煤層壓裂改造配套工藝技術(shù)論文
【摘要】本文提出了適宜煤層壓裂改造的配套工藝技術(shù),包括完井、壓裂設(shè)計、壓裂液研制、支撐劑優(yōu)選、壓裂施工、裂縫監(jiān)測、壓裂效果評價等技術(shù)。該技術(shù)完整、成熟、先進(jìn),居國內(nèi)領(lǐng)先水平,現(xiàn)場應(yīng)用15口井33層煤,效果良好,可推廣應(yīng)用。
1 引言
煤層壓裂改造可有效地將井孔與煤層天然裂隙連通起來,從而在排水采氣時,更廣泛地分配井孔附近的壓降,增加產(chǎn)能,增大氣體解吸速率。因此,在煤層氣勘探開發(fā)中,壓裂改造作為一種重要的強化措施,已得到普遍應(yīng)用。然而,由于我國煤層氣勘探開發(fā)起步晚、技術(shù)落后,尤其壓裂改造工藝技術(shù)還沒有作系統(tǒng)研究,為此,我處經(jīng)過四年科技攻關(guān),研究成功了煤層壓裂改造配套工藝技術(shù),現(xiàn)場應(yīng)用15口井33層煤,效果良好。
2 煤層壓裂改造配套工藝技術(shù)
2.1 完井技術(shù)
(1)采用全井下139.7mm(177.8mm)套管,低密度水泥漿固井工藝技術(shù)。
(2)采用高密度深穿透射孔工藝技術(shù)。用102槍102彈(127彈),孔密16~32孔/m,螺旋布孔,相位角90°,射開煤層或煤層和圍巖,從而使射孔孔徑超過12mm,有效穿透距離超過500m。
這種完井技術(shù)穩(wěn)固了井身,減少了煤層污染,有利于煤層分層壓裂改造,能滿足排水采氣需要,經(jīng)濟(jì)可行。
2.2 壓裂設(shè)計技術(shù)
研制成功了煤層氣井三維壓裂優(yōu)化設(shè)計軟件。該軟件填補了國內(nèi)空白,是國內(nèi)第一套煤層氣井壓裂軟件,達(dá)到國際先進(jìn)水平。該軟件在Windows環(huán)境下開發(fā),采用Visualfor Windows編程,模塊化設(shè)計,算法先進(jìn)可靠。它主要包含以下7個模型:
(1)產(chǎn)量動態(tài)預(yù)測模型
(2)經(jīng)濟(jì)評價模型
(3)裂縫三維延伸模型
(4)控制縫高模型
(5)支撐劑運移分布模型
(6)溫度場模型
(7)優(yōu)化設(shè)計模型
運用該軟件,可設(shè)計出最優(yōu)壓裂方案,達(dá)到最佳壓裂效果。
2.3 壓裂液研制
壓裂液性能的好壞直接關(guān)系到壓裂施工的成敗及壓后增產(chǎn)效果,根據(jù)煤層特性,研制出了適合煤層的壓裂液系列。
(1)清水:其礦化度與煤層水接近,不傷害煤層;
(2)活性水:對煤層傷害輕微;
(3)低溫凍膠壓裂液:主要由瓜爾膠、KCL、殺菌劑、表面活性劑、助排劑、交聯(lián)劑、破膠劑等組成。其技術(shù)指標(biāo)居國內(nèi)領(lǐng)先水平,破膠后水化液粘度(20℃,24h)為1.00MPa·s,表面張力<30mN/m,界面張力<2mN/m,煤層傷害率<16%。
2.4 支撐劑優(yōu)選
煤層一般埋藏較淺,閉合壓力低,選用天然石英砂(30MPa下破碎率<12%)既可滿足支撐裂縫要求,又經(jīng)濟(jì)便宜。常用石英砂規(guī)格有40~70目粉砂、20~40目中砂和12~20目粗砂。壓裂加砂組合方式有4種:①粉砂+中砂+粗砂;②粉砂+粗砂;③中砂+粗砂;④粗砂。粉砂加在前置液中,以減少壓裂液濾失,利于造縫;中砂和粗砂支撐裂縫,改善煤層滲透性;尾注粗砂可提高裂縫入口導(dǎo)流能力;單純加入粗砂施工難度大,但壓裂效果較好,并可避免排采時粉砂返吐堵塞裂縫。石英砂規(guī)格及加砂量可由軟件模擬確定。
2.5 壓裂施工工藝技術(shù)
(1)采用光套管注入壓裂,降低管壁摩阻,從而降低施工泵壓;
(2)適當(dāng)增大前置液注入量,以充分造縫,避免砂堵;
(3)增大泵的注排量,提高壓裂液效率,對薄煤層適當(dāng)減小泵的注排量,以防止
裂縫高度延伸過高而縮短縫長;
(4)分段注砂,逐步提高砂化,增大支撐裂縫寬度,提高支撐裂縫導(dǎo)流能力;
(5)適當(dāng)減少頂替液量,確保裂縫入口的高導(dǎo)流能力;
(6)控制壓裂液返排速度,保證裂縫充分閉合,防止砂粒和煤粉返吐;
(7)對多煤層井采用分層壓裂改造,提高單煤層改造程度;
(8)加強裂縫監(jiān)測,優(yōu)選壓裂施工參數(shù),指導(dǎo)壓裂施工;
(9)選用H-1000型壓裂機組及配套設(shè)備、車輛,保證滿足壓裂施工需求。
2.6 酸化預(yù)處理工藝技術(shù)
根據(jù)電測資料、錄井資料和室內(nèi)巖芯實驗結(jié)果,綜合研究確定用何種酸液。在壓裂施工之前,對煤層射孔井段進(jìn)行預(yù)處理,從而有效清除射孔孔眼堵塞,解除近井地帶鉆井泥漿、固井水泥的.污染堵塞,為壓裂施工創(chuàng)造有利條件,并有利于壓裂施工完畢后凍膠壓裂液徹底返排,提高壓裂增產(chǎn)效果。
2.7 裂縫監(jiān)測工藝技術(shù)
煤層壓裂裂縫方位和幾何尺寸,是指導(dǎo)制定壓裂方案的重要依據(jù),是評價壓裂效果的重要手段,對優(yōu)化井網(wǎng)布置具有重要意義。選用大地電位法(微地震法)測試和井溫測試,可測試出壓裂裂縫形態(tài)、高度、方位和延伸長度,測試成功率100%,結(jié)果準(zhǔn)確可靠。微地震法測試對壓裂施工進(jìn)行同步裂縫監(jiān)測,要求測試井周圍必須有三口監(jiān)測井,大地電位法測試要求在壓裂液中加入2%~5%KCL,使壓裂液與圍巖的電阻率差異在30~80倍之間,并須測出壓前及壓后大地電位差。井溫測試須測出壓裂前后井溫曲線,要求在測壓前井溫基線時,井筒內(nèi)液體靜止48h以上,壓后井溫曲線應(yīng)在壓后2~6h內(nèi)測完。
另外,根據(jù)壓裂施工數(shù)據(jù)和壓降數(shù)據(jù),也可計算并推斷出動態(tài)裂縫幾何尺寸、支撐裂縫幾何尺寸和壓裂液效率。要求測壓降時間為泵注時間的2.5倍以上。
2.8 壓裂效果評價技術(shù)
(1)注入/壓降試井 通過求出壓裂前后的煤層滲透率、表皮系數(shù)、流體產(chǎn)量等參數(shù)評價壓裂效果;
(2)生產(chǎn)評價 根據(jù)排采數(shù)據(jù)評價壓裂效果;
(3)經(jīng)濟(jì)評價 評價壓裂措施是否經(jīng)濟(jì)可行。
3 現(xiàn)場應(yīng)用
3.1 概況
煤層壓裂改造配套工藝技術(shù),已在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗。應(yīng)用于15口井33層煤,施工成功率100%,有效率100%,并創(chuàng)造了多項施工參數(shù)全國最高水平;①單井加砂量83.66;②單層加砂量41m3;③加砂強度7.1m3/m;④清水壓裂排量7.9m3/min,混砂比17.1%,階段最高混砂比25.6%。
。.2 實例
沁水盆地A1井,鉆井深450m,煤層埋深320~420m,10m/2層,含氣量18m3/t。1997年8月,采用該配套工藝技術(shù),用139.7mm套管完井,比重為1.63的G級水泥漿固井,102槍102彈射開X1、X2煤層。酸化預(yù)處理后,選用低溫凍膠壓裂液對X1、X2煤層進(jìn)行了分層壓裂改造,共注入壓裂液362m3,加石英砂46.8m3,平均混砂比22%,階段最高混砂比36.3%。微地震法測試結(jié)果表明,X1煤層壓裂裂縫為先水平縫后垂直縫,方位為N順時針133°,延伸長度103m;X2煤層壓裂裂縫為垂直縫,方位為N順時針175°,延伸長度79m。壓后排采43天。產(chǎn)氣量即超過3000m3/d。目前,該井產(chǎn)氣量仍穩(wěn)定在3200m3/d以上,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
4 結(jié)論
(1)對煤層進(jìn)行壓裂改造,可提高煤層氣井產(chǎn)能,經(jīng)濟(jì)可行;
(2)煤層三維壓裂優(yōu)化設(shè)計軟件和低溫凍膠壓裂液填補了國內(nèi)空白,居國內(nèi)領(lǐng)先水平;
(3)煤層壓裂改造配套工藝技術(shù)完整、成熟、先進(jìn),適宜煤層壓裂改造需要,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,可推廣應(yīng)用。