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1、煤层气压裂和排采技术 前言 煤层压裂是煤层气开发利用的核心和关键 近年来 煤层压裂在技术上已有很大进步 在应用上已取得显著成效 但也暴露出一些重大问题 亟待转变思想 大胆创新 以煤层压裂技术革命的形式 用非常规手段 这里提出非常规体积压裂 解决制约这种非常规资源勘探开发的技术难题和瓶颈 真正实现煤层气井长期高产稳产这里 首先归纳煤层压裂地质特征 揭示煤层压裂裂缝规律 分析煤层气采出机制 然后 以此为基础 探讨煤层压裂技术革命的发展方向 实现途径 可行方案和配套措施 并专门针对煤层气排采技术进行深入探索 汇报提纲 煤层压裂地质特征煤层压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技
2、术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议 一 煤层压裂地质特征 具有复杂的演化史和构造变形史 构造样式复杂 变质作用类型多 平面及纵向上的非均质性强 测井资料统计分析的韩城区块3 5 11 在纵向上的非均质性 一 煤层压裂地质特征 呈现层状结构 煤岩多孔松散 胶结程度较弱 原煤电镜扫描结果 综合岩石力学实验及测井解释的结果 一 煤层压裂地质特征 普遍发育天然裂缝 面割理与端割理 充填物少 主要为碳酸钙 黄铁矿等 一 煤层压裂地质特征 属于典型的压敏储层 压力敏感性强 六块煤芯的压敏实验结果 当围压增至12MPa时 煤芯剩余渗透率在1 78 5 14
3、平均为3 86 当回复至1MPa时 煤芯渗透率损失在55 12 78 48 平均为63 91 一 煤层压裂地质特征 基质渗透率普遍低 储层物性变化大 渗透率分布四个区块的 不完全具有代表性室内实验结果可能受所取煤样所限 汇报提纲 煤层压裂地质特征煤层压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议 二 煤层压裂裂缝规律 裂缝形态 目前 国内外在裂缝起裂与延伸方面 存在两套理论 即弹性断裂力学理论和天然裂缝开启理论 压裂基础理论 弹性断裂力学理论 天然裂缝开启理论 垂直缝 水平缝 分支缝 转向缝 T
4、形缝 复杂裂缝 裂缝网络 水平井压裂形成裂缝网络 称之为体积压裂 直井压裂形成裂缝网络 称之为缝网压裂 也属于体积压裂的范畴 二 煤层压裂裂缝规律 裂缝形态 从煤层压裂的现场监测结果来看 无论是测斜仪监测 还是微地震监测 9井14层压裂形成的水力裂缝形态都是一致的 这里仅显示韩3 1 015井11 煤层压裂的微地震监测结果 并进行分析 韩3 1 015井11 煤层压裂的微地震监测结果 二 煤层压裂裂缝规律 裂缝形态 根据压裂基础理论 结合煤层压裂地质特征 以现场裂缝监测结果为依据 综合判定煤层压裂所形成的水力裂缝为裂缝网络 平面上呈不规则的椭圆形 为便于研究和计算 平面上简化为基本规则的椭圆形
5、 煤层压裂裂缝模型 以井为中心 基本呈对称分布 该裂缝网络主要由主裂缝 次裂缝 微细裂缝交织而成 可形象化比喻为交通网络 其中主裂缝是高速公路 次裂缝是普通公路 微细裂缝是乡村小道 主裂缝 从井筒向外 沿最大主应力方向延伸 次裂缝 连接于主裂缝开始延伸 大割理 微细裂缝 连接于次裂缝 小割理或微裂隙 该裂缝模型可解释所有现场现象 易于被专业人士接受 二 煤层压裂裂缝规律 裂缝规模 为研究煤层压裂所形成水力裂缝的规模 对测斜仪监测结果和微地震监测结果进行统计分析 9井14层压裂的裂缝监测结果 水力裂缝在长轴方向的动态裂缝半长在85 195m之间 平均为119m 在短轴方向的动态裂缝半长在50 8
6、5m之间 平均为63 5m 长轴与短轴之比为1 0 53 为便于后面研究和计算 设定裂缝规模 长轴 短轴方向的动态裂缝半长分别为120 60m 长轴与短轴之比为2 1 二 煤层压裂裂缝规律 裂缝规模 用煤层压裂三维模拟软件计算支撑裂缝 有效裂缝 并用现场监测的动态缝长进行校核 统计模拟结果表明 水力裂缝在长轴方向的支撑裂缝半长在45 81m之间 平均为59 2m 占动态裂缝半长的49 7 估算在短轴方向的支撑裂缝半长为40m左右 为便于后面研究和计算 设定裂缝规模 长轴 短轴方向的支撑裂缝半长分别为60 40m 长轴与短轴之比为3 2 动态裂缝网络 支撑裂缝网络 汇报提纲 煤层压裂地质特征煤层
7、压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议 三 煤层气采出机制 采出机理及过程 煤层气的储集主要依赖于吸附作用 当煤层压力降落到解吸压力之下时 煤层气从微孔隙表面分离 通过基质和微孔隙扩散进入裂缝中 再经裂缝流入井筒 即先解吸扩散后渗流入井的采出过程 三 煤层气采出机制 采出机理及过程 煤层气的储集主要依赖于吸附作用 当煤层压力降落到解吸压力之下时 煤层气从微孔隙表面分离 通过基质和微孔隙扩散进入裂缝中 再经裂缝流入井筒 即先解吸扩散后渗流入井的采出过程 三 煤层气采出机制 影响产气量的因素
8、 主要有七大因素 三 煤层气采出机制 渗透率的影响 研究表明 煤层的低渗严重限制了煤层气井的产量 例如 0 1mD的低渗煤层在10MPa的压差下 5年流过50 6m 10年流过64 1m 15年流过69 7m 不同渗透率储层在不同压差下流体流经的距离与流动时间的关系 三 煤层气采出机制 压裂的作用 主要是形成支撑裂缝带 犹如大幅扩张井筒或钻水平井 有效沟通远井区域 缩短流体流入井筒的距离 三 煤层气采出机制 压降面积的影响及其计算 根据裂缝评估结果 可计算压降面积 结果表明 现有压裂技术不能支持高产 即使高产 无论如何排采 由于供气不足 必将快速衰竭 无法稳产 压降面积与支撑裂缝面积随生产时间
9、的变化 因此 煤层压裂技术必须革命 同时 唯有煤层压裂技术革命 才能实现煤层气井高产稳产 从而推动煤层气勘探开发事业和煤层气大规模开发利用 汇报提纲 煤层压裂地质特征煤层压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议 非常规体积压裂 在尽可能不降低煤层渗透率的前提下 造最大可能的支撑裂缝网络 形成横贯南北 跨越东西 四通八达的立体化裂缝网络 完全彻底地沟通远井区域 流体奔流入井 四 煤层压裂技术革命的发展方向 发展方向 同时 承前启后 推动地质选区 选井选层 井网部署 合理完井 正确排采等技术
10、实现跨越式发展 后面专门详细探讨井网部署 正确排采等 四 煤层压裂技术革命的发展方向 汇报提纲 煤层地质特征煤层压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议 扩张动态裂缝 最大可能地扩张动态裂缝网络 主裂缝深度穿透 次裂缝充分延伸 微细裂缝完全开启 五 煤层压裂技术革命的实现途径 最重要和关键的途径 压裂液粘度施工排量压裂液用量 扩张动态裂缝 提高压裂液粘度是必然的选择 但压裂液的高效能与低伤害 与低成本永远是矛盾 五 煤层压裂技术革命的实现途径 根据模拟结果 考虑低伤害与低成本的要求 压裂液
11、粘度可选3 6cp 最佳5cp 120 60m 143 7 76 2m 扩张动态裂缝 提高压裂施工排量是必须的 唯有强大的动能 才能满足超常规的需求 五 煤层压裂技术革命的实现途径 根据模拟结果 考虑设备能力 施工排量可选15 20m3 min 最佳16m3 min 120 60m 176 2 93 4m 扩张动态裂缝 众所周知 大规模 五 煤层压裂技术革命的实现途径 根据模拟结果 找拐点 压裂液用量可选2800 3500m3 最佳3000m3 120 60m 258 3 136 9m 有效支撑裂缝 动态裂缝不管用 支撑裂缝才有效 这与页岩气体积压裂本质不同 五 煤层压裂技术革命的实现途径 最
12、重要和关键的途径 高性能压裂液和超高排量支撑剂轻重结合支撑剂大小结合布砂方式优化 有效支撑裂缝 高粘压裂液易于携砂 超高排量便于带远 五 煤层压裂技术革命的实现途径 有效支撑裂缝 超低密度支撑剂输送到远端 普通密度支撑剂铺设于近井地带 五 煤层压裂技术革命的实现途径 有效支撑裂缝 细砂进入微细裂缝 中砂支撑次裂缝 粗砂饱填主裂缝 五 煤层压裂技术革命的实现途径 有效支撑裂缝 系统优化布砂方式 例如优化前置液用量 合理设置砂比等 五 煤层压裂技术革命的实现途径 汇总及要求 这里命名为非常规体积压裂 五 煤层压裂技术革命的实现途径 压裂液 高效能 低伤害 低成本压裂液 其粘度为3 6cp 最佳5c
13、p 其低伤害应与活性水的伤害 15 相当 其低成本应与活性水的成本 1 KCl 添加剂43元 m3 相当支撑剂 两结合的支撑剂 大小结合指应有100目 40 70目 30 50目 20 40目的支撑剂 而轻重结合指应有常规密度支撑剂 超低密度支撑剂施工排量 施工排量15 20m3 min 最佳16m3 min压裂液用量 压裂液用量2800 3500m3 最佳3000m3施工压力 预计施工压力比普通情况高10 20MPa 汇报提纲 煤层压裂地质特征煤层压裂裂缝规律煤层气采出机制煤层压裂技术革命的发展方向煤层压裂技术革命的实现途径煤层压裂技术革命的可行方案煤层压裂技术革命的配套措施结论 展望与建议
14、 压裂液可行方案 现有的活性水 TD 1清洁压裂液 胍胶压裂液显然不能满足要求 而且为充分张开煤层割理和微裂隙 最佳方式是采用复合压裂液 高粘与低粘配合 以交替的形式注入 目前 西南石油大学已成功研制出这两种压裂液体系及配方 完全满足要求 六 煤层压裂技术革命的可行方案 支撑剂可行方案 现有石英砂为100目 40 70目 30 50目 20 40目等各种粒径 体积密度为1 55g cm3 超低密度支撑剂已有20 40目 体积密度为1 15g cm3 但理想的超低密度支撑剂应为100目 40 70目两种粒径 体积密度为1 00 1 05g cm3 如无现货供应 可自行生产 因为该技术的核心已被掌
15、握 六 煤层压裂技术革命的可行方案 石英砂 超低密度支撑剂 泵注可行方案 范例 非常规体积压裂的三级交替注入 六 煤层压裂技术革命的可行方案 第一段 无伤害压裂液400m3 缓慢提升排量 由1 15m3 min 起到保护煤层 减轻压敏效应的作用 同时压开煤层 初步延伸裂缝第二段 无伤害压裂液700m3 排量15m3 min 充分延伸裂缝第三段 高效能压裂液400m3 排量15m3 min 100目和40 70目超低密度支撑剂 30 50目石英砂2 8 砂比 以进入微细裂缝为主第四段 无伤害压裂液200m3 排量16 8 16m3 min 排量提升并脉冲 充分起裂新的割理和微细裂隙第五段 高效能
16、压裂液500m3 排量16m3 min 100目和40 70目超低密度支撑剂 30 50目石英砂5 12 砂比 兼顾次裂缝和微细裂缝第六段 无伤害压裂液200m3 排量17 10 18m3 min 排量再次提升并脉冲 充分扩张主裂缝 次裂缝和微细裂缝第七段 高效能压裂液600m3 排量18m3 min 30 50目 20 40目石英砂10 30 砂比 饱填主裂缝 支撑次裂缝 压力 设备 井场可行方案 六 煤层压裂技术革命的可行方案 压力 预计施工压力比普通情况高10 20MPa 一方面是因为井筒摩阻变大 另一方面是因为故意有所堵塞 以便更充分地开启割理和微细裂隙 这就要求更高钢级 至少N80 尽可能更大管径 7英寸 质量合格的套管 井口耐压也要提升 可选用70井口设备 现有设备可以满足要求 两套压裂车可确保施工排量达到15 20m3 min井场 丛式井井场的优势得以发挥 对于要求的3000m3压裂液用量 如果液灌容积不够 可改为折叠式 能加高的液灌 或者类似于国外页岩气压裂的模式 挖坑造湖 经济可行方案 六 煤层压裂技术革命的可行方案 压裂费用估算 与两层压裂合计相比 非常规体积压裂需
