喻鵬 鐘炳成 喬豁通 張洋

中國(guó)石油華北油田公司采油工程研究院

煤層氣井多次鋪砂壓裂工藝

喻鵬 鐘炳成 喬豁通 張洋

中國(guó)石油華北油田公司采油工程研究院

沁水盆地高階煤儲(chǔ)層采用活性水壓裂工藝后，直井平均單井日產(chǎn)量?jī)H1 000 m3/d左右。理論分析和壓裂監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表明，常規(guī)活性水壓裂工藝存在壓裂容易竄層和活性水?dāng)y砂能力差、支撐距離短的弊端，制約了煤層的改造效果和單井產(chǎn)量的提升。為進(jìn)一步提高煤層氣井壓裂改造效率，利用低黏液體攜砂能力差、易形成砂堤的特性，提出煤層多次鋪砂壓裂工藝思路。以裂縫和砂堤為研究對(duì)象，根據(jù)物質(zhì)平衡理論，建立了活性水多次鋪砂壓裂數(shù)學(xué)模型，同時(shí)優(yōu)化壓裂排量、液量和支撐劑粒徑等工藝參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用三次鋪砂壓裂工藝大大降低了煤層壓竄的程度，壓后單井平均日產(chǎn)氣量達(dá)到2 223 m3/d，驗(yàn)證了三次鋪砂數(shù)值計(jì)算模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的可行性。

煤層氣；煤巖；活性水壓裂；多次鋪砂；數(shù)學(xué)模型；沁水盆地

國(guó)內(nèi)外的開發(fā)實(shí)踐證明，水力壓裂是低滲透煤層氣井獲得產(chǎn)能的最有效的一項(xiàng)增產(chǎn)技術(shù)。沁水盆地的高階煤層氣平均試井滲透率小于1 mD，具有低孔、低滲、低壓的特性［1-2］，活性水壓裂工藝為其主體改造工藝，但是單井產(chǎn)量低、產(chǎn)氣水平下滑快的問題始終制約著沁水盆地煤層氣田的高效開發(fā)［3-6］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高階煤層氣的壓裂增產(chǎn)工藝進(jìn)行了大量研究。針對(duì)沁水盆地煤層氣井產(chǎn)量低的問題，張義等（2010）［7］從地質(zhì)、工程、排采3個(gè)因素對(duì)煤層氣單井產(chǎn)氣量的影響進(jìn)行了分析，并提出了低產(chǎn)井增產(chǎn)改造技術(shù)的應(yīng)用建議。在壓裂工藝新技術(shù)的探索試驗(yàn)方面，倪小明（2012）［8］、羅平亞（2013）［9］、程林林（2014）［10］、吳晉軍（2015）［11］等相繼提出伴氮壓裂、魚骨刺分支井體積改造、體積壓裂、脈沖壓裂的技術(shù)思路。盡管進(jìn)行了各種壓裂工藝的探索試驗(yàn)，但沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的突破，大部分工藝試驗(yàn)井產(chǎn)氣水平甚至低于活性水壓裂工藝。

筆者認(rèn)為，由于煤巖的特殊性，壓裂工藝思路和方法應(yīng)該不同于常規(guī)砂巖壓裂，這正是目前煤層氣壓裂工藝設(shè)計(jì)容易忽視的地方，同時(shí)也是活性水壓裂工藝進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵所在?；趯?duì)煤巖壓裂特殊性的認(rèn)識(shí)，研究了活性水壓裂工藝存在的問題，確定影響壓裂改造效率的關(guān)鍵因素，對(duì)于可控因素在壓裂工藝思路和設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，建立了多次鋪砂壓裂數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)選井位開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得突出成效。

1 煤層氣活性水壓裂存在問題分析

Analysis on the issues of active water CBM fracturing

沁水盆地南部高階煤層氣主要采用大排量大液量的活性水壓裂工藝技術(shù)，隨著煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入，單井產(chǎn)氣水平低、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短的問題呈現(xiàn)出來，據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)［12］，沁水盆地南部直井平均單井日產(chǎn)氣量?jī)H1 000 m3/d左右。煤巖儲(chǔ)層相比常規(guī)儲(chǔ)層具有其特殊性，例如煤巖主體成分是有機(jī)質(zhì)、力學(xué)強(qiáng)度低、割理微孔發(fā)育、吸附性強(qiáng)、易受外來物質(zhì)傷害、煤粉產(chǎn)出難控等，導(dǎo)致常規(guī)改造技術(shù)適應(yīng)性差。其中對(duì)煤巖活性水壓裂影響最大的主要是以下兩方面的問題。

（1）煤巖具有高破裂壓力梯度的力學(xué)特性。相對(duì)于常規(guī)巖石，煤巖的力學(xué)性質(zhì)具有“三低一高”的特性，即抗壓強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度低、彈性模量低、泊松比高。在眾多的力學(xué)參數(shù)中，泊松比是地層破裂壓力計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)典的黃榮樽公式［13］給出了地層破裂壓力的計(jì)算方法

式中，pf為地層破裂壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；St為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；pv為巖石的上覆巖層壓力，MPa；T為地質(zhì)應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，無因次。

理論上煤巖具有較高的泊松比，其破裂壓力也應(yīng)該較高。統(tǒng)計(jì)沁南地區(qū)1 000余口井的壓裂施工數(shù)據(jù)，也印證了煤巖的高破裂壓力特性，破裂壓力梯度范圍為0.031～0.037 MPa/m，平均為0.033 MPa/m（見表1）。同時(shí)統(tǒng)計(jì)華北地區(qū)400余口不同巖石類型地層的壓裂井施工數(shù)據(jù)，泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖的破裂壓力梯度分別為0.031 MPa/m、0.026 MPa/m、0.021 MPa/m，各類巖石的破裂梯度均小于煤巖，砂巖甚至比煤巖小了57%。

表1 沁南地區(qū)各區(qū)塊破裂壓力梯度統(tǒng)計(jì)Table 1 Fracturing pressure gradient statistic of each block in south Qinshui Basin

（2）煤巖活性水壓裂易發(fā)生竄層。一方面，煤巖具有高破裂壓力、裂縫延伸困難的特點(diǎn)，所以壓裂施工中的高泵壓很容易將裂縫延伸到低破裂壓力的砂（泥）巖鄰層，即俗稱的壓竄頂?shù)装?，這是由于煤層與頂?shù)装宓钠屏褖毫Υ嬖谝欢ú町悾瑥亩绊懥怂α芽p的上下擴(kuò)展［14-15］，最終導(dǎo)致水力裂縫在煤層延伸擴(kuò)展距離短、改造效果差。華北油田樊莊區(qū)塊部分壓裂井陣列聲波測(cè)井解釋結(jié)果表明，煤層實(shí)施射孔壓裂后，其煤層頂?shù)装? m范圍內(nèi)各向異性都明顯增強(qiáng)，表征被不同程度壓開。張平等（2013）［16］在沁水盆地南部柿莊區(qū)塊應(yīng)用井下微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)壓裂井進(jìn)行了實(shí)時(shí)裂縫監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水力裂縫上下延伸總高度從32 m至70 m不等。馮晴等（2011）［17］應(yīng)用壓前壓后井溫測(cè)試的方法，在沁水盆地各區(qū)塊測(cè)試了不同地區(qū)煤層壓裂高度延伸的情況，結(jié)果顯示井筒附近水力裂縫均不同程度地延入煤層頂?shù)装鍍?nèi)，上下延伸2.0 m至10.4 m不等。綜合3種測(cè)試結(jié)果來看，沁水盆地高階煤層氣壓裂時(shí)頂?shù)装宥紩?huì)受到不同程度的壓竄影響，使得煤層改造效果無法保證。

另一方面，活性水壓裂工藝的設(shè)計(jì)加重了煤巖壓竄的傾向。通過壓裂模擬軟件模擬壓裂液量、施工排量與縫高的關(guān)系，結(jié)果顯示液量、排量越大，縫越高?；钚运畨毫压に嚨某踔栽臼峭ㄟ^大排量、大液量提高造縫、攜砂能力，但由于未考慮到煤巖高破裂延伸壓力的特殊性，造成壓裂規(guī)模與改造程度不成比例，排量越大、液量越大反而加重了煤層壓裂壓竄的風(fēng)險(xiǎn)和程度。另外由于活性水具有黏度低、支撐劑沉降快的特性，煤層壓裂竄層后支撐劑大部分沉降在水力裂縫中下部，更是減少了煤層支撐的面積和距離［18］?？傊捎趬毫言O(shè)計(jì)理念的欠缺，受到煤巖壓裂竄層和支撐劑沉降的疊加效應(yīng)影響，進(jìn)入煤層起到壓裂造縫的壓裂液以及留存在煤層發(fā)揮支撐作用的支撐劑都無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，煤層不能得到真正有效的改造，如圖1。

圖1 一次鋪砂施工裂縫擴(kuò)展與砂堤剖面示意圖Fig.1 Schematic fracture propagation and sand bank section of primary sanding construction

2 煤層多次鋪砂壓裂工藝

Coalbed multi-sanding fracturing technology

根據(jù)上述研究，有效改造煤層的壓裂工藝必須要能解決2個(gè)方面的問題：一是要能控制煤層壓裂壓竄頂?shù)装宓内厔?shì)，保證壓裂液盡可能在煤層內(nèi)延伸，起到有效造縫的作用；二是要將支撐劑攜帶到煤層深處，保證煤層內(nèi)形成長(zhǎng)的支撐縫。針對(duì)上述問題，提出了多次鋪砂壓裂工藝的技術(shù)思路。

2.1 工藝原理

Technological principle

利用低黏液體攜砂能力差，易形成砂堤的特性，通過設(shè)計(jì)3次（甚至多次）壓裂泵注流程，實(shí)現(xiàn)控制裂縫下竄、提高壓裂流速、遠(yuǎn)距離鋪砂的效果。首先，進(jìn)行活性水一次壓裂泵注加砂并停泵一段時(shí)間，目的是壓開煤層形成水力裂縫，并通過加砂沉降、停泵裂縫不完全閉合，在煤層底部形成一定長(zhǎng)度的砂堤隔層，起到阻止后續(xù)壓裂裂縫縱向上向下延伸的作用；然后進(jìn)行活性水二次壓裂泵注加砂并停泵一段時(shí)間，目的是繼續(xù)延伸水力裂縫并通過持續(xù)的加砂沉降、停泵裂縫不完全閉合，在煤層內(nèi)形成一定縫寬、高度較大的平衡砂堤，起到減少壓裂液流動(dòng)截面積、提高壓裂液流速的作用；最后進(jìn)行活性水三次壓裂泵注加砂，目的是利用平衡砂堤提高流速、增強(qiáng)攜砂能力的特點(diǎn)，將支撐劑攜帶到裂縫遠(yuǎn)端并完成沉降鋪砂。本工藝試圖通過多次鋪砂壓裂的設(shè)計(jì)，在煤層內(nèi)形成縱向上有高度、橫向上有距離的水力裂縫支撐剖面，實(shí)現(xiàn)煤層的有效改造。多次鋪砂壓裂工藝效果見圖2。

圖2 多次鋪砂施工裂縫擴(kuò)展與砂堤剖面示意圖Fig.2 Schematic fracture propagation and sand bank section of multi-sanding construction

2.2 多次鋪砂壓裂數(shù)值模型

Numerical model of multi-sanding fracturing

多次鋪砂壓裂各階段的施工目的和技術(shù)要求都不一樣，所以將其各個(gè)階段分開，分別分析液體和支撐劑的受力情況，建立數(shù)值模型。

2.2.1 一次壓裂鋪砂形成砂堤隔層 首先，由于顆粒沉降，隨著時(shí)間推移，砂子沉底在煤層下部，停泵閉合形成應(yīng)力遮擋層，這是第1次鋪砂的主要目的。支撐劑沉降過程中，根據(jù)支撐劑體積守恒，推導(dǎo)砂堤高度變化dH為

在裂縫擴(kuò)展過程中，根據(jù)流體體積守恒，建立微分公式

由式（2）和式（3）推導(dǎo)一次鋪砂長(zhǎng)度Xm

式中，VS為砂堤沉降速度，m/s；H為砂堤的高度，m；φ為砂堤的孔隙度，小數(shù)；t為時(shí)間，s；c為攜砂液的砂比，小數(shù)；w為裂縫的寬度，m；x為到井筒的水平距離，m；Vx為x處縫內(nèi)流體的流速，m/s；hx為x處縫內(nèi)過流斷面的高度，m；Xm為一次鋪砂長(zhǎng)度，m；Q為壓裂液的排量，m3/s。

遮擋層一方面減弱了裂縫的應(yīng)力集中效應(yīng)，使煤巖裂縫延伸難度加大；另一方面流體通過滲流方式經(jīng)過遮擋層，產(chǎn)生壓降，壓裂液壓力大大降低，壓降計(jì)算見式（5），兩方面的變化減弱了裂縫向煤層的下竄。同時(shí)，遮擋層的存在使得流動(dòng)斷面減少，攜砂液流速增加，將支撐劑輸送到裂縫遠(yuǎn)端，這保證了裂縫沿煤儲(chǔ)層方向延伸，并形成高而長(zhǎng)的砂堤。

壓降的計(jì)算式為

式中，Δp為砂堤頂?shù)撞恐g的壓降，MPa；k為砂堤滲透率，μm2；μ為壓裂液黏度，mPa·s；A為砂堤橫截面積，cm2。

2.2.2 二次壓裂鋪砂形成平衡砂堤 第2次鋪砂過程不改變砂堤長(zhǎng)度，重新泵入的攜砂液只是使得整個(gè)Xm上的砂堤達(dá)到平衡高度，砂堤達(dá)到平衡高度時(shí)，其上方的攜砂液剛好保證支撐劑不在Xm上再次沉積。根據(jù)不同排量和裂縫的幾何形態(tài)計(jì)算雷諾數(shù)，裂縫內(nèi)層流和紊流都有可能出現(xiàn)。Babcock［19］等人推導(dǎo)了計(jì)算式（6）～（10）。

經(jīng)過式（6）～式（10）推導(dǎo)，得出平衡高度的計(jì)算式

式中，rH為水力半徑，m；H0為壓裂裂縫高度，m；vw為砂堤平衡高度處顆粒的摩擦速度，m/s；v為裂縫內(nèi)流體的速度，m/s；d為支撐劑直徑，mm；ρf為液體相對(duì)密度，小數(shù)；ρs為支撐劑相對(duì)密度，小數(shù)；ve為砂堤達(dá)到平衡高度時(shí)其上方流體的速度，m/s；he為砂堤達(dá)到平衡高度時(shí)其上方過流斷面的高度，m；He為砂堤的平衡高度，m。

2.2.3 三次壓裂鋪砂水平推移砂堤 經(jīng)過第2次鋪砂，砂堤達(dá)到平衡高度，流速增大，小部分在砂堤上滾動(dòng)，其余大部分支撐劑隨攜砂液一直向裂縫尖端運(yùn)移到Xm處，隨后由于沒有了砂堤的阻擋，流速降低，繼續(xù)沉降，所以砂堤繼續(xù)向前推移，而高度增加不明顯。根據(jù)支撐劑體積守恒，建立微分方程

積分得到最大鋪砂長(zhǎng)度計(jì)算式

式中，Xt為最大鋪砂長(zhǎng)度，m；te為砂堤達(dá)到平衡高度所需的時(shí)間，s。

2.3 多次鋪砂壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)

Optimal design of multi-sanding fracturing

根據(jù)多次鋪砂壓裂數(shù)值模型編寫計(jì)算程序，通過輸入排量、支撐劑粒度、壓裂液黏度等物性參數(shù)計(jì)算砂堤平衡高度、鋪砂長(zhǎng)度和平衡時(shí)間，計(jì)算流程見圖3。

圖3 煤層氣壓裂鋪砂數(shù)值計(jì)算程序流程Fig.3 Flow chart of numerical calculation procedure of CBM fracturing sanding

部分計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)砂堤平衡高度、一次鋪砂長(zhǎng)度、最大鋪砂長(zhǎng)度等施工要求，優(yōu)選排量、液量、支撐劑大小等施工參數(shù)，最后用壓裂軟件的模擬效果驗(yàn)證優(yōu)選的參數(shù)，如果滿足施工要求，則保留優(yōu)選結(jié)果。

表2 煤層氣壓裂鋪砂數(shù)值計(jì)算Table 2 Numerical calculation of CBM fracturing sanding

基于軟件計(jì)算結(jié)果，合理分配每個(gè)階段的排量、砂比及砂量等施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的鋪砂效果。多次鋪砂壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的施工參數(shù)為：第1次鋪砂壓裂，排量5 m3/min，壓裂液200 m3左右，支撐劑為細(xì)砂；第2次鋪砂壓裂，排量5～6 m3/min，壓裂液200 m3左右，支撐劑為中砂；第3次鋪砂壓裂，排量6～7 m3/min，壓裂液200 m3左右，支撐劑為中砂。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

Field test

截止到目前，已在沁南地區(qū)采用多次鋪砂壓裂工藝完成設(shè)計(jì)施工9口井，排采8口井，解吸7口井，其中有4口井達(dá)到了穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，平均日產(chǎn)氣量為2 223 m3/d，是同區(qū)塊同地質(zhì)條件下常規(guī)壓裂井的2倍，增產(chǎn)效果顯著。下面以M 69井為例說明。

M 69井完鉆井深1 156 m，煤層厚度5.05 m，施工層位為3#煤，采用3次鋪砂壓裂工藝。第1次壓裂施工的液量、砂量、排量為188.14 m3、10.05 m3、4.17 m3/min；第2次壓裂施工的液量、砂量、排量為312.1 m3、20.05 m3、5.16 m3/min；第3次壓裂施工的液量、砂量、排量為377.04 m3、30.7 m3、6.14 m3/min，壓裂施工曲線如圖4所示?？梢钥闯?，3次壓裂施工壓裂曲線十分平穩(wěn)，裂縫延伸順暢。截止2016年11月，M 69井日產(chǎn)氣量為2 791 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量242530 m3，流壓0.66 MPa，套壓0.6 MPa，取得顯著效果。

圖4 M 69井壓裂施工曲線Fig.4 Fracturing curve of Well M 69

4 結(jié)論

Conclusions

（1）針對(duì)煤儲(chǔ)層常規(guī)活性水壓裂存在的問題，設(shè)計(jì)三次壓裂泵注流程，創(chuàng)建適用于煤層改造的多次鋪砂壓裂工藝，該工藝控制裂縫下竄，提高攜砂液流速，在煤層內(nèi)逐漸形成高而長(zhǎng)的砂堤，可實(shí)現(xiàn)煤層的有效改造。

（2）以裂縫和砂堤為研究對(duì)象，根據(jù)物質(zhì)平衡理論，建立了活性水多次鋪砂壓裂數(shù)學(xué)模型。利用該模型優(yōu)化壓裂排量、液量和支撐劑粒徑等施工參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得較好的增產(chǎn)效果，對(duì)煤層高效改造工藝進(jìn)行了有益的探索。

（3）建議在沁南地區(qū)加大試驗(yàn)范圍，全面評(píng)價(jià)其適應(yīng)性以期形成適應(yīng)性強(qiáng)的成熟技術(shù)。

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（修改稿收到日期 2017-03-10）

〔編輯 朱 偉〕

Multi-sanding fracturing technology used for CBM wells

YU Peng,ZHONG Bingcheng,QIAO Huotong,ZHANG Yang
Oil Production Engineering Research Institute,PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,Hebei,China

After active water fracturing technology is applied to high-rank coal reservoirs in the Qinshui Basin,the average coalbed methane (CBM) production rate of each vertical well is only about 1 000 m3/d.It is indicated from theoretical analysis and fracturing monitoring statistics that conventional active water fracturing technology is disadvantageous with easy interlayer communication and poor carrying capacity and short support distance of active water,which restrict the stimulation effect of coal beds and the improvement of single-well production rate.In this paper,the idea of multi-sanding fracturing technology for coal beds was proposed to improve the stimulation efficiency of CBM well fracturing.Fractures and sand banks were taken as the research objects to establish the mathematical model of multi-sanding active water fracturing according to the material balance theory.Meanwhile,the technological parameters were optimized,including fracturing flow rate,fluid volume and proppant grain diameter.And finally,it was tested on site.It is shown that after three-sanding fracturing is adopted,the coalbed fracturing channeling degree is decreased significantly and post-fracturing average CBM production rate of each well is up to 2 223 m3/d.It is verified that three-sanding numerical mathematical model is feasible to guide the field construction.

coalbed methane; coal rock; active water fracturing; multi-sanding; mathematical model; the Qinshui Basin

喻鵬，鐘炳成，喬豁通，張洋.煤層氣井多次鋪砂壓裂工藝［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：356-361.

TE377

：B

1000–7393（2017 ）03–0356–06DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.019

: YU Peng,ZHONG Bingcheng,QIAO Huotong,ZHANG Yang.Multi-sanding fracturing technology used for CBM wells［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 356-361.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”項(xiàng)目（編號(hào)：2011ZX05061）。

喻鵬（1976-），2000年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，現(xiàn)從事常規(guī)油氣及煤層氣增產(chǎn)工藝技術(shù)研究。通訊地址：（062552）河北省任丘市華北油田采油工程研究院。電話：0317-2782798。E-mail：yjzx_yup@petrochina.com.cn