煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究
中国煤层气增产技术
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收稿日期: 2009- 07- 12
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内蒙古石油化工 2009 年第 21 期
2 . 2 . 4 其他煤层气压裂技术
水力压裂需要对压裂液、 添加剂以及支撑剂进 行选择, 其中最关键的是压裂液的选择。 不同煤阶的 煤层对压裂液的吸附能力不同, 从高阶到低阶依次 增强。 目前用到的压裂液一般有清水、 泡沫、 凝胶等。 清水压裂液有许多优点 , 如单位成本低、 对地层渗透 率伤害小、 配制方便等, 它应用于浅的单层煤层效果 较好。 但是由于其携砂能力有限 , 只能采用大排量、 大液量、 低砂比的方式进行压裂, 而过大排量会造成 裂缝在垂向上不合理延伸, 过低砂比又使微量支撑 剂容易嵌入到煤层, 所以选择合适的压裂参数很重 要; 凝胶压裂液应对滤失量大、 较厚的煤层特别有 效, 但它对地层的伤害比较大 [9]; 泡沫压裂液是 N 2 或以气泡形式分散于酸液、 聚合物等液相中形成的 一种两相混合体系。 由于其返排能力强、 滤失小、 对 储层伤害小、 携砂能力强, 特别适合低压、 低渗及特 低渗、 水敏性储层的开采 , 但泡沫压裂的施工难度较
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中国煤层气增产技术
史 进, 吴晓东, 李伟超
(中国石油大学石油天然气工程性、 开采现状、 增产措施实施的必要性、 国外煤层气增产 技术发展现状以及我国煤层气开发的特点 , 分析了国内煤层气主要增产技术: 压裂技术、 多元气体驱替 技术和多分支井技术的机理、 使用的范围以及它们各自的优缺点 , 结合现场实例阐述了以上三种技术在 我国的应用现状 , 并指出了它们存在的问题, 展望了煤层气增产技术的发展趋势。 关键词: 煤层气; 增产技术; 压裂技术; 多元气体驱替技术; 多分支井技术 煤层气是煤层在地质史漫长的煤化过程中所生 成的以甲烷为主的非常规天然气资源 , 俗称煤矿瓦
煤层气增产措施及存在的问题
收稿日期:2008-09-03作者简介:王东浩(1983-),女,吉林长春人,西南石油大学在读硕士,主要从事煤层气增产技术研究。
煤层气增产措施及存在的问题王东浩1,郭大立1,计 勇1,张鹏飞1,韦书铭2(1.西南石油大学,四川成都 610500;2.新疆油田分公司勘探公司,新疆克拉玛依 834000)摘 要:煤层裂隙系统是煤层气运移的主要通道,但其连通性差、渗透率低,因此需进行增产改造。
文章介绍了煤层气增产的水力压裂、注气驱替、多分支水平井、复合射孔压裂、采煤采气一体化、洞穴完井等几项措施,并对这些煤层气增产措施存在的问题进行了分析,指出了其技术研究的方向。
关键词:煤层气;增产;水力压裂;注气驱替;多分支水平井中图分类号:TD 712 文献标识码:B 文章编号:1005-2798(2008)12-0033-03我国煤层气资源丰富,发展煤层气工业不仅可以减轻石油供给压力、补充常规天然气长远资源量的不足,而且将有效改善煤矿生产安全条件,保护大气环境。
目前,制约我国煤层气开发利用的瓶颈除投资不足、政策扶持力度不够外,主要是针对性的基础研究和技术创新不够,缺乏适应于我国煤层气及其储层特点的重大技术,如资源预测与评价技术、钻井技术、增产改造技术、排采技术、地面建设与监测技术等。
而煤层气增产改造技术是其中的核心和关键,也是国际煤层气产业化所面临的、亟待解决的重大科学问题。
1 几种煤层气增产措施当前,煤层气增产措施主要包括水力压裂、注气驱替、多分支水平井、复合射孔压裂、采煤采气一体化、洞穴完井等。
1.1 水力压裂水力压裂是煤层气增产的首选方法、也是主要措施,美国90%以上的煤层气井是由水力压裂改造的,我国产气量在1000m 3/d 以上的煤层气井几乎都是通过水力压裂改造而获得的。
水力压裂主要是利用液体的传压作用,经地面设备将压裂液在大排量条件下注入井内,压开煤层裂缝,加入支撑剂,形成多条具有高导流能力的渗流带,沟通煤层裂隙。
关于煤层气压裂裂缝起裂扩展方式的思考
我国是一个煤层气资源较为丰富的国家。
煤层气的储量与天然气的储量大致相同。
煤层气是一种具有高效化、清洁化特征的新型能源。
煤层气资源的有效开发，可以在一定程度上化解我国的能源需求。
针对我国煤层所具有的低饱和、低渗透和低压特点，利用水力压裂技术等技术进行增产改造，可以让煤层气井的开采量得到有效提升。
由于煤层的自身介质结构、生成环境和物性特征与常规地层之间存在着一定的差异，因而煤层气气压裂裂缝起裂扩展方式成为了人们在煤层气研究领域所要关注的问题。
1 煤岩压裂的主要影响因素1.1 天然裂缝割理天然裂缝、割理是煤层中的主要裂隙系统[1]。
它们对压裂裂缝的形态复杂性有着较为重要的影响。
天然裂缝与割理对水利裂缝的形态的影响具有一定的差异性。
天然割理的影响主要集中于水力裂缝的延伸过程，天然裂缝对水力裂缝的起裂和延伸过程均有影响。
在天然裂缝的影响下，煤层气也裂缝在延伸过程中也会出现突然转向和次生裂缝。
1.2 地应力地应力大小是煤层气井水利压裂裂缝的起裂压力、其列位置和裂缝形态的主要影响因素。
根据学者对煤岩压裂问题的研究情况，煤层地应力差与起裂压力之间存在着一种接近于负相关的关系。
煤层气气压裂缝的起裂压力与水平主应力差系数之间存在着正相关关系。
一般而言，破裂压力的影响因素主要为天然裂缝与最大水平主应力见的夹角，在随机裂缝性储层压裂下，高水平应力茶会产生较为品质的水利主缝；低水平应力差会让裂缝起裂扩展方式表现为网状扩展模式。
1.3 煤岩力学性质煤岩的力学性质主要涉及到了以下内容：一是煤岩的密度和硬度；二是煤岩的弹性和强度；三是煤岩的断裂特征等内容。
根据一些学者的煤样测试结果，弹性模量地、脆性大、易破碎和易受压缩是煤岩的主要特点。
煤岩结构所具备有的非均质性特征会让煤岩的原生裂缝系统和次生裂缝系统表现出复杂性的特点，因而煤层气压裂裂缝的物理力学性质具有着较为显著的各向异性特征。
相比于常规的压裂结果，煤层气压裂裂缝起裂扩展所形成的裂缝与会表现出缝面粗糙和不规则网络状特点。
第1章-水力压裂
作用: Ø传递压力； Ø起裂和延伸裂缝； Ø携砂。
前置液
起缝、延伸裂缝、冷却
按
作
携砂液
延伸裂缝、悬砂
用
分
顶替液
顶替砂浆
对压裂液的要求: Ø与地层配伍； Ø有效悬浮和输送支撑剂； Ø滤失少； Ø摩阻低； Ø低残渣； Ø易返排； Ø热稳定性； Ø抗剪切稳定性。
一、压裂液类型
各种压裂液所占的比例
增能气 体, 25%
第一章 水力压裂
内容提要
Ø水力压裂造缝机理 Ø压裂液 Ø支撑剂 Ø水力压裂延伸模拟 Ø支撑剂输送 Ø水力压裂评价与设计 Ø压裂工艺技术
压裂:
hydraulic
分类: fracturing
水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力 的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当 压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时， 就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液， 使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长 的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井 增产和水井增注。
' w
0.5m A
修正：
cw
cw'
p f pa
1 2
用途:静态滤失系数 用于筛选评价压裂液
用途:动态滤 失系数为压裂 设计提供参数
2.受压裂液粘度控制的滤失系数
假设条件: Ø侵入符合达西定律； Ø活塞驱动
压裂液的实际滤失速度：
va
dL0.058Kp
dt
f L
积分求L，回代达西定律
12
v0.05K 8 f Lp0.17K ftp
牛顿型：
圆管稠度系数：
Kp
煤层气井压裂注入工艺及其效果评价
煤 岩特性与常规油气储集岩特性不 同， 煤层与 煤 层之 间的储层与地质特征也有差异， 因此煤层气 井压裂与常规油气井压裂有许多不同之处 。主要在 于ｒ ： ①煤储层与常规油气储层的机械性质不同。 与 常 规油 气 储 层 相 比 ， 层 的 杨 氏模 量 低 、 松 比高 ， 煤 泊 且 具有 特 殊 的双 孔 隙结构 ， 割理 发 育 ， 以及更 大 的各 向异性 和 不均 质性 。 煤层 气 的形 成 、 集 、 移 、 ② 储 运 产
收稿 日期 ：０ １ ６ ５ ２ １ —０ —１ 作者 简介 ： 戴林 （ ９ ５ ， １ ８ ～） 长江 大学石油工程学院油 气田开发专 业在读硕 士研 究生。
６ ０
一
内 蒙古石 油４ ｒ ｔ． －
开 采煤 层 。
２ １ 年第 １ 期 ０１ ７
活 性 水 或活 性 水 ＋纯 碱 （ 离 液 ） 隔 一一 前 置 液 （ 冻
采用压裂经济效益、 压裂投资回收期和增产煤
连 续 油管 压裂 是利 用连 续油管 实 现油管 注入 或
环空注入液体和支撑剂对储层进行压裂改造的一项 工 艺技 术 。 主要 用 于浅 井多 层煤层 ， 其适合 薄煤 层 尤 的分层 压 裂和 小井 眼压 裂 。
油 管 注 入 压 裂 工 艺 包 括 连 续 油 管 注 入 ＋跨 式
２ １ 年第 １ 期 ０１ ７
内 蒙古 石 油 化 工
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煤层 气井压裂注入工艺及其效果评价
戴 林 ， 范 虎 ， 胡文 庭 ， 李 娟 ， 小冬 胡
（ 气 钻 采 工 程 省 重 点 实 验 室 ， 江大 学 石 油 工 程 学 院 ， 北 ， 州 油 长 湖 荆 ４４２ ） ３ ０ ３
水力压裂效果评价技术应用
lg p
Ⅰ
Ⅲ Ⅱ
Ⅳ
lg t Ⅰ：较小的正斜率(0.125~0.2)，与PKN模型一致， 裂缝正常延伸，表明裂缝在高度方向受阻。 Ⅲ：斜率≥ 1，裂缝端部受阻，缝内砂堵或端部脱砂。
2、典型的施工压力分析
lg p
Ⅰ
Ⅲ Ⅱ
Ⅳ
lg t
Ⅳ：斜率〈 0，缝高增加、压开多条裂缝、或遭遇大 规模裂缝体系。
2、典型的施工压力分析
3、由施工压力确定裂缝几何参数
基本思想： 二维模型： 缝长、缝宽、连续性方程联立，调整参
数使计算压力与实际施工压力较为接近。 三维模型：拟合计算时间较长，压力拟合
确定参数（PT软件）。
拟合原理
实测压力数据 Testing _ Pi
拟合递减数据 Simu _ Pi, j
根据设定参数，计算机自动求解一系列在不同裂缝几何尺
第一部分 压裂压力分析
分析的数据：施工(泵注期间)或停泵后井底或井口 压力与时间的变化关系曲线 基本思想：裂缝起裂和延伸等均与施工压力有关 净压力：井底压力与闭合压力之差
第一部分 压裂压力分析
一、闭合压力确定方法 二、泵注期间的压力分析 三、压裂压力递减分析 四、微裂缝储层滤失问题
一、闭合压力（Pc）确定方法
Vi=qitp
存储
Vfp→w,hf,L
Vfp
由上述方程可得到，施工过程中净压力方程：
PKN
KGD
e
p net
(
E
2
n1
Kq
n i
)
e
L h 3n1
f
p net
(
E
2
n1
Kq n i
水力压裂原理
3、求取
• 实验室岩心试验
使用压裂目的层和裂缝在垂向上可以穿透或起遮挡作用岩 层的岩心，在就地条件下（就地围岩压力、孔隙压力、地 层温度与含水饱和度），进行单轴或三轴试验，测定岩石 的静态或动态的泊松比和弹性模量。
单轴和三轴试验
静态和动态试验
一般，用动态试验测取的泊松比与弹性模量值大于静态值。 岩石中天然裂隙或天然裂缝愈多，两者的差异愈大。
⑵岩石的弹性模量
岩石受拉应力或压应力时，当 负荷增加到一定程度后，应力 与应变曲线变成线性关系，比 例常数即为弹性模量。计算单 位以MPa表示。
2 1
E
2、作用 • 泊松比是使用测井方法确定地层水平主应力值及其垂向 分布的重要参数 • 弹性模量在应用线弹性压力—应变理论推导的压裂模型 中关系到裂缝的几何尺寸 • 缝宽与弹性模量成反比 • 控制缝高
2、作用
1）反映油气藏驱动能量的大小。
2）目前地层压力或静止压力是压裂选井选层的主要依据。
3）选择压裂液类型的依据之一。
3）检验压前生产状况，预测压后产量与评价压裂效果。
4）诸多参数是地层压力的函数，包括，有效渗透率、原 油黏度、杨氏模量、地层破裂压力
闭合压力:随油气井的投产开采，地层压力产生变化， 将使裂缝闭合压力，储层与上、下遮挡层的地应力差，有 效渗透与孔隙度，杨氏模量，泊松比与岩石抗张强度，地 下原油粘度，体积系统与压缩系统等储层特征参数随之变 化。
⑵地层流体粘度
• 又称为粘滞系数。是指在地层条件下油气内部摩擦引起 的阻力。计算单位以mPa·s表示。
• 地层原油粘度除受其他层温度和地层压力影响外，还受 到构成油的组分和天然气在原油中溶解度的影响。
⑶地层流体压缩系数
• 原油压缩系数定义为，在地层条件下每变化1MPa压力， 单位体积原油的体积变化率。它是油藏弹性能量的一个量 度。计量单位以MPa-1表示。
水力压裂介绍
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其它压裂工艺技术
一、滑套式分层压裂工艺技术
滑套式分层压裂管柱由投球器、井口球阀、工作 筒和堵塞器、水力压差式封隔器、滑套喷砂器组 成。其原理是利用不压井、不放喷井口装置、井 下工作筒和堵塞器，可使压裂管柱实现不压井、 不放喷起下作业。利用井下滑套喷砂器多级开关， 自下而上实现多层压裂。当每压完一层时，从井 口投入不同直径的钢球，将滑套憋到已压开层的 喷吵器上将其水眼堵死，同时打开上一层喷砂器 的水眼，开始对上一层进行压裂，从而实现不动 管柱一次连续压多层。
更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能
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4
我国在五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，迄 今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益
大庆油田1973年开始采用水力压裂作为油田增产增注的 一项重要技术措施，至今已有30年的历史。随着油田的 开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技术的 不同要求，压裂工艺技术不断发展、完善和提高
取短期导流能力值的1/3作为实际应用值,支撑缝内的
导流能力可达到40.1DC.cm。
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最终优化该层加 砂规模为42m3
设计施工排量 3.0m3/min
支撑裂缝长度为 320m
平均铺砂浓度 5.68Kg/m3
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应力剖面
1408
1416
FracproPT 图形
平均支撑裂缝宽度4.8mm， 裂缝高度为27m
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水力压裂的优化设计计算
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早 期 压 裂 优 化 设 计
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主要分为两大步骤：
1、裂缝参数优化
该步骤应用油藏模拟水力压裂平台优化出单层不同裂
缝长度以及不同导流能力参数下的产能，从而确定出合