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1、大兴矿煤层气水力压裂工艺分析与优化大兴矿煤层气水力压裂工艺分析与优化卢昊阳，周利华（湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭 411201)摘要：摘要：对于煤层气开发而言，研究煤的水力压裂，不但有利于我们清楚地认识煤层水压致裂过程，而且可以研究水力压裂时的水压力对瓦斯突出、煤体变形以及对煤层气抽采的影响，是许多工程学科都必须面临的前沿课题，也是当代新兴能源行业必须解决的实际问题本文根据铁法盆地煤层气的特点， 充分考虑煤储层的保护措施，选择优质压裂液避免造成对煤储层的伤害以及二次污染，有效的保护了煤储层，并可以充分激励煤储层，提高煤层气产量 关键词：关键词：铁法矿区；煤层气；水力压裂Coal
2、 bed methane hydraulic fracturing process analysis and optimization of Daxing Mine Lu Haoyang，ZHOU Lihua(School of Energy and Safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China)Abstract: As to coalbed methane development, we study the hydraulic fracturing of coal, no
3、t only beneficial to us that we can clearly recognize that the water pressure fracturing process of coal seam, and also the water pressure when you study the hydraulic fracturing of gas outburst in coal deformation and coal bed methane extraction, we can say that it is the leading issue that many en
4、gineering subjects are facing, also is the practical problem that contemporary emerging energy industry must solve. According to the characteristics of Tiefa Basin coalbed methane, we should give full consideration to the protection measures of coal reservoir, and choose the quality fracturing fluid
5、 to avoid damage to the CBM and secondary pollution, as a result, effective protect the coalbed and sufficient excitation of coalbed, improve the production of CBM.Key words: Tiefa Mining Area; Coal Bed Methane; Hydraulic Fracturing煤层气作为一种新型的清洁能源，可弥补常规油气资源的不足；减轻矿井灾害程度；改 善地球大气环境1研究区铁法煤田的煤层是温度作用为主，压力作
6、用欠缺的条件下所形成 的煤体结构，因而煤的成块率较高，地质构造作用对煤层影响小；煤体结构按照一般性划分 主要以原生结构为主，有利于压裂完井裂缝延伸及裂缝支撑，这是铁法煤层气开发的一个优 势但是，大兴矿煤层气地质的特点为低渗、低压、低饱和等“三低”现象突出，煤储层渗透 率具有相对较低的特性，获得煤层气井商业性产量的有效途径就是实施煤储层压裂改造1 铁法煤田大兴井田煤储层铁法煤田大兴井田煤储层特征特征1.1 大兴井田地质概况大兴井田地质概况铁法煤田位于天山-阴山纬向构造带及新华夏系第二沉降带的交接复合部位，为一断拗 式沉积盆地大兴井田则位于该沉积盆地的南部，井田内断层较发育2 大兴井田是铁法煤田的
7、富煤中心，各煤层自然分层较多，复合煤层为主要形式一般在 -600 m以浅，煤质以长焰煤为主，-600 m以深则以气煤为主另外，由于受到辉绿岩侵入的 影响，在接触变质带周围还存在有少量不粘煤和天然焦煤2 1.2 构造条件对煤层气含量的影响构造条件对煤层气含量的影响 煤储层的相对渗透率和井底压力是控制煤层气产能的最关键参数3研究区内由于辉绿 岩的侵入，导致局部煤层含气量较高；且研究区由于第三纪岩浆的活动，局部改变了煤层含 气量随煤层埋深增大而增高的区域性分布格局4 1.3 煤层气含量及其变化规律煤层气含量及其变化规律 大兴矿煤层气含量的变化规律为：在水平面上表现为由北向南、由东向西逐渐增高的趋 势
8、，且南北方向比东西方向的变化显著；在垂直方向上则表现为下部煤层气的含气量大于上部煤层5 1.4 煤储层的渗透性煤储层的渗透性 煤层渗透性是衡量煤层中气-水流体在压差作用下通过有效孔隙流动能力的参数，具体 评价时用渗透率表示它的好坏直接影响煤层气的产气速率和产气历程，其值大小取决于煤 层的裂隙、孔隙的多少以及煤层的连通性单相渗透率是指单相流体通过煤岩体孔、裂隙时 的渗透率通过测量煤岩样在一定压差下的流体流量，然后由达西定律计算出气和水等单相 渗透率，即：)(1022 02 12 0 ppAqpKgg g（1） 式中，-气测渗透率，10-3；p0-大气压,MPa；qg-大气压下气流量,cm3/s；
9、-在测定温gK2mg度下CH4的粘度，mPas；L-煤样长度，cm；A-煤样横断面面积，cm3；p1-进口压力，MPa 铁法大兴矿曾对矿区4口煤层气勘探井的7个煤层进行渗透率测试，测得其煤层气井渗透率在0.351.5110- 3，说明了铁法盆地煤储层的渗透性较好52m2 煤岩压裂机理研究煤岩压裂机理研究2.1 煤层水力压裂技术煤层水力压裂技术意义意义 水力压裂技术是应用于高瓦斯低透气性突出煤层的一种卸压增透消突技术研究区煤层 强度低，且天然裂缝发育，煤岩泊松比高、杨氏模量低、硬度低且易破碎，煤层水力压裂的 实施相对容易.煤层通过水力压裂，加快煤层气解吸-扩散-渗流的速率，提高煤层气采收率 2.
10、2 水力压裂的基本原理水力压裂的基本原理 水力压裂的基本原理是将携带压裂液的高压水注入煤体中的裂隙，克服最小主应力和煤 体的抗裂压力，扩展并沟通这些裂隙，进而在煤体中产生更多的人造裂缝和裂隙，从而增加 煤层的透气性6；同时高压水进入煤体裂隙后可以挤排煤体中的瓦斯，增加钻孔的瓦斯抽放 量 2.3 水力压裂的研究水力压裂的研究目的目的 水力压裂技术作为提高煤层透气性的途径已得到极其广泛的应用煤层气井压裂的最终 目标是增加煤层气产量，保证煤层气能迅速并相对持久地抽放，抽出量较压裂前可增加到数 倍之多7压裂工艺、施工参数、压裂液的性能以及配伍性、压裂规模等的选择以及优化是 否合理，都将影响煤层气井压裂
11、的最终效果 2.4 煤层气增产措施亟待解决问题煤层气增产措施亟待解决问题 目前存在的水力加砂压裂技术、N2泡沫压裂技术、清洁压裂液压裂技术、注CO2提高煤 层气采收率技术等也在煤层气开采中取得了较好的效果，但同时这些技术手段存在破坏煤层 原生结构、增产见效慢、开发成本高等缺点8水力压裂过程中压裂施工压力高、对裂纹扩 展规律的研究不够，煤层物性的各向异性决定了煤层中一个非常复杂的裂缝系统的形成93 压裂工艺技术及生产应用压裂工艺技术及生产应用 3.1 煤层水力压裂技术煤层水力压裂技术 在煤层气开发中，水力压裂的要素是压裂设备、压裂材料以及压裂工序对煤层进行储 层改造，改善煤储层的流动通道，能够获
12、得工业性气流煤层气垂直井水力压裂目的可以概 括为：连通井筒与整个储层；穿透近井地带的伤害层；加速排水和降压速度，提高产气量； 分散压差，减少煤粉产出3.1.1 煤层气垂直井水力压裂设备 水力压裂的装置主要有携砂车、混砂车、压裂车、管汇车、管线车、测量车、压裂液罐 以及水泵等10 水力压裂时包括三个主要技术环节：一是在煤层中劈开裂缝；二是在劈开的裂缝中通过 支撑剂支撑；三是把支撑剂顶替到煤层中 3.1.2 煤层气水力压裂施工工序 水力压裂的装置依次连接后，即可进行水力压裂。具体施工工序如下10：循环管线试 压小型压裂造缝加砂顶替洗井 3.2 煤层水力压裂施工压裂材料煤层水力压裂施工压裂材料 实际
13、施工中与煤层直接接触的是压裂液和支撑剂，而更加广泛的则是压裂液 3.2.1 压裂液的选择压裂液在煤层气水力压裂过程中起到至关重要的作用如果压裂液选择不当，则会对煤 层裂缝造成伤害，将导致煤储层内裂缝导流能力降低，不但影响煤层排水降压，还会影响煤 层吸附气的解吸10 表表 1 压裂液类型及使用现状压裂液类型及使用现状Tab.1 Fracturing fluid type and use situation使用比例（）压裂液类型优点缺点适用范围国外国内水基压裂液廉价、安全、可操作性强、综合性能好深度高、残渣、伤害高除强水敏性地层均可使用606595油基压裂液配伍性好、密度低、易返排伤害小成本高、安
14、全性差、耐温较低强水敏以及低压地层5.03.0乳化压裂液残渣少、滤失低、伤害较小摩阻较高、油水比较难控制水敏性及低压储层5.02.0泡沫压裂液密度低、易返排、伤害小、携砂性好施工压力高、需特殊设备水敏、低压储层、低中温井2530液态 CO2压裂液不会引入任何流体、对底层无伤害、有利于压后投产施工设备特殊、成本高、施工规模较小千气气藏、低压油藏0煤层气水力压裂中所使用液体的种类：清水压裂液；活性水压裂液；凝胶压裂液；线性 胶压裂液；N2泡沫压裂液；CO2压裂液；清洁压裂液.具体施工过程中优先选择活性水系列压 裂液改造煤层；推荐应用氮气泡沫压裂液改造煤层；有条件的地区使用二氧化碳液体压裂 液 3.
15、2.2 支撑剂的选择 支撑剂可以使裂缝继续向前延伸，也可以支撑已经压开的裂缝由于煤层的特殊性，支 撑剂同样需要进行优选压裂液选择液体的三个重要原则：对煤层伤害力求达到最小；确保 施工能够成功，满足地质的要求；最大限度的降低成本 目前较广泛应用于压裂施工的支撑剂是天然石英砂一方面由于煤层埋藏浅，闭合应力 小，因此对支撑剂强度要求不高；加之天然石英砂来源广，价格便宜，符合煤层气低产低投 入的原则10 两种较常用石英砂的规格：0.4250.85mm，0.851.18mm根据实验结果，提高携砂液 的砂比有利于提高施工效果支撑剂组合形式为粉砂、中砂、粗砂与细砾砂；煤层中支撑剂 用量推荐为 8-12m3/
16、m3.3 压裂井地层改造技术压裂井地层改造技术 压裂井地层改造技术是指射孔与压裂相结合的工艺，即在原始煤层中对需要改造目的层 段进行射孔、压裂，对低透气性煤层气储层进行改造，使得原始煤层产生较多的裂隙，增加 透气性结合研究区煤田煤层层数多、厚度大、层间距小和结构复杂等赋存特点，DT3和DT4压 裂井实际施工中采用分段合层射孔、水力携砂压裂方式，射孔和压裂依次进行，压裂由下及 上的进行；射孔采用96型射孔弹以90相位角螺旋布孔，且一次性射孔孔密度为16每m/孔 层压裂施工的步骤为：通井一射孔一试压一压裂一放喷一填砂，压裂过程中视压裂情况而进 行投球，第一层压完后随即填砂至第二层并进行压裂，直至各层全部压完9 3.4 现场应用及结论现场应用及结论 现场施工中我们将DT3和DT4压裂井作为原始煤层压裂井，完善了井身结构，确定了储 层改造以水力压裂为主、套管完井的
