煤层气压裂和排采技术

煤层气压裂和排采技术前言煤层压裂是煤层气开发利用的核心和关键。近年来，煤层压裂在技术上已有很大进步，在应用上已取得显著成效，但也暴露出一些重大问题，亟待转变思想，大胆创新，以煤层压裂技术革命的形式，用非常规手段（这里提出非常规体积压裂）解决制约这种非常规资源勘探开发的技术难题和瓶颈，真正实现煤层气井长期高产稳产这里，首先归纳煤层压裂地质特征，揭示煤层压裂裂缝规律，分析煤层气采出机制；然后，以此为基础，探讨煤层压裂技术革命的发展方向、实现途径、可行方案和配套措施，并专门针对煤层气排采技术进行深入探索汇报提纲一．煤层压裂地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂技术革命的实现途径六．煤层压裂技术革命的可行方案七．煤层压裂技术革命的配套措施八．结论、展望与建议一.煤层压裂地质特征具有复杂的演化史和构造变形史，构造样式复杂，变质作用类型多，平面及纵向上的非均质性强测井资料统计分析的韩城区块3#、5#、11#在纵向上的非均质性一.煤层压裂地质特征呈现层状结构，煤岩多孔松散、胶结程度较弱区块参数名称数据单位备注韩城区块泊松比0.33无因次3#弹性模量3350.2MPa泊松比0.32无因次5#弹性模量3656.1MPa泊松比0.31无因次11#弹性模量5220.4MPa三交区块泊松比0.26无因次5#弹性模量2483.7MPa保德区块泊松比0.34无因次8#弹性模量2812.3MPa泊松比0.41无因次13#弹性模量1576.5MPa大宁－吉县区块泊松比0.32无因次5#弹性模量1637.1MPa泊松比0.30无因次8#弹性模量2865.1MPa原煤电镜扫描结果综合岩石力学实验及测井解释的结果一.煤层压裂地质特征普遍发育天然裂缝、面割理与端割理，充填物少，主要为碳酸钙、黄铁矿等面割理端割理一.煤层压裂地质特征属于典型的压敏储层，压力敏感性强六块煤芯的压敏实验结果024681002468101214净围压（MPa）渗透率（10-3μm2）BCEGFH当围压增至12MPa时，煤芯剩余渗透率在1.78～5.14%，平均为3.86%当回复至1MPa时，煤芯渗透率损失在55.12～78.48%，平均为63.91%一.煤层压裂地质特征基质渗透率普遍低，储层物性变化大渗透率分布四个区块的不完全具有代表性室内实验结果可能受所取煤样所限，汇报提纲一．煤层压裂地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂技术革命的实现途径六．煤层压裂技术革命的可行方案七．煤层压裂技术革命的配套措施八．结论、展望与建议二.煤层压裂裂缝规律裂缝形态：目前，国内外在裂缝起裂与延伸方面，存在两套理论，即弹性断裂力学理论和天然裂缝开启理论压裂基础理论弹性断裂力学理论天然裂缝开启理论垂直缝水平缝分支缝转向缝T形缝复杂裂缝裂缝网络水平井压裂形成裂缝网络，称之为体积压裂；直井压裂形成裂缝网络，称之为缝网压裂，也属于体积压裂的范畴长轴短轴长轴短轴二.煤层压裂裂缝规律裂缝形态：从煤层压裂的现场监测结果来看，无论是测斜仪监测，还是微地震监测，9井14层压裂形成的水力裂缝形态都是一致的。这里仅显示韩3-1-015井11#煤层压裂的微地震监测结果，并进行分析韩3-1-015井11#煤层压裂的微地震监测结果二.煤层压裂裂缝规律裂缝形态：根据压裂基础理论，结合煤层压裂地质特征，以现场裂缝监测结果为依据，综合判定煤层压裂所形成的水力裂缝为裂缝网络，平面上呈不规则的椭圆形；为便于研究和计算，平面上简化为基本规则的椭圆形煤层压裂裂缝模型以井为中心，基本呈对称分布该裂缝网络主要由主裂缝、次裂缝、微细裂缝交织而成，可形象化比喻为交通网络，其中主裂缝是高速公路，次裂缝是普通公路，微细裂缝是乡村小道①主裂缝，从井筒向外，沿最大主应力方向延伸②次裂缝，连接于主裂缝开始延伸，大割理③微细裂缝，连接于次裂缝，小割理或微裂隙该裂缝模型可解释所有现场现象，易于被专业人士接受二.煤层压裂裂缝规律裂缝规模：为研究煤层压裂所形成水力裂缝的规模，对测斜仪监测结果和微地震监测结果进行统计分析9井14层压裂的裂缝监测结果井号煤层裂缝方位裂缝长轴/m裂缝短轴/m韩3-5-07711#NE1502001605#1701703#NE345340140韩3-5-08611#NE30180110韩3-1-01511#NW102701505#1601603#NE5039070WL2-018向111#NE40300160合试511#NE452101005#NE4516050合试45#100100韩3-3-03911#NE57192韩3-4-08511#NE57238韩3-4-08611#NE5764水力裂缝在长轴方向的动态裂缝半长在85-195m之间，平均为119m；在短轴方向的动态裂缝半长在50-85m之间，平均为63.5m；长轴与短轴之比为1:0.53为便于后面研究和计算，设定裂缝规模：长轴、短轴方向的动态裂缝半长分别为120、60m，长轴与短轴之比为2:1二.煤层压裂裂缝规律裂缝规模：用煤层压裂三维模拟软件计算支撑裂缝（有效裂缝），并用现场监测的动态缝长进行校核统计模拟结果表明：水力裂缝在长轴方向的支撑裂缝半长在45-81m之间，平均为59.2m，占动态裂缝半长的49.7%；估算在短轴方向的支撑裂缝半长为40m左右为便于后面研究和计算，设定裂缝规模：长轴、短轴方向的支撑裂缝半长分别为60、40m，长轴与短轴之比为3:2动态裂缝网络支撑裂缝网络汇报提纲一．煤层压裂地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂技术革命的实现途径六．煤层压裂技术革命的可行方案七．煤层压裂技术革命的配套措施八．结论、展望与建议三.煤层气采出机制采出机理及过程：煤层气的储集主要依赖于吸附作用，当煤层压力降落到解吸压力之下时，煤层气从微孔隙表面分离，通过基质和微孔隙扩散进入裂缝中，再经裂缝流入井筒，即先解吸扩散后渗流入井的采出过程面割理端割理气体从基质中解析流入支撑裂缝或井筒三.煤层气采出机制采出机理及过程：煤层气的储集主要依赖于吸附作用，当煤层压力降落到解吸压力之下时，煤层气从微孔隙表面分离，通过基质和微孔隙扩散进入裂缝中，再经裂缝流入井筒，即先解吸扩散后渗流入井的采出过程面割理端割理气体从基质中解析流入支撑裂缝或井筒三.煤层气采出机制影响产气量的因素：主要有七大因素煤层厚度吨煤含气量煤层压力解吸压力煤层渗透率压降面积排采制度与举升工艺地质因素压裂因素排采因素不可控因素可控因素三.煤层气采出机制渗透率的影响：研究表明，煤层的低渗严重限制了煤层气井的产量，例如:0.1mD的低渗煤层在10MPa的压差下，5年流过50.6m，10年流过64.1m，15年流过69.7m不同渗透率储层在不同压差下流体流经的距离与流动时间的关系0306090120150051015流动时间（年）流经的距离（米）K=0.01mDK=0.1mDK=1mDK=10mD0306090120150051015流动时间（年）流经的距离（米）K=0.01mDK=0.1mDK=1mDK=10mD三.煤层气采出机制压裂的作用：主要是形成支撑裂缝带，犹如大幅扩张井筒或钻水平井，有效沟通远井区域，缩短流体流入井筒的距离不压裂压裂压裂形成水平缝压裂形成垂直缝或支撑裂缝带两相渗流解吸区单相渗流压降区三.煤层气采出机制压降面积的影响及其计算：根据裂缝评估结果，可计算压降面积；结果表明：现有压裂技术不能支持高产；即使高产，无论如何排采，由于供气不足，必将快速衰竭，无法稳产面积（m2）5年10年15年不压裂压裂不压裂压裂不压裂压裂支撑裂缝面积075400754007540压降面积80443148012908405861526244699条件：煤层均质且各向同性，渗透率为0.1mD，不因压裂和排采而变10MPa压差稳定、连续生产排采不影响支撑裂缝的规模和导流能力压降面积与支撑裂缝面积随生产时间的变化因此，煤层压裂技术必须革命；同时，唯有煤层压裂技术革命，才能实现煤层气井高产稳产，从而推动煤层气勘探开发事业和煤层气大规模开发利用！汇报提纲一．煤层压裂地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂技术革命的实现途径六．煤层压裂技术革命的可行方案七．煤层压裂技术革命的配套措施八．结论、展望与建议非常规体积压裂：在尽可能不降低煤层渗透率的前提下，造最大可能的支撑裂缝网络，形成横贯南北、跨越东西、四通八达的立体化裂缝网络，完全彻底地沟通远井区域，流体奔流入井四.煤层压裂技术革命的发展方向发展方向同时，承前启后，推动地质选区、选井选层、井网部署、合理完井、正确排采等技术，实现跨越式发展（后面专门详细探讨井网部署、正确排采等）四.煤层压裂技术革命的发展方向汇报提纲一．煤层地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂技术革命的实现途径六．煤层压裂技术革命的可行方案七．煤层压裂技术革命的配套措施八．结论、展望与建议扩张动态裂缝：最大可能地扩张动态裂缝网络，主裂缝深度穿透，次裂缝充分延伸，微细裂缝完全开启五.煤层压裂技术革命的实现途径最重要和关键的途径：压裂液粘度施工排量压裂液用量扩张动态裂缝：①提高压裂液粘度是必然的选择，但压裂液的高效能与低伤害、与低成本永远是矛盾五.煤层压裂技术革命的实现途径05010015020025030014710压裂液粘度（厘泊）动态裂缝半长（米）长轴方向短轴方向根据模拟结果，考虑低伤害与低成本的要求，压裂液粘度可选3－6cp，最佳5cp120×60m143.7×76.2m050100150200250300710131619施工排量（方/分钟）动态裂缝半长（米）长轴方向短轴方向扩张动态裂缝：②提高压裂施工排量是必须的，唯有强大的动能，才能满足超常规的需求五.煤层压裂技术革命的实现途径根据模拟结果，考虑设备能力，施工排量可选15－20m3/min，最佳16m3/min120×60m176.2×93.4m050100150200250300800180028003800压裂液用量（方）动态裂缝半长（米）长轴方向短轴方向扩张动态裂缝：③众所周知，大规模五.煤层压裂技术革命的实现途径根据模拟结果，找拐点，压裂液用量可选2800－3500m3，最佳3000m3120×60m258.3×136.9m有效支撑裂缝：动态裂缝不管用，支撑裂缝才有效，这与页岩气体积压裂本质不同五.煤层压裂技术革命的实现途径最重要和关键的途径：高性能压裂液和超高排量支撑剂轻重结合支撑剂大小结合布砂方式优化有效支撑裂缝：①高粘压裂液易于携砂，超高排量便于带远五.煤层压裂技术革命的实现途径有效支撑裂缝：②超低密度支撑剂输送到远端，普通密度支撑剂铺设于近井地带五.煤层压裂技术革命的实现途径有效支撑裂缝：③细砂进入微细裂缝，中砂支撑次裂缝，粗砂饱填主裂缝五.煤层压裂技术革命的实现途径有效支撑裂缝：④系统优化布砂方式，例如优化前置液用量、合理设置砂比等五.煤层压裂技术革命的实现途径汇总及要求：这里命名为非常规体积压裂五.煤层压裂技术革命的实现途径压裂液：高效能、低伤害、低成本压裂液，其粘度为3－6cp，最佳5cp，其低伤害应与活性水的伤害（15％）相当，其低成本应与活性水的成本（1％KCl，添加剂43元/m3）相当支撑剂：两结合的支撑剂，大小结合指应有100目、40/70目、30/50目、20/40目的支撑剂，而轻重结合指应有常规密度支撑剂、超低密度支撑剂施工排量：施工排量15－20m3/min，最佳16m3/min压裂液用量：压裂液用量2800－3500m3，最佳3000m3施工压力：预计施工压力比普通情况高10－20MPa汇报提纲一．煤层压裂地质特征二．煤层压裂裂缝规律三．煤层气采出机制四．煤层压裂技术革命的发展方向五．煤层压裂