煤層氣壓裂施工分析與建議-中聯(lián)煤層氣

1、2011.11.25 煤層氣井壓裂施工 分析及建議 匯報(bào)人：高占勝匯報(bào)人：高占勝 中聯(lián)煤層氣晉城分公司 1 煤層特征和影響 多裂縫的影響 彎曲裂縫的影響 煤粉的影響 煤層井徑擴(kuò)大率的影響 固井質(zhì)量的影響 結(jié)論及建議 內(nèi)容： 2 5 1 3 4 6 7 中聯(lián)煤層氣晉城分公司 2 1、煤層結(jié)構(gòu)特征和影響 1.1 煤巖的孔隙特征 煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，煤中孔隙是指媒體未被固體物（有 機(jī)物和礦物質(zhì))填充的空間，是煤的結(jié)構(gòu)要素之一。煤的孔隙性質(zhì) 包括空隙大小、形態(tài)、連通性、孔容、比表面積等）是研究煤層 氣賦存狀態(tài)、煤中氣體（主要是甲烷）的吸附/解析性質(zhì)及其在煤 層中運(yùn)移的基礎(chǔ)。 煤層是一種雙孔隙的儲(chǔ)層

2、。它除含有基質(zhì)孔隙系統(tǒng)外，還含有 割理裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。孔隙系統(tǒng)是煤層氣的吸附儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)單元，而 裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往是煤層氣主要的運(yùn)移通道。煤層裂隙比較發(fā)育， 按照肉眼的可見(jiàn)與否，將煤層裂隙分為外生裂隙和內(nèi)生裂隙；從 宏觀和圍觀兩個(gè)層次上，又可將煤層裂隙劃分為宏觀裂隙和微觀 裂隙兩大類。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司3 1、煤層結(jié)構(gòu)特征和影響 中聯(lián)煤層氣晉城分公司4 1、煤層結(jié)構(gòu)特征和影響 1.2、煤層天然裂縫對(duì)壓裂施工的影響 通常認(rèn)為人工裂縫裂縫的延伸總是垂直于現(xiàn) 今地應(yīng)力場(chǎng)的最小 主應(yīng)力3方向展布。Neslon認(rèn)為如果巖石中地應(yīng)力差值較小（ 200磅/英寸2），壓裂縫方位主要受巖石力學(xué)非均質(zhì)性控制。當(dāng) 巖

3、石中存在裂縫密度較大的開(kāi)啟裂縫時(shí)，在水力壓裂過(guò)程中，壓 裂液會(huì)壓開(kāi)和支撐已經(jīng) 存在的天然裂縫系統(tǒng)，無(wú)論巖石應(yīng)力狀 態(tài)如何，都不會(huì)使巖石破裂。根據(jù)煤巖變形試驗(yàn)、光彈模擬實(shí)驗(yàn) 和來(lái)自野外露頭區(qū)的證據(jù)，煤層人工壓裂縫受現(xiàn)今地應(yīng)力和天然 裂縫制約。如果天然裂縫方位與現(xiàn)今地應(yīng)力1的夾角小于臨界 角，人工裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展而不產(chǎn)生新縫；如果天然裂縫方位 與現(xiàn)今地應(yīng)力的夾角大于臨界角，人工裂縫近似于垂直于現(xiàn)今地 力的3方向擴(kuò)展，但擴(kuò)展部位與早期天然裂縫有關(guān)。1與早期 裂縫夾角和抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖1和圖2所示。此外，天然 裂縫發(fā)育的煤層在壓裂施工時(shí)容易發(fā)生砂堵，究其原因，一方面 是壓裂液的濾失量過(guò)大，工

4、作效率降低，另一方面是，天然裂縫 容易引起施工壓力的瞬間大起大落，從而引起裂縫寬度的突變。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司5 1、煤層結(jié)構(gòu)特征和影響 巖石的抗剪切強(qiáng)度隨早期破巖石的抗剪切強(qiáng)度隨早期破 裂與受力方向夾角的變化圖裂與受力方向夾角的變化圖 中聯(lián)煤層氣晉城分公司6 天然裂縫網(wǎng)絡(luò)天然裂縫網(wǎng)絡(luò) 的模擬示意圖的模擬示意圖 人工裂縫的人工裂縫的 模擬示意圖模擬示意圖 1、煤層結(jié)構(gòu)特征和影響 典型施工曲線 中聯(lián)煤層氣晉城分公司7 TS-149施工曲線，沁水盆地 南部向北傾斜的斜坡上。煤 層深度765.60-771.40，煤 層結(jié)構(gòu)4.40（0.60）0.80 煤層井徑擴(kuò)大率25.66%. TS-674施工

5、曲線，沁水盆地 南部向北傾斜的斜坡上。煤 層深度588.80-595.60，煤層 厚度6.80m，煤層井徑擴(kuò)大率 9.26%. 中聯(lián)煤層氣晉城分公司8 2、多裂縫的影響 非平面裂縫幾何形狀如多條裂縫、T型縫和轉(zhuǎn)向縫取決于井筒在地 應(yīng)力場(chǎng)中的方向。當(dāng)井筒方向與最大水平應(yīng)力方向的夾角為050時(shí)， 將在井筒產(chǎn)生多條裂縫；當(dāng)夾角為5070時(shí)，在井筒產(chǎn)生單條裂縫， 然后由于轉(zhuǎn)向產(chǎn)生相互靠近的多條裂縫；當(dāng)夾角為7090 時(shí)，產(chǎn)生 T型裂縫。 井斜的影響井斜的影響 研究表明，水平最大和最小主應(yīng)力比值大于1.5時(shí)，在中間應(yīng) 力方向產(chǎn)生1條平面裂縫；而當(dāng)比值由1.5降至1.0時(shí)，隨著比值的降低產(chǎn) 生逐漸增多的裂

6、縫分支和多條裂縫，如圖3所示.對(duì)于斜度較大的井壓裂 時(shí)，即當(dāng)井斜方向和最大主應(yīng)力方向斜交時(shí)，由于射孔孔眼較多，在垂 直于井斜的平面上地應(yīng)力大小和方向都相同，每個(gè)孔眼所在的位置都有 裂縫產(chǎn)生的可能，此時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生平行的多條裂縫如圖4所示。 地應(yīng)力的影響 2.1 多裂縫產(chǎn)生的原因 中聯(lián)煤層氣晉城分公司9 2、多裂縫的影響 射孔相位角的影響射孔相位角的影響 當(dāng)水平地應(yīng)力差別比較大時(shí)，螺旋射孔可能造成多個(gè)方位的 裂縫開(kāi)啟。實(shí)踐證明，隨著相位角的減小，多裂縫的條數(shù)呈增加 的趨勢(shì)。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司10 2、多裂縫的影響 射孔高度對(duì)裂縫條數(shù)的影響 射孔段的長(zhǎng)度必須足夠短，由于射孔孔眼的溝通作用與作為起

7、裂 點(diǎn)的作用，增加了射孔孔眼的數(shù)量，無(wú)疑增加了多裂縫形成的幾率， 對(duì)天然裂縫發(fā)育煤層壓裂是不利的。而縮短射孔段的長(zhǎng)度后，有可 能避開(kāi)天然裂縫發(fā)育的多發(fā)層段，尤其是低角度裂縫發(fā)育的層段， 讓裂縫在射孔段以外的地方自由延伸，一般來(lái)說(shuō)，此時(shí)裂縫裂縫的 延伸只有一個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，因此減少了水力裂縫形成多裂縫的趨勢(shì) 射孔段的長(zhǎng)度必須保證在射孔段上有足夠的射孔孔眼來(lái)保證較低 的射孔摩擦阻力，這要求有一定的射孔孔眼數(shù)量來(lái)參與流動(dòng)。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司11 2、多裂縫的影響 2.2 多裂縫產(chǎn)生影響 1、產(chǎn)生裂縫彎曲；遠(yuǎn)離井筒處 裂縫轉(zhuǎn)向角度較大。 2、產(chǎn)生同方位的多裂縫后，裂 縫狹窄，不利于提高砂比與 加砂量，

8、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致加砂施 工失敗。 3、多條裂縫同時(shí)延伸時(shí)，每條 裂縫延伸距離均達(dá)不到理想 效果，從而影響壓裂改造的 效果。 4、多條裂縫相互爭(zhēng)奪裂縫寬度， 所以凈壓力更高。 5、由于凈壓力的增加，壓裂裂 縫不那么容易控制。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司12 單一裂縫和3條裂縫（數(shù)量隨時(shí)間 的增加而增加）凈壓力曲線圖 不管多裂縫重疊形態(tài)如何，將裂縫 的復(fù)雜延伸形態(tài)看作是等效多裂縫的 同時(shí)延伸。該模型的計(jì)算以理想三維 單裂縫的計(jì)算為基礎(chǔ)。 等效多裂縫通常有三個(gè)重要的參數(shù)： M：多裂縫數(shù)量； M：參與濾失的多裂縫數(shù)量； M：參與競(jìng)爭(zhēng)寬度的多裂縫條數(shù)。 假設(shè)三個(gè)參數(shù)M=M=M，單一裂 縫的模擬裂縫凈壓、半徑、寬度分

9、別 是n、R、，則多個(gè)裂縫凈壓、 半徑、寬度的變化規(guī)律如下： nM=nM2/3 RM=RM-2/9 M=M-5/9 2、多裂縫的影響 中聯(lián)煤層氣晉城分公司13 3、彎曲、扭曲裂縫的影響 當(dāng)裂縫起裂方位與裂縫延伸方位不一致時(shí)，裂縫在延伸的中就比較復(fù) 雜，如出現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向和扭曲。轉(zhuǎn)向裂縫又叫S型裂縫和重定向裂縫，一 般是從井筒起裂出來(lái)后延伸一段距離再轉(zhuǎn)向另一個(gè)平面方向延伸。 產(chǎn)生彎曲、扭曲裂縫的原因產(chǎn)生彎曲、扭曲裂縫的原因 1、斜井容易產(chǎn)生裂縫彎曲； 2、小角度相位射孔容易產(chǎn)生裂 縫彎曲； 3、近井筒附近天然煤層天然發(fā) 育，容易引起裂縫彎曲； 裂縫彎曲、扭曲在近井筒地帶 產(chǎn)生了額外的流體流動(dòng)阻力，使

10、 得縫寬變窄，影響高濃度支撐劑 的進(jìn)入。 彎曲、扭轉(zhuǎn)裂縫的影響彎曲、扭轉(zhuǎn)裂縫的影響 中聯(lián)煤層氣晉城分公司14 4、煤粉的影響 煤巖是易破碎的，在壓裂施工中由于壓裂液的水力沖蝕作用及 與煤巖表面的剪切與磨損作用，煤巖破碎產(chǎn)生大量的煤粉及大小不 一的煤碎屑，由于比重較輕，多在壓裂液的沖刷作用下，聚集起來(lái) 阻塞壓裂裂縫的前緣，使得裂縫內(nèi)壓力瞬間增加迫使裂縫“改道”。 同時(shí)裂縫堵塞可使裂縫靜壓力（或地面泵壓）增加。 1、煤粉及煤碎屑會(huì)堵塞裂縫，并聚集起來(lái)阻擋壓裂液前緣，改變裂 縫的延伸方向； 2、形成彎曲裂縫； 3、形成多裂縫網(wǎng)絡(luò)； 4、井眼附近孔隙壓力上升； 5、井眼失穩(wěn)或射孔產(chǎn)生碎屑，煤碎屑會(huì)阻礙

11、裂縫的產(chǎn)生。 原 因 導(dǎo) 致 煤 層 壓 力 高 分 析 中聯(lián)煤層氣晉城分公司15 4、煤粉的影響 中聯(lián)煤層氣晉城分公司16 煤層井徑擴(kuò)大率過(guò)大，固井水泥環(huán)就比較厚，影響射孔質(zhì)量，造成有 效孔眼少，或者形成的孔眼孔徑較小，孔眼毛刺多，從而產(chǎn)生的孔眼摩 阻較大。 SX017-2 15#煤層第一次施工曲線SX017-2 15#煤層補(bǔ)射后第二次施工曲線 5、煤層井徑擴(kuò)大率的影響 中聯(lián)煤層氣晉城分公司17 5、煤層井徑擴(kuò)大率的影響 式中： Ppf：炮眼摩阻，10-1MPa； Q: 注入排量，m3/min； ： 壓裂液密度，kg/m3； ： 有效射孔炮眼數(shù)量； ： 炮眼平均直徑； 6 42 2 10 5

12、7. 3 dn Q P pf n d 從左式可以看出，在注入排量和 壓裂液密度不變的條件下，有效射 孔炮眼數(shù)量越多，炮眼摩阻越小， 炮眼平均直徑越大，炮眼摩阻也將 越小。 孔徑的大小不但會(huì)影響支撐劑的 尺寸和濃度，只有孔徑足夠大，以 避免支撐劑在通過(guò)孔眼時(shí)發(fā)生橋堵。 孔徑的大小而且會(huì)造成孔眼摩阻大， 施工凈壓力（泵注壓力）大，從而 對(duì)壓裂施工操作控制帶來(lái)困難。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司18 6、固井質(zhì)量的影響 鉆井過(guò)程中，鉆遇煤層時(shí)，鉆井液的入侵；固井過(guò)程中，水泥漿的入侵， 均會(huì)對(duì)煤層造成污染。從而對(duì)近井地帶煤層的物性造成傷害。從而對(duì)壓裂施 工帶來(lái)困難。 當(dāng)rw/rc=1時(shí)，S值為零，說(shuō)明是完善的

13、； S=Inrw/rc 當(dāng)rw/rc1時(shí)，S值為正，說(shuō)明是不完善的； 當(dāng)rw/rc1時(shí)，S值為正，說(shuō)明是不完善的； 當(dāng)rw/rc1時(shí)，S值為負(fù)，說(shuō)明是超完善的。 S:表皮系數(shù)，由于鉆井、固井作業(yè)，使井底附近地層滲透率變差或變好， 從而引起附加流動(dòng)阻力的效應(yīng)。 rw：完井半徑； rc： 井的折算半徑。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司19 井口焊接質(zhì)量的影響井口焊接質(zhì)量的影響 井口環(huán)形鋼板焊接質(zhì)量不合格，在壓裂施工時(shí)，在常壓條件下，井身套 管就會(huì)發(fā)生上移或者跳動(dòng)；高壓條件下，甚至?xí)l(fā)生井噴。導(dǎo)致壓裂施工 無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。 TS-416井環(huán)形鋼板焊接質(zhì)量不 合格導(dǎo)致施工失敗 TS-655井環(huán)形鋼板焊接質(zhì)量不 合

14、格導(dǎo)致施工失敗 6、固井質(zhì)量的影響 7、結(jié)論及建議 中聯(lián)煤層氣晉城分公司20 （1）、煤層天然裂隙比較發(fā)育，近井筒附近的天然裂隙會(huì)造成煤層 壓裂施工壓力的瞬間劇烈變化，從而會(huì)引起裂縫寬度的快速變化，容 易產(chǎn)生砂堵現(xiàn)象，對(duì)壓裂施工操作帶來(lái)很大的難度。對(duì)于該類煤層氣 井建議通過(guò)觀察施工壓力的變化，及時(shí)通過(guò)調(diào)整排量來(lái)減小施工壓力 的劇烈變化。 （2）、多裂縫、彎曲裂縫和裂縫扭曲會(huì)造成裂縫狹窄，裂縫長(zhǎng)度不 夠，裂縫與流體接觸面積增大，流體流動(dòng)阻力增大，施工壓力高，不 利于提高砂比和加砂量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成加砂施工失敗。前置液加入砂 體段塞技術(shù)，一方面，能夠堵塞微裂縫，有利于形成主裂縫，另一方 面，砂子在水流的作用下，能夠?qū)澢⑴で芽p起到水力切割，打 磨的作用，降低不平整壓裂縫面的水力流通摩阻。另外，對(duì)于水平地 應(yīng)力相差較大的煤層，定向射孔也能夠減小裂縫彎曲和扭曲的程度， 降低它們所引起的摩阻增加量；另外，為了連接那些同時(shí)從每個(gè)射孔 孔眼處起始和扭曲的多條裂縫，在壓裂裂縫起始期間里建議使用高的 排量和高的壓裂液粘度。 中聯(lián)煤層氣晉城分公司21 （3）、煤巖是易破碎的，在壓裂施工中由于壓裂液的水力沖蝕作用 及與煤巖表面的剪切與磨損作用，煤巖破碎產(chǎn)生大量的煤粉及大小不 一的煤碎