2017,
Vol. 41
2. 晋煤集团煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城 048204;
3. 中国地质大学(武汉)资源学院, 湖北武汉 430074
2. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining in Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048204, China;
3. Faculty of Earth Resources in China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
近井部位颗粒运移及堵塞是造成储层孔渗性衰减进而导致油气井减产的重要原因。文献[1]~[6]中对常规油气藏开发中颗粒运移堵塞机制及解堵材料、技术等进行了研究, 煤岩机械强度弱, 且往往经历多期构造应力改造, 故煤储层结构破碎、原生煤粉颗粒含量高[7]。相较于常规油气藏, 煤层气井开发中压裂裂缝内微粒的充填和运移堵塞现象更为严重。当前, 关于上述问题的研究主要集中在利用裂缝导流能力测试系统, 进行支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动室内模拟试验, 对煤粉运移堵塞机制进行分析[8-9]; 基于颗粒力学分析脱落煤粉启动运移条件, 研究煤粉排出量对煤层孔隙度和渗透率的影响[10]; 以及从减小颗粒表面张力扩大颗粒在流体中分散度角度进行的解堵技术研究等方面[11-12]。在基于矿井解剖的近井压裂裂缝内颗粒充填与堵塞原貌特征、近井主干压裂裂缝颗粒堵塞机制方面研究较少。针对上述问题, 笔者利用煤矿掘进工作面对煤层气井的揭露系统观测近井压裂裂缝内颗粒充填特征, 分析裂缝内充填物分布规律, 并对开发中煤粉颗粒堵塞裂缝机制进行解析, 为研究区煤层气井解堵理论深化及技术创新提供科学参考。
1 煤层气试验井概况煤层气试验井位于沁水盆地南部潘庄区块, 完井煤层底深365.50 m, 层厚6.40 m, 顶底板均为相对隔水的泥岩和砂质泥岩。煤体结构相对破碎, 煤粉主要以构造煤粉源集合体形式存在, 含量多[13]。该井钻井液为含少量聚合物的密度为1.02 kg/m3的清水, 固井材料为密度1.85 kg/m3的油井水泥浆, 水泥返深95.25 m; 共注入活性水压裂液565.90 m3, 支撑剂(兰州石英砂)46 m3, 粒径组合为8 m3(粒径0.180~0.300 mm)+38 m3(粒径0.425~0.850 mm)。自2008年9月排采该井峰值产气量达3 570 m3/d, 但产量快速递减, 后期日平均产气量仅为750 m3, 属低产井。由于该气井部署在煤矿掘进工作迎头, 巷道掘进能够直观揭露煤层气井近井压裂裂缝空间延展及内部充填特征(图 1)。由图 1可以看出, 近井筒压裂裂缝为简单垂直缝, 裂缝面相对规则, 笔者对主干压裂裂缝径向5 m内10个取样点处压裂裂缝充填、堵塞特征进行观测并采取煤粉、支撑剂及壁面滤饼样品30余组。
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图 1 试验井近井压裂裂缝延展形态与充填特征 Fig.1 Propagation shape and filling characteristics of hydraulic fracture near wellbore |
煤层气井近井压裂裂缝内充填物含煤粉、支撑剂颗粒、完井滤饼3部分, 见图 2。宏观上, 煤粉颗粒呈碎片状、粒状, 多楔入支撑剂颗粒间, 部分附着在其颗粒表面, 启动性好; 支撑剂颗粒呈完整球状多、碎粒状少, 启动性一般; 滤饼附着在裂缝壁面不可动, 由煤岩向裂缝依次为钻井浆液滤饼、固井水泥浆滤饼及压裂稠化剂聚合物滤饼, 不同类型滤饼间界面明显。
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图 2 煤层气井近井压裂裂缝内充填物形态特征 Fig.2 Filling shape characteristics of hydraulic fracture near CBM wellbore |
按照取样点距井筒远近对压裂裂缝壁面上颗粒分布特征进行观测, 其中距离井筒5 m处压裂裂缝壁面支撑剂铺置浓度较高为15 kg/m2, 砂粒均匀细小, 颗粒堆积相对致密。煤粉铺置浓度为7 kg/m2, 成分以有机煤岩为主, 将支撑剂浸染呈黑色, 如图 2(a)所示; 由于完井时外部浆液沿开启的构造节理侵入, 故该处压裂裂缝壁面可见明显的完井滤饼, 水泥浆滤饼较薄至1 mm, 钻井浆液滤饼厚为1.5 mm, 如图 2(d)所示。滤饼的屏蔽作用会严重制约储层流体产出, 但后期能够降低压裂液滤失速率。距井筒2.5 m处压裂裂缝壁面支撑剂铺置浓度适中为13 kg/m2, 颗粒受压裂液稠化聚合物黏合作用黏在裂缝壁面, 难以启动。煤粉铺置浓度为6 kg/m2, 混有少量方解石矿物, 煤粉颗粒与支撑剂颗粒之间存在一定粒度分异性, 如图 2(b)所示; 从图 2(e)看出, 该处裂缝壁面水泥浆滤饼厚为1 cm, 压裂稠化剂滤饼厚约为1 mm。距离井筒0.5 m处压裂裂缝壁面支撑剂稀疏, 铺置浓度为11 kg/m2, 有机煤岩成分的煤粉含量小铺置浓度为5 kg/m2, 但片状方解石矿物数量较多, 如图 2(c)所示; 该部位支撑剂粒径较大, 受压裂稠化剂黏结作用黏在裂缝壁面, 颗粒启动性差, 变相限制了颗粒的运移产出。该点裂缝壁面水泥浆滤饼较厚至1 cm, 钻井浆液滤饼薄为0.5 mm, 如图 2(f)所示。综上, 完井期间钻井液侵入深度略大于固井水泥浆, 且钻井液滤饼厚度与距井筒距离关系不大。煤层气井近井部位压裂裂缝壁面的表皮效应严重。
微观上可见支撑剂成分以石英为主, 长石和岩屑次之, 近井压裂裂缝内石英颗粒圆球度近0.7, 粒径850 μm, 部分颗粒发生破碎影响支撑效果(图 3(a)), 压碎的碎屑卡在支撑剂粒间, 伤害充填砂体孔渗性诱发堵塞; 长石颗粒含量较少, 圆球度相对较差, 粒径1 000 μm, 硬度较小故存在大量磨蚀凹坑, 颗粒表面粗糙(图 3(b)); 岩屑颗粒圆球度相对较差, 粒径1 000 μm, 颗粒表面较为光滑硬度较大, 注砂中不易受到磨蚀破坏(图 3(c))。
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图 3 近井压裂裂缝充填颗粒扫描电镜照片 Fig.3 Scanning electron microscope (SEM) pictures of filling particles in hydraulic fracture near wellbore |
微观上煤粉成分以有机煤岩为主, 含少量方解石和黏土矿物。其中有机煤岩碎屑为碎片状或碎粒状, 粒径为10~100 μm, 有一定的附着性(图 3(d)); 方解石矿物, 片状, 粒径500 μm, 性脆不稳定, 运移过程中可能二次解体形成更细小的碎屑(图 3(e))。裂缝内还充填有少量黏土矿物颗粒(图 3(f)), 板状, 粒径1 000 μm。
2.2 压裂裂缝充填物分布及控制因素对煤层气井筒外10个观测点(位置见图 4)采取的充填物样品进行充填颗粒铺置浓度、粒度、成分观测统计, 并将压裂裂缝充填颗粒胶结后切片, 镜下观察评价其孔渗性; 同时实地测量了10个观测点处压裂裂缝内部充填砂体的厚度, 相关测试参数数据见表 1。
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图 4 煤层气井近井压裂裂缝充填颗粒分布趋势特征 Fig.4 Filling particles distribution trend characteristics of hydraulic fracture near CBM wellbore |
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表 1 煤层气井近井压裂裂缝充填颗粒分布特征参数 Table 1 Filling particle distribution parameters of hydraulic fracture near CBM wellbore |
研究发现, 在充填颗粒铺置浓度上(图 4(a)), 其中压裂裂缝底部支撑剂颗粒(白色实线)铺置浓度要略高于顶部, 如取样点⑨ > ⑦ > ③, 横向上越靠近井筒部位裂缝壁面上支撑剂颗粒浓度越低; 煤粉(红色实线)垂向上铺置浓度趋势同支撑剂, 横向上越远离井筒部位裂缝壁面煤粉浓度越高, 支撑剂与煤粉颗粒分布趋势面方向相反。在颗粒粒度上(图 4(b)), 压裂裂缝底部支撑剂(白色实线)颗粒粒度略大于顶部, 横向上越靠近井筒支撑剂粒度越大; 压裂裂缝底部煤粉(红色实线)颗粒粒度明显大于顶部, 如取样点⑤ > ①, 横向上越远离井筒部位裂缝壁面煤粉粒度越大, 如取样点① > ② > ③ > ④。在压裂裂缝内充填砂体厚度和孔渗性方面(图 4(c)), 垂向上压裂裂缝底部砂体厚度(白色虚线)略大于顶部, 横向上越靠近井筒裂缝内砂体厚度越大, 近井筒部位厚度可达10 cm, 与脱砂有关; 压裂裂缝底部砂体孔渗性(白色实线)明显大于顶部, 如⑥ > ②, 横向上越靠近井筒充填砂体孔渗性越好。
压裂裂缝内充填颗粒分布控制因素:①支撑剂铺置浓度受压裂液滤失速度快、颗粒沉降时间短影响, 垂向上变化不大; ②煤粉颗粒粒度受后期运移重力分异影响, 裂缝底部煤粉中还混有方解石等较重矿物; ③裂缝充填砂体厚度变化主要受裂缝远端脱砂控制, 随着压裂注入流体能量衰减, 远离方向井筒砂体厚度减薄; ④裂缝充填砂体粒间孔隙被煤粉充填会伤害其孔渗性, 垂向上因压裂裂缝顶部有机煤粉含量高, 楔入能力强, 砂体孔渗性较差。
如图 2(d)、(e)、(f)所示, 压裂裂缝壁面钻井浆液滤饼侵入深度超过5 m, 平均厚度1 mm; 水泥浆滤饼侵入深度不足5 m, 近端裂缝壁面滤饼厚度达1 cm, 远离井筒其厚度减薄至尖灭。稠化剂聚合物滤饼局部可见。最先侵入煤储层构造节理中的钻井液, 由于其密度小井筒液柱压力低, 未能拓宽构造节理缝, 钻井浆液滤饼基本反映储层构造节理的宽度。固井水泥浆侵入形成二期滤饼, 因水泥浆密度大液柱压力高, 且黏度大, 构造节理被撑开, 滤饼厚且侵入深度小。压裂注砂阶段添加稠化剂的压裂液注入在壁面形成三期滤饼。
3 煤层气井近井压裂裂缝堵塞机制 3.1 煤层气井近井压裂裂缝堵塞模式煤层气井近井压裂裂缝堵塞受裂缝内充填颗粒分布、运移与滤饼发育范围的联合控制, 基于矿井解剖, 提出近井压裂裂缝堵塞模式。
(1) 如图 5(a)所示, 完井期间, 完井浆液在压差作用下沿构造节理侵入储层, 并在煤层气井近井部位构造节理壁面形成滤饼。
(2) 压裂期间, 压裂液突破水泥浆滤饼-煤岩界面进入构造节理缝, 近井部位由于构造节理一侧壁面发育滤饼, 因此压裂液只能沿另一侧煤岩壁面滤失, 滤失速度相对较慢, 而当压裂液流动至滤饼尖灭位置时, 由于裂缝两侧煤岩完全裸露, 压裂液滤失速度突然增大, 在地面砂比及注入排量未来得及调整情况下即发生脱砂, 并形成脱砂楔体。如果后期注入的压裂液及支撑剂能力不足以冲破该楔体, 则近端压裂裂缝只能在原生构造节理基础上进行拓宽, 而且脱砂楔体在压裂流体冲击下通过颗粒间力链作用逐步压实致密[14]。颗粒铺置浓度高, 压裂裂缝整体为饱和充填的“短宽”型裂缝, 如图 5(b)所示。
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图 5 压裂裂缝脱砂楔体形成煤粉运移联合堵塞机制 Fig.5 Joint plugging mechanisms of sand wedge forming and coal fines migration in hydraulic fracture |
(3) 排采期间, 煤储层内气液两相流携带大量煤粉颗粒流向井筒, 流经脱砂楔体部位时, 由于脱砂楔体内部支撑剂颗粒细小, 压实致密过滤能力强, 粒间孔隙狭窄, 较大煤粉难以进入楔体只能堆积在脱砂楔体前方, 而一定粒径范围内的煤粉颗粒虽能进入楔体, 但最终会卡在支撑剂颗粒粒间孔隙的孔喉中, 导致压裂裂缝在此部位发生严重的内部堵塞(图 5(c)红框内), 影响煤储层流体返排, 导致煤层气井减产甚至停产。
3.2 允许煤粉通过的脱砂楔体支撑剂粒径煤储层压裂裂缝内气液两相流携带煤粉颗粒通过脱砂楔体类似于致密砂岩气藏内流体携带颗粒堵塞储层孔隙喉道, 据此进行支撑剂颗粒与堵塞煤粉颗粒粒度关系分析。将支撑剂和煤粉颗粒简化成刚性球体, 不考虑颗粒通过过程中压缩变形; 且认为支撑剂颗粒为最紧密排列堆积, 孔隙度最小, 且颗粒粒径一致; 暂不考虑煤粉颗粒在支撑剂表面的附着效应。基于以上假设构建脱砂楔体过滤煤粉堵塞模型(图 6), 其中支撑剂粒径为dP, 支撑剂孔喉直径为dT, 煤粉粒径为dF。
计算公式为
| $ {d_{\rm{T}}} = {d_{\rm{P}}}\frac{{1 - \sin 60^\circ }}{{\sin 60^\circ }}. $ | (1) |
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图 6 脱砂楔体过滤煤粉堵塞模型 Fig.6 Coal fines plugging model with sand wedge filtration |
根据颗粒黄金过滤原则[15-16], 当煤粉颗粒粒径小于支撑剂孔喉直径的1/7时, 则煤粉通过脱砂楔体; 而当煤粉颗粒粒径与支撑剂孔喉直径之比为1/3~2/3时, 则煤粉卡在支撑剂孔喉, 形成架桥, 孔喉逐渐狭窄, 有更小煤粉进入后形成渐进堵塞, 从而严重堵塞裂缝。当煤粉颗粒粒径大于支撑剂孔喉直径时, 煤粉堆积在脱砂楔体前方。为防止脱砂楔体过滤煤粉堵塞, 优选支撑剂粒径原则是:一方面允许占比例较多的细粒煤粉进入脱砂楔体, 防止煤粉堆积在楔体前方; 另一方面保证进入脱砂楔体的煤粉顺利通过, 防止其卡孔喉形成颗粒架桥, 发生渐进堵塞。据此原则, 支撑剂紧密堆积后其孔喉直径与煤粉颗粒粒径之比应大于3。
沁水盆地南部煤层气井产出煤粉颗粒粒径中值为0. 045 mm[9]。据式(1)计算, 水力压裂注砂初期注入的支撑剂颗粒粒径应大于0.900 mm(20目), 可减轻煤层气井排采后期近井压裂裂缝脱砂楔体处的堵塞, 维持压裂裂缝导流能力。注砂初期脱砂楔体的形成是导致后期压裂裂缝堵塞的诱因, 压裂注砂阶段应降滤失、控砂比。
4 结论(1) 煤层气井近井压裂裂缝充填物包括煤粉、支撑剂颗粒及完井滤饼, 完井滤饼对压裂裂缝启裂、延展及支撑剂分布具有关键控制作用。
(2) 压裂裂缝后期堵塞是由于裂缝壁面滤饼尖灭部位压裂液滤失加速, 发生脱砂并形成脱砂楔体, 楔体在后续流体冲击下压实致密, 后期气液两相流携带煤粉颗粒流经脱砂楔体时难以通过所致。在脱砂楔体部位注入颗粒粒径大于0.900 mm(20目)的支撑剂可减缓堵塞程度。
(3) 固井中严控水泥浆返高, 压裂注砂阶段降滤失防止楔体形成也是解决途径。煤层气井二次解堵的重点是改善脱砂楔体部位裂缝导流能力。
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