高陡構(gòu)造區(qū)薄-中厚煤層群復(fù)合氮氣泡沫壓裂液研究
——以合川地區(qū)煤層氣為例

張 燁 鄧 智潘林華孫良田張健強

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶401120;2.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心,重慶401120;3.自然資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室,重慶401120;4.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心,重慶401120;5.北京九尊能源技術(shù)股份有限公司,北京430100)

0 引言

我國煤層氣儲層條件較差,具有低孔、低滲、非均質(zhì)性強的特點[1],煤層滲透率一般在(0.001～0.100)×10-3μm2,其滲透性比美國低2～3個數(shù)量級[2]。重慶地區(qū)煤層氣儲層更加復(fù)雜,各主力區(qū)域龍?zhí)督M煤層數(shù)8～11小層,單層厚度超過1 m 的不到4層,相對優(yōu)勢煤層厚度雖約為4 m,煤體結(jié)構(gòu)以碎裂-碎粒為主。重慶市主要礦區(qū)大都為煤與瓦斯突出礦井,瓦斯災(zāi)害具有突出深度小、瓦斯含量高及瓦斯涌出量大的特點。隨著近幾年煤礦事故頻發(fā),煤礦去產(chǎn)能不斷深化,將逐步實現(xiàn)全部關(guān)閉,地面抽采隨即成為煤層資源利用的主要方向。

煤層典型的“三低一高”賦存特征[3-4]導(dǎo)致96%以上的煤層氣井依賴于壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)來勾通井筒與節(jié)理和天然裂隙,壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)已成為中國煤層氣有效動用的關(guān)鍵技術(shù)[5]。針對煤層群直井壓裂,分段壓裂主體采用水力噴砂[6]、填砂分段[7]和可鉆橋塞分段[8]3種方式,且壓后為多層合采[9-11]。常用的壓裂液有活性水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液、清潔壓裂液和泡沫壓裂液等,活性水配制簡單、成本低、污染小,交聯(lián)凍膠壓裂液配置簡單、攜砂能力強,兩者是煤層氣壓裂液的主要類型。泡沫壓裂液有著易返排、低濾失、攜砂能力強、對地層傷害小等特點,特別適用于低滲、低壓、水敏性、非均質(zhì)儲層的油氣增產(chǎn)[12],且相繼在鄂爾多斯盆地大寧、吉縣,沁水盆地壽陽、潘河、柿庒,延川南,貴州后寨等地區(qū)開展了試驗與應(yīng)用[13-21]。傳統(tǒng)泡沫壓裂液多為高分子聚合物起泡劑,泡沫體系不穩(wěn)定,其自發(fā)進行的衰變會大大降低壓裂增產(chǎn)效果;含納米顆粒的泡沫體系為目前的研究熱點,但還不夠成熟[22]。

為降低壓裂液對煤層的傷害同時又提高壓裂液的攜砂性,該文對通用的起泡劑進行了室內(nèi)評價優(yōu)選,最終確定一套小分子復(fù)合泡沫壓裂液體系并進行現(xiàn)場試驗,探索了區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)新方向。

1 合川地區(qū)煤層氣地面抽采評價工作簡況

據(jù)《重慶市煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃中期評估》,重慶市現(xiàn)有礦井范圍內(nèi)煤層氣資源總量為667.34×108m3,主要分布于松藻礦區(qū)、南桐礦區(qū)、中梁山礦區(qū)、天府礦區(qū)和永榮礦區(qū)。前期在構(gòu)造相對平緩的綦江地區(qū)開展了煤層氣地面抽采先期評價工作,穩(wěn)定日產(chǎn)氣量300～2 000 m3,但因各種原因,均未能實現(xiàn)經(jīng)濟開采。為此,針對合川瀝鼻峽背斜高陡區(qū)開展了進一步的地面抽采技術(shù)示范工作,探索更有效的壓裂開采工藝技術(shù),進一步推動全市煤層氣勘查開采工作。

研究區(qū)位于川東褶皺帶華鎣山復(fù)式背斜南緣瀝鼻峽背斜的中段南東翼,如圖1所示,地層走向與背斜軸線平行,軸向約為35°,地層傾角約為45°,區(qū)域含煤地層主要為二疊系龍?zhí)督M,區(qū)域煤層總計11層,煤層單層厚度變化較大,煤層最大厚度2.98 m,多數(shù)煤層不到0.6 m。煤層以構(gòu)造煤為主,煤巖煤體結(jié)構(gòu)主要以碎裂、碎粒為主,部分煤層為塊狀。研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層38條,其中,地面斷裂多發(fā)育于背斜北西翼,可見斷層13條,大多數(shù)對煤層無破壞作用,如圖2所示。

圖1 合煤1井組構(gòu)造位置圖(W-E)Fig.1 Structural location map of Hemei1 well group(W-E)

圖2 合煤1井過井剖面圖(W-S)Fig.2 Cross section of Hemei1 well(W-S)

該區(qū)域第一口評價井合煤1井壓裂采用常規(guī)的活性水壓裂體系,壓裂施工評價顯示,因活性水壓裂液黏度低,攜砂性能差,支撐劑沉降嚴重,加砂難度大,煤層下翼改造程度低,且壓后地層出粉煤和出砂較為嚴重,導(dǎo)致后期排采不到10個月就出現(xiàn)井筒砂埋,嚴重影響排采及煤層開采潛力評價。因此,在合煤1-X2井開展高陡復(fù)雜構(gòu)造區(qū)薄-中厚煤層群氮氣泡沫壓裂技術(shù)研究與試驗,以實現(xiàn)深部改造,改善支撐剖面,強化煤粉排出,降低排采周期,控制地層出砂,探索區(qū)域煤層氣更有效開采技術(shù)。

2 復(fù)合泡沫壓裂液體系優(yōu)選與評價

針對泡沫壓裂液泡沫體系不穩(wěn)定,易自發(fā)衰變而影響壓裂增產(chǎn)效果等問題,重點從氣體類型、泡沫穩(wěn)定性、耐剪切性及防彭性等方面進行復(fù)合泡沫壓裂液體系優(yōu)選與評價。

2.1 氣體工作液選擇

空氣和天然氣混合,當天然氣占比7%～15%時,遇明火就會發(fā)生爆炸。CO2溶于水呈弱酸性,會對井下工具設(shè)備產(chǎn)生腐燭,還可能與地層流體、巖石發(fā)生乳化、沉淀作用,需加入一定的化學(xué)添加劑改善其穩(wěn)定性。N2是一種惰性氣體,在水中的溶解能力大約僅為CO2的1/10,不會造成對煤層的傷害,也不腐蝕井下管柱。同溫同壓同質(zhì)量N2的體積系數(shù)比CO2大,壓裂后隨地層溫度升高和壓力降低,氣體膨脹大,可以進一步擴大裂縫體積和張開微裂縫。液氮施工現(xiàn)場設(shè)備少,利于現(xiàn)場組織施工,施工簡單,安全可靠,作業(yè)周期短?；谝陨咸攸c優(yōu)選氮氣作為混合氣源。

表1 空氣,N2,CO2 對比表Table 1 Comparison of air,N2 and CO2

2.2 起泡穩(wěn)泡劑優(yōu)選

采用Waring Blengder法[9]測定了6種常用起泡穩(wěn)泡劑的泡沫質(zhì)量和半衰期,結(jié)果顯示小分子型的JZQW-1和JZQW-2明顯優(yōu)于其他4種,如表2所示。JZQW-1 濃度為1.0%時,泡沫質(zhì)量為74%,半衰期最高可達840 s;JZQW-2 濃度為1.0%時,泡沫質(zhì)量為78%,半衰期最高可達780 s。為此,初步選擇這2種起泡劑進行穩(wěn)泡劑的進一步優(yōu)選評價。

表2 起泡穩(wěn)泡劑篩選實驗結(jié)果(常壓)Table 2 Screening test results of foaming stabilizer(atmospheric pressure)

對JZQW-1和JZQW-2開展了不同濃度下的泡沫質(zhì)量、半衰期和泡沫體積評價。實驗評價結(jié)果顯示,JZQW-1和JZQW-2隨起泡穩(wěn)泡劑濃度增高,泡沫性能越好。JZQW-1的泡沫質(zhì)量、半衰期和泡沫體積分別在濃度0.3%,0.5%和0.5%后趨于平穩(wěn),如圖3～圖5所示。JZQW-2的泡沫質(zhì)量、半衰期和泡沫體積分別在濃度0.5%,0.3%和0.5%后趨于平穩(wěn)。對比發(fā)現(xiàn)2種起泡劑性能相當,最佳濃度均為0.3%～0.5%,在半衰期上JZQW-1效果更好一些。且在0.5%濃度下活性水泡沫壓裂液黏度達81 mPa·s(如圖6所示),可更好地提高造縫及攜砂效果。為此,選用JZQW-1作為泡沫壓裂液體系的起泡穩(wěn)泡主劑。

圖3 不同起泡劑的泡沫質(zhì)量實驗值Fig.3 Experimental value of foaming mass with different foaming agents

圖4 不同起泡劑的泡沫半衰期實驗值Fig.4 Experi mental value of bubble half time with different foaming agents

圖5 不同起泡劑的泡沫體積實驗值Fig.5 Experi mental values of foam volumes with different foaming agents

圖6 30 ℃下起泡穩(wěn)泡劑黏度評價結(jié)果Fig.6 Vucosity evaluation results of foaming stabilizer at 30 ℃

根據(jù)井組合煤1井壓裂施工數(shù)據(jù)及合煤1-X2井實鉆測井數(shù)據(jù),預(yù)計合煤1-X2井壓裂施工時目的煤層井底壓力約為35 MPa,地層溫度約為35 ℃。在溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速170/s條件下測試了0.5%濃度下JZQW-1的泡沫壓裂液隨壓力變化的起泡體積和半衰期,結(jié)果顯示,起泡體積隨壓力增加而下降,在730 ml趨于平穩(wěn),而半衰期隨壓力的升高不斷延長,如圖7 所示。為此,復(fù)合起泡穩(wěn)泡劑加量優(yōu)選0.5%。

圖7 30 ℃下泡沫壓裂液起泡體積、半衰期隨壓力變化曲線Fig.7 Changes of bubble volume and half-life of foam fracturing fluid with pressure at 30 ℃

2.3 防膨劑評價

研究區(qū)煤層為中等水敏,煤樣的滲透率隨礦化度的降低而減小。KCl具有價格便宜、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點,常作為壓裂液防膨劑。利用周邊礦井K7煤層煤樣,用井場附近河流水配置成0%,1.0%,1.5%,2.0%和2.5%的5種濃度的KCl溶液進行膨脹率實驗。實驗依據(jù)為NBT 14003.1—2015《頁巖氣 壓裂液 第1部分:滑溜水性能指標及評價方法》,并采用了毛細管吸收時間CST(Capillary Suction Ti mer)評價實驗法,評價CST 計算公式如下:

式中:tA1為測試液體A 和巖心粉混合物測定時間,s;tA2為測試液體A 測定時間,s;tB1為清水B和巖心粉混合物測定時間,s;tB2為清水B測定時間,s。

通過對比評價,CST 隨KCl加量增加而降低,當KCl濃度為1.5%時趨于平穩(wěn),因此確定壓裂液KCl最佳濃度為1.5%,如表3所示,表中t1為測試液體和巖心粉混合物測定時間,s;t2為測試液體測定時間,s。為此,確定泡沫壓裂液體系為KCl(1.5%)+起泡穩(wěn)泡劑JZQW-1(0.5%)+水。

表3 煤粉微顆粒防膨性能CST實驗Table 4 CST test of anti-swelling property ofpulverized coal particles

2.4 復(fù)合泡沫壓裂液體系支撐劑沉降實驗評價

為進一步評價該復(fù)合泡沫壓裂液體系攜砂性能,使用直徑0.45～0.90 mm 的陶粒,采用單顆粒支撐劑沉降法,分別測定地層溫度條件下支撐劑在活性水壓裂液、交聯(lián)胍膠壓裂液及泡沫壓裂液中的沉降速率,如表4所示。

表4 不同壓裂液的沉降實驗結(jié)果對比表Table 4 Comparison of settlement test results of different fracturing fluids

復(fù)合發(fā)泡穩(wěn)泡壓裂液中單顆粒陶粒沉降速度為0.065 mm/s,小于0.080 mm/s的要求[23]。復(fù)合發(fā)泡穩(wěn)泡劑沉降速度最小,且滿足支撐劑運移與展布要求。

3 復(fù)合氮氣泡沫壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 壓裂施工情況

2020年8月29日采用優(yōu)選的氮氣泡沫壓裂體系對合煤1-X2井4個煤層采用可溶橋塞分3級進行壓裂施工,現(xiàn)場按井底泡沫質(zhì)量60%進行恒定井底總排量技術(shù)設(shè)計液氮泵注入,全井累計注入地層液量913.6 m3,液氮220.3 m3,總加砂量71.1 m3,如表5所示。

表5 合煤1-X2井壓裂施工數(shù)據(jù)Table 5 Fracturing data of Hemei 1-X2 well

第1級和第3級為單煤層壓裂,第1級施工曲線特征為先穩(wěn)定后急速下降后緩慢臺階式下降,如圖8所示;第3級施工曲線特征為多次先穩(wěn)定下降+臺階較大幅下降,如圖9所示。整體反映壓裂裂縫不斷溝通天然氣裂縫,末期裂縫無法延伸并接近閉合壓力,壓裂效果顯著。第2 級壓裂段采用了22 mm尼龍球暫堵分流工藝,投球后壓力曲線特征由大幅波動上升變?yōu)榉€(wěn)定上升,施工壓力整體抬升5 MPa,反映暫堵效果明顯,如圖10所示。

圖8 合煤1-X2井第1級壓裂施工曲線Fig.8 First stage fracturing construction curve of Hemei 1-X2 well

圖9 合煤1-X2井第2級壓裂施工曲線Fig.9 Second stage fracturing construction curve of Hemei 1-X2 well

圖10 合煤1-X2井第3級壓裂施工曲線Fig.10 Thir d stage fracturing construction curve of Hemei 1-X2 well

3.2 裂縫監(jiān)測情況

合煤1-X2井壓裂全程實施了微地震裂縫監(jiān)測,結(jié)果顯示,3級壓裂裂縫延伸方向均為北西—南東方向,即沿地層傾向展布,且與同井組的合煤1井相同,如圖11所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)解釋結(jié)果顯示,合煤1-X2井整體裂縫長度及均衡性明顯優(yōu)于合煤1井,進一步證實氮氣泡沫壓裂液具有更好的造縫性及攜砂性。

圖11 合煤1-X2井與合煤1井壓裂裂縫監(jiān)測結(jié)果對比圖Fig.11 Comparison of fracture monitoring results bet ween Hemei 1-X2 well and Hemei 1 well

3.3 壓后排采試氣情況

合煤1-X2井壓后溢流采用穩(wěn)壓降法排液,壓降速度與合煤1井相當情況下,返排液量及返排率明顯增加,且見氣時間大幅提前,如表6所示,溢流開井即游離氣,機抽排采第13天見氣,取樣分析,可燃氣體超過98%。該井按照“九段三壓四控”排采控制方法排采,目前處于分步求產(chǎn)階段,日產(chǎn)氣量正穩(wěn)步提升,如圖12所示,井底流壓1.87 MPa,套壓1.29 MPa,日產(chǎn)氣量1 176 m3,日產(chǎn)水量0.97 m3,返排率45.5%。

表6 排液情況分析對比與合煤1井活性水壓裂工藝對比效果Table 6 Analysis and comparison of drainage situation and effect of active water fracturing process in Hemei 1 well

圖12 合煤1-X2 井排采曲線Fig.12 Discharge-production curve of well Hemei 1-X2

4 結(jié)論

1)通過實驗評價優(yōu)選了一套復(fù)合泡沫壓裂液體系。室內(nèi)綜合評價顯示,該體系具有較高的穩(wěn)定性和耐溫耐剪切性,在壓力15 MPa時泡沫半衰期達810 s,在30℃,170/s下表觀黏度可達81 mPa·s,能滿足煤層氣壓裂改造需要。

2)試驗井合煤1-X2 井壓裂施工、壓裂微地震監(jiān)測及排采結(jié)果進一步證實,氮氣泡沫壓裂液較常規(guī)活性水壓裂液更具造縫性和攜砂性,對于高陡復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層壓裂,可提高改造范圍并改善支撐效果。

3)壓后排采試氣顯示,氮氣泡沫壓裂液有效提高了返排率,氮氣對甲烷置換效果明顯,縮短了見氣周期。目前試驗井排采初見成效,排采施工穩(wěn)定,日產(chǎn)氣量已穩(wěn)步升至1 176 m3,初步展現(xiàn)了該項工藝對于試驗區(qū)的適應(yīng)性。