CN104088616B

CN104088616B - 一种煤层气水力压裂方法

Info

Publication number: CN104088616B
Application number: CN201410328286.6A
Authority: CN
Inventors: 陈卫忠; 邹俊鹏; 杨典森; 谭贤君; 杨建平
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2034-07-09
Also published as: CN104088616A

Abstract

本发明涉及一种煤层气水力压裂方法，前置液和顶替液使用活性水压裂液，携砂液使用羧甲基胍胶压裂液；支撑剂选用四种不同粒径范围的石英砂，将100～70目的粉砂和70～40目的细砂作为前置液中支撑剂，将40～20目的中砂和20～14目的粗砂作为携砂液中支撑剂；支撑剂所选不同粒径砂的加砂量比例；活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液中粘土稳定剂KCl的浓度依据压裂目的层段测井数据的以API单位表示的自然伽马测井强度GR平均值确定。本发明很大程度上改善了煤层气增采效果，在有效防膨的同时最大限度的降低压裂液配置成本。

Description

一种煤层气水力压裂方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气开采水力压裂方法，属于煤层气井水力压裂技术领域。

背景技术

煤层气是我国资源潜力大、开发程度低的非常规天然气资源。全国埋深2000m以上煤层气总资源量为32.86×10¹²m³。煤层气的低成本、高效开采不仅可以解决煤矿生产带来的污染及安全问题，而且还可以弥补常规能源开发利用的短缺。但是我国煤层气储层由于低饱和、低渗、低压的特性，需要采取一定的强化增产措施，以实现煤层气的商业化开发,而其中应用最普遍的强化手段就是水力压裂。

煤层气井水力压裂的目的是：建立并连通井眼与远端的高渗流通道，以提高煤层产水量，降低煤基质中的孔隙压力，从而增加煤层气体解吸量，达到提高煤层气产量的目的。合理地选用煤层气井水力压裂技术可以加快煤层气解吸-扩散-渗流的速率,提高煤层气采收率。压裂液的选择是决定压裂施工成败的关键，而压裂液对煤储层的伤害以及造缝携砂能力是其最重要的性能指标。目前国内外应用较多的压裂液是活性水压裂液、胍胶压裂液、清洁压裂液、线性胶压裂液及泡沫压裂液等，不同的压裂液由于成分不同，性能各异。

我国的煤层气井大部分采用活性水压裂液施工。活性水压裂液的优点在于:①价格便宜，成本低；②粘度相对较低，前置液压裂造缝时可以有效控制缝高，即使大排量施工时，缝高也不会有太大变化，而且使用活性水压裂时缝长延伸好，附图1是实验室测得压裂液粘度对缝高的影响；③有较低的表面张力和界面张力；④水质清洁,对煤层污染较小。但是在实际施工中也存在不足之处：①携砂能力较差，特别是作为携砂液携带中粗砂等大粒径砂时；②高摩阻限制了施工排量和施工规模，影响整体压裂效果。

现投入现场应用的压裂液还包括羧甲基胍胶压裂液。羧甲基胍胶压裂液的优点在于：①对煤层伤害较低；②携砂能力强，可提高支撑裂缝宽度，加大支撑裂缝波及范围，延缓人工裂缝闭合，增加压裂效果；③可极大地减小压裂液滤失，增强压裂液效率，提高施工一次成功率；④具有一定粘度的羧甲基胍胶在裂缝中的流动为层流，对裂缝壁表面的冲击相对较小，因此选用羧甲基胍胶可极大的减小对裂缝壁表面的冲击，降低煤粉产出量，减少排采中煤粉堵塞；⑤羧甲基胍胶的增稠效率显著，附图2是100℃条件下羧甲基瓜尔胶压裂液黏度随时间的变化情况，其中羧甲基瓜尔胶的质量分数分别为0.25％和0.2％。从图中可以看出,剪切60min后,羧甲基瓜尔胶压裂液的剪切黏度分别在250mPa·s和350mPa·s以上,远大于压裂施工的要求。但是在实际施工应用中也有其不足之处：①成本相对较高；②作为前置液进行造缝时，缝高不易控制，大排量施工时缝高会大幅度扩展。

水力压裂形成裂缝后，为了阻止其压后闭合，需要由支撑剂来支撑裂缝形成具有一定导流能力的裂缝通道。裂缝的导流能力，在很大程度上由支撑剂在裂缝中的分布所确定，较为合理的分布是：在近井筒的裂缝中应该尽量形成有效的砂堤，增大裂缝的导流能力；在离井筒较远的地方，应该避免砂粒过度淤积，造成堵砂。一般说来比较理想的支撑剂应具有：①密度低,最好低于2.0g/cm3；②能承受1.3728×10⁴Pa左右的闭合压力；③圆度应接近于1。

支撑剂的粒径影响了其在压裂液作用下的输送过程，附图3是压裂液输运过程中支撑剂颗粒的运动轨迹。施工过程中通常采用不同的支撑剂粒径组合，大粒径支撑剂形成的支撑裂缝导流能力好，但沉降速度也会随粒径的增大而增加。在泵注初期，采用小粒径的支撑剂，它可进入到地层深部，与更多的割理相连，确保裂缝端部能够被支撑剂支撑，还可以减少煤粉的运移，且具有很好的降滤失作用；在泵注末期，采用大粒径的支撑剂类型，这样能够在保证支撑剂浓度的基础上尽量增加裂缝的导流能力。目前煤层气开采实际施工过程中缺乏行之有效的定量的支撑剂施加方案。

目前广泛用作支撑剂的是石英砂。石英砂是一种分布广、硬度大的稳定性矿物，国内主要有兰州砂、承德砂、内蒙砂等。石英砂的相对密度约为2.65左右，体积密度约为1.70g/cm3,承受压力为20-34Mpa,孔隙度为30％-38％,价格便宜，但硬度及抗压强度较低。常用石英砂规格有70～40目、40～20目和20～16目。目前现场施工压裂过程中的加砂组合方式主要有4种:①70～40目+40～20目+20～16目；②70～40目+20～16目；③40～20目+20～16目；④20～16目。

不同规格石英砂压裂中的作用如表1所示。

表1 不同规格石英砂压裂中的作用

专利CN102094612A公开了一种煤层气井活性水压裂工艺，该工艺是采用如下步骤实现的：(1)循环：用压裂泵将压裂液由液罐车打到压裂车再返回液罐车，以此检查压裂泵上水情况以及管线连接情况；(2)试压：关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、油壬等憋压，保持不刺不漏即为试压合格；(3)试挤：试压合格后，打开井口总闸，用压裂泵将压裂液挤入煤层，直到压力稳定为止，以此检查井下管柱及井下工具是否正常，并掌握煤层的吸水能力；(4)压裂：试挤完成后，用压裂泵向井内注入压裂液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层形成裂缝；(5)支撑：用压裂泵将携带有支撑剂的压裂液注入裂缝，使裂缝得到延伸和支撑；(6)放压：支撑完成后，通过钻孔释放井底压力；其特征在于：所述步骤(1)、(3)、(4)、(5)中，压裂液由清水、表面活性剂、杀菌剂配制而成；所述步骤(5)中，支撑剂由三种径粒大小的石英砂混合而成，三种径粒大小的石英砂分别为：径粒为0.15～0.3mm的细砂、径粒为0.45～0.9mm的中砂、径粒为0.8～1.2mm的粗砂；其中，细砂的重量比为15％-25％，中砂、粗砂的重量比为75％-85％。该技术采用传统的单一压裂液处理，支撑剂也为常规分类，虽在一定程度上利于压裂，但活性水压裂液携砂能力较差，特别是大粒径的支撑剂；在携砂液阶段，活性水压裂液高摩阻限制了施工排量和施工规模，影响整体的压裂效果；含砂活性水在裂缝中的流动为紊流，对裂缝壁表面的冲击较大，因此整个压裂过程使用单一的活性水压裂液对煤层的损害较大，增加了排采过程中煤粉填堵。

煤中含有多种矿物质，其中黏土矿物分布较广，主要有高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石，因此在压裂过程中应考虑外来液体侵入造成黏土膨胀，从而导致煤储层的伤害问题。在压裂增产井下作业时，由于压裂液侵入地层会引起地层液组成和浓度的改变,打破了地层粘土矿物与原始地下流体的稳定状态，从而导致粘土矿物发生膨胀、分散运移等现象,进而损害储层。所以在实际煤层气开采水力压裂时要在压裂液中添加一定的粘土稳定剂，来防止储层中粘土矿物的膨胀。

在所有无机盐类粘土稳定剂中以钾盐的防膨效果最好，以KCL为代表。其作用机理是减少粘土表面扩散双电层厚度以及减少粘土表面的Zeta电位，从而起到粘土防膨的作用。它也可与粘土表面的钠离子进行交换,使其变成相对不膨胀的粘土。钾离子的直径是0.26nm,它与粘土表面的六角空间相匹配，该空间由6个氧原子围成，内切直径为0.28nm。这样使它易于进入六角空间而不易从此空间释放，从而有效的中和了粘土表面的电负性。附图4是活性水压裂液中KCl浓度与其对膨润土粉的防膨率的关系。

实际施工过程中，粘土稳定剂KCL的施加浓度通常采取经验数值，并不能起到既经济又有效的防膨效果。施加浓度偏低，则稳定效果不佳；浓度过高，整体压裂成本就会随之增加。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种煤层气水力压裂方法。

本发明采取的技术方案为：

一种煤层气水力压裂方法，压裂是按前置液-携砂液-顶替液程序进行水力压裂，前置液和顶替液使用活性水压裂液，携砂液使用羧甲基胍胶压裂液；支撑剂选用四种不同粒径范围的石英砂，分别是：粉砂100～70目、细砂70～40目、中砂40～20目、粗砂20～14目，将100～70目的粉砂和70～40目的细砂加入前置液作支撑剂，将40～20目的中砂和20～14目的粗砂作为携砂液中支撑剂。

活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液的制备参照标准《SY/T5107—2005水基压裂液性能评价方法》，《SY/T6376—2008压裂液通用技术条件》，对其性能进行测定。本发明活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液中均含有粘土稳定剂KCl，粘土稳定剂KCl的浓度依据压裂目的层段测井数据的以API单位表示的自然伽马测井强度GR平均值确定，GR平均值＜50，前置液和携砂液中KCl的含量均为1.0wt％；50≤GR平均值≤90，前置液中KCl含量为1.5wt％，携砂液中KCl的含量为1.0wt％；GR平均值＞90，前置液中KCl含量为2.0wt％，携砂液中KCl的含量为1.0wt％，现场实践证明此种方法可以在有效防膨的同时最大限度的降低压裂液配置成本。

优选的配方如下：

活性水压裂液：1wt％-2wt％的粘土稳定剂KCl、0.02wt％分散剂FS-01、0.05wt％减阻剂BHP-1、0.3wt％助排剂DB-80和余量水；

羧甲基胍胶压裂液：1wt％-2wt％的黏土稳定剂KCL、0.25wt％CJ2-11羧甲基、0.5wt％DB-80助排剂、0.5wt％YFP-3起泡剂、0.5wt％CJ-11交联促进剂、0.1wt％CJSJ-3杀菌剂；50wt％JL-11交联液；余量水。

中砂用于羧甲基胍胶压裂液作为的携砂液前期，粗砂用于羧甲基胍胶压裂液作为的携砂液后期。

本发明涉及支撑剂选用四种不同粒径范围的石英砂，分别是：粉砂(100～70目)、细砂(70～40目)、中砂(40～20目)、粗砂(20～14目)，加砂比例为：每60m³砂量中粉砂1～3m³、细砂5～10m³，中砂25～35m³，粗砂15～20m³。按此砂量比开展不同进砂量的调整。与实际施工常用石英砂规格(70～40目、40～20目、20～16目)相比，前置液支撑剂中100～70目粉砂占粉砂和细砂的总质量比例为0.077～0.5：1，增加了支撑剂中粉砂所占比例。煤层压裂支撑剂的选择与常规油气储层截然不同。煤层水力压裂的目的是连通煤层割理系统。煤基质渗透率一般很低，因此气体主要由割理流入井筒，故要通过水力压裂尽可能沟通更多的割理。所以最好先选用小颗粒的支撑剂，它深穿透进入到地层深部，并可使更多的割理之间以及割理与井筒相连。粉砂功能主要在于支撑端割理、降低端割理的滤失以及减少煤粉的污染，本发明所述前置液中添加粉砂后，被支撑割理的宽度下限降至0.15mm，使得煤层压裂后的渗透率进一步增加，很大程度上改善了煤层气增采效果。本发明所述加砂比例经过珲春煤田现场验证，效果极佳。

前置液作用主要是造缝，即破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入。本发明使用活性水压裂液作为前置液具有很多优点：①活性水压裂液粘度相对较低，作为前置液压裂造缝时可以有效控制缝高，即使大排量施工时，缝高也不会有太大变化，而且压裂结果缝长延伸很好；②活性水压裂液价格相对便宜，可以有效控制总体压裂液成本；③活性水压裂液水质相对清洁，对煤层污染较小；④虽然活性水压裂液相对羧甲基胍胶压裂液携砂能力偏低，但本发明前置液中加入的支撑剂为100～70目的粉砂和70～40目的细砂，粒径小，使用活性水压裂液适宜。

携砂液作用主要是输送支撑剂到储层裂缝中。由于本发明将40～20目的中砂和20～14目的粗砂作为携砂液中支撑剂，如果携砂液同样适用较低粘度的活性水压裂液，支撑剂沉降速度会加快并且支撑剂只在近井地带支撑裂缝。本发明采用相对高粘度的羧甲基胍胶压裂液作为携砂液。其优点在于：①对煤层伤害较低；②携砂能力强，可提高支撑裂缝宽度，加大支撑裂缝波及范围，延缓人工裂缝闭合，增加压裂效果，况且本发明携砂液中支撑剂为40～20目的中砂以及20～14目的粗砂，适宜携砂能力强的羧甲基胍胶压裂液；③可极大地减小压裂液滤失，增强压裂液效率，提高施工一次成功率；④具有一定粘度的羧甲基胍胶在裂缝中的流动为层流，对裂缝壁表面的冲击相对较小，相比较而言，含砂活性水在裂缝中的流动为紊流，对裂缝壁表面的冲击较大，因此选用羧甲基胍胶压裂液作为携砂液可极大的减小对裂缝壁表面的冲击，降低煤粉产出量，减少排采中煤粉堵塞；⑤羧甲基瓜尔胶的增稠效率显著；⑥虽然如发明背景中所述，羧甲基胍胶压裂液粘度较活性水压裂液偏大，但本发明并不将其作为前置液造缝，故其造缝时缝高不易控制、大排量施工时缝高会大幅度扩展的缺点可以避免。

顶替液作用主要是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液顶替入裂缝中。本发明应用活性水压裂液作为顶替液，用以有效控制整体压裂成本。

本发明压裂液中粘土稳定剂KCL的浓度依据压裂目的层段测井数据的自然伽马测井强度GR平均值确定。自然伽马测井在油气田勘探和开发中，主要用来划分岩性，确定储集层的泥质含量，进行地层对比及射孔工作中的跟踪定位等。沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型，岩石含泥质越多，自然放射性就越强：①高自然放射性的岩石：包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，其自然伽马测井读数约100API以上。特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数在所述沉积岩中是最高的；②中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。其自然伽马测井读数介于50—100API之间；③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。自然伽马读数约50API以下。其中硬石膏最低，10API以下。附图5提供了普遍采用的常见岩石自然伽马射线放射性强度的变化范围，并用横线的纵向宽度来表示出现这一放射性强度的频率。

本发明与现有技术比的有益效果是：

(1)本发明采用相对低粘度的活性水压裂液作为前置液携带小粒径、深穿透的100～70目、70～40目支撑剂，采用相对高粘度的羧甲基胍胶压裂液作为携砂液携带大粒径、高导流的40～20目、20～14目的支撑剂，顶替液又采用低成本的活性水压裂液，整套压裂携砂系统作用于现场应用中，使得煤层气达到高效增采目的的同时，相比较其他整个压裂过程均采用单一的羧甲基胍胶压裂液等其他压裂液而言，极大的降低了压裂成本。

(2)本发明所述100～70目支撑剂用于前置液，其深穿透煤层能力强，还可以减少煤粉的运移；70～40目同样用于前置液，在造缝及降滤失的同时，防止100～70目的回流；40～20目支撑剂用于携砂液前期，将提供裂缝周围的高导流能力，支撑和改善渗透性；20～14目支撑剂将用于携砂液后期，在提高压裂周围导流能力的同时防止支撑剂返排吐砂。本发明所述前置液中增大了100～70目的粉砂所占比例，被支撑割理的宽度下限降至0.15mm，使得煤层压裂后的渗透率进一步增加，很大程度上改善了煤层气增采效果。

(3)粘土稳定剂KCl的浓度依据压裂目的层段测井数据的以API单位表示的自然伽马测井强度GR平均值确定，方法科学合理，可以在有效防膨的同时最大限度的降低压裂液配置成本。

附图说明

图1：压裂液粘度对缝高的影响；

图2：100℃条件下羧甲基瓜尔胶压裂液黏度随时间的变化情况；

图3：压裂液输运过程中支撑剂颗粒的运动轨迹；

图4：活性水压裂液中KCl浓度与其对膨润土粉的防膨率的关系；

图5：常见岩石自然伽马射线放射性强度的变化范围。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明。

实施例1

参照标准《SY/T5107—2005水基压裂液性能评价方法》和《SY/T6376—2008压裂液通用技术条件》制备活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液，并对其性能进行测试，具体测试方法不在本发明权利要求范围内。

活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液配置配方如下：

活性水压裂液：KCl粘土稳定剂+0.02wt％分散剂FS-01+0.05wt％减阻剂BHP-1+0.3wt％助排剂DB-80+水；

羧甲基胍胶压裂液：基液:KCl黏土稳定剂+0.25wt％CJ2-11羧甲基+0.5wt％DB-80助排剂+0.5wt％YFP-3起泡剂+0.5wt％CJ-11交联促进剂+0.1wt％CJSJ-3杀菌剂；交联液:50wt％JL-11；水。

上述建议配方说明中除压裂液种类组合形式以及粘土稳定剂KCl的添加浓度外的其他配方不在本发明权利要求范围内。

选择压裂液中KCl粘土稳定剂浓度的确定步骤如下：

步骤1：根据目的煤气田测井资料，确定压裂目的层段测井数据的自然伽马测井强度GR平均值(API单位)。

步骤2：确定压裂液中粘土稳定剂KCl浓度：GR平均值＜50，前置液和携砂液中KCl的加量均为1.0wt％；50≤GR平均值≤90，前置液中KCl加量为1.5wt％，携砂液中KCl的加量为1.0wt％；GR平均值＞90，前置液中KCl加量为2.0wt％，携砂液中KCl的加量为1.0wt％。

配置好的活性水压裂液作为前置液和顶替液，羧甲基胍胶压裂液作为携砂液。

选用四种不同粒径范围的石英砂，分别是：粉砂(100～70目)、细砂(70～40目)、中砂(40～20目)、粗砂(20～14目)。单层加砂量68m³，加砂比例为：每60m³砂量中粉砂2m³、细砂8m³，中砂32m³左右，粗砂18m，按此砂量比开展不同进砂量的调整。

不同粒径范围支撑剂与不同性质压裂液组合形式：粉砂和细砂用于活性水压裂液作为的前置液；中砂用于羧甲基胍胶压裂液作为的携砂液前期；粗砂用于羧甲基胍胶压裂液作为的携砂液后期。

具体加砂压裂泵注程序如表2所示。

表2 加砂压裂泵注程序现场施工实例

备注：(1)备尼龙球100个，在施工过程中，视压力变化情况，以5-6个/s速度适当投放，投球数量现场决定；

(2)现场可根据地面管线长度重新核算顶替量。

实施例2

活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液配置配方如下：

活性水压裂液：KCl粘土稳定剂+0.02％分散剂FS-01+0.05％减阻剂BHP-1+0.3％助排剂DB-80+水；

羧甲基胍胶压裂液：基液:KCl黏土稳定剂+0.25％CJ2-11羧甲基+0.5％DB-80助排剂+0.5％YFP-3起泡剂+0.5％CJ-11交联促进剂+0.1％CJSJ-3杀菌剂；交联液:50％JL-11；水。

选择压裂液中KCl粘土稳定剂浓度的确定步骤如下：

选用四种不同粒径范围的石英砂，分别是：粉砂(100～70目)、细砂(70～40目)、中砂(40～20目)、粗砂(20～14目)。单层加砂量68m³，加砂比例为：每60m³砂量中粉砂3m³、细砂5m³，中砂30m³左右，粗砂20m，按此砂量比开展不同进砂量的调整。

上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明，只是对本发明的优选实例说明，并不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种煤层气水力压裂方法，压裂是按前置液- 携砂液- 顶替液程序进行水力压裂，其特征是，前置液和顶替液使用活性水压裂液，携砂液使用羧甲基胍胶压裂液；支撑剂选用四种不同粒径范围的石英砂，分别是：粉砂100～70目、细砂70～40目、中砂40～20目、粗砂20～14目，将100~70目的粉砂和70~40目的细砂加入前置液作支撑剂，将40~20目的中砂和20~14目的粗砂作为携砂液中作支撑剂；

所述的羧甲基胍胶压裂液组成为： 1 wt%-2wt%的粘土稳定剂KCl、0. 25wt% CJ2-11羧甲基、 0. 5wt% DB-80助排剂、 0. 5wt% YFP-3起泡剂、 0. 5wt% CJ-11交联促进剂、 0.1wt% CJSJ-3杀菌剂； 50wt%JL-11交联液；余量水；

活性水压裂液和羧甲基胍胶压裂液中均含有粘土稳定剂KCl，粘土稳定剂KCl的浓度依据压裂目的层段测井数据的以API单位表示的自然伽马测井强度GR平均值确定；

GR平均值＜50，前置液和携砂液中KCl的含量均为1.0wt%；

50≤GR平均值≤90，前置液中KCl含量为1.5wt%，携砂液中KCl的含量为1.0wt%；

GR平均值＞90，前置液中KCl含量为2.0wt%，携砂液中KCl的含量为1.0wt%；

每 60m³ 砂量中粉砂 1~3m³、细砂 5~10 m³，中砂 25~35 m³，粗砂 15~20 m³；

40～20 目中砂用于羧甲基胍胶压裂液作为携砂液前期，20~14 目粗砂用于羧甲基胍胶压裂液作为携砂液后期。

2.根据权利要求 1 所述的一种煤层气水力压裂方法，其特征是，所述的活性水压裂液组成为：1 wt%-2wt%的粘土稳定剂KCl 、0.02wt%分散剂FS-01、0.05wt%减阻剂BHP-1 、0.3wt%助排剂DB-80和余量水。