煤储层压裂损害评价技术进展

煤储层压裂损害评价技术进展

1煤岩储层潜在损害为了实现良好的压裂效果，必须评估压裂过程中可能出现的损坏。与常规油气藏的油气层敏感性损害和保护评价相似,压裂过程中的煤层气储层保护技术评价也是基于考虑外界环境作用于煤岩储层后的渗透率变化特征为主要目的,在保护技术实施过程中需要考虑三个方面的内容:(1)煤岩储层潜在损害因素及敏感性程度评价;(2)煤岩储层压裂液损害实验评价;(3)保护煤岩储层的压裂液体系的建立及应用。结合煤层气开发特征,进行煤岩储层的应力敏感、速敏、水敏等敏感性评价,以及入井流体对煤岩储层损害因素分析,能够为煤岩气藏的开发过程中的储层保护工作提供基础参数,对于提高煤层气开采产量,加大煤层气开采力度,有着积极的意义。煤岩储层的潜在敏感性损害与其独特的孔隙结构特征、割理和微裂缝系统、敏感性矿物类型以及润湿性等有关。针对煤岩储层特征,结合开发过程可能遇到的作业情况,对煤岩储层潜在损害进行分析。煤岩裂缝发育具有平直的特征,是煤层甲烷渗流的通道,很容易在受外来流体和压力的情况下,发生堵塞与闭合,造成渗透率降低,产能下降,严重影响煤层气产量。煤岩基块微孔隙发育,比表面积大,具较强的吸附能力,它的这些特性容易引起工作液及添加剂的吸附与滞留,加重了损害的严重性和防治难度。在煤层压裂造缝的过程中,压裂液体系对煤层具有一定的正压差作用,在压裂液正压差作用下,压裂液部分固、液相会沿裂缝通道向煤层基质孔隙中滤失,煤岩储层孔径微小使得其具有高的毛管压力作用特征,进入基质孔隙中的压裂液组分在高的毛管压力作用下也很难被返排出来,滞留在中等孔隙及微孔隙中的固相和液相组分会造成孔隙体积的减小、增加储层的致密程度,从而影响储层的渗透能力。通过大量的试验研究认为压裂液对煤岩储层的伤害机理主要以下几点:(1)煤岩储层主要由有机高分子组成,比表面积大,吸附性强,因吸附造成的储层损害严重。压裂液吸附在煤表面形成渗透率近似于为零的致密带,使甲烷气体很难从内部孔隙中扩散出来,降低煤层气的渗流能力;(2)煤岩低孔低渗,毛管力作用强,引起压裂液滞留在煤层,形成水相圈闭,造成对储层的伤害韩城区块煤岩基质孔隙以粒内孔和植物组织孔为主,孔隙直径为5～15μm,平均孔隙度4.872%,渗透率为0.009～190.115×10-3μm2,低于1×10-3μm2占57%;低孔、低渗透、含水饱和度高,非均质性强煤层气藏的喉道半径小,毛细管压力大,产生的自吸和滞留作用明显;(3)煤岩是孔隙和裂隙都极其发育的双重孔隙结构,固相侵入是造成渗透率损害的主要因素,易发生堵塞与闭合,严重影响煤层气产量。韩城地区煤岩裂隙平均宽0.5～17mm,裂隙密度0.2～2.6条/m,发育密度最大在45条/m左右,平行组割理和正交产状裂缝组均有出现;(4)煤岩储层应力敏感性强,塑性特征明显使得更易产生煤粉发生运移、堵塞,降低裂缝导流能力,影响煤层气产量。2实验结果和煤岩的压裂液针对上述主要伤害机理,设计合理的实验方法,正确评价各种压裂液对煤岩储层的伤害,为优化压裂液配方提供重要的实验数据。(1)煤岩吸附伤害实验煤岩储层主要由有机高分子组成,比表面积大,吸附压裂液中的有机组分,在毛管压力作用下产生“滞留效应”,增加储层的致密程度,对储层的渗透能力造成损害,使甲烷气体很难从内部孔隙中扩散出来,降低煤层气的渗流能力。实验室采用人工煤心柱,利用压裂液动态滤失伤害仪进行吸附伤害评价。取小于100目的煤粉40g(在105℃下烘4小时),装入胶筒中,在一定的压力下制成煤心柱待实验,该情况下扩大了与液体接触的煤粉的表面积,能更好的反应由于吸附而造成的伤害。将充填好的动态滤失仪胶筒安装在动态滤失仪上测其通过标准盐水的渗透率;再将待测液(活性水、线性胶、冻胶压裂液以及清洁压裂液)反向注入煤心中,密闭数小时;然后再注入标准盐水,测其渗透率,直至渗透率平稳。实验在储层温度下进行。实验液体用活性水、清洁压裂液滤液、植物胶压裂液滤液,实验用煤样为韩城3#煤。实验结果见表1及图1～3。从实验结果看,不含有机物的活性水压裂液由于吸附对煤岩造成的伤害小于含有机物的清洁压裂液和植物胶压裂液。在选用压裂液时,要充分考虑其中的有机质由于吸附对煤储层造成的伤害。3毛细管自吸,导致气相圈闭在煤层气开采过程中,煤岩与工作液接触,引起的毛细管自吸会导致水相圈闭伤害,造成气相渗透率下降,严重影响煤层气产量。实验用煤为晋城3#煤。(1)岩样电阻率测定实验利用精度为0.1mg的电子天平悬吊测量自吸岩样重量变化,用智能LCR测量仪测量自吸过程中岩样电阻率。首先模拟地层水建立初始含水饱和度;在LCR仪器上进行试验,记录岩样吸水前重量和电阻。(2)煤的自吸能力对研究区水相圈闭伤害的实验评价,主要采用气驱水获得束缚水饱和度与残余水饱和度,对应测量束缚水饱和度与残余水饱和度条件下的气测渗透率。其评价结果如图4所示。由评价结果可以看出,束缚水饱和度范围在19.26%～35.25%左右,在束缚水饱和度条件下,岩心的水相圈闭伤害指数为0.435～0.556。可以看出煤的自吸能力随自吸时间的延长,而逐渐减弱。在煤层气开采过程中,煤与工作液接触,引起的毛细管自吸会导致水相圈闭伤害,造成气相渗透率下降,严重影响煤层气产量。(3)渗透率实验试验方法是将准备好的岩样紧夹于煤心夹持器中,密封样品。改变进口压力,待其稳定后,读出该压力下的流量,计算渗透率。实验数据表如表2所示。由实验结果可以看出,随着压差的增加,岩心的渗透率不断的变大,最大渗透率恢复率在47.72%,最小渗透率恢复率在32.47%,恢复率在30%至50%之间,平均恢复率为36.98%。4煤岩动滤失实验结果煤岩是孔隙和裂隙都极其发育的双重孔隙结构,固相侵入是造成渗透率损害的主要因素,易发生堵塞与闭合,严重影响煤层气产量。由于煤岩渗透率极低,利用常规砂岩伤害评价方法难以完成压裂液对割理裂缝的伤害实验。利用自主研发的储层动滤失分析仪,给岩芯夹持器加载对应埋深的有效应力,使压裂液以一定流速流过岩芯前部端面,给液体加压,使岩芯前后两端形成一定的压差,测取岩芯出口端滤液的滤失量和对应的滤失时间,模拟压裂液在井下压力和剪切条件下压裂液的滤失情况,测定压裂液在地层条件下的滤失特性。测得岩心的实验数据如图5所示:从结果可以看出,不论是什么滤液类型,煤岩的滤失量偏大,滤失系数范围为8.3∼1.1×10−4cm/min−−−√8.3∼1.1×10-4cm/min,滤失系数值偏大,其中KCl溶液的滤失系数1.1×10−3cm/min−−−√1.1×10-3cm/min、清洁压裂液为1.22×10−4cm/min−−−√1.22×10-4cm/min。初始滤失量:清洁压裂液为0.6677cm3/cm2。活性水0.3773cm3/cm2实验,相差不大,测得煤岩动滤失实验有别于常规石油类储层岩石动滤失实验,实验曲线没有出现明显的分段情况,实验过程前期滤失量没有明显大于后期滤失量,这是由于无论用活性水、KCl溶液、清洁压裂液溶液,动滤失过程中煤岩端面都不易于形成滤饼,导致滤失实验前后滤失量差别不大。KCl溶液的初始滤失量为负值可能与压裂过程中裂缝张开有关,煤岩属于裂隙性储层,不同于孔隙性储层,当外来工作流体进入煤岩裂隙中时,流体的渗入使得煤岩节理面的有效应力减小,节理张开区域和距离变大,导致煤岩内部结构变的疏松,容易受到更多外来流体的冲刷,最终使得煤岩裂隙增大和疏松(邓金根,2008)。故随着时间的变化单位时间内的滤失量不降反增,与常规的孔隙性储层滤失趋势有所差异。所以会出现初始滤失量为负值的现象,如活性水压裂液。5煤岩储层wsf-4/hs-4(1)煤岩储层比表面积大、吸附性强,割理裂隙发育、固相侵入堵塞,低孔低渗、易发生水相圈闭和液相滞留,是煤岩储层主要伤害机理;(2)不同体系压裂液对煤岩储层的伤害机理不同,根据主要伤害机理选择不同的伤害实验评价方法,对优化压裂液