煤层气井小型测试压裂优化设计研究*

李 亭

（成都理工大学能源学院）

煤层气井小型测试压裂优化设计研究*

李 亭

（成都理工大学能源学院）

小型测试压裂在压裂过程中具有重要作用，需进行优化设计，以便更准确地把握地层情况，为主压裂提供设计和施工依据。针对煤层气井的小型测试压裂设计，提出了设计原则；从注入体积和时间等方面考虑，建立了优化设计模型，并进行了实例计算。针对煤层气井小型测试压裂，提出了相关认识和结论。表3参7

煤层气井 小型测试压裂 优化设计

小型测试压裂在主压裂之前进行，主要用于测试地层压裂的难易程度和压裂液的适应性，同时确定地层的滤失系数、液体摩阻、裂缝几何尺寸、破裂压力和延伸压力以及闭合压力等参数，为主压裂设计和施工提供重要参考。国外对煤层气井的小型测试压裂分析和设计研究较多［1－4］，而国内有针对性的研究较少。对此，本文在参考常规储层测试压裂的基础上，提出煤层气井的小型测试压裂设计原则及计算模型，以更好地指导现场施工。

1 煤层气井小型测试压裂设计原则

1.1 压裂液的选择

对于煤岩层，一般选用浓度为2%的KCl水溶液，但为了测试主压裂所用的压裂液特性，在测试压裂时，也要使用相同类型的压裂液。一般，先注入2%的KCl水溶液，再注入主压裂所使用的压裂液，同时测试这两种液体的特性。

1.2 注入排量的控制

由于煤岩层较软、易碎等特点，压裂时容易产生多裂缝，因此要适当控制注入排量，尽量避免产生多裂缝，以便形成主裂缝。同时，由于煤岩层滤失严重，要形成主裂缝，注入排量一定要高于滤失速度。

1.3 注入体积的控制

由于固井和射孔的影响，煤岩层压裂时，容易在近井筒出现裂缝挠曲现象，为了消除这种影响，要求裂缝具有一定的长度，因此对注入体积有一定的要求。

1.4 关井时间

通过分析停泵关井后压力与时间的关系，来确定地层压力、滤失系数和液体参数等，这是关井的主要目的，也是决定测试成败的关键，因此必须对关井时间进行优化。关井时间既不能太长，影响生产，同时也不能太短，以免造成所计算的参数误差过大。

2 煤层气井小型测试压裂设计模型

2.1 泵注程序

为了测试液体的摩阻，一般用阶梯升或阶梯降排量方式，本文建议使用阶梯升排量的方式。因为煤岩弹性模量较低，如果一开始使用大排量，比较容易产生多裂缝，产生较大的摩阻，从而降低液体效率，所以使用阶梯升排量的方式，使排量逐渐上升，尽量避免产生多裂缝。

2.2 泵注排量和体积的计算

根据液体体积平衡原理，注入体积等于裂缝体积和滤失体积，即：

式中：

Qi—注入体积，m3；

Vf—裂缝体积，m3；

Vl—滤失体积，m3。

（1）滤失体积的计算

假设液体沿缝长方向垂直裂缝壁面向地层滤失，根据Carter公式计算滤失体积。单位裂缝长度上的

滤失速度为：

式中：

q1（t，da）—t时刻，裂缝面积增量为da时的滤失速度；

τ（a）—裂缝面积为a时所对应的时间；

a—裂缝面积。

又裂缝面积的增加与时间成一定比例关系［5－6］，有：

式中：

a—时间为τ时的裂缝面积与停泵时的裂缝面积之比，小数；

由于齿轮工作时，齿轮相当于一个悬臂梁，增大模数和齿面宽度可以提高轮齿的抗弯强度，降低齿轮副啮合时轮齿的弹性变形，从而降低啮合脉动，达到控制噪声的目的。

A—停泵时的裂缝面积，m2；

e—指数，当e＝1时，为上限值；e＝2为下限值。

将式（3）代入式（2）并积分，有：

式中：

t0—泵注时间，min；

Af—裂缝面积，m2；

Ak—有效滤失面积裂缝内滤失高度，m；hf—裂缝高度，m。）

方括号内上方为e＝1时的上限值；下方为e＝2时的下限值。

整个泵注时间段内的总滤失量为：

式中：

k—因初滤失或天然裂缝开启造成滤失量增加，对综合滤失系数C的校正。

方括号内上方为e＝1时的上限值；下方为e＝2时的下限值。

（2）缝宽的计算

根据体积平衡原理，停泵时的裂缝体积等于停泵到裂缝闭合这一时间段内的滤失总量［7］，因此，有：

式中：

方括号内上方为函数的上限值；下方为函数的下限值。

由此得到：

即

式中：

¯W—裂缝平均缝宽，m；

（3）裂缝闭合时间的计算

假设液体效率为Ef，裂缝体积与滤失体积之比为Ff，则有：

由式（9）知：

由式（5）、（7）、（8）知：

将式（15）、（16）代入式（11）中得到：

由式（12）得：

根据液体效率，可以反求闭合时间：

这样，可以由闭合时间计算出平均缝宽，进而计算裂缝体积，然后再代入式（1），就可以计算出所需要注入液体的总体积。

3 应用实例

山西沁水盆地南部某区块煤层气井基本数据见表1，计算结果见表2，升排量泵注程序见表3。假设

注入流体为2%的KCl水溶液。由表2可以看到，在注入量和时间确定的情况下，随滤失系数的增大，滤失量在增大，液体效率降低，所形成的缝宽和长度都在减小。根据小型压裂测试时降排量或升排量的要求，确定一个最小注入体积，然后根据本文的公式，可以计算出压裂裂缝的宽度、缝长和闭合时间。再根据钻完井过程中对煤层的伤害程度，确定小型压裂所要穿透的深度，选择不同的缝长，进而确定出最终的压裂液注入量，达到优化的目的。

表1 煤层气井基本数据

表2 计算结果表

4 结论与认识

1）本文提出的方法与裂缝形态无关，根据注入量与滤失量相等的体积平衡原理，建立了煤层气井小型压裂设计模型，计算比较简便。

2）实例计算表明，可以根据不同的压裂缝长需要，选择对应的注入量以及排量组合。

3）在选择注入量时，应综合考虑煤层气井在钻井、固井和完井过程中所遇到的煤层污染伤害，以及煤层厚度等情况，确保所形成的裂缝足够长，能够穿越污染伤害区，可以准确解释煤储层参数。

4）针对模型应用情况，下一步还需要结合煤储层地质构造、渗流、地应力等参数，进行综合优化设计。

表3 阶梯升排量泵注程序

1 B W McDaniel.Benefits and Problems of MiniFrac Applications in Coalbed MethaneWells.SPE 21591，1990.

2 R G Jeffrey，JR Enever.A Stimulation and Production Experiment in a Vertical Coal Seam Gas Drainage Well.SPE 36982，1996.

3 Matthew E.Blanch，Dana Weida.Matching Technical Solutions to the Lifecycle Phase is the Key to Develop a CBM Project.SPE 75684，2002.

4 Khalil Rahman，Abbaas Khaksar.Implications of Geomechanical Analysis on the Success of Hydraulic Fracturing：Lesson Learned from an Australian Coalbed Methane Gas Field.SPE 106276，2007.

5 M Y Soliman，Talal Gamadi.Testing Tight Gas and Unconventional Formations and Determination of Closure Pressure. SPE 150948，2012.

6 M Y Soliman.New Method for Determination of Formation Permeability，Reservoir Pressure，and Fracture Properties from a Minifrac Test.USRMS，05－658，2005，5：658－670.

7 P.A.Warembourg.New Analysis Technology for Determining Fracture Parameters from Calibration Treatments：Case Histories，Rocky Mountain area.SPE 17502，1990.

（修改回稿日期 2013－03－18 编辑 文敏）

国家科技重大专项（项目编号：2011ZX05060－002）“煤层气井压裂新技术研究专题”，示范工程名称：山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程

李亭，男，1976年出生，成都理工大学能源学院2011级在读博士；从事低渗透和非常规油气藏增产技术研究。地址：（610059）四川省成都市成都理工大学能源学院综合楼416室。电话：18200122076。E－mail：2695377412＠qq.com