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1、煤层气井压裂技术的现场应用王杏尊刘文旗孙延罡马跃进二、晋城地区煤层基本情况1. 地质概况晋城地区位于沁水盆地南部斜坡,东临太行山隆起,西临霍山凸起,南为中条隆起,北以北纬 36线连接沁水盆地腹部,面积约 3260km2 ,是以石炭二叠系含煤沉积为主的富煤区,初步确定有利于煤层气勘探的煤层埋深为 3001500m 。在这一深度范围内,含煤面积 1696km2 ,煤碳资源量 348108t ,煤层含气量以平均值 13m3/ t 计算,煤层气资源量估计为 4500 108m3 ,其中已探明和控制的含气面积约 406km2 ,煤层气地质储量 992 108m3 。此区块煤层气勘探的目的层系主要是二叠系
2、山西组和石炭系太原组,山西组 3 # 号煤、太原组 15 #煤单层厚度大、分布稳定,具有较强的生气能力,因而成为这一地区煤层气试采的主要目的层。2. 力学参数煤的力学参数主要有弹性模量、泊松比、抗压强度、体积压缩系数、抗张强度等,这些参数可由实验室样品测试求取,也可用测井曲线求取,前者称静态参数,后者称动态参数。晋试 1 井煤层力学参数见表 1。根据晋试 1 井室内测试结果,结合测井解释的动态结果计算出煤的静态力学参数如下:3 # 煤层:扬氏模量 3970MPa ,泊松比 0. 3 ;15 # 煤层:扬氏模量 2684MPa ,泊松比 0. 32 。三、压裂工艺技术应用此区块共压裂 6 口井
3、11 井次,压裂层段为 3 # 、15 # 煤层。有 3 口井进行了测试压裂,两层分压后进行合采。1. 工艺管柱常规压裂中,90 %的液体摩擦阻力发生在井筒中的压裂管柱内,并且与进液面积成反比。在煤层压裂中由于煤层施工压力较高,如果摩阻比较大,势必会对地面设备(如压裂泵、管线、井口等) 提出较高的指标要求。因此除晋试 1 井采用封隔器分压管柱、油管注入外,其它 5 口井均采用油套混注。2. 泵注排量提高排量是煤层压裂的重要方面,它有利于形成较宽的裂缝,降低或弥补压裂液在煤层中的滤失量。特别是采用低粘压裂液时,更应该把提高排量作为主要因素考虑。由此排量范围在4. 07. 2m 3/ min。3.
4、 压裂液类型通过室内试验优化了 2 种压裂液:活性水和胍胶压裂液(冻胶) 。4. 支撑剂主体砂为 20/ 40 目石英砂,尾追 18/20 目石英砂。5. 泵注程序分段加砂,活性水压裂液的平均砂比为 7. 3 %32. 4 % ,胍胶压裂液(冻胶) 的平均砂比为 17. 3 %34. 1 %。四、压裂施工晋试 1 井组共进行 11 井次水力压裂施工,使用了活性水和冻胶 2 种压裂液,施工参数见表 2。从表 2 分析,Jin1 - 1 (3 # ) 施工压力较正常,其它井都出现超压现象。4 井次出现了脱砂现象。五、压裂施工分析1. 大地电位法监测裂缝情况此井组的 Jin1 -1、Jin1 - 5
5、 井进行了地面电位测量,以判断该区域裂缝延伸方向及大小(见表 3) ,压裂施工的压力流量砂比综合曲线见图 1图 4。图 1 Jin1 - 3 井压力流量砂比综合曲线图 2 Jin1 - 5 井压力流量砂比综合曲线图 3 Jin1 - 4 井压力流量砂比综合曲线图 4 Jin1 - 1 井压力流量砂比综合曲线从综合曲线可看出,活性水压裂液比胍胶压裂液施工摩阻高,液体滤失量较大,压后压力很快扩散,出现脱砂的可能性也很大。3. 施工压力分析从以上压裂施工数据分析,破裂压力为 17. 751. 1MPa 。根据这个施工破裂压力计算的破裂梯度范围在 0. 0330. 081MPa/ m 之间,但此区块压
6、裂施工出现过高的破裂梯度并不能反应地层真实的破裂梯度值。根据压前进行的测试压裂得出的破裂梯度:晋试 1 井是 0. 024MPa/ m ,Jin1- 4 井是 0. 0308MPa/ m ,Jin1 - 5 井是 0. 029MPa/ m。对该结果和施工压力曲线进行分析可看出:除 Jin1- 1 (3 # ) 施工压力正常外,此区块其它的压裂施工从起泵开始就出现超压,并在整个过程中保持高值,从而造成有些煤层难以注入大量的砂子。出现高压的最合理的解释是:(1) 近井带裂缝扭曲。井筒附近裂缝扭曲降低了近井地带裂缝的宽度和导流能力,从而造成异常高的破裂压力。(2) 煤层多孔弹性效应。当地面高压液体造
7、缝进入煤层后,微裂缝系统吸水并张开增加了液体的滤失量,滤失量增加使煤层(裂缝壁面 ) 孔隙压力升高,从而引起地应力增大,裂缝内的液体继续延伸受到阻碍,诱发地面施工压力升高。(3) 多重水力裂缝的出现。根据测试压裂计算的破裂梯度范围 0. 0240. 0308MPa/ m ,地层出现“T”型裂缝,即水平裂缝和垂直裂缝同时生长,会造成沿这种裂缝前进的流体流动阻力增大,从而出现异常压力值。(4) 裂缝末梢的煤粉堵塞。如果在这个过程中产生大量煤粉,那么它将会集中在裂缝末梢处妨碍裂缝扩展。六、结论及认识1. 在煤层气压裂中,诱发地面压力升高的原因有 3 种: (1) 煤层多孔弹性效应; (2) 裂缝末梢的煤粉堵塞; (3) 产生复杂、弯曲裂缝。为防止施工中出现超压,可在泵入主体砂 20/ 40 目石英砂前,先泵入40/ 70 目石英砂;或用合适浓度的酸液清洗炮眼。2. 在近井地带易发生裂缝扭曲现象,影响裂缝导流能力,造成异常高的破裂压力。3. 对滤失量较大的煤层应采用: (1) 高注入排量; (2) 使用高粘度、剪切稳定的交联凝胶或添加具有防滤失作用的添加剂。4. 煤层水力压裂后,产生的水力裂缝不同于砂岩地层,形成的裂缝不只 1 条,会出现多条复杂裂缝,裂缝的长度在 100m 以内。
