馮樹仁 張 聰 吳定泉 金國輝 劉春春 楊 寧

(中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 046000)

1 低溫改造技術原理

低溫改造技術通常采用給井筒及地層中注入低溫氣體，以達到改變煤巖物性，輔助壓裂過程，促使形成更大地改造范圍，提高壓裂效果。

1.1 低溫氣體冷沖擊引起煤巖物理性質(zhì)變化

大量實驗表明，溫度的變化可以引起煤巖彈性模量、泊松比、抗拉強度等煤巖力學參數(shù)發(fā)生變化，進而影響地應力、壓裂施工壓力和裂縫形態(tài)。

由于煤巖具有較小的導熱系數(shù)和敏感的熱脹冷縮特性，當壓裂時向井底注入液態(tài)CO2、N2等低溫氣體會對煤層產(chǎn)生冷沖擊；當近井筒煤層短時間快速與大量低溫氣體接觸，會造成局部溫度迅速而大幅降溫，導致煤基質(zhì)劇烈收縮，煤巖孔隙度、滲透率隨之增大。周拿云利用西安科技大學教育部重點實驗室的MTS-815電液伺服試驗機對常溫條件下的飽和煤巖及不同溫度凍結(jié)的飽和煤進行單軸壓縮實驗，結(jié)果表明煤巖彈性模量隨溫度的降低逐漸增加，泊松比隨溫度的增加而增加。劉雨濛采用PFC2D軟件基于流固耦合理論進行建模，通過對井壁施加不同的持續(xù)載荷，模擬不同溫度條件下煤樣受力后裂縫擴展結(jié)果；在注入壓力為30MPa條件下，隨著溫度的降低，煤巖的彈性模量顯著增大，抗壓強度隨之增大，顆粒間膠結(jié)力增強，但同時脆性增強；由于脆性作用煤巖在最大主應力方向上更容易起裂并擴展延伸；隨溫度下降，生成裂紋數(shù)量越多，主裂縫延展速度更快，距離越遠(圖1)。

圖1 煤樣注入壓力為30MPa下各溫度裂縫擴展圖

此外，液態(tài)CO2粘度為0.03335MPa·s，粘度較低，流動性強，可以有效溝通煤儲層中的微小裂縫。相比較活性水壓裂僅形成剪切膨脹，低溫CO2改造可以形成深度的剪切位移，提高了微裂縫溝通的可能性。

1.2 低溫環(huán)境形成冰晶起到暫堵作用

常溫常壓下CO2、N2為氣態(tài)，CO2的臨界點為7.38MPa(31.1℃)，N2的臨界點為3.69MPa(-146.9℃)，超過該溫度及壓力后，CO2、N2將處于超臨界狀態(tài)。

低溫改造施工中，通常地面管匯中CO2以液態(tài)的形式儲存在儲罐中，壓力維持在1.5～2.5MPa，溫度穩(wěn)定在-20℃左右；當?shù)孛婀芫€中CO2注入井筒后，隨著低溫的CO2從井筒和儲層中吸收熱量，CO2溫度迅速上升，相態(tài)也從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。該過程儲層溫度急劇下降，CO2易形成固體水合物，在地層裂縫中可以起到與冰晶封堵一樣的效果；同時低溫造成一定范圍的地層溫度有所下降，同時也能對施工壓力起到一定程度的降低。

雖然冰晶封堵能力很強，但在實際的工程應用中，通常冰晶封堵的范圍是有限的，再加上地溫的作用，冰晶的封堵作用通常更利于用在轉(zhuǎn)向壓裂中，效果比將其用于降低壓裂液的濾失效果更好。

1.3 CO2、N2與CH4產(chǎn)生競爭吸附

由于篩濾置換作用的影響，煤對CO2、N2等小分子吸附分壓增大，降低了煤對CH4分子的吸附引力，與煤層形成競爭吸附，促進CH4解析，使更多的CH4分子從煤基質(zhì)表面解吸出來，從而提高了煤層氣的解吸能力。

表1 不同氣體分子的直徑和空間結(jié)構

綜上所述，由于液態(tài)CO2、N2的低溫、造縫、冷沖擊和競爭吸附的特性，煤儲層力學性質(zhì)受到低溫影響導致脆性增強，壓裂時裂縫延展性變好；同時由于低溫CO2易形成固體水合物而在裂縫中形成局部暫堵，實現(xiàn)裂縫專項，提高造縫效果，擴大改造范圍；競爭吸附作用促使煤層對CH4分子的吸附能力下降，提高了煤層CH4的解吸效率。

2 現(xiàn)場應用情況

在沁水盆地南部鄭村井區(qū)、鄭莊區(qū)塊西南部選取兩口井進行低溫改造試驗，兩口井均對3號壓裂進行低溫改造試驗，并采用相似的壓裂施工程序及管柱結(jié)構(圖2)。

圖2 低溫改造試驗井管柱結(jié)構示意圖

2.1 壓裂施工步驟

壓前準備及試壓：擺好施工設備、連接地面液相與氣相施工管線；首先使用清水循環(huán)注水部分主壓車及地面管線，循環(huán)液返回大罐，進行管線及井口試壓；然后使用液態(tài)CO2循環(huán)泵車，液態(tài)氣體管線使用液態(tài)N2試壓。套管注入氮氣，反循環(huán)頂替油套環(huán)空液體。

泵注程序：油管注入，液相施工限壓50MPa，氣相施工限壓45MPa，施工限壓受制于管柱承受壓力。油管壓力超過施工限定壓力后油套管環(huán)空用氮氣補壓；施工全程套管壓力不大于油管壓力。泵注過程進行四個階段，其中前三個階段先使用清水進行壓裂造縫攜砂，然后液相、氣相頂替，繼而進行低溫改造，第四階段進行清水壓裂造縫，液相頂替。

壓后控制：首先進行壓降測試，然后關井，拆卸管線；持續(xù)關井一段時間，并連續(xù)相等間隔時間記錄井口壓力；當壓力低于前期預測壓力值時開井放噴，并記錄放噴相關參數(shù)；直到放噴井口無溢流，起壓裂管柱。

2.2 試驗井施工情況及效果

FZ150井位于樊莊區(qū)塊，處于單斜構造，構造相對平緩，埋深824m，含氣量大于20m3/t，煤體結(jié)構以原生煤為主。該井2017年實施低溫CO2改造壓裂，注入液態(tài)CO2注入量251m3、液態(tài)N2注入37m3，清水壓裂液500m3，施工期間壓力、排量平穩(wěn)。投產(chǎn)后產(chǎn)氣初期測試甲烷濃度82%，兩個月后甲烷濃度達到92%，三個月后甲烷濃度達到96%。穩(wěn)產(chǎn)氣量2700m3，產(chǎn)量是鄰井活性水壓裂的3倍，穩(wěn)產(chǎn)期4個月，排采曲線如圖3所示，截止目前，累計產(chǎn)氣量2160011m3，累計產(chǎn)水量456.7m3。

圖3 低溫改造試驗井排采曲線

Z-4井位于鄭莊區(qū)塊，處于單斜構造，構造相對平緩，煤層埋深494.5m，埋深相對較淺，含氣量大于20m3/t，距離南部后城腰斷層距離400m左右，煤體結(jié)構以碎裂-碎粒，鄰近評價井試井滲透率為0.015mD。該井2019年實施低溫CO2改造壓裂，注入液態(tài)CO2注入量356m3，液態(tài)N2注入28m3，清水壓裂液493m3，施工期間壓力、排量平穩(wěn)。投產(chǎn)后產(chǎn)氣初期測試甲烷濃度86%，兩個月后甲烷濃度達到93%，三個月后甲烷濃度達到96%。穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣1600m3，與鄰近井產(chǎn)量相當，穩(wěn)產(chǎn)期8個月，排采曲線如圖3所示，累計產(chǎn)氣量752118m3，累產(chǎn)水量為665m3。

2.3 施工參數(shù)對比分析

與常規(guī)水力壓裂相比，低溫改造壓裂過程中的施工壓力、破裂壓力及人工裂縫情況存在一定差異。其中破裂壓裂不明顯，施工壓力有所下降，裂縫監(jiān)測顯示，低溫改造試驗井裂縫半長較常規(guī)水力壓裂有所增長，縫高略有下降(表2)。

表2 低溫改造試驗井及鄰井施工參數(shù)表

此外，井底溫度測量顯示，開始施工前溫度為20～23℃，施工時最低溫度可達-6～-13℃，壓后關井3天溫度由10℃左右上升至23℃。表明壓裂改造過程中實現(xiàn)了低溫效果，同時作業(yè)后溫度恢復，防止因低溫影響煤層解吸，如圖4所示。

圖4 低溫改造過程中井底溫度/壓力計測試曲線

3 適應性分析

按照煤巖破壞程度將煤分為原生、碎裂、碎粒及糜棱四類煤體結(jié)構。原生煤和碎裂煤通常受到構造運動破壞程度低，煤體通常以完整的層理和塊狀結(jié)構為主，受到快速的冷沖擊會產(chǎn)生許多微裂縫；而碎裂煤和糜棱煤受到較嚴重的結(jié)構性破壞，煤巖破碎成很小的塊狀或粉狀，嚴重時可能產(chǎn)生膠結(jié)，受到冷沖擊通常很難產(chǎn)生新的微裂縫，因此，碎粒、糜棱煤發(fā)育區(qū)不適合采用注入液態(tài)CO2等低溫改造技術。

隨著煤層埋深的增加，地應力持續(xù)增加，煤層所受有效應力增加，注入液態(tài)CO2所產(chǎn)生的冷沖擊所需要的溫度需要更低；同時，地層溫度隨煤層埋深增加而增加，注入液態(tài)CO2會與周圍地層進行熱交換，導致到達煤層時的能量不能更好的促進煤層物性的變化，達不到預期的效果。因此，埋深較大的煤層氣井不宜采用注入液態(tài)CO2等低溫改造技術。

此外，由于本次試驗井均為新投產(chǎn)井，對于已經(jīng)進行過一次壓裂的低產(chǎn)老井是否可以利用？筆者認為，老井已在一次壓裂時產(chǎn)生主裂縫，采用注入液態(tài)CO2、N2的低溫改造技術可以在遠端實現(xiàn)暫時將原有裂縫暫堵，當然更多的暫堵為次級裂縫，然后再次壓裂形成新縫，產(chǎn)生新的改造區(qū)域，獲得新的氣源，從而提高老井產(chǎn)量。