鸡西盆地鸡煤参2井煤层气储层特征及储层改造工艺分析

本文依据前人的研究成果和鸡煤参2井煤储层地质特征,对鸡参 2井 14 煤提出了合理的开发技术工艺及技术验证。鸡煤参 2井处 于鸡西盆地内的梨树矿区,位于背斜南翼层倾角 鸡西盆地内的梨树矿区,位于背斜南翼层倾角 鸡西盆地内的梨树矿区,位于背斜南翼层倾角 较小,井位附近存在四条断层其中对煤气开发有影响的为 落差较小,井位附近存在四条断层其中对煤气开发有影响的为 落差较小,井位附近存在四条断层其中对煤气开发有影响的为 落差15 米的逆断层 DF23 DF23 和规模较小但性质不明的 DF24 DF24 断层。鸡煤参2钻遇的地层由老至新为中生界白垩系下统城子河组、穆棱组及新生界第四系,其中含煤地层为城子河组,穆棱组。该井控制区域的煤层具有煤层群发育、单层厚度薄的特点。根据空气干燥基平均含气量与气测全烃平均值的拟合方程,计算得出5、6、7煤层的空气干燥基含气量分别为1.37立方米/吨、1.34立方米/吨、 1.34立方米/吨。经比较,认为城子河组14煤煤层较厚且含气量较高,适于做为煤层气开发的主力煤层。

鸡煤参2井控制区域地质构造及地质边界图

鸡煤参2井井身结构示意及钻遇地层柱状图

目前,多采用容积法计算煤层气地质资源量,应用容积法计算时,煤层含气面积、煤层有效厚度、煤的质量密度及含气量是影响煤层气地质资源量的主要因素。根据国内外开发经验及鸡煤参2井周围的地质构造情况,将鸡煤参2井控制范围确定为:以鸡煤参2井为圆心、150.00米为半径的圆形除去断层位置的区域,经过计算鸡煤参2井井控面积为6.31×104 平方米。14煤的煤层结构为0.55(0.35)2.00米,中间存在0.35米夹矸,煤层有效厚度为2.55米;空气干燥基质量密度介于1.31~1.39吨/立方米,平均为1.35吨/立方米;空气干燥基含气量介于4.69~10.38立方米/吨,平均为7.42立方米/吨。依据容积法计算公式:

 Gi=AhDadCad(1)

式中:Gi为煤层气地质资源量,单位:立方米;A为煤层含气面积,单位:平方米;h为煤层净厚度,单位:米;Dad为煤的空气干燥基质量密度,单位:吨/立方米;Cad为煤的空气干燥基含气量,单位:立方米/吨。计算得出鸡煤参2井井控范围内14煤的煤层气地质资源量为1.61×106立方米。

根据鸡煤参2井14煤临近层煤样的宏观煤岩特征和周加佳等人对14煤主要为原生结构-碎裂煤为主的判断,推测14煤宏观煤岩主要为光亮型及半亮型,裂隙发育,煤体结构相对完整,较为有利于煤层气开发。根据鸡煤参2井临近的一口煤层气井的注入/压降试井试验,获取该区14煤的渗透率为0.67毫达西,处于中等水平。由等温吸附实验测试得出鸡煤参2井14煤的兰氏体积为9.91~15.90立方米/吨,平均13.34立方米/吨,兰氏压力为2.74~2.87兆帕,平均2.81兆帕。根据鸡煤参2井附近煤层气井及煤矿瓦斯钻孔的测试数据,获得14煤储层压力为10.77兆帕,地层破裂压力为20.00兆帕左右。综合14煤兰氏体积、兰氏压力、储层压力、含气量等数据计算得出其理论含气饱和度为66.07%~77.94%,平均72.01%,临界解吸压力为5.32兆帕,临储比为0.49。14煤含气饱和度、临储比中等,适合煤层气的开发。

鸡煤参2井是一口垂直井,于2015年10月开始施工、2016年4月钻完。完井井身结构:一开井径Φ钻完。进入基岩38.47米,下入Φ下入Φ7井井毫米表层套管,固井水泥返出地面;二开井径Φ开井径Φ固井毫米,钻至953.03米停钻,下入Φ下入Φ入Φ井毫米生产套管固井,固井水泥返高222.45米。鸡煤参2井为垂直井,采用套管与水泥固井的完井方式;14煤储层渗透率中等,且煤体结构相对完整,适于采用套管射孔水力压裂技术对储层进行改造。套管射孔是采用特殊聚能器材在井筒内预定层位进行爆炸开孔沟通煤储层与井筒,是以压裂方式改造储层的必备前置工序,是压裂施工成功进行的必要保障。射孔时考虑到应尽量增加近井地带煤层气渗流通道、为压裂支撑剂提供较多的裂隙通道等因素,合理确定射孔参数。鸡煤参2井14煤厚2.90米,上覆13煤为0.75米的薄煤层,为便于压裂、消除排采时层间干扰、增加煤层气产量,将14煤层与上覆13煤合层射孔,即射孔段厚6.25米。同时结合已有的成功经验确定射孔初始相位角90射,螺旋布孔,孔眼垂向密度为16孔/米。

水力压裂改造技术是目前煤层气井应用最为广泛也是首选的的增产改造措施,不仅能消除或降低钻固井时对近井地带的污染、沟通煤储层的天然裂隙系统,而且能加速排水降压、扩大井筒压降范围以提高产气量。水力压裂效果直接影响煤层气的开发,合理选择压裂液、支撑剂、泵注方式和施工参数能有效地保证压裂成功。

(1)压裂液

目前,水力压裂煤储层时主要应用的压裂液有冻胶压裂液、清洁压裂液、氮气泡沫、活性水等,不同压裂液的性能特点及成本等存在显著差异。受煤层温度不高的影响,冻胶压裂液破胶反排比较困难,对煤储层渗透率伤害较大;清洁压裂液和泡沫压裂液虽然具有携砂性能好、滤失量低、易破胶等优势,但压裂液中的表面活性剂容易被内表面积较大的煤体所吸附且压裂液的成本较高;活性水压裂液携砂能力弱、易虑失,但仍以其配液工艺简单、适用条件广泛、成本低等优势,被广泛应用于当前煤层气开发。本井在水力压裂时仍宜采用活性水压裂液,并添加粘土稳定剂、降虑失剂、缓冲剂、杀菌剂等,具体为:清水+2.00%KCl+0.20%助排剂+0.05%杀菌剂。

(2)支撑剂

支撑剂在煤层气水力压裂中主要用来支撑储层中的裂缝、建立高效的气体运移通道。当前,施工中主要选用的支撑剂有石英砂、陶粒、树脂包层砂、纤维网络支撑剂、低密度空心球和多孔微球、核桃壳等。支撑剂类型的选择主要考虑其强度和成本。14煤闭合压力最大约20.00兆帕左右,天然石英砂(30.00兆帕下破碎率小于12.00%)的岩石力学强度足以满足支撑人工裂缝的需求;此外,石英砂还具有相对密度低便于施工泵送、破碎后仍可保持一定的导流能力、价格便宜、来源广等优点。因此,选用石英砂做为鸡煤参2井水力压裂的支撑剂。

(3)泵注方式

目前煤层直井应用较广的注入方式有光套管注入、油管注入和油套混注。由于活性水滤失量大、携砂能力弱,需要较大排量才能达到压裂目的,但大排量易造成进液管柱摩阻及煤粉增加,进而使施工压力增加,不利于地层加砂,同时给压裂施工带来风险。而光套管注入方式能有效降低管壁间的摩擦阻力和施工作业的压力,故而选择光套管注入压裂液的泵注方式对鸡煤参2井进行压裂。

(4)施工参数

根据梨树矿区已有的成功压裂经验和国内已经成熟的煤层气水力压裂技术,确定鸡煤参2井的水力压裂施工参数为“大排量、中砂比”。应用粉砂+中砂+粗砂组合形式支撑剂,采用阶梯式方式加砂,最大砂比达15%,平均砂比13%。

依据前述开发分析,对鸡煤参2井进行了水力压裂施工。煤层被压裂后,排量基本保持在7.5立方米/分钟左右,随着裂缝长度延伸、裂缝宽度增加,油压(井口)逐渐下降;后期随着压裂液继续滤失和裂缝内支撑剂的增多,出现端部脱砂或缝内砂堵现象,油压缓慢增加,促使裂缝变宽,从而形成一条高导流能力的裂缝。根据梨树矿区内其他煤层气井的压裂经验,推测鸡煤参2井的裂缝走向与DF23断层走向夹角为70°左右,长度约200米。压裂效果达到预期目的,能有效改善煤储层渗流条件。

鸡煤参2井水力压裂施工曲线图

城子河组14煤煤层厚、含气量高,为鸡煤参2井煤层气开发的主力煤层。鸡煤参2井井控范围内14煤煤层气地质资源量为1.61×106立方米,煤体结构完整,渗透率中等,含气饱和度、临储比中等,适合煤层气的开发。鸡煤参2井射孔段厚6.25米,射孔初始相位角90°,螺旋布孔,孔眼垂向密度为16孔/米。选用活性水压裂液、石英砂支撑剂、光套管泵注方式和“大排量、中砂比”、组合支撑剂、阶梯加砂工艺对鸡煤参2井实施了水力压裂。实践表明压裂效果达到预期目的,有效改善了煤储层渗流条件。

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