尚立濤孫遜鄭世琪杜衛(wèi)強(qiáng)劉奕杉侯騰飛

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司）

煤層氣完井增產(chǎn)技術(shù)從早期常規(guī)直井套管射孔完井、洞穴完井、裸眼完井到多分支水平井以及羽狀水平井完井，直井常規(guī)壓裂到水平井分段壓裂，完井增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，煤層氣開發(fā)由于基質(zhì)解吸、擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滲流速度，因此提高解吸、擴(kuò)散速度是增產(chǎn)的關(guān)鍵。近年來煤層氣技術(shù)發(fā)展主流趨勢(shì)不變，即追求最大化的氣體過流面積，利用水平井、多分支水平井構(gòu)造裂縫網(wǎng)絡(luò)。全程嚴(yán)格實(shí)施儲(chǔ)層保護(hù)，貫穿鉆井、完井、壓裂改造到投產(chǎn)全過程。優(yōu)化壓裂工藝技術(shù)，水基凝膠壓裂向滑溜水、泡沫及干式壓裂轉(zhuǎn)變；采用水平井體積改造擴(kuò)大裂縫波及體積[1-4]。

1 國(guó)內(nèi)與俄羅斯主要煤層氣田地質(zhì)參數(shù)及工藝對(duì)比

1.1 儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)

俄羅斯納-奧煤層氣田[5]埋深350～700 m，滲透率大于0.5 mD占65%，埋深超過700 m滲透率大于0.5 mD僅占15%，平均厚度2.2～6.6 m。俄羅斯煤層氣田整體平面上大面積分布、縱向上多層疊置，國(guó)內(nèi)與俄羅斯主要煤層氣區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)見表1；儲(chǔ)層物性差，孔喉特征復(fù)雜，滲透率低，滲流阻力大；割理裂隙較為發(fā)育，裂隙開度小，部分礦物充填。俄羅斯煤層氣田與國(guó)內(nèi)主要煤層氣田保德等區(qū)塊在目的層埋深、壓力系數(shù)、含氣量、滲透率等參數(shù)方面相近，俄羅斯煤層氣田豐度與資源量相對(duì)更好，煤層數(shù)量更多。自然產(chǎn)能低，同樣都需要增產(chǎn)措施和特殊的鉆完井方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)。

表1 國(guó)內(nèi)與俄羅斯主要煤層氣區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Geological parameters of main CBM blocks in China and Russia

1.2 儲(chǔ)層改造技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)煤層氣壓裂理念和壓裂工藝上不斷創(chuàng)新，壓裂選層從“地質(zhì)甜點(diǎn)”優(yōu)化到“工程甜點(diǎn)”，壓裂理念由“大液量、大排量、大砂量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑m度液量、變排量、適度砂比”，通過優(yōu)化壓裂液和支撐劑，精細(xì)確定各項(xiàng)壓裂參數(shù)[6-9]，形成了適合不同區(qū)塊煤儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)的增產(chǎn)改造技術(shù)，國(guó)內(nèi)主要煤層氣區(qū)塊壓裂工藝與參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。國(guó)內(nèi)煤層氣壓裂試驗(yàn)多種工藝，整體上按照井組同步壓裂、單井套管分段壓裂取得更好的改造效果[10]。

表2 國(guó)內(nèi)主要煤層氣區(qū)塊壓裂工藝與參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of fracturing process and parameters of main CBM blocks in China

俄羅斯納-奧煤層氣區(qū)塊壓裂工藝與參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。以油管壓裂為主，籠統(tǒng)改造，4%KCL壓裂液與1.8%以及2.4%胍膠交聯(lián)壓裂液相比改造效果理想，能夠?qū)崿F(xiàn)溝通裂縫網(wǎng)絡(luò)，但存在攜砂能力差，長(zhǎng)期效果受影響；同樣交聯(lián)凝膠體系使用更少的液量應(yīng)用更高的砂比能達(dá)到更好的改造效果。

表3 俄羅斯納-奧煤層氣區(qū)塊壓裂工藝與參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Fracturing process and parameters of coalbed methane block in Russia

2 技術(shù)適應(yīng)性優(yōu)化

2.1 納-奧煤層氣田壓裂裂縫主體形態(tài)分析

俄羅斯煤層氣壓裂深度320～1 150 m，縱向跨距大。儲(chǔ)層壓裂按照0.035 MPa/m的停泵梯度作為主體裂縫形態(tài)的劃分界限，分析認(rèn)為壓裂煤層氣儲(chǔ)層深度小于650 m以水平縫為主，650～800 m深度范圍水平裂縫與垂直裂縫并存，大于800 m以垂直縫為主，各井差異較大，4%KCL壓裂液與1.8%～3.6%不同濃度凍膠壓裂液相比更容易形成垂直縫。納-奧煤層氣田壓裂停泵梯度統(tǒng)計(jì)見圖1。

圖1 納-奧煤層氣田壓裂停泵梯度統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistical diagram of fracturing pump stopping gradient of coalbed gas field

2.2 俄羅斯煤層氣改造技術(shù)優(yōu)化

2.2.1 主要壓裂煤層深度優(yōu)化

納-奧煤層氣田產(chǎn)量與儲(chǔ)層深度關(guān)系見圖2，根據(jù)不同煤層氣壓裂深度對(duì)應(yīng)效果分析，600～800 m深度的煤層氣壓裂效果相對(duì)更好，與壓裂人工裂縫形態(tài)對(duì)應(yīng)，屬于水平縫與垂直縫并存裂縫形態(tài)更加復(fù)雜的過度區(qū)域，該深度的煤層氣為重點(diǎn)壓裂層段。

圖2 納-奧煤層氣田產(chǎn)量與儲(chǔ)層深度關(guān)系Fig.2 Relationship between production and depth of coalbed gas field

2.2.2 完井壓裂工藝優(yōu)化

根據(jù)儲(chǔ)層特點(diǎn)，物性及含氣性好埋藏淺的煤層氣層應(yīng)用裸眼完井；常壓物性差埋藏深的煤層，需要經(jīng)過壓裂增產(chǎn)，裸眼完井無(wú)法發(fā)揮產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)改造，建議叢式井整體壓裂完井。

直井應(yīng)用油管分段或套管橋塞分段壓裂，實(shí)現(xiàn)縱向多層得到有效改造。煤層埋深700～1 100 m層段以垂直裂縫為主，溝通割理縫形成裂縫網(wǎng)絡(luò)；煤層埋深350～700 m層段以水平裂縫為主，應(yīng)用大排量低黏度活性水盡可能擴(kuò)展垂向多層，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

大斜度井或水平井應(yīng)用精細(xì)分段壓裂，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模有效動(dòng)用。大斜度井或水平井近水平段應(yīng)用橋塞分段；直斜井段水平縫為主，提高施工凈壓力充分溝通儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)整體大規(guī)模動(dòng)用。

2.2.3 壓裂液與支撐劑體系優(yōu)化

活性水壓裂液更容易形成垂直縫并有效溝通天然裂縫，以活性水壓裂液為主，前置液增加膠塞與支撐劑段塞，封堵近井筒多裂縫，擴(kuò)大遠(yuǎn)井裂縫體積，不同粒徑石英砂組合。已壓裂井的閉合壓力在12.5～31.9 MPa，選用抗壓強(qiáng)度32 MPa以上石英砂?？紤]形成不同裂縫網(wǎng)絡(luò)寬度有效支撐，應(yīng)用40～70目與20～40目支撐劑組合?？紤]煤層模量低，防止支撐劑嵌入影響導(dǎo)流能力，凍膠液平均砂比18%以上。

2.2.4 施工參數(shù)與暫堵壓裂優(yōu)化

大排量施工能夠有效擴(kuò)展裂縫體積，以12.0 m3/min以上排量施工，大排量施工有利于充分溝通割理裂縫，也容易造成裂縫沿砂煤界面擴(kuò)展延伸，影響壓裂效果，考慮變排量施工判斷裂縫擴(kuò)展，提高改造體積。對(duì)于直井垂向多段煤層，無(wú)法有效分段壓裂，一次改造影響垂向動(dòng)用效果，考慮應(yīng)用層間暫堵，提高改造效率。以500 m水平段為例，每段2～3簇，施 工 排 量10～15 m3/min，簇 間距25～30 m，優(yōu)化每段施工液量1 200～1 500 m3，砂量80～120 m3，根據(jù)破裂壓力預(yù)測(cè)不同施工排量地面壓力，按照12.0 m3/min排量施工計(jì)算壓力42 MPa。

2.2.5 下步壓裂優(yōu)化方向建議

俄羅斯煤層氣開發(fā)以地質(zhì)認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，工程提產(chǎn)降本增效為目標(biāo)，開展井網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)，叢式井、水平井鉆完井技術(shù)優(yōu)化。地質(zhì)分析認(rèn)識(shí)割理、裂縫發(fā)育特征，煤層及上下層段巖石力學(xué)與應(yīng)力特征，建立多屬性地質(zhì)力學(xué)模型，壓裂模擬體積裂縫擴(kuò)展規(guī)律，判斷主體裂縫擴(kuò)展形態(tài)，確定最優(yōu)改造參數(shù)。

3 結(jié)論

1）俄羅斯煤層氣田平面上分布面積大、縱向上多層疊置、豐度與含氣量相對(duì)較好。與國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層相近，物性差，孔喉特征復(fù)雜，滲透率低，滲流阻力大，割理裂隙較為發(fā)育，裂隙開度小，部分礦物充填；自然產(chǎn)能低，都需增產(chǎn)措施和特殊的鉆完井工藝相結(jié)合實(shí)現(xiàn)開發(fā)。

2）俄羅斯煤層氣壓裂縱向跨距大，根據(jù)停泵梯度劃分主體裂縫形態(tài)，儲(chǔ)層深度小于650 m以水平縫為主，650～800 m深度范圍水平裂縫與垂直裂縫并存，大于800 m以垂直縫為主，600～800 m深度的煤層氣壓裂效果相對(duì)更好，為裂縫形態(tài)復(fù)雜的多裂縫區(qū)域，該深度煤層氣為重點(diǎn)壓裂層段。

3）俄羅斯煤層氣田建議直井應(yīng)用油管分段結(jié)合暫堵壓裂或套管橋塞分段壓裂，實(shí)現(xiàn)縱向多層得到有效改造。大斜度井或水平井應(yīng)用精細(xì)分段壓裂，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模有效動(dòng)用。KCL壓裂液與不同濃度凍膠壓裂液相比更容易形成垂直縫。