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1、煤储层水力压裂 基本实践与认识 汇 报 提 纲 前 言 1. 煤层气生、储、产概念 2煤层的基本物理特性 3煤层与砂岩层的差异 4煤层与砂岩层压裂差异 5煤层压裂技术要点 6煤层压裂施工程序 7煤层压裂案例分析 8复合压裂技术 9、氮气泡沫压裂 10、煤层压裂的认识 前 言 二十世纪九十年代，煤层压裂改造技术的突破是 我国煤层气勘探最重要的技术突破。 以压裂改造为核心的配套技术促进了我国煤层气 勘探迅速发展，并取得一批重大科研成果。 晋煤集团、中联公司、中石油等国内外煤层气公 司在沁南地区开发煤层气获得巨大成功，极大地 推动了我国煤层气产业化发展。 多分支水平井技术的突破和成功，更加促进了我
2、国煤层气产业的快速发展。 我国煤层气开发迫切需要更高水平的压裂技术， 研究、开发煤层压裂新技术迫在眉睫。 煤层气的生成 煤层气的储存 煤层气的产出 煤层气的产出 煤层瓦斯等温解吸示意图 0 0 20 10 510P,MPa m3/t P=12MPa 煤B饱饱和 煤C未饱饱和VC VB V= VmP PL+P C可采气量 临临界解吸压压力原始地层压层压 力 B 可采气量 残存压压力 煤A过饱过饱 和 煤层改造与煤层气产出关系 原生结构煤层 煤层产生裂缝 支撑裂缝 流体流动 煤层降压 煤层气解吸 煤层气渗流 煤层气产出 压裂 加砂 压力传导 排水 排水 排采 排采 煤层压裂的核心 核心技术 正确选
3、择压裂层段和完井方法 有效提高区域煤层的“透气性” 在煤系地层建立良好的产气通道 实现目的： 提高单井产气量裂缝效率 延长区块稳产时间整体降压 提高煤层气采收率通道稳定 2煤层的基本物理特性 矿物特性：煤层是以固定碳为主要成分的有机岩 体，含有一定量的挥发份物质，灰分在煤层中占 有相当的比例，煤层气主要以吸附形式储存于煤 岩体之中。 结构特性：宏观的单一煤层是由众多更薄的煤层 和夹矸构成，薄煤层、夹矸之间存在较大物性差 异；煤岩的孔隙度极低，煤层中广泛发育垂向、 成组型裂缝，但是裂缝的连通性较差。 含水特性：煤层裂隙普遍含水，煤岩孔隙不一定 含水，煤层一般不是富水层，煤层水矿化度普遍 较低。
4、2煤层的基本物理特性 力学特性：煤层普遍具有低杨氏模量，高 泊松比的力学性质，在外力作用下极易发 生塑性变形，其力学物性介于刚性塑性 物理体。 裂隙特性：煤层具有孔隙和裂隙双孔介质 特征，受煤化作用和构造运动影响，煤层 裂隙成组出现，多呈现“x”状组合，煤层 裂隙垂直于层面。 温度特性：目前开发的煤层气藏，埋深普 遍小于1200米，煤层温度普遍较低，一般在 30度左右，属于低温储层。 3煤层与砂岩层的差异 岩层物性的差异： 砂岩：杨氏模量高、泊松比低，单层厚度大、岩 层单一，储层岩性与围岩相近； 煤层：杨氏模量低、泊松比高，多层组合、岩层 复杂，煤岩与围岩差异大； 裂缝形态的差异： 砂岩：垂直
5、裂缝、两翼相对对称、裂缝高度大于 储层、线性裂缝； 煤层：“T”型裂缝、两翼不对称、裂缝高度限 于储层、体积性裂缝； 3煤层与砂岩层的差异 岩层温度差异： 砂岩：砂岩储层较深，储层温度一般都在50C 以上，属中高温储层； 煤层：煤层埋深较浅，储层温度一般都在30C 以下，属于低温储层； 压裂液伤害性差异： 砂岩：配伍性伤害、粘土膨胀性伤害、； 煤层：配伍性伤害、粘土膨胀性伤害、吸附性伤 害、粘度伤害； 3煤层与砂岩层的差异 固相颗粒伤害差异： 砂岩：少量岩粉 煤层：软煤煤粉；粉煤煤粉；块煤次生煤粉；夹 矸岩粉； 支撑剂镶嵌作用差异： 砂岩：砂岩硬度较高，选择合适硬度的支撑剂， 镶嵌作用不明显；
6、 煤层：石英砂硬度高于煤层硬度，在闭合应力 作用下，煤层裂缝闭合，石英砂易镶嵌于煤层之 中，降低裂缝导流能力； 4煤层与砂岩层压裂的差异 常规水力压裂的基本原理： 利用地面水动力在井眼形成高压，当井底压 力超过岩层抗压强度后，迫使岩层破裂； 受围岩遮挡影响，裂缝在纵向延伸受限， 在横向上一般沿最大主应力方向基本对称 延伸；利用支撑剂支撑裂缝、在岩层中获 得高导流能力通道，依靠裂缝效应改善岩 层的渗流特性，提高岩层有效渗流能力。 4煤层与砂岩层压裂的差异 煤层水力压裂的基本原理： 利用地面水动力在井眼形成高压，当井底压力 超过煤层抗压强度后，煤层破裂或裂缝张开； 在纵向上，受围岩遮挡制约，裂缝被
7、限制在一 定范围内；在横向上，受煤层结构影响，裂缝 沿煤层主裂缝和次裂缝方向同时延伸； 受煤 层应力和裂缝发育条件影响，主裂缝沿主应力 方向延伸较长，次裂缝也在一定范围内延伸。 压裂最终结果：在有限范围的煤层内，人造裂 缝将煤层原生和次生裂缝有效连通，在煤层中 形成大量“T”型裂缝和微裂缝，通过支撑裂 缝和裂缝效应改善煤层的渗流特性，提高煤层 有效渗流能力。 煤层瓦斯抽排地面钻井煤层瓦斯抽排地面钻井 煤层裂缝剪切效应 煤层裂隙示意图 煤层压裂裂缝监测图 压裂裂缝平面展布示意图 压裂裂缝 压降影响区 煤层气地 面抽采井 煤层压裂施工现场图 5煤层压裂技术要点 压裂煤层选择： 煤层结构原生结构煤层
8、优选，二类结 构煤层能选，三类结构煤层可选，四类结 构煤层不能选或回避。 煤层厚度单煤层厚度大于1.0m，多煤 层组合小于4层，煤层隔层厚度小于10m， 煤层组跨度小于20m。 围岩条件煤层顶底板岩层具有良好的 隔水性，隔水层厚度大于20m, 构造条件煤层产状平缓，远离断层和 陷落柱等构造地质体，避开富含水层。 5煤层压裂技术要点 射孔井段选择： 单煤层完全射孔煤层结构简单 单煤层选择性射孔煤层结构复杂 单煤层扩边射孔围岩裂缝发育或含气 多煤层与夹层组合射孔围岩裂缝发育或含气 射孔密度选择： 满足压裂需要有效控制单层射孔孔数， 满足生产需要高密度射孔 射孔枪型选择： 孔眼孔径10mm12mm
9、穿透深度700mm900mm 5煤层压裂技术要点 压裂液选择： 压裂液对煤层的伤害性作为最重要的使用条件； 充分考虑压裂液的造缝、携砂和返排综合性能； 常用压裂液：氯化钾盐水、活性水、低阻活性 水、煤层水、清洁压裂液； 慎用压裂液：化学交联胶、植物交联胶、线性 胶、高浓度表面活性剂； 推荐压裂液：氮气泡沫液、纯氮气、液体二氧 化碳； 选择使用压裂液：二氧化碳泡沫； 压裂液对煤层伤害性 活性水对煤层伤害性 压裂液对煤层伤害性 线性胶对煤层伤害性 压裂液对煤层伤害性 交联胶对煤层伤害性 5煤层压裂技术要点 支撑剂选择： 具有良好的球度、圆度、表面光洁度和分选性， 抗压强度2030MPa; 常用支撑
10、剂：石英砂、低密度陶粒、树脂砂； 研制支撑剂：轻型材料支撑剂视密度1.2g/m3 压裂液能够将支撑剂输送到更远的裂缝中， 在煤层中营造具有更高导流能力的裂缝； 支撑及组合：粉砂+中砂+粗砂+细砾砂 通过支撑剂粒径组合优化，实现压裂液降滤、微 裂缝支撑、增加主裂缝铺砂浓度、在近井眼区域 营造高导流裂缝的目标； 支撑剂用量：推荐支撑剂用量8-12m3 /m； 5煤层压裂技术要点 泵注程序优化 前置液+携砂液+冲洗液+携砂液+替置液量； 泵注排量控制： 由小到大逐步递增，合理控制、相对稳定； 携砂液密度控制： 由小到大台阶式递增，最后阶段迅速提高密度； 泵注压力控制： 限制最高压力在安全范围，正确处
11、理压力突变； 应急预案处理： 充分依靠压裂工程师的智慧与现场经验； 5煤层压裂技术要点 压裂后管理： 压力扩散与压降控制常规压裂施工后，应给 煤层充分的时间扩散压力，确保裂缝闭合后才能 开始排液；一般待井口压力下降到2.0MPa以下， 允许控制放溢流降压。 放溢速度控制放溢流初期阶段，控制放溢流 速度小于0.5m3 /h，确认溢流体没有煤粉等固相悬 浮物后，才可以逐步放大。 生产井眼清理推荐使用捞砂方式清理生产井 眼沉砂，防止煤层二次污染。 6煤层压裂施工程序 压裂准备：通井、洗井、试压、压裂井口安装、 压裂材料准备、压裂设备准备； 煤层射孔：推荐使用102枪装127聚能弹射孔，孔密 16孔/
12、米32孔/米，60相位角螺旋布孔； 压裂液配置：按设计量的120%配置压裂液，充分 循环均匀，检测达到设计要求方可使用； 支撑及准备：按设计量的110%准备支撑剂，现场 检测质量、数量达到设计标准要求； 测试压裂：通过测试压裂，现场获得煤层破裂、 压裂液滤失、流体摩阻等参数； 正式压裂：按照压裂泵注程序进行，根据压力、排 量变化合理调整施工参数； 6煤层压裂施工程序 裂缝监测：利用地球物理方法进行裂缝方位、侧向 宽度、主裂缝长度、裂缝高度等监测； 关井扩散压力：压裂后要求关井扩散压力，一般情 况下，井口压力降到2.0MPa以下允许放溢流； 开井放压裂液：要求用针型阀控制压裂液的排放， 一般要求
13、流量不大于0.5m/h； 井筒清理：推荐利用捞砂或冲砂工艺将生产井眼清 理到最下面煤层底板以下50米； 生产管柱安装：按照排采要求完成排水采气管柱的 安装，进行正常排水采气； 7煤层压裂案例分析 原生结构煤层压裂 软煤层、粉煤层压裂 硬煤与软煤层混合压裂 煤层与砂岩层混合压裂 多分支水平井压裂 氮气泡沫压裂 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 煤层压裂施工曲线 8煤层复合压裂技术 水平井压裂技术 水平井增透压裂利用水力压裂将水平井主井眼、 分支井眼与煤层裂缝有效连通，增加煤层泄压面积；
14、水平井连通压裂利用水力压裂将水平井眼与生产 井眼有效连通，有效提高煤层气井产能； 分支排水井压裂对于沿煤层下倾方向完成的水平 井，可以在其主井眼端部布置排水井，通过对排水井 进行压裂，沟通主井眼，促进水平井区域煤层排水降 压； 水平井压裂连通是主要目的，加砂不是追求目标； 8煤层复合压裂技术 裸眼洞穴井压裂技术 裸眼洞穴完井在煤层段完成裸眼造洞穴施工， 有效促进煤层应力释放，增加煤层透气性； 裸眼洞穴压裂利用水力压裂将裸眼洞穴井与煤 层裂缝有效连通，通过支撑裂缝和煤层应力重新分 布双重作用，提高煤层有效渗透性； 裸眼洞穴清理利用冲砂、破碎、捞砂等项组合 技术对洞穴进行清理，满足排采水生产要求
15、获得洞穴应力效应与水力压裂双重增产效果； 9 氮气泡沫压裂 氮气泡沫压裂概念 由氮气和泡沫液两相生成的具有稳定泡沫性 能的氮气泡沫液体系称为氮气泡沫。 用氮 气泡沫作为压裂液，利用高压泵组压裂岩 层的施工过程称为氮气泡沫压裂。 氮气泡沫压裂优势 氮气泡沫具有低密度、低滤失、低伤害、高 粘度的特性； 压裂施工具有造缝能力强、悬砂性能好、压 裂液易返排等突出优点 氮气泡沫显微照片 9 氮气泡沫压裂 氮气泡沫压裂实践 2005年在潘河煤层气田进行了2口井的泡沫压裂试 验，同区、同类煤层压裂对比，增产效果明显。 氮气泡沫压裂发展前景 低压、低渗、低变质、低饱和度、高水敏性煤层 在我国普遍存在，常规水力加砂压裂难以获得理 想的增产效果； 氮气泡沫压裂具有低伤害、低滤失、易携砂、易 返排的突出优点，对“四低一敏”煤层进行压裂 会更加有效，对开发难动用煤层气资源意义重大 。 泡沫压裂施工现场 10煤层压裂的认识 压裂煤层的选择 完井方式的选择 压裂液的选择 支撑剂的选择
