煤层气井水力压裂技术

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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 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。一、煤层特征及压裂的特点 5、裂缝可能很复杂一、煤层特征及压裂的特点 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 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 9、要求加大施工规模一、煤层特征及压裂的特点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。 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 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 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 13、煤层压裂压力高二、煤层特征及压裂的特点 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 二、煤层水力压裂工艺技术煤层压裂液体的种类：⑴清水压裂液（河（井）水，煤层排出水）⑵活性水压裂液（加活性剂）⑶冻胶（凝胶）压裂液⑷线性胶压裂液（未加交联剂）⑸泡沫（N2、CO2）压裂液⑹CO2压裂液⑺清洁压裂液2、压裂材料----压裂液 液体类型的优缺点二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----压裂液 二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----压裂液液体评价实验煤岩成分、表面性质，温度压力，地下和地面水矿化度、水型及离子含量等 二、煤层水力压裂工艺技术煤层伤害评价：2、压裂材料----压裂液煤层液体使用材料及液体综合评价：配置煤层压裂液体的材料评价和液体配方整体评价与常规油气田标准和程序相同，而且目前也没有针对煤层使用的专项标准。这里不再叙述。 启示1、一个新区或煤阶不同的煤阶煤层，甚至包括埋深或沉积时代的差别都会对煤层特征造成影响。采取压裂时液体材料选择一定要经过室内评价优化后使用。启示2、尽量少加或不加添加剂，特别是有机物添加剂。以减少煤岩层表面的吸附性伤害。问题：现场使用什么类型的液体最好？ 二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----压裂液压裂液的使用结合目前国内使用情况，应该加强不同类型的液体实验，“因地制宜”优选压裂液。 ★目前煤层压裂液的使用中只能做到好中选优。★期望关于煤层气压裂液标准的尽早出台。二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----压裂液标准？ 液体的质量控制二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----压裂液 二、煤层水力压裂工艺技术2、压裂材料----支撑剂根据实验结果，提高砂浓度（砂比）有利于提高施工效果 由于煤岩的割理裂隙系统发育，杨氏模量低等特点，容易形成复杂的多裂缝，长期以来人们采取多种方法来加强对水力裂缝的认识，概括有以下几种：煤矿巷道挖掘，地层倾斜仪，井下微地震，地面电位，注入试井，示踪剂测井，井温测井等。另外还有井下CT、施工压力及压降分析、地面微地震等。压裂裂缝的诊断对煤层水力压裂工艺技术的提高是非常必要的。3、裂缝诊断技术二、煤层水力压裂工艺技术 ⑴煤矿巷道挖掘显然，这是一个最直接、最准确反映裂缝性质的方法。但是这种方法可能因各种因素的制约而推广受限。该方法要求在压裂液和支撑剂中加入荧光剂或能明显在地下观察到的物质，在压裂施工后较短时间内，通过煤矿开挖的机会进行煤层实地观察描述。3、裂缝诊断技术二、煤层水力压裂工艺技术 据了解晋城寺河矿进行了类似的挖掘工作，初步证实裂缝为北东方向，缝长50-70米，宽度80-100毫米（井口处）。但目前未看到报道和资料。国内资料地点：湖南白沙里王庙。井深:164米，煤层厚度：12米，压裂液：清水，排量0.6-0.8方/分，加砂量：7.7方，累计注液量：108方，最高压力10MPa.挖掘情况：煤层压开三条缝，其中一条裂缝长度23米，宽度2-7厘米，高度0.6-1.8米，稍向下延伸（下图），另外两条对称未进行跟踪观察（上图）。 ⑵地面电位地面电位测试方法是利用煤层压裂前后地层流体导电性能的差异来判断裂缝延伸的方向和距离的，这是目前比较经济的测试方法。3、裂缝诊断技术二、煤层水力压裂工艺技术 ⑶井温测井利用井温测井对煤层进行煤层水力压裂裂缝高度诊断最好要有微差曲线。⑷示踪剂测井该方法是利用放射物质存在裂缝中通过测井方法判断裂缝存在位置。有些人认为采用同位素示踪测井方法能弥补由于井温解释不明确的缺陷，其实这种方法仍然存在一定缺点。关键的地方是我们怎么能够恰到好处的把这些示踪剂放到裂缝口的位置。3、裂缝诊断技术二、煤层水力压裂工艺技术 ⑸地层倾斜仪测试相对准确，但施工复杂，价格较高。⑹井下微地震相对于地面微地震测试解释结果可靠一些，但对煤层仍有需要探讨的地方。⑺注入试井可以利用，但解释结果受输入参数影响较大。二、煤层水力压裂工艺技术3、裂缝诊断技术 二、煤层水力压裂工艺技术3、裂缝诊断技术----施工曲线定性分析 美国勇士盆地格拉弗1井压力监测曲线解释：（LogPe---Logt曲线）曲线斜率：1：4示为裂缝正常延伸；曲线斜率：<0示为水平裂缝发育或天然裂缝出现；曲线斜率：1：1示为脱砂；LogPeLogt动态滤失 二、煤层水力压裂工艺技术3、裂缝诊断技术----应力剖面 二、煤层水力压裂工艺技术4、压后管理---做好评估工作压裂效果的好坏是煤层地质、施工工艺、压后生产管理相结合的产物。储层物性与施工参数的匹配，裂缝的几何尺寸与形状等均直接影响压裂效果。评估技术是利用一套科学手段和方法，对施工质量、参数和效果是否达到设计方案要求进行检验，通过压裂效果动态资料的跟踪分析和裂缝诊断拟合，使优化设计转化为优化施工。进而大幅度提高施工成功率和经济效益。形成对该地区煤层压裂优化的原则和效果评估方法。 ⑴材料的使用与现场质量监督⑵煤层压裂裂缝实时监测技术评价⑶煤层压裂施工曲线拟合⑷裂缝形态与施工参数和施工动态相应关系⑸压后生产动态分析拟合与设计预测的程度,影响因素(6)通过压后效果分析,对煤储层综合评价及再认识(7)施工中存在的问题和经验二、煤层水力压裂工艺技术4、压后管理---评估内容 1、压力释放返排阶段确定合理的开井排液时间;控制返排速度,避免吐砂、裂缝急剧闭合。2、液体返排阶段控制返排速度,平稳连续尽快使压裂液体排出煤层，强化计量分析。确认压裂液返排率。3、排水降压阶段防止煤粉运移堵塞渗流通道及对抽排设备的影响。注意在临界解吸压力附近的液面控制。4、气体解吸采出阶段建议在气体产出2-3年内不要把液面降到煤层以下，保持一定的井底压力会减少应力差造成的裂缝导流能力下降。4、压后管理---管理措施二、煤层水力压裂工艺技术 三、影响煤层压裂效果的因素 高产煤层气井具备的条件：（1）煤层气的富集区（2）能够建立起面积降压的环境（3）煤岩吸附特征有利于煤层气的产出（4）增产措施与煤层特性匹配（5）有一套科学的管理措施三、影响煤层压裂效果的因素 （一）含气量和饱和度煤层含气量是煤层气开发的基础，不同煤阶，不同构造背景将影响吸附气的含量，因此，寻找富集区一直是煤层地质研究的重要内容，也是压后获得高产量的基础。三、影响煤层压裂效果的因素 三、影响煤层压裂效果的因素（一）含气量和饱和度 三、影响煤层压裂效果的因素（二）渗透率 三、影响煤层压裂效果的因素渗透率的应力敏感性 三、影响煤层压裂效果的因素渗透率在煤层气开发过程中变化 （三）吸附曲线对煤层气产量的影响三、影响煤层压裂效果的因素临界压力枯竭压力 压力饱和度（临界解吸压力/原始地层压力）越小，煤层气开发难度越大，一般在0.6以上为好。（三）吸附曲线----压力饱和度的影响三、影响煤层压裂效果的因素 三、影响煤层压裂效果的因素（四）解吸附时间及对产量的影响◆解吸附时间反映了煤岩本身的透气性。在我国的山西晋城和河南焦作，同是无烟煤，但焦作煤比晋城煤变质成度高（无烟煤Ⅱ号），解吸附时间6—30天，而晋城是1-5天。 （五）煤层的非均质性室内实验和现场实际工作都表明：煤层的非均质表现在内部纵向、横向平面上，内容包括渗透率，孔隙度，割理密度，灰分含量，含气量，产（水，气）量等。因此在同样的施工条件下，其增产效果是不同的，要求措施效果分析一定要结合地质现状分析。三、影响煤层压裂效果的因素 （六）增产措施是否成功三、影响煤层压裂效果的因素水力压裂这个增产措施的目的是：修好“高速公路，保证车辆畅通”如何在煤层造就一条或或多条高质量、高导流能力通道？显然，压裂的成功和裂缝的质量是关键，包括最小伤害的液体和高质量的支撑剂。★取得理想的增产效果是渗透率和高质量裂缝通道共同作用的结果。 再谈压裂液（从裂缝质量）高粘液体造缝能力好有利于煤层流体的产出；但液体中过多的添加剂成分对煤岩本身的伤害；低粘液体对煤层伤害相对小，但造缝能力差，不利于发挥长期压裂效果。因此，不要忽视高粘液体的造缝优势，关键是如何降低由于添加剂的伤害及尽快破胶返排出煤层。再次提出：对于一个特定地区和煤阶的煤层或者新的探区，压裂液的选择一定要通过室内实验评价得出。 三、影响煤层压裂效果的因素（七）施工规模（实例） ①水力压裂措施对煤层要做好两个匹配（液体和工艺）②要客观评价压裂对煤层气增产效果的影响（地质和工程）③水力压裂措施技术对煤层产生的不利因素（1）液体的影响（2）裂缝的延伸（3）应力的影响对于应力性构造煤层来说，其他增产措施更应考虑：水平多分支钻完井技术，水力喷射钻井技术等。可以看出，这些技术都建立在应力释放的基础上。三、影响煤层压裂效果的因素（八）工程及其他 煤层顶底板是砂岩及有气体储集空间地层应一次性射开压裂。作用：（1）提高煤层气产量，特别是初期产量。（2）帮助煤层降低地层压力，若是邻层还可提供煤层气渗流通道。④作业过程中的质量监督⑤“借势”作用三、影响煤层压裂效果的因素（八）工程及其他 内容结束，谢谢！