂技术研究与应用 9 所谓缝口转向，是较大暂堵剂颗粒在介质的携带作 用下进入井筒的炮眼，膨胀的暂堵剂颗粒具有较高 的黏附性和抗拉强度，在缝口处形成桥堵，压裂液 不能进入已压开的裂缝，迫使裂缝在近井地带发生 转向， 进而形成更复杂和规模较大的空间网状裂缝， 以达到提高煤层动用率和改造效果图 1。 图 1 暂堵剂暂堵裂缝示意图 Fig.1 Schematic temporary blocking agent in cracks 层内转向是在压裂施工过程中加入较小粒径的 暂堵剂， 随液体进入煤层内， 暂堵剂在主裂缝流动的 同时， 进入天然裂缝或高渗透带， 在主裂缝端部或天 然裂缝、 高渗透带产生桥堵， 形成高于裂缝破裂压力 的压差值[1]，从而实现新裂缝产生和裂缝转向，如图 2 所示。暂堵剂完全溶于地层水和压裂液，压裂施工 结束后随返排液排到地面，对煤层的伤害非常小。 Lxf水平压裂初次裂缝长度；Lxf重复压裂所产生的新裂缝先 在应力转向区内的延伸长度；L″xf超过应力转向区后，在 Lxf 端点处发生再次转向裂缝的延伸长度 图 2 层内裂缝转向示意图[2] Fig.2 Fracture deflection in layers 不同于常规油气储层，煤储层的天然裂隙及割 理发育，层内转向的目的就是沟通天然裂隙或造出 新裂缝[3]。 1.2 天然裂缝发育储层转向机理 贵州地区的煤储层天然裂隙较为发育，利用较 小粒径的暂堵剂，随液体进入层内，在层内预定位 置形成有效暂堵，实现主裂缝转向，或者使天然裂 缝或储层弱面张开，更好地沟通微裂缝，形成一个 天然裂缝在空间上纵横交错的裂缝网状系统图 3。 图 3 天然裂缝沟通示意图 Fig.3 Communication of natural cracks 对于天然裂隙储层的改造，要充分利用天然裂 缝的影响，最大程度地形成分支缝，增大平面上网 络裂缝的复杂程度。一般将天然裂缝张性破裂和剪 切破裂作为裂缝性储层形成复杂缝网的判据[4]。 ① 当作用于天然裂缝面的流体压力pnet大于 天然裂缝面的正应力时，天然裂缝张开[5]，即 Hh net 12 2 p     1 ② 当天然裂缝面的应力强度不能阻止两个裂 缝面相互滑动时，剪切滑移将会发生。 天然裂缝发生剪切滑移所需的裂缝净压力[5] Hh net0ff f 1 , sin2cos2 2 px tKK K       2 式中 0为天然裂缝的内聚力，MPa；为地应力作 用在天然裂缝上的剪切力分量，MPa； f K为天然裂 缝的摩擦系数；p为天然裂缝处的压力，MPa； H  为远场最大水平主应力，MPa； h 为远场最小水平 主应力，MPa；为最大水平主应力与天然裂缝的 夹角，。 由式1和式2可得， 天然裂缝发生张性断裂的 最大值是 Hh ；天然裂缝发生剪切断裂的最大 值为 0 netHh f p K  ，对于天然裂缝00，那 么发生剪切断裂的最大值同样是 Hh 。 综上可知，无论使天然裂缝发生张性断裂还是 剪切断裂，裂缝内的净压力最大值为 Hh 。 如果要使裂缝在煤岩本体破裂，除了考虑天然 裂缝的影响之外，还应该考虑煤岩的本体的抗拉强 度 St，即要在主裂缝内发生转向，造出新缝，裂缝 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 46 卷 内的净压力应不小于 Hht S [5]。 因此只要合理的加入暂堵剂，就能实现层内转 向，进而沟通天然裂缝和产生新的裂缝。 1.3 层内裂缝转向半径 应力差、流体黏度和排量等诸多因素影响裂缝 转向后的几何尺寸。裂缝转向半径的表达式为[6] 3 2 h 1 1 EQ R Hk      3 式中 为试验系数，一般取 0.1；E为弹性模量， GPa；为流体黏度，mPas；Q为排量，m3/s；H 为缝高，m；k Hh /。 式3表明，裂缝转向半径的主要影响因素包 括①排量 Q 和流体黏度 ；②水平应力比 k 和煤 岩的弹性模量。 1.4 裂缝转向半径数值模拟分析 根据前文所述，排量和流体的黏度根据现场经验 取值 210 m3/min，液体黏度取 1080 mPas，煤岩的 应力和弹性模量根据室内实验的结果取值，并代入 式3，进行数值模拟分析， 其结果如图 4图 7 所示。 裂缝的转向半径与施工排量和压裂液黏度呈线 性关系，如图 4、图 5 所示，施工排量越大，转向半 径越大； 裂缝的转向半径随压裂液黏度的增大而增大。 图 4 施工排量与转向半径的关系 Fig.4 Relationship between deflection radius and displacement 图 5 压裂液黏度与转向半径的关系 Fig.5 Relationship between the deflection tradius and the viscosity of fracturing fluid 水平应力比相同时，地应力越高，裂缝转向半 径越小。转向半径随水平应力比的减小而增大，如 图 6。水平应力比小于 1.2 时，随着应力比的减小， 裂缝的转向半径急剧增大。 图 6 不同最大水平应力下水平应力比与 转向半径的关系 Fig.6 Variation of deflection radius with horizontal stress ratio under different maximum horizontal stress 煤岩的弹性模量相同时，转向半径随应力比的 减小而增大。水平应力比相同时，弹性模量越大， 其裂缝的转向半径就越大，如图 7。水平应力比小 于 1.3 时，同等水平应力比条件下，高弹性模量的 煤岩较低弹性模量的煤岩的转向半径差别很大。 图 7 不同弹性模量下水平应力比与转向半径的关系 Fig.7 Variation of deflection radius with horizontal stress ratio under different elastic modulus 1.5 煤层裂缝暂堵转向可行性分析 经统计贵州六盘水区块和毕节区块煤岩抗拉强 度平均值为 0.48 MPa， 煤层水平主应力差 2.446.28 MPa，平均值为 3.66 MPa。根据上文的分析结果， 利用小粒径的暂堵剂进入裂缝内，使裂缝内净压力 升高，就能实现岩石本体破裂，或者使煤层天然裂 缝发生张性和剪切断裂，即可以实现层内裂缝转向 或形成分支缝，进而在空间上形成更为复杂的网状 裂缝。 ChaoXing 第 2 期 王理国等 煤层气井层内转向压裂技术研究与应用 11 2 水溶性暂堵剂的优选实验 煤层气储层具有温度低、少含油、富含水等特 点。用于油层的常规油溶性暂堵剂在煤层气储层并 不适用。煤层气井层内转向压裂暂堵剂必须具有可 在水力裂缝中形成封堵、在低温下易溶于水、对地 层伤害小特点。 通过大量实验，筛选出两种暂堵剂 ZDJ-01 和 ZDJ-02 满足以上特点。其物理性能如表 1 所示。 表 1 ZDJ-01 和 ZDJ-02 暂堵剂的物理性能 Table 1 Physical properties of two temporary plugging agents 暂堵剂 外观 视密度/ gcm-3 真密度/ gcm-3 溶解性 ZDJ-01 淡黄色 颗粒状固体 0.70 1.14 溶于水、 不溶于柴油 ZDJ-02 黑色 颗粒状固体 0.62 1.08 溶于水、 不溶于柴油 2.1 水溶性 分别将 5 g 暂堵剂 ZDJ-01、 ZDJ-02 放入 100 mL 纯水中，置于 25℃水浴环境，持续观察暂堵剂的溶 解情况。暂堵剂 ZDJ-01 在 25℃下，溶解时间为 350 h 以上。暂堵剂 ZDJ-02 在 25℃下，溶解时间为 72 h 以上。 按照行业标准 SY/T 57642007压裂用植物 胶通用技术要求 ，在实验室利用离心机及烘箱，测 得暂堵剂 ZDJ-01 的水不溶物为 5.2，暂堵剂 ZDJ- 02 的水不溶物为 4.8。 由于 ZDJ-01 的溶解时间较长，不利于后期作 业，因此选用 ZDJ-02 暂堵剂进行进一步实验，测定 其封堵效果、支撑裂缝渗透率恢复率性能。 2.2 封堵效果 利用填砂管模拟水力支撑裂缝，人为填充暂堵 剂，测试裂缝的封堵效果。室内采用 DT-01 型堵水 高温高压模拟装置，将横截面积为 5 cm2的填砂管 内充填 4070 目石英砂，测得填砂管的渗透率约为 1.63 m2。将暂堵剂按照不同量填充在填砂管内， 模拟水力裂缝封堵，采用正向水驱的方式，测试暂 堵剂的封堵压力，结果如表 2 所示。 2.3 支撑裂缝渗透率恢复率 利用 DT-01 型堵水高温高压模拟装置，采用 反向注水，经长时间冲刷后，测定填砂管的渗透 率， 结果如表 3 所示， 填砂管渗透率恢复均在 95 以上。 表 2 ZDJ-02 暂堵剂承压能力实验 Table 2 Pressure test results of ZDJ-02 temporary plug- ging agent 质量/g 体积/cm3厚度/cm 封堵压力/MPa 备注 1.5 2.83 0.57 0.2 无明显破压 3.0 5.66 1.13 0.95 无明显破压 5.0 9.43 1.89 5.3 6.0 11.322.26 10.5 7.0 13.212.64 18.0 10.0 18.873.77 28.0 15.0 28.305.66 34.0 表 3 填砂管渗透率恢复实验结果 Table 3 The permeability recovery experiment of sand-filled pipe 质量/g厚度/cm 原始渗透率 K1 /μm2 冲刷后渗透率 K2 /μm2 渗透率 恢复率/ 1.5 0.57 1.67 1.65 98.7 3.0 1.13 1.56 1.53 98.2 5.0 1.89 1.64 1.60 97.6 7.0 2.64 1.58 1.53 97.0 10.0 3.77 1.64 1.58 96.3 15.0 5.66 1.65 1.58 95.7 承压状态下暂堵剂 ZDJ-02 的长度由原来的 20.7 m 变为 34 m，最大伸长率为 64，承压伸长性 能较好，韧性较好。 2.4 实验结果 通过室内实验，优选出一种适合煤层气井层内 转向压裂技术的水溶性暂堵剂 ZDJ-02，其封堵压力 最高可达 34 MPa， 满足煤层气井层内转向压裂技术 要求。可根据暂堵剂添加量的控制，调节裂缝的封 堵压力；水溶性暂堵剂 ZDJ-02 在 25℃下，溶解时 间为 72 h；完全溶解后，支撑裂缝的渗透率恢复率 在 95以上。 3 层内暂堵转向压裂工艺技术优化 3.1 层内暂堵转向压裂技术措施 为更好地沟通天然裂缝，提高空间上裂缝的复 杂程度，采取以下技术措施。 a. 天然微裂缝走向和最大水平主应力方向夹 角较大时，采用降滤技术，造长缝，尽可能沟通天 然裂缝，形成复杂裂缝网络，促使面积降压。 b. 天然微裂缝不发育或与最大主应力方向夹 角较小时，利用暂堵剂形成新的分支裂缝或使裂缝 转向，沟通天然裂缝，最终形成复杂裂缝网络。 c. 釆前置液用小粒径支撑剂段塞，在微裂缝处 桥堵，提高裂缝内流体压力，使没有压开的天然裂 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 46 卷 缝发生张性或剪切破裂，增大空间上裂缝网络的复 杂程度。 3.2 暂堵颗粒粒径选择 暂堵颗粒粒径选择依据李家学等[7]的研究成 果，采用多元多级粒径复合暂堵剂组合暂堵，大 粒径架桥，小粒径充填。 a. 架桥颗粒粒径d 层间转向D1≥d ≥0.6D1 层内转向D2≥d≥ 0.6D2 其中， D1为裂缝入口处宽度； D2为暂堵处裂缝宽度。 b. 充填颗粒粒径 0.4D≥d1≥0.23D 0.17D≥d2≥0.10D 0.07D≥d3≥0.04D 其中，D 为暂堵处裂缝宽度；d1、d2、d3分别为 1 级、2 级、3 级充填颗粒粒径。 3.3 暂堵剂用量 在施工设计时，暂堵剂的充填浓度和用量利用 式4式8来进行计算[7]。 a. 架桥颗粒质量浓度 3 1 3 /0.8 0.8 VWDD C VWLD    4 式中 C 表示架桥颗粒的质量浓度，kg/m3；V 表示 裂缝的体积，m3；V1表示架桥颗粒的体积，m3；ρτ 表示架桥颗粒的密度，kg/m3；W 表示裂缝的宽度， m；L 表示裂缝的长度，m；D 表示裂缝的高度，m。 b. 充填颗粒质量浓度 3 1 343 /0.8 0.32 WDD C WLD      5 223 2 343 /0.8 0.135 WDD C WLD     6 333 3 343 /0.8 0.055 WDD C WLD     7 式中 C1、C2、C3表示第 1、2、3 级充填颗粒的质 量浓度，kg/m3。 c. 暂堵剂用量 f MkLh 8 式中 M为暂堵剂质量， kg； k为参考系数， 0.060.08； Lf为封堵长度，m；h 为缝高，m；λ 为单位面积暂 堵剂重量，kg/m2。 3.4 投加工艺和泵注排量 根据裂缝暂堵转向压裂工艺原理，通过暂堵提 高裂缝中净压力，沟通更多的天然裂缝或产生更多 人工裂缝，形成复杂的体积网状缝。通过混砂车绞 龙或者搅拌罐，在粉砂和细砂注入完成之后，直接 投加暂堵剂100 kg， 整个投加过程在30 s左右完成， 不宜投加时间过长。 为了让颗粒更易在裂缝内形成暂堵， 泵注暂堵液 时应采用较高排量， 使裂缝稍微张开， 以便颗粒能够 顺利输送到裂缝深处。 推荐排量比正常施工排量提高 10或正常施工排量，以便缝内净压力快速提升。 4 层内暂堵转向压裂现场试验 在贵州六盘水牛场区块煤层气井 NX1 井和大 方示范区的 DX1 和 DX2 井分别进行了煤层气井层 内暂堵转向压裂技术试验。NX1 井位于贵州六盘水 境内的六枝特区牛场镇，属于 NX 井台的其中一口 井，此井台共 7 口井，除 NX1 井使用层内暂堵转向 压裂技术之外，其他井均采用常规压裂技术。 4.1 NX 1 井 32 号号煤层物性参数 NX 井台目标煤层均为下二叠统龙潭组 32 号 煤，埋深为 830 m 左右，煤厚为 2.04.8 m。测井和 录井资料解释成果表明，目标煤层煤岩组分相近， 煤体结构相同，均为原生结构煤，且无明显扩径现 象。煤层顶底板均为大段泥质砂岩，封隔效果良好。 NX1 井 32 号煤厚为 2.04.8 m，埋深为 832 m，其 压裂煤层地质参数如表 4 所示。 表 4 NX1 井压裂地层数据表 Table 4 Data of fractured strata in well NX1 煤层 斜深井段/m 斜厚/m 垂深井段/m 垂厚/m 孔隙度/ 渗透率/10-3 μm2Ad/FCad/Vdaf/ Mad/ 含气量/m3t-1 32号 830.6835.1 4.5 769.0773.0 4 2.5 0.02 20.571.8 4.1 2.5 18.65 4.2 NX 1 井 32 号煤层暂堵转向压裂设计参数 针对 32 号煤层的特征，对施工参数进行了优 化，前置比例设计为 50左右，有利于造缝。为了 实现体积压裂改造，施工排量设计为 8.010.0 m3/min。暂堵剂加量设计为 200 kg，分两次投加， 实现两次转向。其相关施工参数如表 5 所示。 4.3 NX 1 井 32 号煤层压裂情况 NX1 井 32 号煤层于 2016 年 5 月 23 日进行压 裂改造。先后经过 2 次分别加入 100 kg 暂堵剂，投 加时间为 30 s 左右，由图 8 施工曲线可以看出，第 1 次加入暂堵剂 4 min 左右，压力增大了 1.5 MPa， 之后延伸压力一直上升，说明暂堵剂在煤层深处暂 ChaoXing 第 2 期 王理国等 煤层气井层内转向压裂技术研究与应用 13 表 5 NX1 井 32 号煤层压裂施工规模统计表 Table 5 Statistics of fracturing scale of seam 32 in well NX1 施工参数 前置液体积/m3 携砂液体积/m 3 前置液占总压 裂液比例/ 加砂量/m3 加砂强度/ m3m-1 平均砂比/ 施工排量/ m3min-1 暂堵剂用量/kg 数值 432.8 439.2 49.6 48.0 12.0 10.7 8.010.0 200 图 8 NX1 井 32 号煤层层内暂堵压裂施工曲线 Fig.8 Temporary plugging fracturing curve of coal seam 32 in well NX1 堵作用明显。第 2 次加入暂堵剂 3 min 之后压力上 升 2.5 MPa，并且有明显的下降，说明此前压裂产 生的裂缝孔道部分被暂堵剂封堵，裂缝发生转向， 产生了新裂缝。压后瞬时停泵压力为 10.9 MPa，相 比邻井较低。测 1 h 压降，压力降至 4.2 MPa，降幅 较大，说明此次层内暂堵转向压裂改造效果较好。 4.4 NX井台排采情况 NX 井台于 2016 年 5 月投产后，NX1 排采约 50 d 开始见气，初期最高产气量达 1 500 m3/d，目前产 气量保持平稳，产气 1 300 m3/d，如图 9 所示。累计 产气量 60.8 万 m3， 累计产水 520 m3， 返排率 59.0。 NX 井台其他邻井采用常规压裂技术，投产后，排采 约70 d开始见气， 初期最高产气量为9001 100 m3/d， 目前产气量为 3501 100 m3/d；累计产气2.947.9 万 m3，累计产水 172323 m3，返排率 19.133.3。 图 9 NX1 井排采曲线 Fig.9 Drainage curves of well NX1 与 NX 井台其他常规压裂井对比可知，NX1 井 见气时间短，产气效果较好，返排率高。由此表明， 采用层内暂堵转向压裂工艺技术能够改造煤储层， 提高煤储层的动用程度和煤层气产量。 4.5 DX 1 和 DX2 井压裂与排采情况 DX 井位于贵州省毕节境内的大方示范区羊场 镇，共 7 口井，其中 DX1 和 DX2 为采用层内转向压 裂技术的 2 口井， 其他井都采用常规的压裂工艺技术。 DX 井台目标煤层均为下二叠统龙潭组，主力 煤层为 6、7、10、14、19、26 和 33 号煤层。此次以 6 号煤层为改造对象，煤厚为 4.16.4 m，埋深 500 m 左右。测井、录井资料解释成果显示，目标煤层煤 岩组分相近， 煤体结构均为原生结构煤。 DX1、 DX2 井 6 号煤层平均煤厚分别为 4.1 m、6.4 m。 2016 年 7 月对 DX1 和 DX2 井进行层内转向压 裂改造图 10，前后 2 次分别加入 100 kg 暂堵剂， a DX1 b DX2 图 10 DX1 和 DX2 井 6 号煤层层内暂堵压裂施工曲线 Fig.10 Temporary plugging fracturing curve of coal seam 6 in wells DX1and DX2 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 46 卷 投加时间为 30 s 左右，加入暂堵剂 35 min 后，2 口井压力上升 24 MPa，然后都有明显的下降，说 明此前压裂产生的裂缝部分被暂堵剂封堵， 产生了 新裂缝。排采数据显示图 11，DX1 和 DX2 井排 采约 45 d 开始见气，初期产量分别为 1 600 m3/d 和 1 400 m3/d，目前产气量保持平稳，DX1 和 DX2 井 产气量分别为 1 300 m3/d 和 1 200 m3/d。而其他井排采 约 70 d 开始见气，初期最高产气量为 8001 200 m3/d， 目前产气量为 5001 000 m3/d。 a DX1 b DX2 图 11 DX1 和 DX2 井排采曲线 Fig.11 Drainage curves of wells DX1 and DX2 由此可见， DX1 和 DX2 井采用层内暂堵转向压 裂工艺技术对煤层进行了充分改造，产量较其他邻 井有大幅度提升。 5 结 论 a. 针对贵州地区的煤层地质特点，应用层内暂 堵转向压裂技术可以增加煤层改造的体积，提高单 井的控制面积，提高煤层气产量。 b. 通过室内实验优选出 ZDJ-02 水溶性暂堵 剂， 在 25℃下溶解时间 72 h， 封堵压力可达 34 MPa 以上，对支撑裂缝的导流能力恢复率在 95以上， 满足煤层气井压裂缝内转向的要求。 c. 根据煤层气井水力裂缝特点，设计优化了一 套针对煤层气井的层内转向压裂技术工艺。采用粒 径为 0.11.0 mm 的暂堵剂组合，多次添加暂堵剂使 水力裂缝多次转向，扩大波及面积。 d. 通过现场应用试验，加入暂堵剂后施工压力 明显升高后下降，压力平均升高 24 MPa，日产气 量平均提高 2030，达到了预期效果，层内转向 压裂技术适用于煤层气井压裂改造。 参考文献 [1] 李凡磊，张志海，刘更新，等. 转向压裂技术在江苏油田的应 用[J]. 油气井测井，2006，15155–57. 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