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1、2011.11.25,煤层气井压裂施工 分析及建议,汇报人:高占胜,中联煤层气晋城分公司,1,煤层特征和影响 多裂缝的影响 弯曲裂缝的影响 煤粉的影响 煤层井径扩大率的影响 固井质量的影响 结论及建议,内容:,2,5,1,3,4,6,7,中联煤层气晋城分公司,2,1、煤层结构特征和影响,1.1 煤岩的孔隙特征,煤是一种复杂的多孔介质,煤中孔隙是指媒体未被固体物(有 机物和矿物质)填充的空间,是煤的结构要素之一。煤的孔隙性质 包括空隙大小、形态、连通性、孔容、比表面积等)是研究煤层 气赋存状态、煤中气体(主要是甲烷)的吸附/解析性质及其在煤 层中运移的基础。 煤层是一种双孔隙的储层。它除含有基质
2、孔隙系统外,还含有 割理裂隙网络系统。孔隙系统是煤层气的吸附储集结构单元,而裂隙网络系统往往是煤层气主要的运移通道。煤层裂隙比较发育, 按照肉眼的可见与否,将煤层裂隙分为外生裂隙和内生裂隙;从 宏观和围观两个层次上,又可将煤层裂隙划分为宏观裂隙和微观 裂隙两大类。,中联煤层气晋城分公司,3,1、煤层结构特征和影响,中联煤层气晋城分公司,4,1、煤层结构特征和影响,1.2、煤层天然裂缝对压裂施工的影响,通常认为人工裂缝裂缝的延伸总是垂直于现 今地应力场的最小 主应力3方向展布。Neslon认为如果岩石中地应力差值较小( 200磅/英寸2),压裂缝方位主要受岩石力学非均质性控制。当 岩石中存在裂缝
3、密度较大的开启裂缝时,在水力压裂过程中,压 裂液会压开和支撑已经 存在的天然裂缝系统,无论岩石应力状 态如何,都不会使岩石破裂。根据煤岩变形试验、光弹模拟实验 和来自野外露头区的证据,煤层人工压裂缝受现今地应力和天然 裂缝制约。如果天然裂缝方位与现今地应力1的夹角小于临界 角,人工裂缝沿天然裂缝扩展而不产生新缝;如果天然裂缝方位 与现今地应力的夹角大于临界角,人工裂缝近似于垂直于现今地 力的3方向扩展,但扩展部位与早期天然裂缝有关。1与早期 裂缝夹角和抗剪切强度之间的关系如图1和图2所示。此外,天然 裂缝发育的煤层在压裂施工时容易发生砂堵,究其原因,一方面 是压裂液的滤失量过大,工作效率降低,
4、另一方面是,天然裂缝容易引起施工压力的瞬间大起大落,从而引起裂缝宽度的突变。,中联煤层气晋城分公司,5,1、煤层结构特征和影响,岩石的抗剪切强度随早期破 裂与受力方向夹角的变化图,中联煤层气晋城分公司,6,天然裂缝网络 的模拟示意图,人工裂缝的 模拟示意图,1、煤层结构特征和影响,典型施工曲线,中联煤层气晋城分公司,7,TS-149施工曲线,沁水盆地南部向北倾斜的斜坡上。煤层深度765.60-771.40,煤层结构4.40(0.60)0.80 煤层井径扩大率25.66%.,TS-674施工曲线,沁水盆地南部向北倾斜的斜坡上。煤层深度588.80-595.60,煤层厚度6.80m,煤层井径扩大率
5、9.26%.,中联煤层气晋城分公司,8,2、多裂缝的影响,非平面裂缝几何形状如多条裂缝、T型缝和转向缝取决于井筒在地 应力场中的方向。当井筒方向与最大水平应力方向的夹角为050时, 将在井筒产生多条裂缝;当夹角为5070时,在井筒产生单条裂缝, 然后由于转向产生相互靠近的多条裂缝;当夹角为7090 时,产生 T型裂缝。,井斜的影响,研究表明,水平最大和最小主应力比值大于1.5时,在中间应 力方向产生1条平面裂缝;而当比值由1.5降至1.0时,随着比值的降低产 生逐渐增多的裂缝分支和多条裂缝,如图3所示.对于斜度较大的井压裂 时,即当井斜方向和最大主应力方向斜交时,由于射孔孔眼较多,在垂 直于井
6、斜的平面上地应力大小和方向都相同,每个孔眼所在的位置都有裂缝产生的可能,此时往往会产生平行的多条裂缝如图4所示。,地应力的影响,2.1 多裂缝产生的原因,中联煤层气晋城分公司,9,2、多裂缝的影响,射孔相位角的影响,当水平地应力差别比较大时,螺旋射孔可能造成多个方位的 裂缝开启。实践证明,随着相位角的减小,多裂缝的条数呈增加 的趋势。,中联煤层气晋城分公司,10,2、多裂缝的影响,射孔高度对裂缝条数的影响,射孔段的长度必须足够短,由于射孔孔眼的沟通作用与作为起裂 点的作用,增加了射孔孔眼的数量,无疑增加了多裂缝形成的几率, 对天然裂缝发育煤层压裂是不利的。而缩短射孔段的长度后,有可 能避开天然
7、裂缝发育的多发层段,尤其是低角度裂缝发育的层段, 让裂缝在射孔段以外的地方自由延伸,一般来说,此时裂缝裂缝的 延伸只有一个优势方向,因此减少了水力裂缝形成多裂缝的趋势,射孔段的长度必须保证在射孔段上有足够的射孔孔眼来保证较低 的射孔摩擦阻力,这要求有一定的射孔孔眼数量来参与流动。,中联煤层气晋城分公司,11,2、多裂缝的影响,2.2 多裂缝产生影响,1、产生裂缝弯曲;远离井筒处裂缝转向角度较大。 2、产生同方位的多裂缝后,裂缝狭窄,不利于提高砂比与加砂量,严重时导致加砂施工失败。 3、多条裂缝同时延伸时,每条裂缝延伸距离均达不到理想效果,从而影响压裂改造的效果。 4、多条裂缝相互争夺裂缝宽度,
8、所以净压力更高。 5、由于净压力的增加,压裂裂缝不那么容易控制。,中联煤层气晋城分公司,12,单一裂缝和3条裂缝(数量随时间 的增加而增加)净压力曲线图,不管多裂缝重叠形态如何,将裂缝 的复杂延伸形态看作是等效多裂缝的 同时延伸。该模型的计算以理想三维 单裂缝的计算为基础。等效多裂缝通常有三个重要的参数:M:多裂缝数量;M:参与滤失的多裂缝数量;M:参与竞争宽度的多裂缝条数。假设三个参数M=M=M,单一裂 缝的模拟裂缝净压、半径、宽度分别 是n、R、,则多个裂缝净压、 半径、宽度的变化规律如下:nM=nM2/3RM=RM-2/9M=M-5/9,2、多裂缝的影响,中联煤层气晋城分公司,13,3、
9、弯曲、扭曲裂缝的影响,当裂缝起裂方位与裂缝延伸方位不一致时,裂缝在延伸的中就比较复 杂,如出现裂缝转向和扭曲。转向裂缝又叫S型裂缝和重定向裂缝,一 般是从井筒起裂出来后延伸一段距离再转向另一个平面方向延伸。,产生弯曲、扭曲裂缝的原因,1、斜井容易产生裂缝弯曲; 2、小角度相位射孔容易产生裂缝弯曲; 3、近井筒附近天然煤层天然发育,容易引起裂缝弯曲;,裂缝弯曲、扭曲在近井筒地带 产生了额外的流体流动阻力,使 得缝宽变窄,影响高浓度支撑剂 的进入。,弯曲、扭转裂缝的影响,中联煤层气晋城分公司,14,4、煤粉的影响,煤岩是易破碎的,在压裂施工中由于压裂液的水力冲蚀作用及 与煤岩表面的剪切与磨损作用,
10、煤岩破碎产生大量的煤粉及大小不 一的煤碎屑,由于比重较轻,多在压裂液的冲刷作用下,聚集起来 阻塞压裂裂缝的前缘,使得裂缝内压力瞬间增加迫使裂缝“改道”。 同时裂缝堵塞可使裂缝静压力(或地面泵压)增加。,1、煤粉及煤碎屑会堵塞裂缝,并聚集起来阻挡压裂液前缘,改变裂 缝的延伸方向; 2、形成弯曲裂缝; 3、形成多裂缝网络; 4、井眼附近孔隙压力上升; 5、井眼失稳或射孔产生碎屑,煤碎屑会阻碍裂缝的产生。,原因,导 致 煤 层 压 力 高 分 析,中联煤层气晋城分公司,15,4、煤粉的影响,中联煤层气晋城分公司,16,煤层井径扩大率过大,固井水泥环就比较厚,影响射孔质量,造成有 效孔眼少,或者形成的
11、孔眼孔径较小,孔眼毛刺多,从而产生的孔眼摩 阻较大。,SX017-2 15#煤层第一次施工曲线,SX017-2 15#煤层补射后第二次施工曲线,5、煤层井径扩大率的影响,中联煤层气晋城分公司,17,5、煤层井径扩大率的影响,式中:Ppf:炮眼摩阻,10-1MPa;Q: 注入排量,m3/min;: 压裂液密度,kg/m3;: 有效射孔炮眼数量;: 炮眼平均直径;,从左式可以看出,在注入排量和 压裂液密度不变的条件下,有效射 孔炮眼数量越多,炮眼摩阻越小, 炮眼平均直径越大,炮眼摩阻也将 越小。孔径的大小不但会影响支撑剂的 尺寸和浓度,只有孔径足够大,以 避免支撑剂在通过孔眼时发生桥堵。 孔径的大
12、小而且会造成孔眼摩阻大, 施工净压力(泵注压力)大,从而 对压裂施工操作控制带来困难。,中联煤层气晋城分公司,18,6、固井质量的影响,钻井过程中,钻遇煤层时,钻井液的入侵;固井过程中,水泥浆的入侵, 均会对煤层造成污染。从而对近井地带煤层的物性造成伤害。从而对压裂施 工带来困难。,当rw/rc=1时,S值为零,说明是完善的;S=Inrw/rc 当rw/rc1时,S值为正,说明是不完善的;当rw/rc1时,S值为正,说明是不完善的;当rw/rc1时,S值为负,说明是超完善的。S:表皮系数,由于钻井、固井作业,使井底附近地层渗透率变差或变好, 从而引起附加流动阻力的效应。rw:完井半径;rc:
13、井的折算半径。,中联煤层气晋城分公司,19,井口焊接质量的影响,井口环形钢板焊接质量不合格,在压裂施工时,在常压条件下,井身套 管就会发生上移或者跳动;高压条件下,甚至会发生井喷。导致压裂施工 无法继续进行。,TS-416井环形钢板焊接质量不 合格导致施工失败,TS-655井环形钢板焊接质量不 合格导致施工失败,6、固井质量的影响,7、结论及建议,中联煤层气晋城分公司,20,(1)、煤层天然裂隙比较发育,近井筒附近的天然裂隙会造成煤层 压裂施工压力的瞬间剧烈变化,从而会引起裂缝宽度的快速变化,容 易产生砂堵现象,对压裂施工操作带来很大的难度。对于该类煤层气 井建议通过观察施工压力的变化,及时通
14、过调整排量来减小施工压力 的剧烈变化。,(2)、多裂缝、弯曲裂缝和裂缝扭曲会造成裂缝狭窄,裂缝长度不 够,裂缝与流体接触面积增大,流体流动阻力增大,施工压力高,不 利于提高砂比和加砂量,严重时会造成加砂施工失败。前置液加入砂 体段塞技术,一方面,能够堵塞微裂缝,有利于形成主裂缝,另一方 面,砂子在水流的作用下,能够对弯曲、扭曲裂缝起到水力切割,打 磨的作用,降低不平整压裂缝面的水力流通摩阻。另外,对于水平地 应力相差较大的煤层,定向射孔也能够减小裂缝弯曲和扭曲的程度, 降低它们所引起的摩阻增加量;另外,为了连接那些同时从每个射孔 孔眼处起始和扭曲的多条裂缝,在压裂裂缝起始期间里建议使用高的 排
15、量和高的压裂液粘度。,中联煤层气晋城分公司,21,(3)、煤岩是易破碎的,在压裂施工中由于压裂液的水力冲蚀作用 及与煤岩表面的剪切与磨损作用,煤岩破碎产生大量的煤粉及大小不 一的煤碎屑,这些煤粉和碎屑容易聚集起来阻塞压裂裂缝的前缘,导 致施工压力过高。建议在前置液造缝初期,将分选性较好的短切活性 纤维就泵入地层,施工后在地层水的作用下纤维会形成网状结构,把 煤粉阻止在裂缝之外,保证裂缝的导流能力。,(4)、煤层井径扩大率过大,固井水泥环就比较厚,影响射孔质量, 造成有效孔眼少,或者形成的孔眼孔径较小,孔眼毛刺多,从而产生 的孔眼摩阻较大,导致施工压力过高,或者加砂困难。建议对于煤层 井径扩大率较大的井使用大孔径深穿透射孔弹。,7、结论及建议,