煤层气开采工程

煤层气开采工程目录一、煤层气井压裂工艺技术二、煤层气井压裂裂缝监测技术三、煤层气井井间地震声波层析成像技术四、煤层气井抽排工艺技术五、煤层气井增产技术一、煤层气井压裂工艺技术煤层的原始渗透性能很差，必须经过后期改造。压裂是一种有效的措施，目前使用的压裂有水力压裂和高能气体压裂。高能气体压裂：利用聚能弹爆炸时产生的高压气体对地层进行压裂，适用于解除井筒附近的堵塞，但处理半径小。水力压裂：利用高压泵组将流体以超过地层吸收能力的排量注入，使煤层附近蹩起高压，当这种压力超过地应力及岩石抗张强度后，地层便产生裂缝。1、关于压裂的几点认识（1）支撑裂缝的几何形状和裂缝导流能力决定了压裂效果。通常低渗煤层加大压裂规模，造长缝、宽缝是可取的，但裂缝导流能力随缝长增加而减小，因此要在缝的长度和导流能力间寻求最佳的值。（2）井筒和生产管柱是压裂液入口，过小的管路面积会增大施工摩阻，不利于施工压力传递。（3）岩石力学性质喝酒地应力长的分布在控制水力裂缝的形成和延伸中具有主导作用。最理想的情形是缝高限制在目的层内进行延伸。（4）压裂液的粘度和滤失性将极大地影响支撑剂的分布和铺置及总的施工效能。高粘度造宽缝，且有利于支撑剂的输送，但将导致高的施工压力，并存在裂缝垂向延伸的潜在危险。前置液和支撑浓度决定最终裂缝穿透深度和导流能力，前置液不足经常导致因早期前置液耗尽而造成过早的脱砂。（5）高的注入速率会使施工更有效，但施工期间为了使裂缝横向延伸最大，又要保持施工压力低于地层临界压力，并且要考虑所允许注入速率的管路摩阻、压裂液的剪切降解及地面施工压力。一、煤层气井压裂工艺技术2、煤层压裂的特殊性（一）裂缝形状复杂（1）水平裂缝，煤层深度较浅时出现；（2）“T”形裂缝，在单一厚煤层中，压裂裂缝完全限制在煤层内，可形成形状复杂的裂缝系统；（3）垂直裂缝，在薄煤层中，易产生一条平面垂直裂缝；（4）裂缝穿过煤层，厚煤层中的垂直裂缝，在处理后期，可能向围岩延伸，穿透煤层。（二）煤层压裂施工压力高同砂岩相比，煤层压裂需要较高的施工压力，通常破裂压裂梯度大于0.0026MPa/m，并且这种压力贯穿于整个裂缝延伸的过程中。引起煤层处理压力高的原因：一、煤层气井压裂工艺技术（1）煤层的多孔弹性效应煤层的裂缝系统极为发育，当地面泵注高压液体时，滤失量的增加使煤层孔隙压力升高，致使井壁周围煤层的力学性能减弱，杨氏模量下降、泊松比上升，导致产生更多的煤屑，从而引起地应力增大。一、煤层气井压裂工艺技术（2）煤屑的产生增加了液体的粘度，并使裂缝端部堵塞（3）复杂、弯曲的裂缝易产生较高的升高压力多条裂缝存在时引起的多孔弹性回压以及弯曲裂缝引起的流动阻力增大，在加砂压裂施工时，液体向前移动的过程中支撑剂浓度增大，产生砂浆效应，均会使地面施工压力升高。（4）井眼失稳或射孔产生碎屑，煤碎屑会阻碍裂缝的产生其中，孔隙弹性效应在井眼附近产生碎屑、井眼附近及外围形成的弯曲裂缝和多裂缝网络可能是处理压力过高的主要原因。（三）压裂液对煤层的伤害导致煤层渗透性下降主要原因是煤的吸附作用、水敏、速敏作用引起煤层基质膨胀，孔隙体积缩小，甚至堵塞割理系统，限制煤层气的流动。（四）压裂液在煤层中的滤失性大，导致造缝率低一、煤层气井压裂工艺技术3、煤层水力裂缝的模拟（一）水平裂缝模拟煤层埋深较浅和厚度不大时，最小主应力为垂直应力，易形成水平裂缝，可用Penny模型进行模拟计算。（二）垂直裂缝模拟模拟在地层中形成垂直裂缝的模型很多，并已在油气层压裂中广泛使用，如GDK模型、PKN模型等均为二维模型。相比之下，在深煤层中，如果煤层顶底板应力大于煤层，使用GDK模型比较合理。在掌握煤层气井底应力剖面的条件下，使用拟三维（P3D）或全三维（F3D）数学模型计算裂缝几何尺寸更为真实。表8-4为根据应力差确定的裂缝模型。一、煤层气井压裂工艺技术表8-4根据原地应力确定裂缝模型应力差（KPa）裂缝模型小于零三维垂直裂缝模型345-690阻挡层很弱，三维垂直裂缝模型2068-3450阻挡层适当，三维裂缝模型5171-6900阻挡层很强，三维裂缝模型（三）复杂裂缝模拟（1）分别用水平裂缝和垂直裂缝进行描述，所依据的原则是两条裂缝到达的位置相同；（2）利用国外的FRACPRO软件进行模拟，该软件人为的考虑多条裂缝的存在。一、煤层气井压裂工艺技术4、压裂设计（一）地质参数获得包括弹性模量、泊松比、抗压强度等在内的煤的力学参数可以通过室内实验测试或利用测井曲线求得；包括水分、灰分、煤组分、含气量等在内的煤的物性参数可通过实验得到；煤层渗透率、破裂压力、闭合压力和地应力一般采用注入-压降试井求得。（二）压裂液的优选对压裂液的基本要求：（1）压裂液首先应具有一定的造缝和携砂能力，以满足造长缝沟通割理系统的要求。（2）压裂液同煤层具有较好的配伍性。一、煤层气井压裂工艺技术目前，国内煤层气试验井压裂施工时所选用的液体多为清水加入相应添加剂组成，少数采用了线性胶、冻胶压裂液。（1）压裂液添加剂的优选（a）稠化剂现场实践表明，烃丙基瓜胶及香豆胶具有良好的综合性能，表现在水不溶物低，粘度较高，对煤层保护有利。（b）交联剂交联剂的作用是使稠化剂溶液中的稠化分子迅速形成长链，粘度迅速升高，提高液体的造缝和携砂能力。（c）粘土稳定剂常用氯化钾作为粘土稳定剂，同时为了满足裂缝监测的需要，往往加大氯化钾的浓度，以提高地层的导电性能。（d）pH值调节剂加入pH值调节剂的作用是改变压裂液体系的酸碱性，目的是为了保证压一、煤层气井压裂工艺技术裂液与煤层配伍，降低对煤层的伤害，提高压裂液的携砂能力。（e）破胶剂与活化剂目前煤层的破胶剂是过硫酸铵和CH——2低温活化剂。（2）压裂液的配置（a）保持水源清洁，配液前用5μm以下滤网过滤，配液设备和容器一定要干净；（b）压裂液在配置过程中要进行必要的测试`观察是否达到指标，施工前进行交联实验，避免由于时间过长或天气的原因是压裂液性能下降；（c）压裂液要与地层流体进行配伍性试验；（d）压后强化反排措施，最大限度降低液体对煤层的污染。（三）支撑剂的优选选择支撑剂应考虑以下因素：（1）支撑剂回流问题；（2）支撑剂应能深深侵入煤层；（3）最大限度降低煤粉回流。一、煤层气井压裂工艺技术考虑上述问题的施工步骤：在加砂前加入100目粉砂，它既是降滤剂，可提高煤层的综合滤失系数，并可阻挡部分煤粉回流，同时又是支撑剂，使撑开的裂缝参加导流；而后加入40/60目细砂，对煤粉起过滤作用；再加入20/40目主砂，最后尾追12/20粗砂，增大缝口导流能力，还可减少支撑剂回流。为了防止支撑剂回流，还可在压裂作业快结束时加入固化的树脂涂敷支撑剂，可以固结支撑剂并能最大限度降低支撑剂和煤粉的运移。采用低粘压裂液时，利用小颗粒支撑剂在井眼周围裂缝中沉降趋势小的优势，可以增大支撑剂侵入深度。总的来说对支撑剂的要求有：（a）建议支撑剂的浓度应高于5kg/m2；（b）支撑剂的浊度低于100BTU；（c）圆度、球度不低于0.7，在标定的粒径范围内所占百分比大于80%；一、煤层气井压裂工艺技术（d）初期选择小粒径支撑剂降滤，后期选择大粒径支撑剂尾追封口；（e）随着煤层埋深的增加（超过1000m），应考虑支撑剂的强度，要使在闭合压力为30MPa下，颗粒破碎率低于20%。（四）压裂工艺技术（1）尽可能增大进液管柱面积，提高地面泵组排量实践证明，在非限流方式的常规压裂井中，90%的液体摩擦阻力发生在井筒的压裂管柱内，并且与进液面积成反比。只有增大了进液管柱面积才能提高施工排量。提高施工排量是煤层压裂的重要方面，它有利于形成较宽的裂缝，降低或弥补压裂液在煤层中的滤失量。特别是采用低粘压裂液时，如果排量较小，可能造不开裂缝并影响支撑剂的加入。（2）提倡加砂压裂煤层气开发的有利深度是300～1200m，煤层压裂时所形成的垂直或水一、煤层气井压裂工艺技术平裂缝在施工停止后将受到一定的闭合压力的影响，使裂缝宽度降低乃至闭合，进而失去导流能力。虽然煤层破裂时形成的细小颗粒充填在裂缝中起到支撑作用，但保证裂缝处于闭合状态是困难的，特别是在煤层深度大于600m时，加上煤层压力一般较低的因素，其闭合压力可能达到10MPa，因此加入支撑剂是必要的，支撑剂加入量大些，争取有较长的支撑缝长和缝宽有利于加速煤层排水采气。（3）适当增大压裂施工规模这里指的施工规模，主要是指增大加砂量、液量、排量等参数，以造就较长较宽的裂缝系统，为加大煤层气井的降压范围、促使吸附气解吸提供较好的条件。压裂规模的确定还应考虑到裂缝的形状、方向、延伸方向、井网结构等因素，避免盲目性造成不必要的损失。一、煤层气井压裂工艺技术二、煤层气井压裂裂缝监测技术煤层压裂裂缝测试分高度和长度及方位测试，其测试方法见表8-5。表8-5压裂裂缝监测方法统计表高度测试长度及方位测试井温法、同位素示踪法大地电位法、井下CT测试、微地震法、同位素示踪法压裂形成的几何形状不仅为分析压裂效果提供可靠的依据，也是确定地应力分布，进行合理井距部署，搞好试验井组及编制煤层气田开发方案，评价煤层气产能必不可少的重要参数，因此正确测定压裂裂缝的几何形状，是煤层气试气工作的一项重要任务。收了大量的压裂液体，温度恢复的较慢，在压开的层位温度就会出现异常（同原始地层温度相比），因此，可以利用这种地温异常解释压开裂缝的位置和裂缝高度。1、裂缝高度的测试——井温法以往利用压裂前后测井温度线仅可判断裂缝（垂直）高度。在压裂过程中，进入煤层孔隙的液体温度在停泵以前基本上无变化，停泵后井内压力重新建立起平衡，液体停止流动，没有热传导中的对流作用。根据热传导学理论，井筒内径地层传热速度大于从缝中单向向地层传热速度。另外由于煤层裂缝处吸利用测井温判断裂缝位置和裂缝高度应注意以下不利因素：（1）当地面液体温度和被压裂层温度相差不大时，不易使用该方法来辨别裂缝，因为煤层埋藏浅、地层温度低，显示不出温度的异常段；二、煤层气井压裂裂缝监测技术（2）压裂前要测井温基线，以便准确确定异常位置，异常段往往也不明显；（3）垂直裂缝容易识别，而无法识别水平裂缝；（4）无法定量分析地应力方向和压裂形成的裂缝方位。2、大地电位法（一）测试原理及公式假设地层是一个无限大的均匀介质，若通过导线及套管以恒定电流向地层充电，则在地层中形成一个人工电场（理想情况为均匀电场），在供电电极以外任一点M观测电场的电位为UM。当观测点相同时，由于场源的几何形状不同，所产生的电位值也不同。二、煤层气井压裂裂缝监测技术在压裂施工中，如果压裂液相对于地层是一个良导体，即液体电阻率与地层介质电阻率相比差异较大，此时利用套管向地层供以高稳电流，则这部分压裂液在地层中即可看成一个场源。由于压裂液的存在将使原电场（未进行压裂时的电场）的分布形态发生变化，即大部分电流集中在低阻带，造成低阻带周围介质电位也发生变化，从而与地层产生电阻率差。因此在被测压裂井周围环形布置多组测量电极，利用高精度电位观测系统，观测压裂施工前后地面电位变化，测得压裂前后电位梯度差值并通过一定的数据处理，就可达到解释推断裂缝延伸方位的目的（图8-1）。在图8-1中，压裂前不存在裂缝时，由A极和B极在地下建立起来压裂前的电场称为正常场，反映了地层原始电位分布。二、煤层气井压裂裂缝监测技术将供电的压裂井称为A极，另一电源返回井或场源记录点称为B极。B极不能距离压裂液传播区太远，必须在地层构成回路，它产生的电场对压裂井来说相当于一个干扰源，所以计算正常场时必须考虑B极的影响，所测电位差为两井产生的电场在地面叠加后沿偶极距的积分。由于电位是标量，因此在计算正常场时把A极和B极分别进行考虑。A极在其周围测点单独产生的电位为UAMN，B极在A极周围测点产生的电位为UBMN，叠加后的正常电位为UQMN。二、煤层气井压裂裂缝监测技术在地表上以A井井口为圆心，在以矢径RM和RN为半径的圆周上对MN的电位差进行测量。M、N两点的电位差为UAMN：)()(ln42222AMAMANANAAMNZRZRZRZRπZρIU式中：ρ——地层的视电阻率，Ω·m；