煤层压裂工艺技术初探修书志Ξ江新民(华北石油管理局井下作业公司)摘要煤储层的机械性质及煤层气的形成、储集、运移、产出机理,均与常规油气储层不同,因而煤层气的压裂具有特殊性。本文针对煤粉的产生及危害、煤层压裂处理压力过高、压裂液对煤储层的危害、压裂液滤失的危害及控制等几方面原因对煤储层的特性进行了系统分析,提出了煤层压裂设计中应选择合适的压裂模型、适宜的压裂液及支撑剂。结合国内外煤层气勘探开发经验,对比分析了目前常用的压裂方法(凝胶压裂、加砂水压裂、不加砂水压裂及泡沫压裂)的压裂效果。主题词煤成气压裂液压裂支撑剂压裂设计引言压裂对低渗透的煤储层也同样是有效的,但它与低渗透油气藏的压裂有许多不同之处。主要在于:(1)煤储层与常规油气储层的机械性质不同。与常规油气储层相比,煤层的杨氏模量低、泊松比高,且具有特殊的双孔隙结构,割理发育,以及更大的各向异性和不均质性。(2)煤层气的形成、储集、运移、产出机理与常规油气存在较大的差异。煤层气主要以吸附形式存储于微孔隙表面,其产出是一个降压解吸、扩散、渗流的过程。目前,国内外煤层气井的压裂方法有:凝胶压裂、加砂水压裂、不加砂水压裂及泡沫(如:N2泡沫或CO2泡沫)压裂等。煤层压裂的特殊性1.煤粉的产生及危害煤岩是易破碎的,在压裂施工中由于压裂液的水力冲蚀作用及与煤岩表面的剪切与磨损作用,煤岩破碎产生大量的煤粉及大小不一的煤碎屑,由于它们是疏水性的,不易分散于水或水基溶液(如:压裂液),从而极易聚集起来阻塞压裂裂缝的前缘,导致压裂处理压力过高。在压裂液中加入润湿剂和分散剂能使煤粉由疏水性的转变为亲水性的,并且有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中,阻止煤粉的聚集,保证压裂施工的顺利进行。2.煤层压裂处理压力过高由于煤储层的特殊性,压裂施工中常出现处理压力过高的现象(见图1),不利于正常施工。可能的原因有:(1)煤粉及煤碎屑会堵塞裂缝,并聚集起来阻挡压裂液前缘,改变裂缝的延伸方向;(2)形成弯曲裂缝;1999年3月油气井测试第8卷第1期Ξ修书志,男,助理工程师,1996年毕业于石油大学(华东)应用化学专业,现从事油气井压裂酸化工作。地址:河北省任邱市华北石油管理局井下作业公司,邮政编码:062552。图1煤层压裂处理压力过高的机理示意图(3)形成多裂缝网络;(4)缝端出现煤粉;(5)井眼附近孔隙压力上升;(6)井眼失稳或射孔产生碎屑,煤碎屑会阻碍裂缝的产生。其中,孔隙弹性效应在井眼附近产生碎屑、井眼附近及外围形成的弯曲裂缝和多裂缝网络可能是处理压力过高的主要原因。3.压裂液对煤储层的伤害煤岩具有很强的吸附性,吸附压裂液后会引起煤岩基质的膨胀及堵塞割理,从而降低割理孔隙度和渗透率及限制煤层气的解吸。压裂液经垂直裂缝向薄煤层侵入的距离较长以及单流阀效应引起的孔隙压力下降和割理闭合,导致侵入的压裂液滞留其中,会加重对煤层的伤害。煤层压裂所用的压裂液应具有防膨效果好、破乳率高、低残渣、返排率高、流变剪切性能好以及携砂能力强等特点。几种压裂液稠化剂中水不溶物含量对比见表1。表1稠化剂中水不溶物含量对比稠化剂田菁原粉改性田菁香豆胶瓜尔胶原粉羟丙基瓜尔胶水不溶物(%)3512102510香豆胶与羟丙基瓜尔胶的水不溶物最低,即破胶残渣也最低。对储层造成的伤害也小很多。研究证明,使用低浓度的稠化剂(目前,国内外作业者使用最多的为低残渣的羟丙基瓜尔胶),以及使用高浓度的破胶剂(如:微胶囊延迟破胶剂)使凝胶彻底破胶水化,可有效降低对煤储层的伤害。4.压裂液滤失的危害及控制一般情况下,煤层压裂时压裂液的滤失是相当严重的。其危害有限制裂缝的延伸、降低压裂液的效率、极易伤害煤储层、增大脱砂的可能性。控制压裂液滤失的有效措施有:(1)前置液中加入100目粉砂,有助于形成滤饼和堵塞微裂缝,从而保证主裂缝的延伸和降低压裂液的滤失量;(2)正确选择支撑剂尺寸及合理的泵注程序,对限制复杂裂缝扩张及滤失现象非常重要;(3)泡沫有良好的滤失控制性能,对煤层伤害程度小,可采用泡沫压裂。64油气井测试1999年3月压裂设计1.煤层压裂类型煤层压裂设计之前,应认清压裂措施与煤层深度、厚度和储层特性之间的关系。根据实践经验,S.A.Holditch等人将煤层压裂方案分为四种类型:(1)浅煤层,会产生水平裂缝;(2)薄煤层序列,会产生一条平面垂直裂缝;(3)单一厚煤层,压裂裂缝完全被限制在煤层内,同时可能产生复杂裂缝系统;(4)压裂初期,裂缝被限制在煤层内,到压裂后期,裂缝开始垂直向界外