河南理工大学吕闰生教授团队：Energy & Fuels | 低渗煤层气储层覆膜陶粒水力压裂增产试验研究

英文原题：Coalbed Methane Enhancement in Low-Permeability Reservoirs by Hydraulic Fracturing with Coated Ceramsite

通讯作者：吕闰生，宋党育，刘高峰，河南理工大学资源与环境学院，中原经济区煤层气（页岩）气河南省协同创新中心

作者：Fei Guo (郭飞), Runsheng Lv* (吕闰生), Dangyu Song* (宋党育), Yunbo Li (李云波), Zhen Zhang (张震), Xianglong Wang (王相龙), Gaofeng Liu* (刘高峰)

煤层气（瓦斯）是煤岩发生煤化作用伴生而成的一种非常规天然气，是高效洁净的优质能源和化工原料。煤层气井水力压裂的增产效果取决于储层改造面积和裂缝导流能力，而支撑剂性能的优化，尤其是其类型、尺寸、浓度的选择至关重要。目前，水力压裂施工主要使用石英砂、陶粒和覆膜支撑剂，石英砂为压裂工艺中应用最为广泛的支撑剂材料，以往实验研究表明，石英砂对于常规煤储层起到了一定的压裂效果。

然而，中国的煤储层渗透率基本介于0.1 mD ~1 mD，较常规储层低1~3个数量级，针对低渗、低压的松软煤储层，石英砂压入煤层困难，大多石英砂颗粒仅在井筒附近区域，铺设面积小且易形成砂堵。大量现场实验表明，常规石英砂压裂对中国低渗煤储层的改造效果较差，煤层气井的产量较低且稳产周期普遍较短。普通陶粒与石英砂密度接近，压裂时需与其配伍高粘度、流速的压裂液，否则支撑剂容易嵌入地层，难以运移至裂缝深处，这大幅增加了施工难度与成本，制约了其广泛应用。

图1. 石英砂与覆膜陶粒对比示意图

覆膜陶粒具有低密度、高强度、高导流能力等特点，在对裂缝支撑的同时，也可防止地层出砂、支撑剂返吐和减轻地层损害。然而，与井下实际导流能力相比，实验模拟测定的导流能力往往相差一个数量级，因此，覆膜陶粒支撑剂的压裂效果难以通过实验数据直观体现，此外，不同粒径组合覆膜陶粒支撑剂尤其在中国低渗煤储层的现场应用研究较少，其增产效果与经济效益仍有待进一步验证。

因此，河南理工大学吕闰生教授团队选用3种粒径混合覆膜陶粒作为支撑剂对研究区煤层气井进行水力压裂现场实验，对比混合粒径覆膜陶粒与区内石英砂压裂井的排采效果。作者首先根据支撑剂导流能力与现场经验优化了水力压裂施工参数，并基于此压裂设计进行水力压裂现场试验。进而，作者对比了两类支撑剂的压裂效果并分析了其原因。最后，作者从支撑剂性能、运移规律和铺设范围等层面揭示了混合粒径覆膜陶粒对低渗煤层气储层的增产机理。

图2. 水力压裂现场施工

首先，作者结合理论分析和现场压裂经验，对水力压裂工艺进行优化设计，主要包括支撑剂的选择、压裂类型和体积等参数。实验选用沁水煤田东部中段潞安矿区南部3号煤层为研究对象。压裂泵注分为两个阶段：第一阶段压裂液全部为活性水，第二阶段前置液及顶替液为活性水，携砂液为胶液；支撑剂添加顺序按粒径从小到大依次添加。压裂过程中采用光套管注入的方式，压裂液施工排量最大设置为6.0 m3/min。平均砂比：压裂阶段一为12.6%，压裂阶段二为23.3%，根据现场施工压力可调整施工排量及砂比进而保证施工质量；压裂工程作业时间预计197.7 min；压裂井口为KQ350型压裂井口；施工最高限压小于35 MPa。

图3. 华高1井施工曲线

随后，统计汇总了覆膜陶粒压裂煤层气井（华高1井）的排采数据，结合排采曲线特征和煤层气产出机理，将产气曲线分为排水降压初期、低产阶段和稳产阶段三个时期，并从煤层气解吸、扩散和运移机理层面分析了产气曲线的阶段性特征。为进一步验证覆膜陶粒的压裂效果，在保证压裂工艺与煤储层条件一致的前提下，与研究区内三口石英砂压裂煤层气井的排采曲线进行对比。分析了两类支撑剂压裂井的日产气量、产气峰值、总产气量和稳产时间。综合分析发现，针对潞安矿区低渗煤储层，选择覆膜陶粒替代石英砂作为煤层气井压裂支撑剂，可取得良好的增产效果。

图4. 两类支撑剂排采曲线

最后，为揭示混合粒径覆膜陶粒压裂煤层气井的增产机理。作者对比了覆膜陶粒和石英砂支撑剂（20~40目）的物理性能和导流能力，分析了覆膜陶粒与石英砂支撑剂在密度、强度和运移能力等方面的差异。此外，阐述了3种混合粒径覆膜陶粒支撑剂的运移规律和铺设范围，认为3种混合粒径支撑剂可兼备高导流能力与抗压强度，因此，覆膜陶粒压裂煤层气井具有更好的增产效果，以期为低渗煤储层的煤层气开发提供方法借鉴。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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