煤层气井水力压裂伴注氮气提高采收率的研究

试验研究

煤层气井水力压裂伴注氮气提高采收率的研究

倪小明

1，2a

，贾

炳1，曹运兴

2b

（1．山西晋城无烟煤矿业集团公司，山西晋城048006；

2．河南理工大学a．能源科学与工程学院；b．安全科学与工程学院，河南焦作454000）

摘要：最大限度地提高CH 4气体初始解吸压力是提高其采收率的重要途径之一。针对我国“低压”

煤储层的临储压力比小、初始解吸压力低、活性水压裂效果不甚理想的现状，系统分析了水力压裂伴注N 2增能压裂提高采收率的机理，结合施工现场情况，设计了水力压裂伴注N 2增能压裂煤储层工艺参数。屯留井田水力压裂伴注N 2增能压裂与常规活性水压裂的临界解吸压力对比表明：水力压裂伴注N 2能提高煤层气井排采初期的临界解吸压力，在其他条件相同的情况下，一定程度上能提高煤层气井的采收率。

关键词：N 2增能；水力压裂；煤层气；采收率中图分类号：TD82；P618文献标志码：A

文章编号：1008－4495（2012）01－0001－03收稿日期：2011－05－26；2011－09－25修订

基金项目：国家自然科学基金项目（40902044）；中国博士后科学基金项目（20100480848）；河南理工大学博士基金项目（B2009－51）

作者简介：倪小明（1979—），男，山西临汾人，副教授，博士后，主要从事煤层气抽采方面的研究工作。E －mail ：nxm1979@126．com 。

对煤储层压裂改造是提高煤层气井产能的关键

技术之一。为达到良好的压裂效果，国内外研究者从煤储层特性、压裂液性能、支撑剂性能、煤储层伤害、压裂过程裂缝展布、压裂效果的影响因素等方面

进行了卓有成效的研究

［1－3］

。清洁压裂液携砂能力较强，但对煤储层的污染较严重［4］

；冻胶压裂液携砂

能力较强，

但煤储层温度低，低温破胶是其需要攻克的难题；CO 2泡沫压裂理论上能提高煤层气井采收率，但目前许多煤储层温度低，低温状态如何转化是

其主要瓶颈［5－7］

；活性水压裂液因其价格低廉、来源广、

对煤储层的污染较少而成为目前储层改造的主要方式，但活性水压裂液携砂能力较差。为了更好地研究活性水压裂液伴注N 2压裂效果，笔者以屯留井田低压煤储层为研究对象，根据煤吸附CH 4和N 2的原理，对水力压裂伴注N 2提高采收率的工艺技术进行研究。

1

水力压裂伴注N 2提高采收率的机理

N 2泡沫压裂就是利用地面的泵注设备将N 2和

泡沫液形成的稳定泡沫以高于地层吸收的速率连续

不断地注入煤层，当达到煤的破裂压力时，破裂、裂缝延伸，强化地层裂缝连通，以提高煤层的导流能力。

煤储层中未注入液氮时，设煤储层压力为p ，含气量为V c ，CH 4气体的兰氏体积为V L1，兰氏压力为p L1，根据langumuir 等温吸附曲线，临界解吸压力如下：

p 临1=

V c p L1

（V L1－V c ）

（1）

式中p 临1为CH 4临界解吸压力，

MPa 。此时，设排采时的枯竭压力为p 枯，则可计算出理论采收率：

η1=1－

p 枯（p L1+p 临1）

p 临1（p L1+p 枯）

（2）

式中η1为理论采收率。

向煤储层注入液氮后，

N 2通过煤裂隙系统进入到煤孔隙中，此时的吸附可应用多组分气体吸附理论进行分析。N 2进入煤孔隙后，

当储层压力、温度、煤变质程度一定时，煤体对CH 4、N 2的最大吸附能力是一定的。此时，可近似认为单一气体和多组分

气体的兰氏体积不变。也就是单一CH 4与N 2混合后兰氏体积不变。注入N 2后，气体未产出时，煤储层中气体的压力增加，因在同样压力下煤储层对CH 4的吸附能力大于对N 2的吸附能力，排采时可把注入N 2的量换算为CH 4体积的当量，此时CH 4的临界解吸压力可表示为

p 临2=

（V c +V cd ）p L1

（V L1－V c －V cd ）

（3）

式中：p

临2为注入N

2

后CH

4

的临界解吸压力，MPa；V

cd

为

注入N

2后换算成吸附CH

4

的体积当量增量，m3/t。

在其他条件不变的情况下，N

2

注入后，临界解吸压力的增量为

Δp

临=

V

cd

p

L1

V

L1

（V

L1

－V

c

－V

cd

）（V

L1

－V

c

）

（4）

式中Δp

临为注入N

2

后与注入N

2

前CH

4

的临界解

吸压力的差值，MPa。

从式（4）可看出，注入N

2

后引起煤吸附气体量

发生改变时，会改变CH

4临界解吸压力，煤吸附N

2

量从某种程度上决定了临界解吸压力的增量。

注入N

2后，2种气体混合，气体压力主要由CH

4

和N

2压力共同组成。设注入N

2

后N

2

的分压为p

2

，

若枯竭压力小于N

2的分压p

2

，则注入后CH

4

的采

收率几乎可达到100%；若枯竭压力大于N

2

的分压

p 2，则注入后CH

4

的采收率可近似表示为

η2=1－

（p

枯

－p

2

）（p

L1

+p

临2

）

p

临2

（p

L1

+p

枯

－p

2

）

（5）

式中η

2为注入N

2

后的采收率。

注入N

2后煤层CH

4

采收率的增量可表示为

Δη=V

L1

［V

c

p

2

p

L1

+V

cd

p2

枯

+V

cd

p

枯

（p

L1

－p

2

）］

V

c

（V

c

+V

cd

）（p

L1

+p

枯

－p

2

）（p

L1

+p

枯

）

（6）

由式（6）可知，注入N

2后由于N

2

的分压及气体

压力的增加，从一定程度上提高了排采时煤层CH

4的采收率。

2水力压裂伴注N

2

提高采收率的影响因素

水力压裂伴注N

2

能否提高采收率，关键在于注

入的N

2能否进入煤孔隙中与CH

4

气体共同占据孔

隙空间，以及占据的空间大小。

2.1煤储层特征对CH

4

采收率的影响

煤储层特征对CH

4

采收率的影响因素主要包括煤储层的吸附能力、原始孔裂隙的发育程度、压力和含气饱和度等。

1）煤储层对CH

4的吸附能力与对N

2

的吸附能

力的差值决定N

2注入过程中N

2

的吸附量，进而决

定了孔隙内部气体压力增量的大小及排采初期临界

解吸量的大小。在其他条件相同的情况下，二者吸附能力差值越小，越有利于煤对N

2

的吸附，越有利于提高采收率。

2）煤储层原始孔裂隙越发育，在其他条件相同

的情况下，N

2

容易通过裂隙系统进入到孔隙系统，

与原来煤孔隙中的CH

4共同占据孔隙空间，提高了

煤储层的气体压力及含气饱和度，排采时使临界解

吸压力和采收率提高。

3）煤储层压力越大，在其他条件相同的情况下，

导致注入N

2

时难度加大，进入煤孔裂隙相对困难，

进而影响CH

4

的采收率。煤储层的含气饱和度越

高，在其他条件相同的情况下，也会导致注入N

2

时

难度加大，影响CH

4

的采收率。

2.2施工参数及泵注程序对CH

4

采收率的影响

N

2

泡沫压裂液本身具有良好的防滤失作用，这

是由泡沫的气相和液相之间的界面张力造成的。伴

注N

2

从某种程度上弥补了活性水压裂液黏度低、携

砂能力差的不足，同时，泡沫压裂液的摩阻比水要低

40% 66%，泡沫含量越高，支撑剂携带越远，裂缝

支撑效果越好。

注入量越多，施工压力也越大，在其他条件相同

的情况下，进入煤孔隙中的N

2

量会越多，排采过程

中CH

4

的采收率提高也越多。但注入量受到施工设

备、经济因素等条件的制约。当裂缝能延伸足够远

时，在其他条件相同的情况下，注入的N

2

量越多，进

入煤孔隙中的N

2

量也越多，但注入的N

2

量受到煤

储层原始含气饱和度、CH

4

气体压力、裂缝延伸长

度、裂缝与孔隙的沟通状况、经济等条件的制约。

对特定的煤层气井而言，煤储层原始状态下的

含气饱和度、孔裂隙发育特征、压力等是基本固定

的。因此，要提高其采收率，需要根据煤储层特征，

对施工参数及泵注程序进行优化，才能使产气效果

达到最佳。

3水力压裂伴注N

2

工艺技术及现场应用

3．1水力压裂伴注N

2

工艺技术

要尽可能地提高水力压裂伴注N

2

采收率，必须

对其泵注参数进行优化。因此，在刚开始造缝时，就

泵注液氮，直到顶替液时，停止加液氮。液氮量主要

受控于水力压裂的前置液量和携砂液量、液氮的排

量及水力压裂的排量。

目前，一般6m厚的煤层，受到现场设备、采场

等条件的制约，压裂液量在600 650m3。因此，压

裂液量与煤层厚度的关系可表示为

Q

1

=100αH（7）

式中：Q

1

为水力压裂注入液量，m3；α为系数，一般

取0．9 1．2；H为煤层厚度，m。

水力压裂携砂能力弱，因此在施工时，应尽可能

地增加施工排量来弥补携砂能力的不足。目前，在施

工压力允许的前提下，排量一般为8．0 9．0m3/min，