煤层气井水力压裂技术

煤层气井水力压裂技术内容一、煤层特征及压裂的特点二、煤层水力压裂工艺技术1、施工参数2、压裂材料3、裂缝诊断4、压后管理三、影响煤层压裂效果的因素一、煤层特征及压裂的特点煤岩砂岩面割理端割理孔隙微孔隙吸附储气油气储存空间1、煤岩的结构煤层气储存方式一、煤层特征及压裂的特点2、煤岩特性----煤层有较低的杨氏模量和高的波松比一、煤层特征及压裂的特点1252.120.0715995灰泥岩632.05435.270.303971煤岩6244811.650.2814791泥岩6113168/0.1628503灰泥岩606.821911.260.1931579泥岩6051VE（MPa）抗压强度（MPa）体积压缩系数（1041/MPa）静态实验结果岩性取芯深度m序号1252.120.0715995灰泥岩632.05435.270.303971煤岩6244811.650.2814791泥岩6113168/0.1628503灰泥岩606.821911.260.1931579泥岩6051VE（MPa）抗压强度（MPa）体积压缩系数（1041/MPa）静态实验结果岩性取芯深度m序号山西晋城煤层气JS1探井取芯室内实验结果0.17X1杨氏模量低：煤岩的杨氏模量在1135～8800MPa之间，为常规砂岩的1/5～1/10；动态杨氏模量约为静态杨氏模量的2倍左右。岩石强度低：抗压强度19.5～119MPa，大部分40～60MPa，抗张强度0.06～2.34MPa，明显低于砂岩强度；泊松比高：泊松比在0.18～0.42之间，平均为0.33，高于砂岩；压缩系数大：体积压缩系数1.80×10-4～202×10-3MPa，孔隙压缩系数为0.12-0.96；煤岩力学特征参数一、煤层特征及压裂的特点煤岩的力学性质与煤阶有较大的关系，一般来说，随煤阶的增高，杨氏模量增加，弹性明显。低煤阶在埋藏较深的条件下显出有较大的弹性特征，而埋深浅的则塑性明显。测试结果表明：煤岩煤阶和埋藏深度是使杨氏模量增加的主要原因，体现了煤层内部结构的变化和压缩性。3、煤岩力学特征一、煤层特征及压裂的特点4、容易形成较宽的裂缝在水力压裂的数学模型中，介质材料在外力作用下形成裂缝的宽度与杨氏模量成反比，即WF=f(1/E)。由于煤岩杨氏模量要比普通砂岩低（一般3-10倍），因此煤层压裂裂缝宽度在10mm左右甚至更宽。澳大利亚波恩盆地ECC90井裂缝实地观察示意图(SPE24362)宾夕法尼亚格林县艾莫拉尔德煤矿匹兹堡煤层ER-8号井孔附近1号位处煤壁和页岩夹矸中裂缝的横剖面图澳大利亚波恩盆地ECC90井裂缝实地观察示意图(SPE24362)宾夕法尼亚格林县艾莫拉尔德煤矿匹兹堡煤层ER-8号井孔附近1号位处煤壁和页岩夹矸中裂缝的横剖面图宾夕法尼亚格林县艾莫拉尔德煤矿匹兹堡煤层ER-8号井孔附近1号位处煤壁和页岩夹矸中裂缝的横剖面图一、煤层特征及压裂的特点5、裂缝可能很复杂B澳大利亚波恩盆地ECC90井裂缝实地观察示意图(SPE24362)ACAC一、煤层特征及压裂的特点单一垂直缝单一水平缝复杂缝第一次停泵裂缝形态（近井）单一垂直缝单一水平缝复杂缝第二次停泵裂缝形态（近井）单一垂直缝单一水平缝复杂缝第三次停泵裂缝形态（远井）垂直裂缝水平裂缝复杂裂缝垂直裂缝水平裂缝复杂裂缝垂直裂缝水平裂缝复杂裂缝6、近井地带更容易发生复杂裂缝一、煤层特征及压裂的特点煤层压裂施工井深与破压梯度的关系图y=18.732x-0.414300.511.522.533.5050010001500井深（m）破压梯度（psi/ft）7、裂缝形状与煤层埋深关系★煤层埋藏越浅其裂隙扩展受应力影响越小！一、煤层特征及压裂的特点8、较大的动态滤失一、煤层特征及压裂的特点煤层压裂液的滤失：C1---压裂液粘度控制的滤失系数C3---试验得出的造壁性滤失系数C2---地层渗透率控制的滤失系数C4=0.25R(ΔP/μ)1/2---动态滤失系数C=F(C1,C2,C3,C4)渗透率的变化煤层压裂液的滤失常规油气田计算滤失系数：式中：C1=0.054((KΔPΦ)/μa)1/2C2=0.043ΔP((KCfΦ)/μ)1/2C3（试验得出的造壁性滤失系数)煤层割理发育，受高压液体进入后扩张引起动态滤失，附加滤失系数：C4=0.25R(ΔP/μ)1/2(R—端割理宽度之半)C=F(C1,C2,C3,C4)动态滤失煤层压裂液滤失不可忽视的因素，这也是用于煤层的压裂液效率低、易砂堵的原因之一。1111=++CC1C2C39、要求加大施工规模一、煤层特征及压裂的特点＜10.940.960.890.950.91.00.960.90.910.860.9压力系数8压裂0.3-0.5780-910长烟煤阜新/01--东煤107队10压裂1-3500-650无烟煤枣园/00--中联煤6压裂1左右500-650无烟煤樊庄/99-00中石油4压裂1-8650焦煤军渡/00-01澳LOWELL4压裂0.4-3.2800-1100气-焦煤淮北/00-01美TEXACO5压裂0.2-100?500焦煤兴县/99-01美PHILIPS18压裂5-100?340-600焦煤三交/99-02美ARCO5压裂0.2-0.51130-1208肥-焦煤大城/1998中石油6压裂0.08-0.2400-600无烟煤潘庄/94--晋丹公司6压裂0.1-12400-600焦煤柳林/92-94华北地质局5压裂0.5左右300-500长烟煤沈阳/1991沈煤公司5压裂0.13569-669肥-焦煤安阳/92-93华北地质局试采井数增产措施渗透率(10-3μm2)深度（m）煤阶地点/时间(年)单位＜10.940.960.890.950.91.00.960.90.910.860.9压力系数8压裂0.3-0.5780-910长烟煤阜新/01--东煤107队10压裂1-3500-650无烟煤枣园/00--中联煤6压裂1左右500-650无烟煤樊庄/99-00中石油4压裂1-8650焦煤军渡/00-01澳LOWELL4压裂0.4-3.2800-1100气-焦煤淮北/00-01美TEXACO5压裂0.2-100?500焦煤兴县/99-01美PHILIPS18压裂5-100?340-600焦煤三交/99-02美ARCO5压裂0.2-0.51130-1208肥-焦煤大城/1998中石油6压裂0.08-0.2400-600无烟煤潘庄/94--晋丹公司6压裂0.1-12400-600焦煤柳林/92-94华北地质局5压裂0.5左右300-500长烟煤沈阳/1991沈煤公司5压裂0.13569-669肥-焦煤安阳/92-93华北地质局试采井数增产措施渗透率(10-3μm2)深度（m）煤阶地点/时间(年)单位与美国的大部分煤层气开发地区相比，我国含煤地区煤层原始渗透率处于较低的范围，因此增产措施是提高单井产量的主要手段。Elkins曲线Elkins曲线Elkins曲线加大规模（排量，砂量，液量等）的目的针对满足煤层低渗，复杂的水力裂缝和较大的液体滤失特点。施工排量：4.5—6m3/min（冻胶）5—10m3/min（水）加砂强度：5---9m3/m嵌入痕迹砂岩层支撑剂嵌入试验嵌入痕迹煤层支撑剂嵌入试验嵌入痕迹砂岩层支撑剂嵌入试验嵌入痕迹煤层支撑剂嵌入试验10、支撑剂嵌入影响裂缝导流能力一、煤层特征及压裂的特点11、煤层对压裂液的吸附性污染一、煤层特征及压裂的特点液体对砂岩（灰岩等）的伤害主要是残渣堵塞。液体对煤层伤害：吸附性伤害和堵塞性伤害。伤害的后果：裂缝导流能力降低，影响煤层吸附气的解吸。因此，压裂液的优化在煤层压裂技术中占有非常重要的位置。12、煤粉的影响煤粉是煤岩在受到外力作用时从表面脱落下来的微小颗粒，由于比重较轻，多在压裂液的冲刷下“走”在裂缝端部形成局部（或短时间）堵塞，是裂缝内压力瞬间增加迫使裂缝“改道”。同时裂缝堵塞可使裂缝静压力（或地面泵压）增加。一、煤层特征及压裂的特点晋试6井3号煤压力测试曲线(多裂缝发育特征)0510152002468101214时间（min）压力(MPa)排量（m3/min)t1t2t3t1t2t3t1t2t313、煤层压裂压力高二、煤层特征及压裂的特点⑴多孔弹性效应多裂缝也可以看成巨大的“孔隙”滤失，从而出现了多孔弹性效应。⑵煤粉堵塞⑶压裂裂缝相互争夺裂缝宽度，所以净压力更高。多裂缝环境中的每条单独的压裂裂缝与在相同的环境中扩展的单一的压裂裂缝相比将更窄，所以极大地增加了脱砂的可能性。14、煤层的非均质性二、煤层特征及压裂的特点煤层的非均质反映在纵向和横向上。纵向上主要是煤层在沉积演化的过程中及受地质构造的影响造成煤质、含气量、割理发育程度等方面的差异。横向上的非均质主要在平面上由于构造影响反映出裂隙的发育程度、压力、含水、游离气的不同，进而显示相邻井的出气产水有较大的区别。15、降低施工成本二、煤层压裂的特点煤层气井产量低是目前国内已开发气田的普遍规律和特点，因此在降低压裂施工费用上考虑的问题有：（1）设备费用设备：立式砂罐，软体液罐（2）材料费用压裂液：减少添加剂种类和用量支撑剂：满足低闭合应力的要求（3）优选测试手段（在需要的时候）（4）集中施工（条件具备）二、煤层水力压裂工艺技术二、煤层水力压裂工艺技术1、施工参数---排量煤层气井的施工排量确定由阶梯注入的方法确定并结合一下方面：（1）注入方式（油管，套管，环空，油套，井下工具）（2）煤阶及煤层地质（渗透率）（3）煤层厚度（厚煤层容易形成复杂裂缝）（4）设备能力与地面环境（5）实践经验（可结合理论模拟，W∽f(Q)）A.利用测试压裂求出液体效率B.利用下图查出前置液百分比并计算前置液量1、施工参数----前置液量图压裂液有效率与前置液百分数的理论曲线908064493625168.93.60.701020304050607080901000102030405060708090100压裂液有效率（%）前置液百分数（%）二、煤层水力压裂工艺技术影响前置液量的确定的因素很多，煤层多裂缝发育、裂缝上下延伸和动态滤失是主要因素。因此，该量的确定要结合煤层地质特征、利用的计算软件并结合现场实际施工效果，是一理论和实践相结合的产物。1、施工参数------携砂液量和顶替液量（1）携砂液量在砂量（有时地质要求）确定后根据平均砂比计算。或者给定改造范围,通过软件模拟计算得出。（2）顶替液量根据进液管柱结构考虑地面管线后计算得出。（注：上述内容与普通油气田水力压裂基本相同，同时应该指出，合理的加砂程序非常重要，也是施工成功的关键）二、煤层水力压裂工艺技术1、施工参数------加砂量和砂比确定（1）地质设计提出砂量要求（具有经验性和指令性）。对于探井应以尽量提高加砂量为原则，以充分发挥压裂改造的作用。（2）完全通过地质、井网结构，裂缝方位，液体性质及设备状况等利用软件计算得出。适用于生产井或已形成井组的井。一旦形成规律模式即可简化这种计算.（3）平均砂比与使用液体性能有关，对于目前高煤阶煤层的压裂施工,水的砂比13-15%，冻胶25%。二、煤层水力压裂工艺技术A、据了解，目前暂无针对煤层压裂的专用裂缝模拟软件。B、正确客观评价软件的作用。是一个重要的参考依据。C、软件操作和计算结果的参考价值来源于：◆输入参数的准确性◆扎实的专业知识◆丰富的现场经验对软件使用的认识二、煤层水力压裂工艺技术二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料压裂施工中直接与煤层接触的就是压裂液和支撑剂，而更广泛的是压裂液。如果液体进入对煤层裂缝造成伤害（吸附性伤害和堵塞性伤害），将使得裂缝导流能力降低，不但影响煤层排水降压，还会影响煤层吸附气的解吸。支撑剂是保证裂缝有较长期限的导流能力的固体颗粒，由于煤层的特殊性，支撑剂同样需要优选。因此，压裂材料的优化在煤层压裂技术中占有非常重要的位置。2、压裂材料----压裂液概念：施工中进入地层的液体统称压裂液，一般分为前置液，携砂液，顶替液。二、煤层水力压裂工艺技术选择液体的三个重要原则：A.对煤层伤害力求最小满