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第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY fracturing fluid flowback; critical flow velocity; choke diameter 随着煤层气开采技术的成熟，水力压裂已经成 为煤层气开发评价和增产的最主要技术手段。而压 后返排则是水力压裂作业的重要环节，一方面疏通 裂缝，降低压裂液残渣的伤害，另一方面提高支撑 剂的支撑效率。国内外学者在常规油气井压后返排 问题上形成的观点主要有小排量返排、强化返排和 反向脱砂 3 种[1]，其中应用最广的则是强化返排， 又称强制裂缝闭合。即在压裂完成后，在裂缝自然 闭合前，就用一定直径的油嘴控制放喷，使支撑剂 还未沉降到裂缝底部或沉降不多时就被裂缝壁夹 住，从而提高裂缝的导流能力[2]。 在煤层气井压后返排问题上，目前主要采用的 做法是压后关井一段时间，待压力扩散后，再以小 油嘴控制放喷。以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块煤 层气井为例，平均关井 23.5 h 后，以直径 2 mm 油 嘴控制放喷。这种放喷制度是否合理笔者将从压 裂液、压力、关井时间等方面进行分析，确定合适 的返排时机，并通过建立压裂液返排模型，计算得 到最优放喷油嘴直径，对现场具有一定指导意义。 1 返排影响因素分析 1.1 压裂液 煤层气井在压裂时，常用到的压裂液有活性水 压裂液、清洁压裂液和胍胶压裂液等，不同的压裂 液体系具有不同的优缺点，如表 1 所示。压裂液最 主要的作用就是携砂、造缝，压裂施工完成后，应 尽快将其返排一方面，煤层极易受到污染，压裂 液的存在或多或少会对煤层造成一定的伤害，如胶 ChaoXing 第 5 期 张壮 煤层气井压后返排工艺 71 液残渣的堵塞伤害、液体化学剂的吸附伤害、煤 中黏土矿物的水化膨胀伤害、煤岩的润湿反转伤 害等[3]，导致煤层的渗透率降低、产气量下降。因 此，目前活性水压裂液已作为煤层用低伤害压裂液 的首选。无论是何种压裂液，在压裂施工完成后， 应尽快将其返排， 以减少压裂液滞留对煤层的伤害。 另一方面，煤层气通过“排水降压”开采出来，刚开始 生产时，由于压力未降到临界解吸压力以下，煤层气 尚未开始解吸，将会在很长一段时间内只有水产出。 为减轻后期的排采工作量，也应及时返排压裂液。 表 1 不同压裂液体系的优缺点 Table 1 Advantages and disadvantages of different fracturing fluid systems 压裂液 体系 优点 缺点 伤害 率/ 活性水 压裂液 无滤饼、低残渣、低伤害 摩阻高、悬砂性较差， 造缝效率相对低 11.97 清洁压 裂液 无滤饼、低残渣、低摩阻， 悬砂性较强，造缝效率较高 成本高，不利于现场 推广应用 11.68 胍胶压 裂液 低摩阻、滤失小、悬砂能力 强，造缝效率较高 容易形成大量滤饼， 破胶后存在大量残渣 41.74 1.2 压 力 煤层气井压裂停泵后，压力迅速下降，经过一 段时间，压力下降趋势变缓，如图 1 所示。但此时 的压力仍大于地层压力，在煤层中存在 3 个区域 高压区、过渡带和低压区[4]。由于煤层为低孔、低 渗储层，过渡带的存在阻止了液体从高压区向低压 区的渗透，阻止了更多煤层裂隙的张开。煤层又属 于塑性较强的岩层，易受压缩，过渡带煤层将吸收 部分能量，使得高压区传递过来的压力不能再向低 压区传递，煤层发生微破裂的可能性大大降低。此 外， 在压力通过煤层割理和裂缝时会有一定的降落， 再加上过渡带的割理吸收了高压区渗透的高压液 体，降低了局部的高压，低于煤层破裂压力，煤层 不会被压开。因此，压后关井待压力扩散的做法并 不会使煤层发生微破裂，相反会因较多的水进入微 孔中而造成水锁，不利于煤层气开采。 压裂时由于压裂液的磨损及剪切作用，会产生大 量的煤粉从而堵塞渗流通道，降低煤层有效渗透率， 影响产气量[5]。 在排采初期， 大多数煤层气井产液浑浊， 含大量煤粉。从延川南区块 2013 年 1 月2014 年 12 月煤层气井维护作业统计情况来看图 2，煤粉砂堵 塞泵筒是煤层气井维护作业的主要因素，导致检泵作 业频繁占到总作业量的 49，严重影响生产。而压裂 后，井内压力在短期内不会降落太快，且在一定时期 内高于煤层压力，此时裂缝内保持较高的能量，应充 分利用这部分能量返排压裂液，将压裂时产生的煤粉 携带出来，疏通人工裂缝，使裂缝保持较高的导流能 力，减少生产时发生煤粉卡泵的风险。 图 1 现场压裂施工曲线 Fig.1 Field fracturing operation curve 图 2 井下维护作业柱状图 Fig.2 Histogram of downhole maintenance job 1.3 关井时间 相比常规砂岩储层，煤层具有松软、低压、低 渗、割理和天然裂缝系统发育的特点。压裂施工完 成后，若长时间关井，井口压力降低，由于割理和 裂缝系统的存在，压裂液优先进入大割理。在此过 程中小割理和微裂隙不断张开，压裂液进入其中， 导致流体的大量滤失[6]。而煤层微毛细管发育，水 的相对渗透率急剧下降，使煤体保持较高的束缚水 饱和度，形成水锁，增加返排难度。由图 3 可见， 生产一年后压裂液返排率与关井时间呈负相关的关 系，说明关井时间越长，压裂液的返排难度增加。 目前，活性水压裂液在煤层气井压裂中应用最 广， 配方为清水防膨剂助排剂。 而在煤矿开采时， 常通过注入水来防治煤矿瓦斯，有效地暂时延缓或 封隔煤层气的解吸释放[7]。采用活性水压裂后若长 时间关井，清水大量滤失，抑制煤层气的解吸，不 利于煤层气的开采。由图 4 可见，延川南区块煤层 气井关井时间在 24 h 及以上的井，日产气量普遍在 800 m3以下，平均为 438 m3；而关井时间在 24 h 以 内的井， 日产气量普遍在 800 m3以上， 平均 693 m3， ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 3 关井时间对返排率的影响 Fig.3 Influence of shut-in time on flowback rate 图 4 关井时间对产气量的影响 Fig.4 Influence of shut-in time on gas production 其中 1 口井关井时间为 0.5 h， 日产气量达到 985 m3。 此外， 煤层气的解吸是排水降压的过程， 排采初始的 井底流压与解吸压力见气时的井底流压之差，则反 映需要降压量的大小[8]。不考虑其他因素影响下，降 压量越小，则见气时间启抽后至观测到套压所用时 间越短；反之降压量越大，则见气时间越长。将延 川南煤层气井分为两类压后关井未放喷井I 类井 和压后关井一段时间后放喷井II 类井。统计得到 I 类井和 II 类井解吸时所需降压量分别为 2.56 MPa 和 3.12 MPa。在相同排采工作制度下，理论上 I 类井见 气时间应比 II 类井要短。但从实际情况来看图 5， I 类井平均见气时间为 293 d， II 类井平均见气时间为 189 d，I 类井见气时间比 II 类井要长。对比发现， I 类井压后平均关井时间为 146 h，而 II 类井压后平 均关井时间为 23.5 h，煤层气井见气时间与关井时间 有一定的正相关关系。 进一步证明， 压后关井时间越 长， 注入的压裂液滤失量增多， 抑制了煤层气的解吸。 综上所述，从压裂液、压力、关井时间等方面 分析认为，煤层气井压裂后应及时放喷返排，建议 压裂完成后 30 min 内即开始有控制地放喷返排，减 少压裂液的伤害，携带出煤粉，疏通裂缝。 2 返排模型的建立 煤层气井压后放喷的原则是携带出煤粉，但不 能携带出支撑剂。根据煤层气井压裂的特点，借鉴 常规油井支撑剂回流临界流速计算模型，得到煤层 气井支撑剂回流临界流速计算模型，进而推导出放 喷油嘴直径的计算公式[9-11]。 图 5 煤层气井关井时间和见气时间柱状图 Fig.5 Shut-in time and gas breakthrough time of CBM wells 2.1 临界流速计算模型 煤层气井压裂多采用活性水压裂液，悬砂性较 差，造缝效率相对低，压裂停泵后支撑剂立即沉降， 颗粒之间出现胶结。 此时， 支撑剂颗粒除了受流体对 颗粒的拖曳力、流体对颗粒的上举力以及颗粒净重 外，还受到颗粒间的黏结力和液体的下压力图 6。 图 6 单颗支撑剂颗粒受力示意图 Fig.6 Force on the single particles of proppant 流体对颗粒的拖曳力 2 2 s xd π 42 d v FC   1 流体对颗粒的上举力 2 yxd 2 A v FFC      2 ChaoXing 第 5 期 张壮 煤层气井压后返排工艺 73 在水力压裂的设计计算中，Cd一般采用诺沃特 尼公式计算，即 d Re k C N ，其中 2 s Re d v N   。 假设支撑剂是圆球形，颗粒在液体中的净重为  3 oss π 6 Wd g 3 颗粒间的黏结力 cs π 32 Fd 4 由于颗粒间的薄膜不能传递静水压强，因此颗 粒还受到液体的下压力 ps π 32 Fhd 5 式1式5中，Cd为阻力系数；NRe为雷诺数； ρ为返排压裂液密度，kg/m3；μ为返排压裂液黏度， mPas；ds为支撑剂粒径，m；ν为压裂液返排流速， m/s；A为单个支撑剂的迎风面积，m2；ρs为支撑剂 密度，kg/m3；ε为黏结力系数，ε0.002 56 Pam；γ 为重度，N/m3；δ为薄膜参数，δ0.21310-6 m。 在煤层气井压裂液返排过程中， 支撑剂颗粒的运 动模式有3种滑动、滚动及跳跃。其中，滚动属临 界条件最低的模式， 故在支撑剂回流模型建立时采用 滚动模式。取M点为瞬时转动中心，建立力矩平衡 方程 x 1y2o 3c4p 5 F LF LW LF LF L 6 式中 s 1 3 4 d L ， s 2 2 d L ， s 3 4 d L ， s 4 4 d L ， s 5 4 d L 。L1为力Fx到M的力臂，m；L2为力Fy到 M的力臂，m；L3为力Wo到M的力臂，m；L4为力 Fc到M的力臂，m；L5为力Fp到M的力臂，m。 根据不同的雷诺数范围，可以得到不同压裂液 返排的临界流速 当NRe≤2，k4，τ1时  2 ss lin 111 36192192 d g gh v      7 当2500，k0.44，τ0时，则 0.5 s lins ss 1.5150.2840.284 gh vd g dd       9 式7式9中，k、τ为计算系数，由雷诺数的 取值范围确定；νlin为压裂液返排的临界流速，m/s； h为裂缝滤失高度，m。 2.2 放喷油嘴直径优选计算公式 通过建立油嘴与井筒、井筒与裂缝耦合模型， 推导出放喷油嘴直径优选计算公式[10]   2 4 24 1 1 s r sR    10 其中， 0.5 0.5linhw t0 2 1414π vL L spp  。 式中 ξ为局部阻力系数， 取0.5；R为油管半径，m； r为放喷油嘴半径，m；Lh为裂缝高度，m；Lw为裂 缝宽度，m；pt为井口压力，MPa；p0为大气压力， 取0.1 MPa。 3 实例计算与分析 以延川南区块煤层气井为例，相关资料为油 管半径R0.03 m；返排压裂液密度ρ1 020 kg/m3， 返排压裂液黏度μ1 mPas； 选择石英砂作为煤层压 裂的支撑剂，粒度0.4251.2 mm，支撑剂平均粒径 ds0.85 mm，支撑剂密度ρs2 650 kg/m3；根据前期 延川南煤层气井裂缝监测结果显示，裂缝平均高度 Lh25 m，裂缝平均宽度Lw8 mm。 由式7式9计算得到压裂液返排的临界流 速为0.003 m/s。当返排流速低于该临界值时，支撑 剂将不会被带出裂缝， 裂缝的高导流能力得以保持。 将该临界流速代入式10中，可计算得到不同井口 压力对应的最优放喷油嘴直径图7， 井口压力高的 井要选择小的油嘴，反之选择大的油嘴。X1井压后 返排时，初始井口压力为7.8 MPa，由图8得到最 优放喷油嘴直径为2.5 mm，因此现场选用2 mm油 嘴进行放喷，累计返排时间250 h，累计返排液量 136.8 m3，返排率17.0图8。 从现场放喷过程中井口压力与时间的关系曲线 来看图9，初始井口压力相同条件下，选用3 mm 油嘴时井口压力下降趋势要快于2 mm油嘴，裂缝 可较快闭合，返排时间短。因此，在现场返排程序 图 7 井口压力与放喷油嘴直径的关系曲线 Fig.7 Relation curve between wellhead pressure and choke diameter ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第45卷 图 8 X1 井放喷过程中井口压力和累计返排液量变化曲线 Fig.8 Variation of wellhead pressure and cumulative flowback fluid volume in the process of open flow in well X1 设计时，可根据压后停泵压力的大小及压力降落情 况来动态调整油嘴尺寸。返排初期选用25 mm油 嘴控制放喷；随着返排的进行，井口压力下降，可 逐步更换较大的油嘴68 mm放喷或者敞喷。这样 做的目的一是为了及时返排压裂液，减少对煤层 的伤害；二是缩短返排时间，加快投产作业进度。 图 9 放喷过程中井口压力与时间的关系曲线 Fig.9 Relation between wellhead pressure and time in the process of open flow 4 结 论 a．．煤层气井压后返排受压裂液、压力、关井时 间等因素影响，压裂后应及时放喷返排，建议压裂 完成后30 min内即开始有控制地放喷返排。 b．．建立了煤层气井压裂液返排模型，包括支撑 剂回流临界流速计算模型和放喷油嘴直径的计算公 式。 计算表明不同井口压力对应最优的放喷油嘴直径。 c．．在煤层气井压后返排过程中，井口压力不断 降低，可根据理论公式计算来动态调整油嘴尺寸， 及时高效返排压裂液。 参考文献 [1] 范文敏， 徐媛. 国外压后返排的理论研究与推荐做法[J]. 钻采 工艺，2000，23544–46． FAN Wenmin，XU Yuan. 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