煤层气井压裂技术现状研究及应用

煤层气井压裂技术现状研究及应用

摘要：煤层气其主要成分为高纯度甲烷。煤层气开发的主要增产措施是压裂，而压裂设计是实施压裂作业的关键。本文介绍了煤层气储层的特征，并根据美国远东能源公司煤层气井压裂工艺技术，对其在山西寿阳区块几口井的压裂设计进行了分析。讨论了煤层气井压裂设计的主要参数如施工排量、压裂液、支撑剂、加砂程序的优化措施。

关键词：煤层气储层压裂设计小型压裂测试树脂涂层砂

1 引言

美国是率先进行煤层气开采的国家，其煤层气工业起步于70年代，大规模的发展则是在80年代。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，经测算煤层甲烷总资源量为30～351012 m3，约是美国的三倍。我国煤层气目前处于商业化生产的阶段。至今已在全国各煤矿区施工600多口煤层气井、10余个井组，大部分进行了压裂增产等措施。煤层气是我国常规天然气最现实、最可靠的替代能源，开发和利用煤层气可以有效地弥补我国常规天然气在地域分布上的不均和供给量上的不足。山西省是中国煤层气储量最丰富的地区之一，开发利用煤层气的优势十分突出，如何坚持科学发展的指导思想，解决开发利用过程中遇到的难点和瓶颈问题，达到合理有效地开发利用是我们当前应该着重思考的问题。

2 煤层气概况

煤层气俗称瓦斯，其主要成分为高纯度甲烷，是成煤过程中生成的、并以吸附和游离状态赋存于煤层及周岩的自储式天然气体，属于非常规天然气。在亿万年漫长的煤炭形成过程中，都有以甲烷为主的气体产生，如果它较多地从母质煤炭岩层中游离迁移出来并进入具有孔隙性和渗透性均良好的构造中储存积聚，则被称为煤成气（即煤基天然气），其开采方式与常规天然气较相似。

2.1 煤层气的赋存特点

煤层气藏与常规气藏最大的差异就是煤层甲烷不是以简单的游离状态储存于煤岩的孔隙中，煤层气中90%以上均是吸附状态附着于煤的内表面上，少量的煤层气是以游离状态储存于煤岩的割理、裂隙和孔隙中，还有部分煤层气是以溶解状态储存于煤层水中。煤是一种多孔介质，其中微孔隙特别发育，形成了异常巨大的内表面面积，据测定每吨煤的内表面面积可达0.929亿m2 。煤的颗粒表面分子通过范德华力吸引周围气体分子，这是固体表面上进行的一种物理吸附过程。压力对吸附作用有明显影响，国内外的研究均表明，随着压力增加，煤对甲烷的吸附量逐渐增大。

2.2 煤层气储层特征

煤层气储层具有特殊的孔隙结构和渗流特征，对外界条件比较敏感，易受外来液相、固相、压力变化等的影响，比常规油气储层更易受到伤害。煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙，具有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许多方块（基质块体）：基质是主要的储气空间，而裂隙是主要的渗透通道。

2.3 煤层气储层微观破坏机理

煤的孔隙结构是煤中挥发分在成煤过程中转变为固定炭时形成的许多微小气孔组成。煤岩的孔隙裂隙系统可以看成由微孔隙和颗粒间的微裂隙组成。通过前人进行的煤结构观察实验分析可以得出，煤层气煤岩的微观破坏形式是沿微孔隙某个方向的穿粒断裂和沿晶（即沿裂隙或节理层理）断裂及它们之间的相互耦合，如图1所示。

图2-1 煤的微观断裂形式

穿粒和沿晶断裂主要有两种类型：第一类是具有微孔隙和微裂隙的断裂；第二类是无微孔隙存在的沿晶断裂，如图2所示。

图2-2 煤的穿粒、沿晶断裂

3 煤层气井压裂技术现状

3.1 煤层气井压裂

3.1.1煤层压裂目的

煤层的压裂目的是解除污染堵塞，沟通井筒与煤层天然裂缝系统，增加水产量促进降压速度，加快气体解吸产出；扩大井筒附近压降分布范围，避免应力集中。

3.1.2煤层气井压裂设计要素优化讨论

压裂设计是实施压裂作业的关键，需要周密地考虑储层特性、井筒设计、压裂方法、压裂设备、压裂液和支撑剂等方面。现就以下几个方面分析：

（1）施工排量：是压裂设计的关键参数，它会影响施工泵压、管柱摩阻、静压力，进而影响裂缝的几何尺寸。施工排量主要取决于完井方式，井身结构、压裂注入方式、压裂管柱、井口压力和压裂设备功率等因素的限制，同时对裂缝高度有一定的影响。

（2）压裂液：首先，所选择的压裂液必须与储层具有良好的配伍性，尽量降低对地层的污染；其次，必须能够造成足够宽的裂缝来容纳支撑剂，同时具有强的携砂能力。目前应用活性水作为压裂液比较广泛，它的成本低，性能好，易

于使用，但可能引起水敏性地层的损害，而且不得已利用大排量来弥补高滤失，对压裂设备要求较高。

（3）支撑剂：理想的支撑剂的特性为强度高、抗腐蚀、低重力、成本低。

（4）砂比：不同的压裂液体系对于砂比的要求不同。在煤层气井压裂中，对于活性水压裂液体系来说，一般要求平均砂比在10%-15%左右。如果采用携砂能力强的清洁压裂液体系，砂比可达20-25%，最高砂浓度能达到650Kg/m3，能够改造所有层，并且降低了施工压力和施工排量。

3.2 美国远东能源公司煤层压裂技术思路分析

2.压裂前进行小型压裂测试。

施工前进行小型测试压裂，以确定储层的滤失系数、裂缝延伸速度、延伸压力、裂缝闭合压力等重要设计参数。在小型压裂前，循环试压，稳压10分钟，压降小于5%为合格。试压合格后，灌满井筒，然后进行小型测试压裂，迅速提高排量，在排量8.0m3/min下得到破裂压力后，稳定排量，然后降排量测试，排量阶梯降分别为8、6、4、2m3/min，停泵测压30分钟，然后再开始正式加砂压裂。

3.采用活性水压裂液体系。

压裂液在压裂改造中起着很重要的作用，美国远东公司在压裂液中采用了几种较为先进的添加剂。加入一定浓度的消泡剂，防膨剂，助排剂和杀菌剂配制成需要的活性水压裂液，降低了对地层孔隙的污染，成本较低，是目前最主流的压裂了体系。4.采用树脂涂层砂作为支撑剂。

在人工裂缝的尺寸方面采用了长裂缝的设计理念，采用中强度支撑剂树脂砂，防止支撑剂回吐和改善导流能力。树脂涂层砂的作用原理是在压裂石英砂颗粒表面涂敷一层薄而有一定韧性的树脂层，该涂层可以将原支撑剂改变为具有一定面积的接触。当该支撑剂进入裂缝以后，由于温度的影响，树脂层首先软化，然后在固化剂的作用下发生聚合反应而固化。从而使颗粒之间由于树脂的聚合而固结在一起，将原来颗粒之间的点与点接触变成小面积接触，降低了作用在砂砾上的负荷，增加了砂粒的抗破碎能力。固结在一起的砂砾形成带有渗透率的网状滤段，阻止压裂砂的外吐。而且原油、地层水和酸对树脂涂层砂没有影响。

这种支撑剂渗透率高，强度比石英砂大，具有较好的裂缝传导率，其几何形状、强度和耐高温抗化学作用性都很好。预固化树脂包层砂是近10余年来发展起来的，针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成。一般它的颗粒密度为2.55kg/m3，比石英砂略轻。由于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层的面积上减少了点负荷。这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支