黔西北多层薄煤储层暂堵转向压裂技术应用_李特社.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. 贵州天然气能源投资股份 有限公司, 贵州 贵阳 550081; 3. 北京泰坦通源天然气资源技术有限公司，北京 100000 摘要 黔西北地区煤层具有层数多、单层薄、非均质性强等特点，为探索经济高效的煤储层压裂 改造技术，进行了煤层纵向暂堵转向压裂技术应用研究。结合转向压裂技术特点，从煤层压裂裂 缝形态、力学屏蔽、射孔井段和煤体结构 4 个方面进行了适用性分析。为确保暂堵转向压裂能够 更大限度沟通煤层，实现煤层均匀改造和压裂水平缝较长延伸，对暂堵材料和用量进行了优化组 合。同时，在黔西北地区优选 2 口煤层气井分别开展了机械暂堵和化学暂堵转向压裂现场应用试 验。结果表明，采用化学暂堵剂组合模式基本能够满足纵向层间暂堵转向压裂工艺的要求，取得 了较好的应用效果，为贵州多煤层与薄煤层压裂改造提供了有效的技术支撑。 关 键 词黔西北；煤层气；纵向暂堵；转向压裂 中图分类号TE357 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.02.003 Application of temporary plugging and diverting fracturing technology for multiple and thin coal reservoir in northwestern Guizhou LI Teshe1, HU Gang2, WANG Shaolei2, LI Yukui2, LI Qiguo3,WANG Liguo1, TANG Zhaoqing1 1. Guizhou Unconventional Gas R 2. Guizhou Natural Gas Energy Investment Company Limited, Guiyang 550081, China; 3. Taitan Gas Technology Holdings Limited, Beijing 100000, China Abstract In the northwest of Guizhou Province, the coal seam has multiple layers, is thin in single layer, hetero- geneous and so on, in order to explore the economic and efficient coal seam fracturing technology, application technique of temporary plugging and longitudinal diverting fracturing for coal seam is studied. Combined with the characteristics of diverting fracturing technology, this paper analyzed the applicability from four aspects coal seam fracture , mechanical shielding, perforation interval and coal structure. In order to ensure that the temporary plugging and diverting fracturing can link up more coal seams to achieve homogeneous transation of coal seam and fracturing horizontal seam for longer extension, we optimize the combination of temporary plugging agent and the amount of materials. Meantime, two CBM wells were selected to carry out mechanical and chemical temporary plugging and diverting fracturing field application test. The results show that the combination mode of chemical temporary plugging agent can meet the requirements of longitudinalinterlayerdiverting fracturing process, and obtain good application effect, which provides effective technical support for the fracturing reation of the thin coal reservoir in Guizhou. Keywords northwest of Guizhou; coalbed methane; longitudinal temporary plugging; diverting fracturing 黔西北地区煤层气资源量丰富，根据国土资源 部2006 年进行的新一轮全国煤层气资源评价结 果，贵州西部和北部地区煤层气地质资源量为 2.231012 m3，占整个中国南方煤层气地质资源总量 的 49.94；可采资源量为 0.861012 m3，平均可采 率 38.44。主要含煤地层为上二叠统龙潭组，但煤 层具有分布不稳定、煤层多而单层厚度薄且垂向分 布不均、煤岩非均质性强、局部构造煤发育、地应 力差异大等特点[1]，导致煤层压裂后不能达到理想 的改造效果。分层压裂施工步骤复杂，难度大，单 井投入成本过高；合层压裂会导致煤储层达不到充 分改造效果，造成开发过程中煤层气可采储量实现 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 46 卷 不了整体有效动用。针对上述难点，本文选择贵州 织纳煤田西部的 N3 和 B2 两口煤层气井， 开展了机 械暂堵和化学暂堵转向压裂两方面的技术应用研 究，旨在为实现贵州煤层气规模效益开发，探索高 效储层改造技术提供支撑。 1 暂堵转向压裂适用性分析 纵向层间暂堵转向压裂技术需要重点考虑 以下 3 个方面。 a. 裂缝形态 若裂缝形态以垂向缝为主，则 在纵向上沟通附近煤层，未产生新的有效裂缝导 致转向压裂失败。根据水力裂缝起裂机理，地应 力的大小和方向是控制压裂裂缝起裂压力、起裂 位置及裂缝形态的重要参数[2-3]。 裂缝总是在垂直 于最小主应力的平面内延伸，前期地应力综合评 价 结 果 表 明 ， 研 究 区 煤 系 储 层 转 换 深 度 为 600750 m 和 9001 000 m[4-6]。由于煤层发育割 理和裂隙，在转换深度附近人工裂缝形态多呈 “Ｔ”型或“工”型类的复杂裂缝。 b. 力学屏蔽 决定暂堵压裂裂缝延伸的因 素较为复杂，往往是由多个因素共同作用的结果 煤岩力学强度、层间应力差、施工参数、暂堵压 裂时机的选择等[7]。但人工裂缝的扩展在很大程 度上受煤层与隔层及顶底板岩石间力学性质差异 大小的影响， 主要表现为控制裂缝的高度和长度， 当地层应力差异增大，裂缝越易被限制在煤层内 延伸[8]。在同一煤系中，煤层与上下隔层应力差 异不大，但力学性质差异较大，一般当煤层弹性 模量小于隔层 5 倍以上，裂缝高度才能被控制在 煤层中[9]。现场取心结果显示，研究区目的层的 上下隔层均为砂质泥岩，基本能够满足力学屏 蔽要求。 c. 煤层射孔井段和煤体结构 煤层射孔井 段过大，则很难保证多煤层属同一压力系统，造 成转向压裂失败；煤体结构不同，导致煤层破裂 压力和裂缝的延伸压力存在差异，压力差越大， 暂堵转向失败的风险越大。 2 机械暂堵转向压裂技术 2.1 机械暂堵转向压裂原理 针对合层压裂，暂堵转向压裂是实现均匀改 造煤层，提高煤层改造程度和煤层气储量动用率 的重要技术手段。根据裂缝起裂原理，人工裂缝 首先在应力最小、最易破裂的煤层中形成。基于 流体遵循向阻力最小方向流动的原则，尼龙球流 向进液较多的煤层，并封堵对应的炮眼和缝口， 使井筒憋压， 迫使流体转向进入未被封堵的煤层， 从而实现层间转向纵向转层压裂[10]。 2.2 应用试验 2.2.1 N3 井基本概况 N3 井位于贵州织纳煤田西部比德次向斜内， 主要含煤地层为上二叠统龙潭组，地层走向整体 呈 NWSE 向。该井完钻井深度 964 m，钻遇主 力煤层分别为上煤组 2、3、5、6 号和下煤组 30、 32 号煤层。综合考虑固井质量、煤层地质条件， 优选 30 和 32 号煤层进行压裂改造，煤层累计厚 度约 8 m。测井、录井资料解释成果显示 32 号煤 层含有 3 个小层， 厚度分别为 2 m、 2.5 m、 1.35 m， 中间为厚度 1.3 m 和 1.5 m 的泥岩夹层。 煤层段井 眼无明显扩径。煤层上部隔层为泥质粉砂岩；下 部隔层以泥质粉砂岩为主，夹薄层炭质泥岩，厚 度均大于 5 m，渗透性差且无明显水层特征，有 利于控制裂缝在煤层内延伸，压裂煤层测井解释 成果如表 1 所示。 表 1 N3井 32 号煤层测井解释成果 Table 1 Logging interpretation results of coal seam 32 in well N3 井段/m 厚度/m 孔隙度/ 渗透率/10-3 μm2 Ad/ FCd/ Vdaf/ Mad/ 含气量/ m3t-1 解释结论 909.6911.6 2.0 1.9 0.01 24.2 64.8 9.3 1.6 14.6 煤层气层 912.9915.4 2.5 2.6 0.02 17.8 72.6 7.9 1.6 21.1 煤层气层 917.0918.3 1.35 2.8 0.01 22.1 67.5 8.8 1.7 16.8 煤层气层 2.2.2 现场应用 为了实现 32 号煤 3 个小层的均匀改造， 在压 裂施工过程中采用投尼龙球Φ22 mm的方式进 行层间转向。该段射孔厚度为 7 m，孔眼数 112， 设计按照封堵炮眼数占总数的 50计算，共向井 内投入 55 个尼龙球。 压裂泵注程序设计为暂堵前和暂堵后 2 个阶 段。第 1 阶段造缝加砂完成后，通过在线投球器 加入 55 个尼龙球，对首先开启的炮眼和缝口进行 封堵。 投球 5 min 后， 逐渐提排量至 10.7 m3/min 与 ChaoXing 第 2 期 李特社等 黔西北多层薄煤储层暂堵转向压裂技术应用 17 第 1 阶段排量接近， 施工压力明显升高1.52.5 MPa， 裂缝延伸压力增大，说明投入的暂堵球成功封堵 炮眼，转而使压裂液从进液速度相对较慢的孔眼 进入地层，产生新裂缝。稳排量压裂 10 min 后， 施工压力平均下降 0.5 MPa，但仍明显高于第 1 阶段。暂堵期间排量降低至 34 m3/min，实现对 进液较快的孔眼进行有效封堵，投球压裂施工曲 线如图 1 所示。从压裂施工曲线整体来看，本次 压裂施工达到预期效果，缩小了各个小层改造程 度的差异。 图 1 N3 井 32 号煤压裂施工曲线 Fig.1 Fracturing curves of coal seam 32 in well N3 压裂瞬时停泵压力约12.7 MPa， 停泵压力梯度为 0.024 MPa/m， 略小于上覆岩石压力 0.025 MPa/m， 垂 向地应力接近最小水平主应力， 因此 32 号煤层位 于转换深度附近。与煤层顶底板砂泥岩相比，煤 岩弹性模量低、泊松比高、脆性大，易破碎易受 压缩，且存在层理、割理等弱结构面[11]。结合地 应力和煤层特征，分析认为人工压裂缝主要在煤 层中沿煤岩各级弱结构面开裂、延伸及拓宽，压 裂后裂缝形态主要为“Ｔ”型复杂缝。 根据现场后期作业排采总结，投球暂堵转向 压裂存在 2 个缺点一是部分尼龙球嵌入射孔孔 眼封堵近井地带渗流通道，影响压裂液的返排和 煤层气产出；二是投球后，剩余尼龙球落于坐封 桥塞上部，给桥塞的打捞带来困难。 3 化学暂堵转向压裂技术 3.1 暂堵剂溶解性评价 暂堵剂是封堵炮眼和缝口高渗透带， 实现层 内纵向转向压裂的关键，其性能应满足以下 3 个 方面的要求[12-13]①暂堵颗粒在地层条件下必须 具有一定变形，但变形后应有一定的强度，才能 具有良好的封堵效果；②水力压裂结束后，在液 体返排过程中暂赌颗粒可溶于水，随流体排出； ③常温条件下暂堵颗粒具有一定强度，不黏泵， 易泵送。 本次试验采用新型可降解暂堵材料 DCF-2， 该暂堵材料封堵能力强，可实现对缝口和炮眼的 有效封堵， 增加暂堵后转向形成新裂缝的可能性。 暂堵材料在地层温度下可彻底降解25℃条件下， 22 h 暂堵球手捏即破碎，对地层及裂缝无伤害， 压裂后人工裂缝和井筒连通性好。 实验采用高精度数显恒温双列水浴锅，实验 温度为 25℃。为掌握暂堵材料的溶解速率，进行 2 组实验，一组溶剂为清水，一组溶剂中含有添 加剂KCl。基于现场实际应用，选取了颗粒状 15 mm、510 mm和球状68 mm，1012 mm 不同形状、粒径的暂堵材料，分别放置于 4 个烧 瓶中。实验每 12 h 观测一次暂堵剂溶解的变化， 至全部溶解为止无残渣，如图 2 所示。 a 暂堵材料溶解前 b 暂堵材料完全溶解 图 2 暂堵转向材料溶解实验前后对比图 Fig.2 Comparison of experimental results before and after dissolution of temporary plugging materials 实验结果表明暂堵剂的溶解速率与暂堵剂粒 径大小有关，如图 3 所示。暂堵剂粒径越小，比 表面积越大，溶解速率越快；溶剂中加入添加剂 KCl会使暂堵剂的溶解时间延长约 1.5 倍，可以 满足技术要求。 ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 46 卷 a 清水 b KCl 图 3 暂堵剂溶解速率 Fig.3 Dissolution rate of temporary plugging agent 3.2 暂堵剂封堵性能评价 实验仪器采用地层条件储层动渗失分析仪， 利用巴西劈裂法将常规砂岩岩心进行劈裂，模拟 人工压裂裂缝[14]。采用人造充填岩心裂缝的方法 将一定量不同颗粒尺寸的 DCF-2 压裂暂堵剂均匀 铺置厚度约 10 mm，放入岩心夹持器中并施加 压力形成宽度约 6 mm 的暂堵剂充填缝。 实验时流体压力保持不变在 10 mL/min 排量 下，通过测定不同温度下岩心两端的压差来评价 暂堵剂的封堵性能。从实验结果可知，当地层温 度为 25℃时，最大压差超过约 20 MPa，因此该 暂堵剂的封堵性能能够满足现场应用要求，实验 结果如图 4。 图 4 DCF-2 暂堵剂耐压实验结果 Fig.4 Compressive test results of temporary plugging agent 3.3 暂堵转向压裂工艺 在成煤过程中， 由于煤岩组分差异和后期构造 运动的影响， 使煤层在纵向上表现出较强的非均质 各向异性，煤层越厚，非均质性越强。基于上述因 素，研究提出了层内纵向暂堵转向压裂技术思路， 并开展现场应用试验，其原理如图 5 所示。 图 5 纵向暂堵转向压裂原理示意图 Fig.5 Schematic diagram of diverting fracturing of longitudi- nal temporary plugging 该工艺技术基本流程为第 1 级造缝–加砂–顶 替一个管柱容积液体–加入暂堵剂–暂堵剂到位形 成封堵并转向第 2 级造缝–加砂。 为了增强封堵效 率和封堵强度，采用不同形状、不同规格的组合 暂堵材料，炮眼封堵采用 68 mm 和 1012 mm 暂堵球的组合封堵模式；缝口封堵采用 15 mm 和 510 mm 暂堵颗粒组合模式。15 mm 颗粒在 普通混砂车搅拌罐内直接均匀加入，加入速度为 6080 kg/min；510 mm 颗粒通过旁通管线加入； 68 mm和 1012 mm球形暂堵材料通过在线投球 器加入。 3.4 煤层气井应用试验 3.4.1 应用井基本概况 B2 与 N3 井位于同一构造单元、同一区块。 该井钻遇目标煤层 5、6 号煤，煤厚分别为 3 m、 4.8 m，埋深分别为 660 m、683 m。测井、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，均为碎裂煤，且无明显扩径现象。煤 层顶底板均为大段泥质砂岩，渗透性较差，封隔 效果良好，压裂煤层测井解释成果如表 2 所示。 3.4.2 暂堵材料用量 暂堵剂设计量少起不到裂缝转向的目的，设 计量多会增加施工压力和施工难度，因此暂堵剂 的合理用量设计至关重要。结合射孔深度和邻井 裂缝监测结果，设计封堵深度为 0.5 m，裂缝高度 H 为 0.006 m，裂缝宽度 W 为 1.0 m图 6，则封 堵 1 个缝口的暂堵材料体积为 0.003 m3。暂堵材 料体积密度按 1000 kg/m3，所需暂堵材料 3 kg。 ChaoXing 第 2 期 李特社等 黔西北多层薄煤储层暂堵转向压裂技术应用 19 表 2 B2井 5 号和 6 号煤层测井解释成果 Table 2 Logging interpretation results of coal seams 5 and 6 in well B2 层号 井段/m 厚度/m 孔隙度/ 渗透率/10-3μm2 Ad/FCd/ Vdaf/ Mad/ 含气量/m3t-1解释结论 5 660.2663.1 2.9 1.6 0.10 13.8 78.6 2.0 5.7 21.0 煤层气层 6 684.2688.9 4.8 1.9 0.14 21.0 83.0 4.9 1.2 22.8 煤层气层 图 6 单个炮眼和缝口示意图 Fig.6 Sketch map of a single perforation and seam 单个缝口需要 15 mm 颗粒与 510 mm 颗粒比例 按照 501∶计算，设计封堵的缝口和炮眼数按照 总数的 50计算。考虑暂堵颗粒沉降、封堵成功 率等因素， 实际暂堵材料用量为设计用量的 2 倍， 计算 B2 井实际所需暂堵材料用量如表 3。 3.4.3 现场应用及效果分析 为了改善煤层在纵向上压裂改造的均匀程 度，压裂施工过程中分别加入可溶解化学暂堵材 料，封堵部分进液速度较快的炮眼和缝口，形成 新的裂缝，实现纵向转向压裂。 设计压裂泵注程序为暂堵前和暂堵后 2 个阶 段。当第 1 级造缝–加砂完成后，顶替一个管柱容 积压裂液，随后降低泵注排量至 1.02.0 m3/min。 从混砂车和旁通管线分别加入不同粒径尺寸的暂 堵材料，低排量顶替约 10 min 后，暂堵材料顶替到 位并形成封堵，逐渐提高排量至 10 m3/min 后进行 第 2 级造缝–加砂。与第 1 级压裂相比，施工压力 明显升高 12 MPa，说明此前压裂产生的裂缝孔道 部分被暂堵剂封堵，使孔眼摩阻增大，井底压力升 高，从而使得裂缝转向，产生新裂缝图 7。 表 3 B2井不同粒度暂堵材料用量统计表 Table 3 Statistics of temporary plugging material volume in well B2 材料用量/个 材料用量/kg 层号 射孔厚度/m 孔眼/个 1012 mm 68 mm 510 mm 15 mm 6 4 64 64 96 3.8 188 5 4 64 64 96 3.8 188 总计 8 128 128 192 7.6 376 a 5 号煤 b 6 号煤 图 7 B2 井 5 和 6 号煤层压裂施工曲线 Fig.7 Fracturing curves of coal seams 5 and 6 in well N3 暂堵材料加入期间， 排量降低至 1.02.0 m3/min， 实现炮眼和缝口的有效封堵，如图 7 所示。该层瞬 时停泵压力约为 15.8 MPa， 停泵压力梯度为 0.032 8 MPa/m，大于上覆岩石压力 0.025 MPa/m，判断 6 ChaoXing 20 煤田地质与勘探 第 46 卷 号煤压裂后裂缝形态以水平缝为主。 采用上述方法对 5 号煤层进行了压裂改造，如 图 7a 所示。暂堵材料封堵炮眼和缝口后，施工压力 升高 24 MPa，明显高于第一级造缝–加砂，从整体 压裂曲线来看，该层暂堵转向压裂取得了较好的应 用效果。 如图 8a 所示，B2 井投产后，排采约 45 d 开始 见气，初期最高产气量达 1 400 m3/d，稳产阶段日 产气 900 m3/d； 累计产气 54.8104 m3， 累计产水 508 m3， 返排率 68.3。 邻井 B201 井采用常规水力压裂 技术，投产后，排采约 70 d 开始见气，初期最高产 气量 1 100 m3/d，稳产阶段日产气量 320 m3/d；累计 产气 2.9104 m3，累计产水 172.4 m3，返排率 19.1图 8b。 日期 日期 a B2 井 b B201 井 图 8 B2 井和 B201 井排采曲线图 Fig.8 Drainage curves of wells B2 and B201 对比分析可知，B2 井见气时间短，产气效果较 好，返排率高。采用化学暂堵转向压裂工艺实现对 B2 井煤层的充分改造，取得了较好的应用效果。 4 结 论 a. 应用纵向层间暂堵转向压裂工艺时，压裂 选层应从压裂裂缝形态、煤层埋深、煤层与顶底板 岩石力学性质差异、射孔井段和煤体结构等方面考 虑，确保能够满足暂堵转向压裂地质要求。 b. 针对合层压裂，为使煤层实现均匀改造，开 展了机械暂堵投尼龙球转向压裂现场应用试验， 投球暂堵后施工压力升高 1.52.5 MPa， 达到了预期 效果。 c. 考虑中厚煤层纵向存在较强的非均质各向 异性，提出了层内纵向暂堵转向压裂。现场试验采 用不同形状和尺寸的化学暂堵剂组合模式分别封堵 炮眼和缝口， 加入暂堵剂后施工压力升高 23 MPa， 压后产气量较高，取得了较好的应用效果。 d. 通过对2种暂堵转向压裂技术的现场应用效 果综合分析， 结果表明化学暂堵转向具有较大优势， 值得推广应用。 参考文献 [1] 徐宏杰，桑树勋，杨景芬，等. 贵州省煤层气勘探开发现状与 展望[J]. 煤炭科学技术，2016，4421–7. 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