软硬煤复合的煤层气水平井分段压裂技术及应用

针对软硬煤复合煤层的煤层气抽采效率低、煤层纵向剖面上抽采不均衡等问题,为了实现大面积快速、整体高效抽采煤层气,以沁水盆地赵庄井田3号煤层为例,对软硬煤分层特征进行精细评价,优化了软硬煤复合煤层中的局部硬煤段,研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气技术方法,在对水平井压裂裂缝扩展规律研究的基础上,研究了分段压裂水平井开发煤层气技术对策。研究结果表明:3号煤层软硬煤结构分层明显,软硬煤存在明显的自然伽马和电阻率测井响应特征;硬煤层中水平井压裂能形成一条复杂不规则的垂直裂缝,裂缝易于沿脆性较强的顶板岩层扩展延伸,裂缝能够扩展延伸进入软煤层,提高软硬煤的压裂增产效果;硬煤层中水平井位置和压裂施工排量是影响裂缝扩展效果的两个因素,压裂施工排量影响程度较大、水平井位置影响程度较小。针对这一特点,进一步研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气4个关键技术:①水平井射孔、压裂段优选工艺技术;②油管拖动大排量水力喷射防窜流工艺技术;③"大排量、大规模、中砂比"的段塞式清水携砂压裂工艺技术;④气/水分井同步生产精细化排水采气技术。工程试验证明,该技术能大幅度提高煤层气水平井单井产量,突破了软硬煤复合煤层低产技术瓶颈,为软硬煤复合煤层的煤矿区煤层气抽采和瓦斯灾害治理提供了技术途径。     

碎软煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及敏感因素分析

顶板水平井是实现碎软煤层煤层气高效抽采的有效技术途径,穿层压裂是决定顶板水平井成败的关键工程手段,对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展行为的深刻理解是穿层压裂方案优化设计的基础。通过交叉偶极子声波测井解释得到碎软煤层及其顶板岩石力学组合特征,建立基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理模型,开展顶板水平井穿层压裂物理模拟试验,研究顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及穿层压裂效果的敏感性因素。结果表明：水平井位置、注入排量、射孔方式及垂向与水平应力差是影响顶板水平井穿层压裂裂缝扩展形态的4个重要因素。穿层压裂效果随水平井与煤层间距和注入排量的增加而减弱,随垂直与水平应力差的增大而增强,定向射孔具有诱导裂缝向煤层扩展延伸、提高穿层压裂效果的作用。穿层压裂效果对垂向与水平应力差因素最敏感,定向射孔和注入排量影响因素次之,对水平井与煤层距离的敏感性最低。研究结果可为碎软煤层顶板水平井穿层压裂参数优化设计及效果评价提供依据。     

顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验

针对单一低渗松软煤层,采取顶板虚拟储层水力压裂的方式可实现煤层增透。利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验。试验结果表明:通过在顶板及煤层中布置压力传感器,可以较好地监测水力压裂过程中煤层及顶板虚拟储层中裂缝的开裂扩展演化过程;顶板虚拟储层水力压裂一方面对煤层产生卸压作用,另一方面压裂裂缝沿钻孔向煤层方向扩展并形成裂隙缝网,煤层瓦斯可通过裂隙缝网扩展至顶板虚拟储层钻孔,增加了瓦斯渗流通道,有效提高了煤层瓦斯抽采效率。     

贵州新田矿区顶板L型水平井煤层气抽采技术

针对碎软煤层瓦斯灾害频发、瓦斯抽采困难、顺煤层水平井钻进困难的问题,在借鉴“虚拟储层”思路和页岩气开发技术的基础上,以新田矿区9号煤层为对象,研究分析了煤层顶板L型水平井分段压裂抽采技术。通过目标区及目标层位优选、井身结构优化、井眼轨迹精准控制技术、多簇定向射孔分段压裂精确优化工艺技术及排采作业精细控制技术,形成了煤层顶板L型水平井煤层气高效抽采技术体系。结合工程实践,顶板L型水平井在新田矿区取得了产能突破,最高日产气量达到了5 334 m³/d,并获得了长期稳产高产的试验结果。顶板L型水平井分段压裂高效抽采技术的成功应用,为具有类似地质条件的高突矿井煤层气抽采及煤矿区瓦斯治理提供了技术方向引领。     

碎软煤层顶板岩层水平井大尺寸穿层压裂物理模拟试验研究

基于煤层顶板岩层水平井分段压裂开发煤层气的技术设想,通过构建表征煤层顶板水平井压裂相似物理模型,开展了多组围岩条件下的大尺寸真三轴压裂物理模拟试验,研究顶板水平井裂缝的扩展特征,并着重对裂缝垂向扩展穿层进入煤层的可能性进行研究,试验结果显示置于煤层顶板岩石中的水平井,在布置合理的与煤层顶界的垂距和一定的施工排量条件下,裂缝均能向下穿层扩展沟通煤层,这为煤层顶板岩层水平井分段压裂开发煤层气技术的可行性提供了试验佐证,并对煤层顶板水平井层位的优选具有一定的指导意义。     

分段多簇密切割压裂技术在淮南矿区煤层气抽采中的应用

针对淮南矿区碎软低渗煤层瓦斯抽采技术难题,以13-1煤层为例,在分析煤层及其顶底板概况的基础上,采用煤层顶板分段压裂水平井技术,充分利用水平井水平段,单段分3簇射孔,簇间距25 m,实现分段多簇密切割体积压裂改造。微地震监测结果表明,单段裂缝长度102.5～211.4 m,缝高17.3～27 m,裂缝主体向下延伸,实现了井筒与煤层的沟通。排水采气效果表明,最高产气量1519 m³/d,取得了良好的产气效果。研究成果为淮南矿区煤层气地面预抽和瓦斯区域治理提供了工程借鉴。     

碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一,其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层,核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间,结合立方定律,得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz自由能表达式,结合达西定律,导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中,将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元,通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数,结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏-渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上,模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程,包括水平井和界面的间距D,竖向与最小水平地应力之差Δσ,煤岩界面摩擦因数f_c,r。结果表明:(1)DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏-渗流耦合响应特征;(2)煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展,其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散,导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;(3)数值模拟条件下,水力裂缝穿透煤岩界面的临界f_c,r与D呈正相关,与Δσ呈负相关关系。D对临界f_c,r的影响更大,将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展,提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用,实现碎软煤层地面井煤层气增产,为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。     

穿层钻孔水力压裂增渗技术在阳煤寺家庄矿的应用

阳煤寺家庄矿煤层碎软、透气性差、地质构造复杂,瓦斯抽采难度大,尽管采取了一系列的瓦斯治理措施,但没能改变目前矿井掘进难、钻探工程量大、抽采效率低等现状。针对阳煤寺家庄矿碎软低渗煤层群抽采困难的难题,通过采用井下水力压裂增渗强化抽采技术,建立并优化井下水力穿层钻孔水力压裂增透工艺,寺家庄15~#煤层穿层钻孔水力压裂单孔注水量达到100 m~3时影响半径超过30 m,水力压裂后单孔抽采纯量普遍提高3.2倍。     

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜...     

碎软煤层条带瓦斯地面高效抽采技术研究

为了提高碎软煤层条带瓦斯抽采效率和效果,基于目前地面瓦斯抽采主要采用垂直井或从式井的方式抽采效果差、效率低的现状,通过理论和实验分析论证了穿岩层压裂改造煤储层的可行性,提出了在目标煤层顶板岩层中钻水平井,并通过垂直向下射孔以及采用泵送桥塞分段进行压裂的方式进行地面瓦斯抽采。试验结果表明:顶板分段压裂水平井单井产量高、高稳产期更长、产量衰减更慢;有效水平井段控制区域内瓦斯下降均匀,更有利于进行条带瓦斯抽采;相同投资条件下,采用水平井的方式瓦斯抽采效率和投入产出比更高。     

顾桥井田煤层气井生产周期性波动问题原因分析与预防

在煤层气井生产中,生产周期性波动现象在顾桥井田地面煤层气井排采过程中被观测到,是何原因导致这种现象的产生以及如何进行预防,目前国内外还鲜有报道,开展这一问题的深入研究对碎软、低渗煤层高效开发具有重要意义。通过对煤层气井井底流压、地层产气量等生产数据的深入分析,将周期性波动内生产阶段划分为地层产量(井底流压)平稳阶段、地层产量(井底流压)下降阶段和地层产量(井底流压)升高阶段3个阶段;从气管线集输、数据采集仪器和煤储层3个角度出发,结合煤储层特征、储层改造及修井作业结果,分析得到气阻效应是导致生产周期性波动的主要原因,气阻效应的出现又引起了固阻效应,在两者的综合作用下,导致煤层中流体(水、气)流动不畅,出现生产周期性波动特征,并通过数值模拟方法验证了分析的正确性,最后针对造成生产周期性波动现象的原因,建议在该地区下一步的煤层气开发中,采用煤层顶板岩层代替煤层直接压裂,同时通过表面活性剂的优选、分层控压联合排采技术以及支撑裂缝中煤粉的适度产出等预防措施,达到减小气阻效应和固阻效应的目的。     

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己₁₅-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。     

碎软煤层底板梳状孔分段压裂抽采瓦斯技术

为提高煤层的瓦斯抽采效果,以阳泉矿区15#碎软煤层为研究对象,对煤层及其底板岩层特征进行分析,融合煤层底板梳状长钻孔和分段水力压裂技术,形成针对各个梳状分支孔的分段压裂方式,并理论分析了该方式水力压裂裂缝扩展延伸规律。试验研究了满足分段压裂技术要求的梳状长钻孔设计与施工工艺,构建了基于裸眼封隔器+滑套投球分段压裂工具组合的压裂参数设计和压裂施工工艺流程,最终形成梳状长钻孔主孔长度534 m,分支孔5个,主孔下入分段压裂工具串490 m,实现了4个分支孔分段压裂,单段最大注水量611 m³,最大泵注压力17.18 MPa;与常规的穿层钻孔瓦斯抽采技术对比,试验后瓦斯抽采浓度提高了10.53倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.02倍。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。     

沿煤层硬分层水平井钻井关键技术

针对沁水盆地东南部赵庄矿区煤层地质构造特征,为解决煤层气水平井沿3#煤层硬分层水平优快钻进、造斜段安全着陆、水平段井眼轨迹控制、煤层井壁防塌及固完井等问题,通过理论分析和实践经验,形成了以煤层气水平井二开井身结构设计、无导眼精准着陆、井眼轨迹精细控制、钻井液优化及分级箍固完井的成套技术体系。通过实钻验证,有效解决了煤层气水平井沿煤层硬分层水平钻进诸多问题,缩短了施工周期、降低了作业风险。研究成果对于开发3#煤层软-硬分层煤层气水平井钻井提供了技术指导,对该区域煤层气的高效开发具有参考意义。     

低透煤层化学改性增透技术研究现状及展望

我国煤储层的赋存特征概括为微孔隙、强吸附、低渗透,这些赋存特征严重抑制了煤层气的开采,在此基础上,储层改造技术被广泛提出.针对低透气性煤层,国内外学者提出水力压裂、水力割缝、预裂爆破等储层增透技术,这些技术均存在增透范围小、裂隙闭合快、水锁效应等问题.有学者提出采用化学方法改造煤层,利用化学试剂改变煤层理化性质继而达到...     

新疆大倾角煤层多缝和有效支撑压裂技术研究

新疆阜康白杨河矿区煤层具有大倾角、多煤层、大厚度的地质特点,煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地区有较大差异,影响单井产量的因素及规律也不明确,导致在沁水盆地南部及鄂尔多斯盆地东缘成功应用的“套管完井、清水加砂压裂”等改造技术适应性不强,后期部分井压裂后产量较低。因此,攻关低煤阶大倾角厚煤层增产改造优化技术,探索大倾角、多煤层、大厚度煤层气压裂裂缝扩展规律,提高区块煤层气产量,对国内类似特征煤层气增产改造具有重大意义。开展了大尺寸真三轴压裂物理模拟实验,得到了最大主应力沿地层走向方向、地层倾向方向2种地应力条件下的压裂裂缝扩展结果,总结了2种地应力下裂缝沟通规律。研究为国内类似特征煤层气提供了相应的钻井轨迹设计参考。