劉長延

(中石化中原石油勘探局，河南 濮陽 457164)

煤層氣井N2泡沫壓裂技術(shù)探討

劉長延

(中石化中原石油勘探局，河南 濮陽 457164)

針對中國煤儲層“三低一高”的特點和常規(guī)壓裂效果差、煤層氣井產(chǎn)量低的現(xiàn)狀，提出了煤層氣井N2泡沫壓裂技術(shù)。通過實驗研究，優(yōu)選氣相、液相，優(yōu)化泡沫配方，提高鋪砂濃度，完善施工技術(shù)、儲層保護(hù)和壓后排液措施，現(xiàn)場應(yīng)用2口井，效果顯著。實踐證明，N2泡沫壓裂技術(shù)可有效提高煤層氣井產(chǎn)量，推廣應(yīng)用前景較好。

N2泡沫;壓裂;煤層氣井;施工技術(shù);效果

引 言

中國煤儲層具有“三低一高”的特點，在煤層氣開發(fā)試驗中，有不少關(guān)鍵技術(shù)問題尚待解決。最為關(guān)注的問題是煤層滲透率普遍較低，地面煤層氣井最常用和最有效的增產(chǎn)措施是水力加砂壓裂。水力加砂壓裂的目標(biāo)是在地層中形成一條高導(dǎo)流能力的支撐裂縫［1］，提高煤層滲透性和氣井產(chǎn)量。由于煤層的強吸附、低滲透、低強度特征，常規(guī)水力加砂壓裂效果普遍不好，這也是目前煤層氣井產(chǎn)量普遍不高的一個重要原因。研究應(yīng)用壓裂新技術(shù)，提高壓裂增產(chǎn)效果，是地面煤層氣開發(fā)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1 煤層氣井常規(guī)壓裂存在問題

煤層氣井一般較淺，壓裂常用的支撐劑是石英砂，常用的壓裂液有活性水、膠液。由于膠液對煤層傷害大，目前絕大多數(shù)煤層氣井都是應(yīng)用活性水加砂壓裂工藝。而活性水的壓裂液效率低，攜砂能力差，只能采用大液量、大排量、低砂比方式對煤層進(jìn)行壓裂改造，但仍然存在以下問題:①支撐劑運移距離短，鋪置在近井地帶;②大排量使縫高過大，沖刷導(dǎo)致煤粉量增加;③煤層性偏軟，低砂比形成的微量支撐劑容易嵌入到煤層;④大液量增加了外來流體和添加劑對煤層的傷害。這些缺陷降低了裂縫的支撐長度和導(dǎo)流能力，導(dǎo)致煤層氣井增產(chǎn)效果普遍不理想。晉煤藍(lán)焰公司從采煤巷道觀測發(fā)現(xiàn)，活性水加砂壓裂井的支撐劑運移距離不超過50 m，大部分支撐劑堆積在井筒周圍20 m范圍內(nèi)。

2 N2泡沫壓裂技術(shù)

2.1 特點

N2泡沫由N2、起泡劑和水基壓裂液組成，具有如下特點。

(1)與常規(guī)水基壓裂液相比，只有固體支撐劑和少量無聚合物壓裂液進(jìn)入煤層，減少了外來流體對煤層的傷害。

(2)泡沫壓裂液可在裂縫壁面形成阻擋層，從而大大降低壓裂液向地層內(nèi)濾失的速度，減少濾失量，減輕壓裂液對地層的傷害。

(3)泡沫壓裂液攜砂性能高，可以高砂比施工，從而提高裂縫鋪砂濃度。

(4)返排效果好。表現(xiàn)在2個方面:①由于泡沫密度低，井筒液柱壓力低，對儲層產(chǎn)生的回壓也大大降低，有利于壓裂液排出井筒;②流動過程中泡沫里氣體發(fā)生膨脹，會產(chǎn)生一定能量，加速壓裂液的返排。

(5)注入的N2增加了煤層中氣體流動的能量和氣體的滲透率，并置換被煤吸附的CH4氣體［2］，從而提高煤層氣產(chǎn)量和采收率。

2.2 泡沫體系優(yōu)化

2.2.1 氣相優(yōu)選

泡沫壓裂液的氣相選擇，國內(nèi)外普遍采用CO2和N2，但哪種氣體更適合于煤層壓裂，還需進(jìn)一步的研究。煤層基質(zhì)中的微小孔隙具有比表面積大，吸附作用強的特點，對于CH4，其吸附－解吸完全可逆［3］，但對于CO2和N2，對其在地層條件下的吸附解吸特性以及是否會對煤層造成“氣鎖”傷害，還需進(jìn)一步研究。模擬真實的地層溫度、地層壓力及壓裂、返排時的壓力變化情況，對煤樣進(jìn)行多組分吸附－解吸實驗。在接近地層壓力條件下先吸附CH4，達(dá)到飽和，然后在接近最小地應(yīng)力的條件下吸附CO2或N2，最后降低壓力共同解吸。共同解吸時模擬排水采氣過程，壓力低于地層壓力，且逐漸降低，在此過程中，根據(jù)高壓釜內(nèi)氣體的監(jiān)測濃度計算其解吸量。室內(nèi)實驗和機理分析證明，煤層對CO2的吸附是不可逆的［4］，CO2置換CH4后，形成的多分子層會占據(jù)微小的煤層孔隙，從而阻礙CH4分子的解吸與擴散，形成“氣鎖”傷害［5］，不適合用于煤層水力壓裂，更適合于ECBM(一口井注氣驅(qū)動，鄰井采氣)。而N2的吸附解－吸過程是可逆的，可用于水力壓裂。此外，煤層氣井一般較淺，地層溫度低，達(dá)不到液態(tài)CO2氣化需要的溫度。因此，煤層氣井泡沫壓裂液的氣相選擇N2。

2.2.2 液相優(yōu)選

N2泡沫壓裂液的液相即水基壓裂液，其性能直接關(guān)系到壓裂施工的成敗及壓后增產(chǎn)效果。壓裂液對煤層的傷害主要有2個方面:①取決于煤層本身的特性;②壓裂液帶來的外來物質(zhì)會造成各種傷害。選取晉城煤心，通過煤心滲透率傷害實驗和吸附傷害實驗進(jìn)行N2泡沫的液相優(yōu)選。實驗結(jié)果顯示，清潔壓裂液、活性水有利于煤層氣的解吸，活性水對煤層的傷害程度最低，清潔壓裂液次之，膠液對煤層的傷害最為嚴(yán)重，活性水、清潔壓裂液、線性膠、凍膠對煤層的傷害程度比例大致為1 ∶3 ∶6 ∶9［6］。優(yōu)選出活性水或清潔壓裂液作為N2泡沫的液相。

2.2.3 泡沫配方優(yōu)化

通過分析影響泡沫穩(wěn)定性的因素，測定表面張力和界面張力，評價壓裂液流變性能、泡沫穩(wěn)定性、配伍性能、防膨性能、傷害性能以及破膠性能，篩選起泡劑等各種添加劑，優(yōu)化N2泡沫壓裂液配方。泡沫壓裂液技術(shù)指標(biāo):基液黏度為15～20 mPa·s，起泡率為210% ～260%，半衰期大于600 min。

2.3 支撐劑優(yōu)選

煤層氣井一般較淺，壓裂過程中對支撐劑的強度要求不高，因此煤層氣井壓裂通常選擇石英砂作為支撐劑，目前主要使用粒徑為20～40目和16～20目石英砂。針對石英砂破碎率高、導(dǎo)流能力差的缺陷，采用特殊工藝制成的新型覆膜砂和低密度支撐劑，具有密度低、圓球度好、破碎率低、化學(xué)惰性好、防嵌入等優(yōu)點，也得到了一定的應(yīng)用。但由于煤巖的硬度較小，壓裂中支撐劑嵌入情況較嚴(yán)重，煤巖易破碎，碎屑顆粒充填到支撐劑中，同時支撐劑存在破碎及吸附傷害，多種作用導(dǎo)致支撐裂縫的導(dǎo)流能力降低。實驗研究表明，加大鋪砂濃度、采用低破碎率支撐劑、降低壓裂液傷害能在一定程度上提高煤層裂縫的導(dǎo)流能力［7－8］?？紤]工程需要和經(jīng)濟成本，優(yōu)選圓球度好、粒徑均勻的天然石英砂或性能更好的覆膜砂、低密度支撐劑作為煤層壓裂支撐劑。

2.4 煤儲層保護(hù)

煤儲層具有松軟、割理發(fā)育、表面積大、吸附性強以及壓力低等特性，由此引起高注入壓力、復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)、砂堵、支撐劑的嵌入、壓裂液的返排及煤粉堵塞等問題，使得煤層氣井儲層保護(hù)更加重要。

(1)由于煤巖的表面積非常巨大，具有較強的吸附能力，要求壓裂液同煤層及煤層流體完全配伍，不發(fā)生不良的吸附和反應(yīng)。

(2)煤層割理發(fā)育，要求壓裂液本身清潔，除配液用水應(yīng)符合低滲層注入水水質(zhì)要求外，壓裂液破膠殘渣也應(yīng)較低，以避免對煤層孔隙的堵塞。

(3)壓裂液須返排徹底，通過添加高效助排劑、伴注高能氣體，提高壓裂液返排率。

(4)入井壓裂液與煤儲層溫度差盡可能小。

(5)支撐劑清潔無雜質(zhì)。

(6)降低注入壓力，減少裂縫附近壓實傷害。

(7)應(yīng)用煤粉分散劑，使煤粉在壓裂液中均勻分布，降低施工壓力;在排液時，煤粉隨著壓裂液排出地層，避免堵塞裂縫通道，減少開采過程中的煤粉堵塞現(xiàn)象，提高開采效率。

(8)放噴排液速度控制得當(dāng)，排采緩慢、連續(xù)。

2.5 N2泡沫壓裂施工技術(shù)

N2泡沫壓裂由2組設(shè)備進(jìn)行，一組負(fù)責(zé)泵注壓裂液和支撐劑，另一組泵注N2，在井口前端的高壓管線匯合，通過壓裂井口進(jìn)入井筒。地面N2以液態(tài)存儲在罐內(nèi)，壓裂施工時通過液氮泵車將N2打入高壓管匯與壓裂液混合進(jìn)入井內(nèi)。這時N2通過了泵車的高壓泵和蒸發(fā)器，變成了溫度為15℃以上的N2氣體，即在地面就已形成了泡沫。因而液柱壓力低，造成對井底的回壓低，同時泡沫的摩阻高，導(dǎo)致地面施工壓力高，為有效地降低管柱摩阻，煤層壓裂通常采用光套管注入方式。

泡沫壓裂施工有3種施工控制技術(shù):恒定內(nèi)相、恒定泡沫質(zhì)量和恒定井底總排量。泡沫液加入支撐劑后，泡沫液中外相仍為液相，內(nèi)相變?yōu)橹蝿┖蜌庀啵瑥氖┕げ僮鞣奖憧紤]，采用恒定內(nèi)相和恒定泡沫質(zhì)量的控制方式，在操作上較為困難，N2泵車擋位的排量變化難以達(dá)到設(shè)計要求的變化值，因此采用恒定井底總排量方式進(jìn)行施工。

2.6 壓后排液

N2在壓裂返排時可產(chǎn)生巨大的能量，為了保證壓后能及時開井排液，壓裂施工前應(yīng)將排液工作充分準(zhǔn)備好。在放噴流程上有比較明確的要求。壓后及時開井排液，利用2條管線輪流連續(xù)放噴，并嚴(yán)格控制放噴排液速度。放噴初期一般控制放噴流量為20～60 L/min，待井口壓力降低、裂縫閉合后逐漸增大放噴流量。放噴時要隨時觀測井口壓力和排出液體的含砂情況。壓后放噴流量控制是N2泡沫壓裂返排是否出砂的關(guān)鍵。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在山西沁水潘河礦區(qū)，中原油田應(yīng)用N2泡沫壓裂技術(shù)，對中聯(lián)公司的PH1－6井、PH1井成功進(jìn)行了N2泡沫加砂壓裂施工。PH1－6井完鉆井深為359.21 m，壓裂煤層井段為307.0～313.0 m，施工共注入壓裂液為301 m3，注入液氮為52 t，加入20～40目石英砂17 m3，平均砂比為16.7%。PH1井完鉆井深為412 m，壓裂煤層井段為362.60～368.60 m，施工共注入壓裂液327 m3，注入液氮54.5 t，加入20～40目石英砂37 m3，16～20目樹脂包衣石英砂5 m3，平均砂比為12.8%，階段最高砂比為29%。壓前氣、水產(chǎn)量為0，壓后排液5～7 d見氣，PH1－6井日產(chǎn)氣量為3 000～4 000 m3/d，年累計產(chǎn)氣量達(dá)到112×104m3/a，PH1井日產(chǎn)氣量為2 000～5 800 m3/d，年累計產(chǎn)氣量達(dá)到82×104m3/a，是鄰井氣產(chǎn)量的1.5倍。在晉城、淮北、屯留等區(qū)塊，應(yīng)用N2伴注加砂壓裂技術(shù)的煤層氣井，氣產(chǎn)量普遍較高。目前，國內(nèi)清潔壓裂液和N2泡沫添加劑性能更好，N2泵車配套齊全，應(yīng)用新型清潔壓裂液或活性水配置的無聚合物N2泡沫，必將大大提高煤層水力加砂壓裂增產(chǎn)效果，為中國煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展提供有效的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

(1)N2泡沫濾失小，返排效果好，傷害小，攜砂性能高，可以提高壓裂裂縫鋪砂濃度，能有效提高煤層氣井壓裂增產(chǎn)效果。

(2)N2泡沫壓裂技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用效果顯著，可在煤層氣井推廣應(yīng)用。

［1］Lacy L L，Rickards A r，Bilden D M．Fracture width and embedment testing in soft reservoir sandstone［C］．SPE36421，1996:25 －29．

［2］程林峰.煤層氣注入增產(chǎn)法的探討［J］.中國煤層氣，2006，3(3):40 －43.

［3］蘇現(xiàn)波，劉保民.煤層氣的賦存狀態(tài)及其影響因素［J］．焦作工學(xué)院學(xué)報，1999，18(3):19 －24．

［4］吳建光，等.注入CO2提高煤層氣產(chǎn)能的可行性研究［J］. 高校地質(zhì)學(xué)報，2004，10(3):463 －467．

［5］張林，等.煤層氣井水力壓裂合適伴注氣體的選擇［J］．煤炭學(xué)報，2008，33(3):322 －324.

［6］王國強，馮三利，崔會杰.清潔壓裂液在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2006，26(11):104－106.

［7］張士誠，等.煤巖對壓裂裂縫長期導(dǎo)流能力影響的實驗研究［J］.地質(zhì)學(xué)報，2008，82(10):1444－1448.

［8］王春鵬，張士誠，等.煤層氣井水力壓裂裂縫導(dǎo)流能力實驗評價［J］.中國煤層氣，2006，3(1):17－20.

Approach to N2foam fracturing technique for CBM wells

LIU Chang－yan
(Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，SINOPEC，Puyang，Henan457164，China)

Coal measures in China are characterized by“three lows and one high”，poor effect of conventional fracturing and low production，so that N2foam fracturing has been proposed for CBM wells．Experimental study has been conducted to optimize gas and liquid phases and foam formula，and to improve sand－packing concentration，operation technique，reservoir protection and postfrac fluid discharge measures．Field application in two wells has achieved remarkable result，showing N2foam fracturing can effectively increase the production of CBM wells and will have a bright application future．

N2foam;fracturing;CBM well;operation technique;result

TE357.3

A

1006－6535(2011)05－0114－03

20110322;改回日期20110610

國家科技攻關(guān)項目“沁水盆地南部無煙煤煤層氣田開采技術(shù)研究”(2004BA616A－08－01);中原油田分公司重大攻關(guān)課題“煤層氣藏壓裂增產(chǎn)技術(shù)研究”(2006208－1)

劉長延(1972－)，男，工程師，1994年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，主要從事壓裂工藝和煤層氣開發(fā)技術(shù)研究應(yīng)用工作。

編輯 王 昱