煤層氣水力壓裂技術(shù)簡介-中國礦業(yè)大學(xué)

1、1煤層氣井壓裂技術(shù)煤層氣井壓裂技術(shù)匯報人：周龍剛匯報人：周龍剛專題研討專題研討 中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院 2011年12月3日2 壓裂的目的及意義壓裂的目的及意義一一 壓裂機理及一般流程壓裂機理及一般流程二二壓裂液壓裂液三三壓裂裂縫壓裂裂縫四四專題研討專題研討提 綱：3 壓裂的目的及意義壓裂的目的及意義一一壓裂消除了井筒附近儲層在鉆井、固井、完井過程中 造成的傷害。壓裂使井孔與煤儲層的裂隙系統(tǒng)更有效的聯(lián)通。壓裂可加速脫水，加大氣體解析率，增加產(chǎn)量。壓裂可更廣泛地分配井孔附近的壓降，降低煤粉產(chǎn)量。專題研討專題研討4 2.1 2.1 機理機理 利用地面高壓泵組，將高粘度壓裂液在大排量條件下注入井中，在

2、井底憋起高壓；當(dāng)此壓力大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關(guān)井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，溝通煤層裂隙，最后通過煤層氣排水-降壓-解吸的過程，達到正常排氣的目的。憋壓造逢裂縫延伸充填支撐劑裂縫閉合 壓裂機理及一般流程壓裂機理及一般流程二二專題研討專題研討52.2 2.2 壓裂的一般流程壓裂的一般流程 原始煤層壓裂井的施工主要經(jīng)過3個階段:完井階段、儲層改造階段(即射孔、壓裂階段)、排水采氣階段。（1）壓裂方案設(shè)計：（裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計；壓裂液類 型、配

3、方選擇及注液程序；支撐劑選擇及加砂方案設(shè) 計；壓裂效果預(yù)測和經(jīng)濟分析等。 ）（2）壓前準備：配制壓裂液，壓裂車組、設(shè)備調(diào)試完畢。（3）施工過程： 前期：注入前置液，降低濾失，破裂地層，造縫， 降溫，壓開裂縫后前期加入細砂。 中期：注入攜砂液，攜帶支撐劑（先中砂后粗砂）、 充填裂縫、造縫。 后期：注入頂替液，中間頂替液：攜砂液、防砂卡； 末尾頂替液：提高攜砂液效率和防止井筒沉砂。專題研討專題研討6 S1S1S2S2S3S3壓裂壓裂專題研討專題研討圖1 壓裂過程示意7 圖圖2 壓裂施工現(xiàn)場壓裂施工現(xiàn)場壓裂材料：壓裂液和支撐劑施工參數(shù)：排量和壓力壓裂設(shè)備：泵車(組)、液罐、砂車、儀表車專題研討專題研

4、討8 水基壓裂液、泡沫壓裂液、油基壓裂液、乳化壓裂液清潔壓裂液，純氣體壓裂液（液化）。 40、50年代，礦場原油、凝膠油、粘性乳化液；60年代瓜爾膠稠化劑的問世現(xiàn)代壓裂液化學(xué)的誕生； 70年代，水基壓裂液迅速發(fā)展，占主導(dǎo)作用；80年代泡沫壓裂液技術(shù)取代了部分水基壓裂液 。目前，泡沫壓裂液、液體CO2壓裂液、液氮壓裂液也開始應(yīng)用。壓裂液壓裂液三三專題研討專題研討3.1 3.1 種類種類3.2 3.2 發(fā)展發(fā)展93.3 3.3 要求要求 濾失少、懸浮能力強、摩阻低、熱穩(wěn)定性及剪切穩(wěn)定性能好、低殘渣、配伍性好、破膠迅速徹底、貨源廣，便于配制，經(jīng)濟合理。 3.4 3.4 按階段劃分按階段劃分 按照在壓

5、裂施工中的不同工藝作用，壓裂液可以分為：前置液、攜砂液和頂替液。前置液：是壓開地層并造成一定幾何尺寸的裂縫，以備后面 的攜砂液的進入。在溫度較高的地層里，它還可以 起到一定的降溫作用。 攜砂液：將支撐劑帶入裂縫，繼續(xù)擴張裂縫，冷卻地層。頂替液：將攜砂液頂替進裂縫，防治余砂沉積井底形成砂卡。專題研討專題研討10 前置液攜砂液頂替液圖3 SH133 壓裂施工曲線圖專題研討專題研討11稠化劑：植物膠，瓜爾膠 、香豆膠 、田菁膠等交聯(lián)劑：交聯(lián)凍膠壓裂液，交聯(lián)劑是必不可少的添加劑 （硼砂）防膨劑：粘土穩(wěn)定劑，氯化鉀 助排劑：促使壓裂后破膠壓裂液迅速返排 ，活性水、線 性膠和交聯(lián)凍膠壓 裂液中都需要加入助

6、排劑 破膠劑：線性膠，特別是交聯(lián)凍膠壓裂液 （過硫酸銨 ， 生物酶破膠劑 ）殺菌劑：壓裂液中的稠化劑多糖聚合物在細菌作用下會發(fā) 生降解，導(dǎo)致粘度下降。（甲醛液）PH調(diào)節(jié)劑：調(diào)節(jié)壓裂液PH值 表面活性劑、降濾劑等專題研討專題研討3.3 3.3 添加劑添加劑12 類型:吸附傷害、堵塞傷害、水化膨脹傷害和化學(xué)傷害(1) 煤比表面積較大，容易吸附物質(zhì)（特別是有機物）。(2) 壓裂液濾失、反排不徹底，滯留儲層造成液堵。(3) 壓裂液殘渣，返流堵塞填砂裂縫，降低裂縫導(dǎo)流能力； 另一方面較小顆粒殘渣，穿過濾餅隨壓裂液一道進入 地層深部，堵塞孔隙喉道。(4) 粘土礦物膨脹，煤粉運移堵塞裂隙，引起壓裂壓力增 大

7、，裂縫方向改變。(5) 壓裂液與儲層不配伍造成的傷害，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。專題研討專題研討3.4 3.4 壓裂液對儲層的傷害壓裂液對儲層的傷害13 壓裂液類型優(yōu)點缺點適用范圍使用比例國外國內(nèi)水基壓裂液廉價、安全、可操作性強、綜合性能好深度高，殘渣、傷害高除強水敏性儲層外均可用606065659595油基壓裂液配伍性好、密度低、易返排傷害小成本高，安全性差，耐溫較低強水敏，低壓儲層5.05.03.03.0乳化壓裂液殘渣少、濾失低、傷害較小摩阻較高，油水比較難控制水敏，低壓儲層、低中溫井5.05.02.02.0泡沫壓裂液密度低、易返排，傷害小、攜砂性好施工壓力高，需特殊設(shè)備低壓、水敏領(lǐng)導(dǎo)252530

8、30液態(tài)CO2壓裂液不會引入任何流體，對地層無傷害，有利于壓后投產(chǎn)施工設(shè)備特殊，成本遠高于其它體系，施工規(guī)模較小干氣氣藏，低壓油藏-0 0表1 國內(nèi)外壓裂液類型及使用現(xiàn)狀專題研討專題研討14壓裂裂縫壓裂裂縫四四裂縫形態(tài)主要包括裂縫的長度、寬度和高度及走向長度：隨著裂縫寬度的增加，裂縫長度將受到限制。寬度：壓裂裂縫的寬度與其彈性模量成反比。方位：同一盆地沒有明顯的方向性，但是存在著在某一方向 裂縫出現(xiàn)機率相對較大的現(xiàn)象。 裂縫形態(tài)4種類型：水平縫、垂直縫、先水平縫后垂直縫、兩冀不對稱縫 (一冀為垂直縫，一冀為水平縫)。形態(tài)復(fù)雜的例如“T”、“工”，爪 型裂縫。4.1 4.1 裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律裂

9、縫形態(tài)及擴展規(guī)律圖4 裂縫延伸形態(tài)15 一般首先在井筒附近產(chǎn)生不規(guī)則水平縫，然后隨著裂縫的進一步延伸，有的井產(chǎn)生水平縫，有的井產(chǎn)生垂直縫。裂縫的高度超過壓裂層厚度的裂縫的高度超過壓裂層厚度的4倍，最高達到倍，最高達到6倍，一般在倍，一般在24倍倍表2 沁水盆地煤層氣井壓裂裂縫高度測試結(jié)果表專題研討專題研討4.1 4.1 裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律16專題研討專題研討包括裂縫高度測量和裂縫方位及長度的監(jiān)測 走向：井眼三維地震、地震聲波井下電視、井下電視照相高度、寬度：水力阻抗監(jiān)測、伽瑪射線測井、井溫測井、超聲波成像測井 沁水盆地：方位、長度:大地電位法或微地震法高度：井溫測試法或放射性

10、同位素示蹤劑（伽馬測井法） 4.2 4.2 裂縫監(jiān)測方法裂縫監(jiān)測方法17專題研討專題研討 圖5 煤層壓裂后電位(Vm)純異常等值線圖圖圖6 壓前和壓后的井溫測量壓前和壓后的井溫測量18專題研討專題研討 現(xiàn)在采用較普遍的裂縫擴展模型有二維的PKN模型、KGD模型、RADIAL模型，以及三維的全三維模型和擬三維模型。 主要差別是裂縫的擴展和裂縫內(nèi)的流體流動方式不同： 二維模型假設(shè)裂縫高度是常數(shù)，即流體僅沿縫長方向流動。裂縫內(nèi)仍是一維流動(縫長)。 擬三維模型和真三維模型縫高沿縫長方向是變化的，在縫長、縫高方向均有流動(即存在壓力降)。 4.3 4.3 裂縫擴展模型裂縫擴展模型19專題研討專題研討

11、4.3 4.3 壓裂裂縫形成的控制因素壓裂裂縫形成的控制因素1 煤巖本身的巖石力學(xué)性質(zhì) 2 地應(yīng)力，不同構(gòu)造部位煤層與褶皺中和面的 位置關(guān)系 （局部構(gòu)造地應(yīng)力） 3 割理、孔隙系統(tǒng)，先存裂隙5 溫度,在深井中,也會對破裂壓力造成影響6 壓裂施工作業(yè)參數(shù)，如施工規(guī)模和施工排量 等，也可以在一定程度上改變裂縫形狀。4 煤層埋深20專題研討專題研討 “T”、“工”型縫4.3.1 煤巖本身的巖石力學(xué)性質(zhì) 煤巖彈性模量E較低，泊松比u較高，決定煤巖壓裂時易形成短而寬的裂縫；煤巖不均質(zhì)性，造成了壓裂裂縫形態(tài)復(fù)雜。 根據(jù)蘭姆方程，巖石中壓裂裂縫的寬度與其彈性模量成反比。因此，同常規(guī)砂巖壓裂結(jié)果相比，煤巖更易

12、形成短寬裂縫；隨裂縫寬度增加，裂縫長度將受到限制。 煤層與頂?shù)装宓慕唤缣幋嬖谝粋€弱面，在弱面處造成一個低應(yīng)力區(qū)（遮擋層）。壓裂裂縫垂向延伸至弱面時由于受到應(yīng)力阻擋，裂縫將沿弱面處的低應(yīng)力區(qū)延伸，形成“T”形縫或“工”形縫，對裂縫高度擴展影響較大。21專題研討專題研討4.3.2 地應(yīng)力 地應(yīng)力大小和方向控制煤層氣井水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態(tài)。（晉城西）hhHhKhHBHhA3333TPcHh3A、B處壓力集中：起裂壓力：水平主應(yīng)力差系數(shù)Kh:22專題研討專題研討4.3.2 地應(yīng)力 鉆井以后，井筒周圍壓力重分布，使最大水平主應(yīng)力沿井筒周向呈環(huán)狀分布,最小水平主應(yīng)力沿井筒呈放射狀分布。應(yīng)力集中的影響范圍約為井筒半徑的10倍。 水力裂縫起裂方位不但與水平主地應(yīng)力方位有關(guān),而且與水平主應(yīng)力差的大小有關(guān)。高水平主應(yīng)力差條件下,水力裂縫易于在井壁處沿垂直最小水平主應(yīng)力的方位起裂并延伸,產(chǎn)生較為平直的水力主縫。低水平主應(yīng)力差條件下,水力裂縫容易溝通各種成因的天然裂縫,并沿天然裂縫擴展,產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫。 傳統(tǒng)經(jīng)驗方法從煤巖本身性質(zhì)出發(fā)來判定壓裂裂縫的臨界轉(zhuǎn)化深度,在地