煤层压裂改造配套工艺技术

　　 作者: 刘长延?李玉魁收录来源: 中国煤层气
【摘要】本文提出了适宜煤层压裂改造的配套工艺技术，包括完井、压裂设计、压裂液研制、支撑剂优选、压裂施工、裂缝监测、压裂效果评价等技术。该技术完整、成熟、先进，居国内领先水平，现场应用15口井33层煤，效果良好，可推广应用。
1 引言
煤层压裂改造可有效地将井孔与煤层天然裂隙连通起来，从而在排水采气时，更广泛地分配井孔附近的压降，增加产能，增大气体解吸速率。因此，在煤层气勘探开发中，压裂改造作为一种重要的强化措施，已得到普遍应用。然而，由于我国煤层气勘探开发起步晚、技术落后，尤其压裂改造工艺技术还没有作系统研究，为此，我处经过四年科技攻关，研究成功了煤层压裂改造配套工艺技术，现场应用15口井33层煤，效果良好。
2 煤层压裂改造配套工艺技术
2.1 完井技术
(1)采用全井下Φ139.7mm（Φ177.8mm)套管，低密度水泥浆固井工艺技术。
(2)采用高密度深穿透射孔工艺技术。用Φ102枪102弹(127弹)，孔密16～32孔/m，螺旋布孔，相位角90°，射开煤层或煤层和围岩，从而使射孔孔径超过Φ12mm，有效穿透距离超过500m。

这种完井技术稳固了井身，减少了煤层污染，有利于煤层分层压裂改造，能满足排水采气需要，经济可行。
2.2 压裂设计技术
研制成功了煤层气井三维压裂优化设计软件。该软件填补了国内空白，是国内第一套煤层气井压裂软件，达到国际先进水平。该软件在Windows环境下开发，采用Visualfor　Windows编程，模块化设计，算法先进可靠。它主要包含以下7个模型：
(1)产量动态预测模型
(2)经济评价模型
(3)裂缝三维延伸模型
(4)控制缝高模型
(5)支撑剂运移分布模型
(6)温度场模型
(7)优化设计模型
运用该软件，可设计出最优压裂方案，达到最佳压裂效果。
2.３ 压裂液研制
压裂液性能的好坏直接关系到压裂施工的成败及压后增产效果，根据煤层特性，研制出了适合煤层的压裂液系列。
(1)清水：其矿化度与煤层水接近，不伤害煤层；
(2)活性水：对煤层伤害轻微；
(3)低温冻胶压裂液：主要由瓜尔胶、KCL、杀菌剂、表面活性剂、助排剂、交联剂、破胶剂等组成。其技术指标居国内领先水平，破胶后水化液粘度(20℃，24ｈ)为1.00MPa·s，表面张力＜30mN/m，界面张力＜2mN/m，煤层伤害率＜16%。
2.4 支撑剂优选
煤层一般埋藏较浅，闭合压力低，选用天然石英砂(30MPa下破碎率＜12%)既可满足支撑裂缝要求，又经济便宜。常用石英砂规格有40～70目粉砂、20～40目中砂和12～20目粗砂。压裂加砂组合方式有4种：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，以减少压裂液滤失，利于造缝；中砂和粗砂支撑裂缝，改善煤层渗透性；尾注粗砂可提高裂缝入口导流能力；单纯加入粗砂施工难度大，但压裂效果较好，并可避免排采时粉砂返吐堵塞裂缝。石英砂规格及加砂量可由软件模拟确定。
2.５ 压裂施工工艺技术
(1)采用光套管注入压裂，降低管壁摩阻，从而降低施工泵压；
(2)适当增大前置液注入量，以充分造缝，避免砂堵；
(3)增大泵的注排量，提高压裂液效率，对薄煤层适当减小泵的注排量，以防止
裂缝高度延伸过高而缩短缝长；
(4)分段注砂，逐步提高砂化，增大支撑裂缝宽度，提高支撑裂缝导流能力；
(5)适当减少顶替液量，确保裂缝入口的高导流能力；
(6)控制压裂液返排速度，保证裂缝充分闭合，防止砂粒和煤粉返吐；
(7)对多煤层井采用分层压裂改造，提高单煤层改造程度；
(8)加强裂缝监测，优选压裂施工参数，指导压裂施工；
(9)选用H-1000型压裂机组及配套设备、车辆，保证满足压裂施工需求。
2.6 酸化预处理工艺技术
根据电测资料、录井资料和室内岩芯实验结果，综合研究确定用何种酸液。在压裂施工之前，对煤层射孔井段进行预处理，从而有效清除射孔孔眼堵塞，解除近井地带钻井泥浆、固井水泥的污染堵塞，为压裂施工创造有利条件，并有利于压裂施工完毕后冻胶压裂液彻底返排，提高压裂增产效果。
2.7 裂缝监测工艺技术
煤层压裂裂缝方位和几何尺寸，是指导制定压裂方案的重要依据，是评价压裂效果的重要手段，对优化井网布置具有重要意义。选用大地电位法(微地震法)测试和井温测试，可测试出压裂裂缝形态、高度、方位和延伸长度，测试成功率100%，结果准确可靠。微地震法测试对压裂施工进行同步裂缝监测，要求测试井周围必须有三口监测井，大地电位法测试要求在压裂液中加入2%～5%KCL，使压裂液与围岩的电阻率差异在30～80倍之间，并须测出压前及压后大地电位差。井温测试须测出压裂前后井温曲线，要求在测压前井温基线时，井筒内液体静止48ｈ以上，压后井温曲线应在压后2～6h内测完。


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另外，根据压裂施工数据和压降数据，也可计算并推断出动态裂缝几何尺寸、支撑裂缝几何尺寸和压裂液效率。要求测压降时间为泵注时间的2.5倍以上。
2.8 压裂效果评价技术
(1)注入/压降试井 通过求出压裂前后的煤层渗透率、表皮系数、流体产量等参数评价压裂效果；
(2)生产评价 根据排采数据评价压裂效果；
(3)经济评价 评价压裂措施是否经济可行。
3 现场应用
3.1 概况
煤层压裂改造配套工艺技术，已在现场进行了试验。应用于15口井33层煤，施工成功率100%，有效率100%，并创造了多项施工参数全国最高水平；①单井加砂量83.66；②单层加砂量41m3；③加砂强度7.1m3/m；④清水压裂排量7.9m3/min，混砂比17.1%，阶段最高混砂比25.6%。
３.2 实例
沁水盆地A1井，钻井深450m，煤层埋深320～420m，10m/2层，含气量18m3/ｔ。1997年8月，采用该配套工艺技术，用Φ139.7mm套管完井，比重为1.63的G级水泥浆固井，102枪102弹射开X1、X2煤层。酸化预处理后，选用低温冻胶压裂液对X1、X2煤层进行了分层压裂改造，共注入压裂液362m3，加石英砂46.8m3，平均混砂比22%，阶段最高混砂比36.3%。微地震法测试结果表明，X1煤层压裂裂缝为先水平缝后垂直缝，方位为Ｎ顺时针133°，延伸长度103m；X2煤层压裂裂缝为垂直缝，方位为Ｎ顺时针175°，延伸长度79m。压后排采43天。产气量即超过3000m3/d。目前，该井产气量仍稳定在3200m3/d以上，经济效益显著。
４ 结论
(1)对煤层进行压裂改造，可提高煤层气井产能，经济可行；
(2)煤层三维压裂优化设计软件和低温冻胶压裂液填补了国内空白，居国内领先水平；
(3)煤层压裂改造配套工艺技术完整、成熟、先进，适宜煤层压裂改造需要，现场应用效果良好，可推广应用。


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