煤層水力壓裂技術(shù)教案

1、2.42.4.1水力壓裂技術(shù)的機(jī)理水力壓裂是在石油天然氣工業(yè)中成熟的，用以提高油、氣井生產(chǎn)能力的技術(shù)。在美國(guó)已經(jīng)把它應(yīng)用到好幾個(gè)煤田的瓦斯排放工作中（杜爾，1989）。它的基本原理是：選定壓裂的煤層后在地面上用泵產(chǎn)生高壓水流，從鉆孔進(jìn)入煤層，把煤層中原有的裂縫撐開(kāi)，繼續(xù)壓入水流，使煤層中被撐開(kāi)的裂縫向四周發(fā)展，與此同時(shí)，在水中加入篩過(guò)的沙子，把它當(dāng)作支撐劑，送進(jìn)煤層中被撐開(kāi)的裂縫里，當(dāng)壓裂結(jié)束，壓裂用水返排后沙子仍然留在煤層中支撐開(kāi)的裂縫中。水力壓裂造成瓦斯流動(dòng)的通道從鉆孔底部向四周延伸到一百多米遠(yuǎn)的地方。使煤層的鉆孔排放瓦斯范圍擴(kuò)大，因而瓦斯涌出量也增加。煤層內(nèi)天然裂縫對(duì)水力壓裂是有影響的。

2、主要的天然裂縫是垂直于煤層層面的。井下實(shí)際觀察資料表明，水力壓裂所造成的裂縫多數(shù)是垂直于煤層層面，其方向與重要的天然裂縫平行，偏差不過(guò)10°。它們常常與次裂縫的方向垂直。但是在335.28m深的鉆井內(nèi)，壓裂的壓力超過(guò)地層的垂直覆蓋的壓力時(shí)，也可以在，煤層內(nèi)造成平行于煤層層面的水平裂縫。煤層與頂、底板巖層的接觸面對(duì)壓裂的裂縫也會(huì)有影響，對(duì)壓裂孔作井下實(shí)地觀測(cè)表明壓裂形成的裂縫通常是在煤層內(nèi)，或者是沿煤層與頂、底板接觸面而發(fā)展，也不垂直進(jìn)入巖層，這可能是因?yàn)榻佑|面的機(jī)械強(qiáng)度比較弱，阻力比較小。在美國(guó)依州六號(hào)煤層內(nèi)，為了增加壓裂液攜帶沙子的能力，使用輕型膠液作為壓裂液在煤層形成的壓裂裂縫最

3、長(zhǎng)達(dá)126.8m。壓裂使用泡沫做壓裂液，攜帶沙子，也能得到比較長(zhǎng)的壓裂裂縫。相距152m、305m的鉆孔在壓裂中溝通，證明泡沫壓裂能造成比較長(zhǎng)的裂縫。壓裂壓力與煤層所受地壓力之差值影響壓裂裂縫的寬度，差值越大，寬度越大，反之則相反。壓裂液的流量與它的黏度對(duì)裂縫的寬度也有影響，用黏性較大的膠液，壓裂流量為1.59m3/min時(shí)產(chǎn)生的裂縫有63.5mm寬；用黏性小的壓裂液時(shí)，同樣的壓裂流量，產(chǎn)生的裂縫寬度只有3.29.5mm。用黏性大的膠液再加一些防止流失的附加劑作為壓裂液時(shí)，雖然壓裂流量只有1.23m3/min，也能造成127mm寬的裂縫。顯然，壓裂液的黏度比壓裂液注入的速度對(duì)裂縫寬度的影響更為

4、重要。壓裂中使用的沙子是用以支撐壓裂所造成的裂縫。1040目的沙子是標(biāo)準(zhǔn)支撐材料。在煤層內(nèi)沙子的理想分布應(yīng)是均勻地分布在裂縫中各個(gè)部分。但當(dāng)壓裂結(jié)束后，壓裂用水返回時(shí)，會(huì)將部分沙子攜帶到鉆孔底部，形成回流現(xiàn)象。壓裂剛完時(shí)，煤層內(nèi)壓力大，壓裂液回流速度大，攜帶沙子的能力強(qiáng)，回流的沙子也多。水、膠狀水及泡沫式常用的幾種壓裂液，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。膠狀水已經(jīng)在21次壓裂中使用過(guò)。它是水與植物膠的混合物，用它攜帶沙子及減少水分流失。泡沫壓裂液是水、氮?dú)?、泡沫劑及沙子的混合物。它比膠狀水有好些有點(diǎn)，它可以減少壓裂液在煤層內(nèi)的流失，也使“砂堵”減少。操作也很干凈，一天之內(nèi)壓裂液都會(huì)大部分從煤層流出來(lái)，它使用水

5、量要比膠狀水壓裂少60%80%。美國(guó)還曾使用過(guò)氮?dú)庾鳛閴毫岩后w，在瑪麗李煤層從一個(gè)335.28m鉆孔進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，效果也不好，瓦斯出得很少。2.4.2水力壓裂的試驗(yàn)效果在美國(guó)，60多次的水力壓裂中，有12次已經(jīng)在井下看到它的效果。1、 、xx達(dá)斯三號(hào)煤層在西弗吉尼亞州的這個(gè)煤層打了5個(gè)022.86cm直徑的鉆孔，其中一個(gè)孔采用水力壓裂，壓裂前瓦斯量為23.5m3/d，壓裂后14個(gè)月期間，瓦斯量達(dá)到152.63m3/d的平均值。由于波卡洪達(dá)斯三號(hào)煤層的透氣性很小，即使進(jìn)行壓裂以后瓦斯量仍不大。2、 xx煤層在四個(gè)地區(qū)向這個(gè)煤層打了21個(gè)垂直鉆孔，四個(gè)鉆孔都用膠狀水加沙子作水力壓裂。壓裂前，4個(gè)孔的

6、瓦斯量在300192.6m3/d之間，壓裂后瓦斯量上升到0.0120.0175km3/d之間。在考察期間4個(gè)鉆孔總共排出瓦斯1.2Mm3左右。為考察壓裂效果，在這個(gè)礦打了另外一個(gè)182m深的鉆孔，壓入27.6m3膠狀水及1589kg沙子。在井下生產(chǎn)見(jiàn)到沙子填充的裂隙：沿主裂縫方向發(fā)展的壓裂裂縫的寬度是3.212.7mm,長(zhǎng)度是6.1m,沿此裂縫方向，它們寬12.763.5mm,長(zhǎng)10.7m。3、 xx煤層在阿州豪也煤礦有50個(gè)垂直抽放鉆孔打進(jìn)這個(gè)煤層，五個(gè)鉆孔中有三個(gè)出瓦斯，平均瓦斯量在23.22169.9m3/d之間。一個(gè)孔作了水力壓裂，用膠狀水作為壓裂液，壓裂后鉆孔瓦斯量最高達(dá)232.2m

7、3/d，平均為62.30m3/d。在37個(gè)月期間，共排出瓦斯0.29Mm3。4、城門三號(hào)煤層猶他州有4個(gè)垂直鉆孔打進(jìn)這個(gè)煤層，鉆孔瓦斯平均在2.83m3/d以下，有一個(gè)鉆孔用膠狀水進(jìn)行加砂壓裂，壓裂后瓦斯量上升到36.8m3/d，七個(gè)月時(shí)間平均瓦斯量為24.07m3/d。在11個(gè)月中，4個(gè)鉆孔共排出瓦斯0.007Mm3。抽出瓦斯量少是因?yàn)槊簩油咚购啃?，透氣性低和地下水的綜合緣故。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)對(duì)壓裂情況進(jìn)行實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，大部分壓裂所造成的裂縫是垂直的，在煤層之內(nèi)，垂直的裂縫深入到頂板巖層及煤層頂板接觸處的水平裂縫，也都是可以見(jiàn)到的，但是到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們對(duì)于頂板的穩(wěn)定性有什么明

8、顯的影響。通過(guò)美國(guó)所進(jìn)行的大量試驗(yàn)來(lái)看，水力壓裂技術(shù)對(duì)于埋藏深、瓦斯大的煤層能夠取得較好的結(jié)果。在美國(guó)的匹茲堡及瑪麗里煤層，壓裂鉆孔的瓦斯流量能超過(guò)2.83Mm3/d。但對(duì)于瓦斯含量少，透氣性低的煤層，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用就很不成功。操作中的錯(cuò)誤也會(huì)使瓦斯流量減小，要想油井一樣的施工和維護(hù)，才能從這些鉆孔獲得較高的瓦斯流出量（xx，1990）。由于中國(guó)的絕大多數(shù)煤層屬于低滲透煤層，采用水力壓裂技術(shù)提高煤層氣開(kāi)采的效果不明顯。19981999年間，美國(guó)德士古公司在桃園礦、祁南礦、和孫磕礦施工了三口煤層氣評(píng)價(jià)井，在三口井的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，選擇在桃園礦南部氣田施工5口煤氣先導(dǎo)試驗(yàn)生產(chǎn)井組，后又追加2口井進(jìn)行壓裂排采。因單井產(chǎn)量低，不具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值，美國(guó)德士古公司于2002年終止