煤层气井压裂技术

1、1煤层气井压裂技术煤层气井压裂技术汇报人：周龙刚汇报人：周龙刚专题研讨专题研讨 中国矿业大学资源学院 2011年12月3日2 压裂的目的及意义压裂的目的及意义一一 压裂机理及一般流程压裂机理及一般流程二二压裂液压裂液三三压裂裂缝压裂裂缝四四专题研讨专题研讨提 纲：3 压裂的目的及意义压裂的目的及意义一一压裂消除了井筒附近储层在钻井、固井、完井过程中 造成的伤害。压裂使井孔与煤储层的裂隙系统更有效的联通。压裂可加速脱水，加大气体解析率，增加产量。压裂可更广泛地分配井孔附近的压降，降低煤粉产量。专题研讨专题研讨4 2.1 2.1 机理机理 利用地面高压泵组，将高粘度压裂液在大排量条件下注入井中，在

2、井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，沟通煤层裂隙，最后通过煤层气排水-降压-解吸的过程，达到正常排气的目的。憋压造逢裂缝延伸充填支撑剂裂缝闭合 压裂机理及一般流程压裂机理及一般流程二二专题研讨专题研讨52.2 2.2 压裂的一般流程压裂的一般流程 原始煤层压裂井的施工主要经过3个阶段:完井阶段、储层改造阶段(即射孔、压裂阶段)、排水采气阶段。（1）压裂方案设计：（裂缝几何参数优选及设计；压裂液类 型、配

3、方选择及注液程序；支撑剂选择及加砂方案设 计；压裂效果预测和经济分析等。 ）（2）压前准备：配制压裂液，压裂车组、设备调试完毕。（3）施工过程： 前期：注入前置液，降低滤失，破裂地层，造缝， 降温，压开裂缝后前期加入细砂。 中期：注入携砂液，携带支撑剂（先中砂后粗砂）、 充填裂缝、造缝。 后期：注入顶替液，中间顶替液：携砂液、防砂卡； 末尾顶替液：提高携砂液效率和防止井筒沉砂。专题研讨专题研讨6 S1S1S2S2S3S3压裂压裂专题研讨专题研讨图1 压裂过程示意7 图图2 压裂施工现场压裂施工现场压裂材料：压裂液和支撑剂施工参数：排量和压力压裂设备：泵车(组)、液罐、砂车、仪表车专题研讨专题研

4、讨8 水基压裂液、泡沫压裂液、油基压裂液、乳化压裂液清洁压裂液，纯气体压裂液（液化）。 40、50年代，矿场原油、凝胶油、粘性乳化液；60年代瓜尔胶稠化剂的问世现代压裂液化学的诞生； 70年代，水基压裂液迅速发展，占主导作用；80年代泡沫压裂液技术取代了部分水基压裂液 。目前，泡沫压裂液、液体CO2压裂液、液氮压裂液也开始应用。压裂液压裂液三三专题研讨专题研讨3.1 3.1 种类种类3.2 3.2 发展发展93.3 3.3 要求要求 滤失少、悬浮能力强、摩阻低、热稳定性及剪切稳定性能好、低残渣、配伍性好、破胶迅速彻底、货源广，便于配制，经济合理。 3.4 3.4 按阶段划分按阶段划分 按照在压

5、裂施工中的不同工艺作用，压裂液可以分为：前置液、携砂液和顶替液。前置液：是压开地层并造成一定几何尺寸的裂缝，以备后面 的携砂液的进入。在温度较高的地层里，它还可以 起到一定的降温作用。 携砂液：将支撑剂带入裂缝，继续扩张裂缝，冷却地层。顶替液：将携砂液顶替进裂缝，防治余砂沉积井底形成砂卡。专题研讨专题研讨10 前置液携砂液顶替液图3 SH133 压裂施工曲线图专题研讨专题研讨11稠化剂：植物胶，瓜尔胶 、香豆胶 、田菁胶等交联剂：交联冻胶压裂液，交联剂是必不可少的添加剂 （硼砂）防膨剂：粘土稳定剂，氯化钾 助排剂：促使压裂后破胶压裂液迅速返排 ，活性水、线 性胶和交联冻胶压 裂液中都需要加入助

6、排剂 破胶剂：线性胶，特别是交联冻胶压裂液 （过硫酸铵 ， 生物酶破胶剂 ）杀菌剂：压裂液中的稠化剂多糖聚合物在细菌作用下会发 生降解，导致粘度下降。（甲醛液）PH调节剂：调节压裂液PH值 表面活性剂、降滤剂等专题研讨专题研讨3.3 3.3 添加剂添加剂12 类型:吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害(1) 煤比表面积较大，容易吸附物质（特别是有机物）。(2) 压裂液滤失、反排不彻底，滞留储层造成液堵。(3) 压裂液残渣，返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力； 另一方面较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂液一道进入 地层深部，堵塞孔隙喉道。(4) 粘土矿物膨胀，煤粉运移堵塞裂隙，引起压裂压力增 大

7、，裂缝方向改变。(5) 压裂液与储层不配伍造成的伤害，可能发生化学反应。专题研讨专题研讨3.4 3.4 压裂液对储层的伤害压裂液对储层的伤害13 压裂液类型优点缺点适用范围使用比例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、伤害高除强水敏性储层外均可用606065659595油基压裂液配伍性好、密度低、易返排伤害小成本高，安全性差，耐温较低强水敏，低压储层5.05.03.03.0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，低压储层、低中温井5.05.02.02.0泡沫压裂液密度低、易返排，伤害小、携砂性好施工压力高，需特殊设备低压、水敏领导252530

8、30液态CO2压裂液不会引入任何流体，对地层无伤害，有利于压后投产施工设备特殊，成本远高于其它体系，施工规模较小干气气藏，低压油藏-0 0表1 国内外压裂液类型及使用现状专题研讨专题研讨14压裂裂缝压裂裂缝四四裂缝形态主要包括裂缝的长度、宽度和高度及走向长度：随着裂缝宽度的增加，裂缝长度将受到限制。宽度：压裂裂缝的宽度与其弹性模量成反比。方位：同一盆地没有明显的方向性，但是存在着在某一方向 裂缝出现机率相对较大的现象。 裂缝形态4种类型：水平缝、垂直缝、先水平缝后垂直缝、两冀不对称缝 (一冀为垂直缝，一冀为水平缝)。形态复杂的例如“T”、“工”，爪 型裂缝。4.1 4.1 裂缝形态及扩展规律裂

9、缝形态及扩展规律图4 裂缝延伸形态15 一般首先在井筒附近产生不规则水平缝，然后随着裂缝的进一步延伸，有的井产生水平缝，有的井产生垂直缝。裂缝的高度超过压裂层厚度的裂缝的高度超过压裂层厚度的4倍，最高达到倍，最高达到6倍，一般在倍，一般在24倍倍表2 沁水盆地煤层气井压裂裂缝高度测试结果表专题研讨专题研讨4.1 4.1 裂缝形态及扩展规律裂缝形态及扩展规律16专题研讨专题研讨包括裂缝高度测量和裂缝方位及长度的监测 走向：井眼三维地震、地震声波井下电视、井下电视照相高度、宽度：水力阻抗监测、伽玛射线测井、井温测井、超声波成像测井 沁水盆地：方位、长度:大地电位法或微地震法高度：井温测试法或放射性

10、同位素示踪剂（伽马测井法） 4.2 4.2 裂缝监测方法裂缝监测方法17专题研讨专题研讨 图5 煤层压裂后电位(Vm)纯异常等值线图图图6 压前和压后的井温测量压前和压后的井温测量18专题研讨专题研讨 现在采用较普遍的裂缝扩展模型有二维的PKN模型、KGD模型、RADIAL模型，以及三维的全三维模型和拟三维模型。 主要差别是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式不同： 二维模型假设裂缝高度是常数，即流体仅沿缝长方向流动。裂缝内仍是一维流动(缝长)。 拟三维模型和真三维模型缝高沿缝长方向是变化的，在缝长、缝高方向均有流动(即存在压力降)。 4.3 4.3 裂缝扩展模型裂缝扩展模型19专题研讨专题研讨

11、4.3 4.3 压裂裂缝形成的控制因素压裂裂缝形成的控制因素1 煤岩本身的岩石力学性质 2 地应力，不同构造部位煤层与褶皱中和面的 位置关系 （局部构造地应力） 3 割理、孔隙系统，先存裂隙5 温度,在深井中,也会对破裂压力造成影响6 压裂施工作业参数，如施工规模和施工排量 等，也可以在一定程度上改变裂缝形状。4 煤层埋深20专题研讨专题研讨 “T”、“工”型缝4.3.1 煤岩本身的岩石力学性质 煤岩弹性模量E较低，泊松比u较高，决定煤岩压裂时易形成短而宽的裂缝；煤岩不均质性，造成了压裂裂缝形态复杂。 根据兰姆方程，岩石中压裂裂缝的宽度与其弹性模量成反比。因此，同常规砂岩压裂结果相比，煤岩更易

12、形成短宽裂缝；随裂缝宽度增加，裂缝长度将受到限制。 煤层与顶底板的交界处存在一个弱面，在弱面处造成一个低应力区（遮挡层）。压裂裂缝垂向延伸至弱面时由于受到应力阻挡，裂缝将沿弱面处的低应力区延伸，形成“T”形缝或“工”形缝，对裂缝高度扩展影响较大。21专题研讨专题研讨4.3.2 地应力 地应力大小和方向控制煤层气井水力压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态。（晋城西）hhHhKhHBHhA3333TPcHh3A、B处压力集中：起裂压力：水平主应力差系数Kh:22专题研讨专题研讨4.3.2 地应力 钻井以后，井筒周围压力重分布，使最大水平主应力沿井筒周向呈环状分布,最小水平主应力沿井筒呈放射状分布。应力集中的影响范围约为井筒半径的10倍。 水力裂缝起裂方位不但与水平主地应力方位有关,而且与水平主应力差的大小有关。高水平主应力差条件下,水力裂缝易于在井壁处沿垂直最小水平主应力的方位起裂并延伸,产生较为平直的水力主缝。低水平主应力差条件下,水力裂缝容易沟通各种成因的天然裂缝,并沿天然裂缝扩展,产生网状裂缝。 传统经验方法从煤岩本身性质出发来判定压裂裂缝的临界转化深度,在地