煤层气压裂施工分析与建议 中联煤层气讲解

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

3、缝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 天然裂缝网络天然裂缝网络 的模拟示意图的模拟示意图 人工裂缝的人工裂缝的 模拟示意图模拟示意图 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58

5、8.80-595.60，煤层 厚度6.80m，煤层井径扩大率 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

6、 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

7、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

8、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， 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

9、度的变化规律如下： nM=nM2/3 RM=RM-2/9 M=M-5/9 2、多裂缝的影响 中联煤层气晋城分公司 13 3、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

10、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，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 1

11、5 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； 6 42 2 10 57. 3 ? dn Q Ppf ? ? n d 从左式可以看出，在注入排量

12、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

13、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 中联煤层气晋城分公司 19 井口焊接质量的影响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

14、 （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，