石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (3): 59-61,72
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    刘倍贝
    柿庄北深煤层区块压裂工艺对比研究
    刘倍贝     
    中联煤层气有限责任公司
    收稿日期：2017-09-20
    作者简介：刘倍贝(1990-)，女，2015年毕业于中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业，硕士，现就职于中联煤层气有限责任公司，从事煤层气压裂增产工艺研究工作。E-mail：liubb7@cnooc.com.cn.
    摘要：深层煤层气井压裂没有成熟的经验可以借鉴，对比研究了柿庄北深煤层区块已成功施工的11口活性水压裂井、5口水力波及压裂井及2口水力喷砂分段压裂水平井，总结分析了这些井的工艺参数及施工效果。活性水加砂压裂井和水力波及压裂井施工风险低，成功率高；水平井水力喷砂分段压裂施工压力高，风险大，需进一步优化工艺参数，保障施工安全。该分析结果可为该区块后续煤层气压裂增产提供参考依据。
    关键词：柿庄北    深煤层    活性水压裂    水力波及压裂    水力喷砂分段压裂    
    Comparative study on deep CBM fracturing technology in Shizhuang north block
    Liu Beibei     
    China United Coalbed Methane Corporation Limited, Beijing, China
    Abstract: Eleven active water fracturing wells, five synchronous hydraulic conformance fracturing wells, and two hydraulic sand blasting segregated fracturing horizontal wells had been constructed successfully in a CBM block at Shizhuang North Block. In this study, fracturing parameters and the application effect were compared, these successful fracturing application were analyzed, since there is no ripe experience for deep CBM well fracturing. Active water fracturing wells and synchronous hydraulic conformance fracturing wells have high construction success rate with low risk.The hydraulic sand blasting segregated fracturing horizontal wells have high construction pressure with high risk, so it is necessary to optimize the operation parameters to ensure construction safety.The paper provides references for the CBM well stimulation in this block.
    Key Words: Shizhuang north block    deep coal bed    active water fracturing    synchronous hydraulic conformance fracturing    hydraulic sand blasting segregated fracturing    

    沁水盆地深煤层煤层气资源量占全盆地总资源量的47%[1-2]。本研究区块位于沁水盆地南部，区块内目标煤层3号煤层深度较深，储层渗透率低，需要通过水力压裂增产措施获得经济产量。深煤层具有地应力高、温度梯度高、变质程度高和孔隙结构配置差等特点[3]。深煤层含气量大多高于浅煤层，但温度高且变化大，对压裂液的选择要求较高，解吸更困难，较低的储层压力导致压后返排能力不足。因此，深层煤层气井水力压裂的难度更大, 而且没有成熟的经验可以借鉴[4]。基于此，针对研究区块储层条件，对比研究了该区块以往成功压裂井的施工参数及效果，分析获得适合于研究区块深煤层的压裂工艺，旨在为该区块深煤层煤层气开发提供参考依据。

    1 地质背景

    研究的柿庄北深层煤区块位于沁水盆地南缘沁水复向斜东翼东部缓坡带，属于宽缓褶皱、简单单斜构造，断层不发育。煤层产状平缓，煤层倾角变化不大，平均3°~14°左右。

    目标煤层3号煤层位于山西组底部，埋深800~1 000 m；煤层发育稳定，平均厚度5.45 m，储层压力梯度介于0.61~0.859 MPa/100 m，煤层储层温度介于27.5~30.27 ℃，平均孔隙度为5.63%，渗透率为0.085×10-3 μm2左右，平均含气量17.11 m3/t，本区块煤层气拥有较好的开发潜力。

    2 压裂工艺评价及对比
    2.1 单井活性水加砂压裂工艺评价

    柿庄北深煤层区块采用活性水光套管压裂工艺成功压裂11口直井/定向井(丛式井组)，该区11口井平均射孔中深983 m。目前，活性水加砂压裂是应用最为普遍的深煤层气增产措施，压裂液主要成分是清水、氯化钾，根据需要加入添加剂。活性水压裂液成本低，对煤层的伤害相对较小。煤层气井的井位一旦确定后，工艺参数是影响压裂效果的关键因素。深煤层压裂施工压力较大，适当增大前置液比例能疏通已有裂缝通道，减小近井地带弯曲摩阻及裂缝壁面粗糙度，扩展裂缝规模，能有效地使携砂液阶段施工压力平稳，降低压裂施工砂堵的风险[5]。本区实际施工前置液比例为25%~42%，均采用阶梯变排量的方式，排量为6~8 m3/min。前置液阶段采用段塞加砂，打磨裂缝、降低滤失。携砂液阶段采用连续加砂，阶梯式提砂比，降低砂堵风险，形成从地层到近井筒逐渐增大的导流能力。井距>200 m时，平均加砂量50 m3，加砂强度9~10 m3/m，平均砂比13%~14.7%；井距≤200 m时，平均加砂量20 m3，加砂强度4~5 m3/m，平均砂比10%~14%；最高砂比不超过30%；平均破裂压力24.11 MPa。压裂施工曲线形态均以平稳型为主，典型施工曲线如图 1所示。加砂完成率均大于100%。活性水光套管压裂工艺在该区块应用效果良好。

    图 1     本区块活性水压裂典型施工曲线图 Figure 1     Typical operation curves of active water fracturing wells in the block

    2.2 水平井水力喷砂分段压裂工艺评价

    本区块两口水平井均采用水力喷砂分段压裂工艺，压裂方式采用油管套管同时注入，保障施工排量，控制施工压力，两口井均压裂5段，压裂点之间平均间距200 m，井深1 065~1 251 m，采用7%(w)KCl+15%(w)HCl为主体的压裂液体系，在保障压裂液对本区块深煤层的造缝能力和携砂性能的同时最大程度降低对储层的污染。本区前置液比例根据小压模拟分析结果设计，实际施工前置液比例15%~36%，施工油管排量2~2.5 m3/min，套管排量1 m3/min，平均破裂压力49.2 MPa。统计分析压裂施工曲线，易出现砂堵，该压裂液体系黏度低，主要依靠排量携砂，排量较低导致压裂液携砂能力不足是造成砂堵的原因之一，典型施工曲线如图 2所示，两口井共有6段未按设计完成加砂，施工压力高，整体破裂压力接近直井/定向井(丛式井组)的2倍，该工艺在区块内施工难度较大。

    图 2     本区块水平井压裂典型施工曲线图 Figure 2     Typical operation curves of horizontal wells in the block

    2.3 水力波及压裂工艺评价

    本区块5口直井试验了水力波及压裂工艺，平均井深948 m。本区块水力波及压裂设计是在单井体积压裂工艺参数设计的基础上，利用软件模拟计算得到以增大储层改造体积为目标函数的直观分析结果，从而确定压裂施工参数最优水平组合。各井采用全程段塞以增大裂缝净压力，采用不同目数组合的支撑剂以增大导流能力。根据已有井网布局情况，同时吸收页岩气同步压裂及改进拉链式压裂理念，考虑压裂井施工顺序，以实现应力扰动效果最优[6]。

    实际施工前置液比例35%~45%，排量6~8 m3/min，平均施工压力15~30 MPa，3口井无明显破裂压力, 另外两口井破裂压力分别是15 MPa、32 MPa，两口井在井场外围，应力干扰较弱，采用活性水为主体的压裂液体系，设计液量800 m3，平均砂比11%，其余3口井设计液量600 m3，平均砂比9%。水力波及压裂加砂过程中无砂堵，典型压裂施工曲线如图 3所示，整体施工压力不高，4口井按设计要求完成加砂，一口井加砂完成率92%，压裂施工均达到设计要求。水力波及压裂井及邻井之间在深煤层皆形成有效缝网，利于排水采气，值得推广。

    图 3     本区块水力波及压裂典型施工曲线图 Figure 3     Typical operation curves of synchronous hydraulic conformance fracturing wells in the block

    2.4 压裂工艺对比

    对比以上3种压裂工艺参数(见表 1)，活性水加砂压裂井距大于200 m的井和水力波及压裂施工应力干扰弱的井压裂施工规模接近，活性水加砂压裂井距小于200 m的井和水力波及压裂施工应力干扰强的井压裂施工规模接近，两种工艺加砂完成率高，施工压力低，效果均良好，两种压裂工艺及以上施工参数适用于该区块深煤层压裂。水力喷射油套同注加砂压裂工艺，40%的井按设计完成加砂，加砂完成率低，在区块内易出现砂堵，施工压力高，风险大，对管柱抗压能力要求较高。3种工艺采用压裂液黏度低，依靠大排量携砂，排量较低时难以携砂，易出现砂堵，加砂完成率低。

    表 1    本区块压裂工艺参数对比 Table 1    Comparison of fracturing process parameters in the block

    3 结论及建议

    (1) 活性水加砂压裂工艺成本低，对储层伤害相对较小，施工成功率高，适合本区块深层煤直井/定向井压裂，参考本区块内11口已成功压裂井的工艺参数，能够顺利完成区块深煤层压裂施工。

    (2) 水平井水力喷砂分段压裂工艺施工摩阻大，施工压力高，风险大。建议根据情况有效增大排量、前置液量、降低施工砂比，优化压裂工艺参数，控制施工压力，加强施工管柱抗压能力管控。

    (3) 水力波及压裂能有效沟通割理缝形成缝网，施工成功率高，适合于本区块深层煤直井压裂。多口井同时压裂对施工组织要求相对较高，参考研究区块内5口已成功压裂井的工艺参数，能够顺利完成区块深煤层压裂施工。

    参考文献
    [1]
    张军涛, 郭庆, 汶锋刚. 深层煤层气压裂技术的研究与应用[J]. 延安大学学报(自然科学版), 2015, 34(1): 78-80.
    [2]
    刘成林, 朱杰, 车长波, 等. 新一轮全国煤层气资源评价方法与结果[J]. 天然气工业, 2009, 29(11): 130-132. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2009.11.038
    [3]
    韩金轩, 杨兆中, 李小刚, 等. 柿庄北深煤层压裂伤害机理及低伤害压裂液评价[J]. 科学技术与工程, 2014, 14(21): 219-223. DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2014.21.040
    [4]
    李春, 张云鹏, 张璐, 等. 沁水盆地深煤层储层特征及压裂改造技术[J]. 煤炭技术, 2016, 35(8): 94-97.
    [5]
    夏日桂. 柿庄北煤层气井活性水压裂施工参数优化研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48(9): 36-38.
    [6]
    叶建平, 杨兆中, 夏日桂, 等. 深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用[J]. 天然气工业, 2017, 37(10): 35-45. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.10.005
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