煤層氣井近井壓裂裂縫充填特征與堵塞機制

陳立超, 王生維, 何俊鏵, 李 瑞, 劉建華, 呂帥鋒

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 2.晉煤集團煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西晉城 048204;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

煤層氣井近井壓裂裂縫充填特征與堵塞機制

陳立超1,2, 王生維2,3, 何俊鏵3, 李 瑞3, 劉建華3, 呂帥鋒3

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 2.晉煤集團煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西晉城 048204;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

近井部位壓裂裂縫內(nèi)微粒運移與堵塞是煤層氣井減產(chǎn)的重要因素之一?？陀^查明近井壓裂裂縫內(nèi)充填特征規(guī)律與堵塞機制對氣井解堵理論深化、解堵工藝改進(jìn)非常關(guān)鍵?；诿旱V掘進(jìn)工作面開挖觀測現(xiàn)象,對沁水盆地南部煤層氣直井近井壓裂裂縫內(nèi)充填特征與裂縫堵塞機制進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果表明:煤層氣井近井壓裂裂縫內(nèi)充填物由煤粉、支撐劑及完井濾餅組成；完井濾餅對壓裂裂縫啟裂、延展及支撐劑分布具有關(guān)鍵控制作用,近井裂縫壁面完井濾餅?zāi)軌驕p緩壓裂液的濾失速率,但在濾餅尖滅位置壓裂液濾失速率突然增大時極易脫砂形成脫砂楔體,楔體在流體沖擊下壓實致密,排采期氣液兩相流攜帶煤粉流經(jīng)脫砂楔體時卡在砂粒間形成裂縫堵塞；基于顆粒堆積模型與黃金過濾原則,針對研究區(qū)粒度中值0.045 mm的煤粉,脫砂楔體處注入支撐劑粒徑大于0.900 mm可降低裂縫內(nèi)煤粉堵塞程度。

煤層氣井; 壓裂裂縫; 完井濾餅; 煤粉運移; 堵塞

近井部位顆粒運移及堵塞是造成儲層孔滲性衰減進(jìn)而導(dǎo)致油氣井減產(chǎn)的重要原因。文獻(xiàn)[1]～[6]中對常規(guī)油氣藏開發(fā)中顆粒運移堵塞機制及解堵材料、技術(shù)等進(jìn)行了研究,煤巖機械強度弱,且往往經(jīng)歷多期構(gòu)造應(yīng)力改造,故煤儲層結(jié)構(gòu)破碎、原生煤粉顆粒含量高[7]。相較于常規(guī)油氣藏,煤層氣井開發(fā)中壓裂裂縫內(nèi)微粒的充填和運移堵塞現(xiàn)象更為嚴(yán)重。當(dāng)前,關(guān)于上述問題的研究主要集中在利用裂縫導(dǎo)流能力測試系統(tǒng),進(jìn)行支撐裂縫中不同流速、不同煤粉含量的流體流動室內(nèi)模擬試驗,對煤粉運移堵塞機制進(jìn)行分析[8-9];基于顆粒力學(xué)分析脫落煤粉啟動運移條件,研究煤粉排出量對煤層孔隙度和滲透率的影響[10];以及從減小顆粒表面張力擴大顆粒在流體中分散度角度進(jìn)行的解堵技術(shù)研究等方面[11-12]。在基于礦井解剖的近井壓裂裂縫內(nèi)顆粒充填與堵塞原貌特征、近井主干壓裂裂縫顆粒堵塞機制方面研究較少。針對上述問題,筆者利用煤礦掘進(jìn)工作面對煤層氣井的揭露系統(tǒng)觀測近井壓裂裂縫內(nèi)顆粒充填特征,分析裂縫內(nèi)充填物分布規(guī)律,并對開發(fā)中煤粉顆粒堵塞裂縫機制進(jìn)行解析,為研究區(qū)煤層氣井解堵理論深化及技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)參考。

1 煤層氣試驗井概況

煤層氣試驗井位于沁水盆地南部潘莊區(qū)塊,完井煤層底深365.50 m,層厚6.40 m,頂?shù)装寰鶠橄鄬Ω羲哪鄮r和砂質(zhì)泥巖。煤體結(jié)構(gòu)相對破碎,煤粉主要以構(gòu)造煤粉源集合體形式存在,含量多[13]。該井鉆井液為含少量聚合物的密度為1.02 kg/m3的清水,固井材料為密度1.85 kg/m3的油井水泥漿,水泥返深95.25 m;共注入活性水壓裂液565.90 m3,支撐劑(蘭州石英砂)46 m3,粒徑組合為8 m3(粒徑0.180～0.300 mm)+38 m3(粒徑0.425～0.850 mm)。自2008年9月排采該井峰值產(chǎn)氣量達(dá)3 570 m3/d,但產(chǎn)量快速遞減,后期日平均產(chǎn)氣量僅為750 m3,屬低產(chǎn)井。由于該氣井部署在煤礦掘進(jìn)工作迎頭,巷道掘進(jìn)能夠直觀揭露煤層氣井近井壓裂裂縫空間延展及內(nèi)部充填特征(圖1)。由圖1可以看出,近井筒壓裂裂縫為簡單垂直縫,裂縫面相對規(guī)則,筆者對主干壓裂裂縫徑向5 m內(nèi)10個取樣點處壓裂裂縫充填、堵塞特征進(jìn)行觀測并采取煤粉、支撐劑及壁面濾餅樣品30余組。

圖1 試驗井近井壓裂裂縫延展形態(tài)與充填特征Fig.1 Propagation shape and filling characteristics of hydraulic fracture near wellbore

2 煤層氣井近井壓裂裂縫充填特征

2.1 壓裂裂縫充填物組成及形態(tài)特征

煤層氣井近井壓裂裂縫內(nèi)充填物含煤粉、支撐劑顆粒、完井濾餅3部分,見圖2。宏觀上,煤粉顆粒呈碎片狀、粒狀,多楔入支撐劑顆粒間,部分附著在其顆粒表面,啟動性好;支撐劑顆粒呈完整球狀多、碎粒狀少,啟動性一般;濾餅附著在裂縫壁面不可動,由煤巖向裂縫依次為鉆井漿液濾餅、固井水泥漿濾餅及壓裂稠化劑聚合物濾餅,不同類型濾餅間界面明顯。

按照取樣點距井筒遠(yuǎn)近對壓裂裂縫壁面上顆粒分布特征進(jìn)行觀測,其中距離井筒5 m處壓裂裂縫壁面支撐劑鋪置濃度較高為15 kg/m2,砂粒均勻細(xì)小,顆粒堆積相對致密。煤粉鋪置濃度為7 kg/m2,成分以有機煤巖為主,將支撐劑浸染呈黑色,如圖2(a)所示;由于完井時外部漿液沿開啟的構(gòu)造節(jié)理侵入,故該處壓裂裂縫壁面可見明顯的完井濾餅,水泥漿濾餅較薄至1 mm,鉆井漿液濾餅厚為1.5 mm,如圖2(d)所示。濾餅的屏蔽作用會嚴(yán)重制約儲層流體產(chǎn)出,但后期能夠降低壓裂液濾失速率。距井筒2.5 m處壓裂裂縫壁面支撐劑鋪置濃度適中為13 kg/m2,顆粒受壓裂液稠化聚合物黏合作用黏在裂縫壁面,難以啟動。煤粉鋪置濃度為6 kg/m2,混有少量方解石礦物,煤粉顆粒與支撐劑顆粒之間存在一定粒度分異性,如圖2(b)所示;從圖2(e)看出,該處裂縫壁面水泥漿濾餅厚為1 cm,壓裂稠化劑濾餅厚約為1 mm。距離井筒0.5 m處壓裂裂縫壁面支撐劑稀疏,鋪置濃度為11 kg/m2,有機煤巖成分的煤粉含量小鋪置濃度為5 kg/m2,但片狀方解石礦物數(shù)量較多,如圖2(c)所示;該部位支撐劑粒徑較大,受壓裂稠化劑黏結(jié)作用黏在裂縫壁面,顆粒啟動性差,變相限制了顆粒的運移產(chǎn)出。該點裂縫壁面水泥漿濾餅較厚至1 cm,鉆井漿液濾餅薄為0.5 mm,如圖2(f)所示。綜上,完井期間鉆井液侵入深度略大于固井水泥漿,且鉆井液濾餅厚度與距井筒距離關(guān)系不大。煤層氣井近井部位壓裂裂縫壁面的表皮效應(yīng)嚴(yán)重。

圖2 煤層氣井近井壓裂裂縫內(nèi)充填物形態(tài)特征Fig.2 Filling shape characteristics of hydraulic fracture near CBM wellbore

圖3 近井壓裂裂縫充填顆粒掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscope (SEM) pictures of filling particles in hydraulic fracture near wellbore

微觀上可見支撐劑成分以石英為主,長石和巖屑次之,近井壓裂裂縫內(nèi)石英顆粒圓球度近0.7,粒徑850 μm,部分顆粒發(fā)生破碎影響支撐效果(圖3(a)),壓碎的碎屑卡在支撐劑粒間,傷害充填砂體孔滲性誘發(fā)堵塞;長石顆粒含量較少,圓球度相對較差,粒徑1 000 μm,硬度較小故存在大量磨蝕凹坑,顆粒表面粗糙(圖3(b));巖屑顆粒圓球度相對較差,粒徑1 000 μm,顆粒表面較為光滑硬度較大,注砂中不易受到磨蝕破壞(圖3(c))。

微觀上煤粉成分以有機煤巖為主,含少量方解石和黏土礦物。其中有機煤巖碎屑為碎片狀或碎粒狀,粒徑為10～100 μm,有一定的附著性(圖3(d));方解石礦物,片狀,粒徑500 μm,性脆不穩(wěn)定,運移過程中可能二次解體形成更細(xì)小的碎屑(圖3(e))。裂縫內(nèi)還充填有少量黏土礦物顆粒(圖3(f)),板狀,粒徑1 000 μm。

2.2 壓裂裂縫充填物分布及控制因素

對煤層氣井筒外10個觀測點(位置見圖4)采取的充填物樣品進(jìn)行充填顆粒鋪置濃度、粒度、成分觀測統(tǒng)計,并將壓裂裂縫充填顆粒膠結(jié)后切片,鏡下觀察評價其孔滲性;同時實地測量了10個觀測點處壓裂裂縫內(nèi)部充填砂體的厚度,相關(guān)測試參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

研究發(fā)現(xiàn),在充填顆粒鋪置濃度上(圖4(a)),其中壓裂裂縫底部支撐劑顆粒(白色實線)鋪置濃度要略高于頂部,如取樣點⑨>⑦>③,橫向上越靠近井筒部位裂縫壁面上支撐劑顆粒濃度越低;煤粉(紅色實線)垂向上鋪置濃度趨勢同支撐劑,橫向上越遠(yuǎn)離井筒部位裂縫壁面煤粉濃度越高,支撐劑與煤粉顆粒分布趨勢面方向相反。在顆粒粒度上(圖4(b)),壓裂裂縫底部支撐劑(白色實線)顆粒粒度略大于頂部,橫向上越靠近井筒支撐劑粒度越大;壓裂裂縫底部煤粉(紅色實線)顆粒粒度明顯大于頂部,如取樣點⑤>①,橫向上越遠(yuǎn)離井筒部位裂縫壁面煤粉粒度越大,如取樣點①>②>③>④。在壓裂裂縫內(nèi)充填砂體厚度和孔滲性方面(圖4(c)),垂向上壓裂裂縫底部砂體厚度(白色虛線)略大于頂部,橫向上越靠近井筒裂縫內(nèi)砂體厚度越大,近井筒部位厚度可達(dá)10 cm,與脫砂有關(guān);壓裂裂縫底部砂體孔滲性(白色實線)明顯大于頂部,如⑥>②,橫向上越靠近井筒充填砂體孔滲性越好。

圖4 煤層氣井近井壓裂裂縫充填顆粒分布趨勢特征Fig.4 Filling particles distribution trend characteristics of hydraulic fracture near CBM wellbore

取樣點支撐劑成分鋪置濃度/(kg·m-2)平均粒徑/mm煤粉成分鋪置濃度/(kg·m-2)平均粒徑/mm充填砂體厚度/cm鏡下孔隙度/%1Q>F15.690.200OC7.830.0843.193.122Q>F14.490.485OC6.950.0495.864.593Q13.550.650OC>M5.970.0327.676.794Q12.340.850OC>M4.780.0209.689.555Q>F15.580.250OC>M7.550.0903.313.516Q>F14.670.500OC>C6.440.0555.985.837Q13.780.750OC>C5.560.0407.737.688Q12.870.900OC>C4.210.0229.799.649Q>R>F13.870.800OC>C5.310.0457.797.9510Q>R>F13.230.900OC>C4.110.0229.989.79

注：Q-石英;F-長石;R-巖屑;OC-有機煤巖;C-方解石;M-黏土。

壓裂裂縫內(nèi)充填顆粒分布控制因素:①支撐劑鋪置濃度受壓裂液濾失速度快、顆粒沉降時間短影響,垂向上變化不大;②煤粉顆粒粒度受后期運移重力分異影響,裂縫底部煤粉中還混有方解石等較重礦物;③裂縫充填砂體厚度變化主要受裂縫遠(yuǎn)端脫砂控制,隨著壓裂注入流體能量衰減,遠(yuǎn)離方向井筒砂體厚度減薄;④裂縫充填砂體粒間孔隙被煤粉充填會傷害其孔滲性,垂向上因壓裂裂縫頂部有機煤粉含量高,楔入能力強,砂體孔滲性較差。

如圖2(d)、(e)、(f)所示,壓裂裂縫壁面鉆井漿液濾餅侵入深度超過5 m,平均厚度1 mm;水泥漿濾餅侵入深度不足5 m,近端裂縫壁面濾餅厚度達(dá)1 cm,遠(yuǎn)離井筒其厚度減薄至尖滅。稠化劑聚合物濾餅局部可見。最先侵入煤儲層構(gòu)造節(jié)理中的鉆井液,由于其密度小井筒液柱壓力低,未能拓寬構(gòu)造節(jié)理縫,鉆井漿液濾餅基本反映儲層構(gòu)造節(jié)理的寬度。固井水泥漿侵入形成二期濾餅,因水泥漿密度大液柱壓力高,且黏度大,構(gòu)造節(jié)理被撐開,濾餅厚且侵入深度小。壓裂注砂階段添加稠化劑的壓裂液注入在壁面形成三期濾餅。

3 煤層氣井近井壓裂裂縫堵塞機制

3.1 煤層氣井近井壓裂裂縫堵塞模式

煤層氣井近井壓裂裂縫堵塞受裂縫內(nèi)充填顆粒分布、運移與濾餅發(fā)育范圍的聯(lián)合控制,基于礦井解剖,提出近井壓裂裂縫堵塞模式。

(1)如圖5(a)所示,完井期間,完井漿液在壓差作用下沿構(gòu)造節(jié)理侵入儲層,并在煤層氣井近井部位構(gòu)造節(jié)理壁面形成濾餅。

(2)壓裂期間,壓裂液突破水泥漿濾餅-煤巖界面進(jìn)入構(gòu)造節(jié)理縫,近井部位由于構(gòu)造節(jié)理一側(cè)壁面發(fā)育濾餅,因此壓裂液只能沿另一側(cè)煤巖壁面濾失,濾失速度相對較慢,而當(dāng)壓裂液流動至濾餅尖滅位置時,由于裂縫兩側(cè)煤巖完全裸露,壓裂液濾失速度突然增大,在地面砂比及注入排量未來得及調(diào)整情況下即發(fā)生脫砂,并形成脫砂楔體。如果后期注入的壓裂液及支撐劑能力不足以沖破該楔體,則近端壓裂裂縫只能在原生構(gòu)造節(jié)理基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬,而且脫砂楔體在壓裂流體沖擊下通過顆粒間力鏈作用逐步壓實致密[14]。顆粒鋪置濃度高,壓裂裂縫整體為飽和充填的“短寬”型裂縫,如圖5(b)所示。

圖5 壓裂裂縫脫砂楔體形成煤粉運移聯(lián)合堵塞機制Fig.5 Joint plugging mechanisms of sand wedge forming and coal fines migration in hydraulic fracture

(3)排采期間,煤儲層內(nèi)氣液兩相流攜帶大量煤粉顆粒流向井筒,流經(jīng)脫砂楔體部位時,由于脫砂楔體內(nèi)部支撐劑顆粒細(xì)小,壓實致密過濾能力強,粒間孔隙狹窄,較大煤粉難以進(jìn)入楔體只能堆積在脫砂楔體前方,而一定粒徑范圍內(nèi)的煤粉顆粒雖能進(jìn)入楔體,但最終會卡在支撐劑顆粒粒間孔隙的孔喉中,導(dǎo)致壓裂裂縫在此部位發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)部堵塞(圖5(c)紅框內(nèi)),影響煤儲層流體返排,導(dǎo)致煤層氣井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。

3.2 允許煤粉通過的脫砂楔體支撐劑粒徑

煤儲層壓裂裂縫內(nèi)氣液兩相流攜帶煤粉顆粒通過脫砂楔體類似于致密砂巖氣藏內(nèi)流體攜帶顆粒堵塞儲層孔隙喉道,據(jù)此進(jìn)行支撐劑顆粒與堵塞煤粉顆粒粒度關(guān)系分析。將支撐劑和煤粉顆粒簡化成剛性球體,不考慮顆粒通過過程中壓縮變形;且認(rèn)為支撐劑顆粒為最緊密排列堆積,孔隙度最小,且顆粒粒徑一致;暫不考慮煤粉顆粒在支撐劑表面的附著效應(yīng)?；谝陨霞僭O(shè)構(gòu)建脫砂楔體過濾煤粉堵塞模型(圖6),其中支撐劑粒徑為dP,支撐劑孔喉直徑為dT,煤粉粒徑為dF。

計算公式為

(1)

根據(jù)顆粒黃金過濾原則[15-16],當(dāng)煤粉顆粒粒徑小于支撐劑孔喉直徑的1/7時,則煤粉通過脫砂楔體;而當(dāng)煤粉顆粒粒徑與支撐劑孔喉直徑之比為 1/3～2/3時,則煤粉卡在支撐劑孔喉,形成架橋,孔喉逐漸狹窄,有更小煤粉進(jìn)入后形成漸進(jìn)堵塞,從而嚴(yán)重堵塞裂縫。當(dāng)煤粉顆粒粒徑大于支撐劑孔喉直徑時,煤粉堆積在脫砂楔體前方。為防止脫砂楔體過濾煤粉堵塞,優(yōu)選支撐劑粒徑原則是:一方面允許占比例較多的細(xì)粒煤粉進(jìn)入脫砂楔體,防止煤粉堆積在楔體前方;另一方面保證進(jìn)入脫砂楔體的煤粉順利通過,防止其卡孔喉形成顆粒架橋,發(fā)生漸進(jìn)堵塞。據(jù)此原則,支撐劑緊密堆積后其孔喉直徑與煤粉顆粒粒徑之比應(yīng)大于3。

圖6 脫砂楔體過濾煤粉堵塞模型Fig.6 Coal fines plugging model with sand wedge filtration

沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)出煤粉顆粒粒徑中值為0. 045 mm[9]。據(jù)式(1)計算,水力壓裂注砂初期注入的支撐劑顆粒粒徑應(yīng)大于0.900 mm(20目),可減輕煤層氣井排采后期近井壓裂裂縫脫砂楔體處的堵塞,維持壓裂裂縫導(dǎo)流能力。注砂初期脫砂楔體的形成是導(dǎo)致后期壓裂裂縫堵塞的誘因,壓裂注砂階段應(yīng)降濾失、控砂比。

4 結(jié) 論

(1)煤層氣井近井壓裂裂縫充填物包括煤粉、支撐劑顆粒及完井濾餅,完井濾餅對壓裂裂縫啟裂、延展及支撐劑分布具有關(guān)鍵控制作用。

(2)壓裂裂縫后期堵塞是由于裂縫壁面濾餅尖滅部位壓裂液濾失加速,發(fā)生脫砂并形成脫砂楔體,楔體在后續(xù)流體沖擊下壓實致密,后期氣液兩相流攜帶煤粉顆粒流經(jīng)脫砂楔體時難以通過所致。在脫砂楔體部位注入顆粒粒徑大于0.900 mm(20目)的支撐劑可減緩堵塞程度。

(3)固井中嚴(yán)控水泥漿返高,壓裂注砂階段降濾失防止楔體形成也是解決途徑。煤層氣井二次解堵的重點是改善脫砂楔體部位裂縫導(dǎo)流能力。

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FillingcharacteristicsandpluggingmechanismsofhydraulicfracturesnearCBMverticalwells

CHEN Lichao1,2， WANG Shengwei2,3， HE Junhua3， LI Rui3， LIU Jianhua3， Lü Shuaifeng3

(1.SchoolofMiningandTechnologyinInnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalandCBMCo-mininginJinchengAnthraciteMiningGroup,Jincheng048204,China;3.FacultyofEarthResourcesinChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Particle migration and blocking in fracturing fractures near wellbore area can be one of the important factors to production reduction of coalbed methane (CBM) wells. It is essential to reveal the filling characteristics and plugging mechanism of fracturing fractures in order to remove the plug and increase production. In this study, based on the in-site observations of the fractures appeared in tunnels of underground coal mines, the filling characteristics and blocking mechanisms in the fractures of vertical CBM wells in southern Qinshui Basin were investigated. The observation shows that the fillings contain coal fines, proppant and well completion filter cake in the fractures near wellbore. Completion filter cake can control the initiation and propagation of fractures, and proppant distribution, and it can reduce the filtration rate of fracturing fluid. But when the fluid flows through the location where the filter cake is pinched out, significant fluid-loss can occur, which can take off sands and form sand wedge, and further the wedges become compacted and filled with coal fines carried by gas-liquid phase flow, then blocking or plugs of the fractures can be formed, reducing the flow capacity of the fracture seriously. It proposes that, based on a particle gathering model and the golden filtration principle, the size of proppants used in fracturing should be greater than 0.900 mm in order to reduce the plugging coal fines with median size of 0.045 mm that found in the study CBM area.

coalbed methane wells; hydraulic fracture; completion filter cake; coal fines migration; plugging

2016-09-25

山西省煤層氣聯(lián)合基金項目(2016012007);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2016MS0402);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項目(NJZY16090);甘肅省油氣資源研究重點實驗室開放基金項目(SZDKFJJ20160606);內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項目(X201534)

陳立超(1985-),男,講師,博士,研究方向為煤層氣藏地質(zhì)評價與開發(fā)技術(shù)。E-mail:huasheng63@163.com。

1673-5005(2017)06-0117-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.06.014

P 618.11

A

陳立超，王生維，何俊鏵，等. 煤層氣井近井壓裂裂縫充填特征與堵塞機制[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2017，41(6)：117-122.

CHEN Lichao，WANG Shengwei，HE Junhua，et al. Filling characteristics and plugging mechanisms of hydraulic fractures near CBM vertical wells[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):117-122.

(編輯 李志芬)