沁南地区煤体结构对煤层气开发的影响

为了研究煤体结构对煤层气开发的影响,对比了沁南地区3号煤层中原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等不同煤体结构的钻井、压裂、排采资料,并对部分煤矿进行了井下观测分析。研究发现煤体结构越破碎,井壁稳定性越差,井径、抽采孔钻屑量越大,同时,储层污染范围与井径大致呈正相关关系;碎粒煤及糜棱煤发育处,井筒周围形成厚层的水泥环,水力压裂初始施工压力将快速上升,导致水泥环破裂,同时压裂液的大量滤失会降低压裂裂缝的延伸范围,甚至导致砂堵等工程问题;在排采过程中,煤层水及煤层气均有携带煤粉的能力,易造成排采通道的堵塞,导致气井产能迅速降低,同时也容易造成裂缝闭合,降低解吸范围,煤体结构越破碎,煤粉产出越多,裂缝闭合越严重。     

沁水盆地柿庄南区块煤储层水力压裂缝数值分析

为解决煤储层压裂后的裂缝展布规律无法直接观测的问题,以牛顿流体PKN模型为依据,通过分析柿庄南区块压裂施工工艺及煤储层力学特征,结合支撑剂在牛顿力学中的沉降理论,开展填砂裂缝的数值计算,进行煤储层压裂缝几何特征与支撑剂分布预测。研究表明:随着裂缝长度的延伸,流体压降导致裂缝宽度逐渐降低直至闭合,活性水压裂液不能将支撑剂带入裂缝远端,施工过程中支撑剂迅速沉降并堆积在裂缝近端,其携砂长度远小于造缝长度。建议适当增加压裂液携砂能力,降低支撑剂粒度与重度,可增加裂缝的支撑长度,提高压裂效果。     

中、高煤阶煤岩压裂裂缝导流能力实验研究

运用FCES-100长期裂缝导流仪,测试了中、高煤阶煤岩水力裂缝的长期导流能力,并考虑了煤粉对导流能力的伤害,提出了简易测试煤层复杂裂缝导流能力的方法。通过室内实验测试分析认为,不同煤阶煤岩由于力学性质等的不同,在相同条件下其导流能力有明显的差异,煤层水力压裂施工设计中应考虑煤阶对裂缝导流能力的影响;支撑剂嵌入对煤岩裂缝导流能力伤害严重,适当增加铺砂浓度、加大支撑剂粒径、压裂液中加入分散剂可以降低支撑剂嵌入和煤粉的伤害;裂缝形态对煤岩的导流能力也存在影响,多条裂缝与单一裂缝的导流能力不同。     

煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制

煤层气井排采过程中,压裂裂缝导流能力大小变化,直接影响压降漏斗扩展范围,进而影响煤层气井产气量的高低。以晋煤集团寺河矿3号煤制作煤片,以兰州石英砂为支撑剂,运用FCES-100裂缝长期导流能力评价仪,在实验室物理模拟了排采过程中煤储层压裂裂缝的导流能力变化规律。实验结果认为：煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力具有较强的应力敏感性,如果控制排采降压连续缓慢稳定进行,可以使压降漏斗充分扩展前应力敏感对导流能力的伤害较小;在水力压裂施工中可以通过增加砂比来减小支撑剂嵌入的影响,对于深井选用更高强度支撑剂可以克服支撑剂破碎引起的伤害;不稳定和断续排采可造成压裂裂缝导流能力快速下降,只有坚持排采降压的“连续、缓慢、稳定”进行,才能避免应力敏感和流速敏感带来的储层伤害,确保煤层气井开发取得好的效果。     

低渗、特低渗储层煤层气水平井分段压裂参数优化及应用

水平井分段压裂是实现低渗、特低渗煤层气储层高效开发的有效手段,但目前工艺设计不够完善,导致产量差异大,亟需对分段压裂参数进行优化。通过煤岩渗透率损害实验和裂缝导流能力实验及数值模拟等方法,对支撑剂、压裂液、压裂段数、段间距、压裂液量、砂量等分段压裂基本参数进行了优化,根据优化结果设计1口井压裂,取得了较好的效果。     

煤层气垂直井压裂优化系统的设计与实现

为了合理确定压裂泵注参数,以提高煤储层导流能力和煤层气产气量,根据目前煤储层特点,建立了影响煤储层支撑剂评价体系,应用多层次模糊综合评价方法建立了支撑剂优选系统;对压裂液性能、配伍性等性质参数对比,建立了压裂液优选系统;根据压裂的地质和工程影响因素,对不同水力压裂施工参数分类,建立了不同储层渗透率下的泵注参数优化系统。这一系统成功地应用于指导沁水盆地潘庄区块煤层气垂直井的现场水力压裂施工设计。     

体积压裂低密度支撑剂运移模拟研究

低密度支撑剂在裂缝中的沉降速度较慢，容易随压裂液进入裂缝深处，可以大幅提高压裂后的增产效果，在压裂过程中得到了越来越广泛的应用。为研究体积压裂过程中低密度支撑剂在复杂裂缝中的运移规律，基于计算流体力学，建立欧拉—欧拉固液两相流模型，系统分析不同注入排量、压裂液黏度、注入砂比对支撑剂分布状态的影响。同时开展支撑剂动态运移实验与模拟结果进行对比，结果表明：数值模拟与物理实验所得规律相同，提高泵注排量和增大压裂液黏度可使支撑剂运移到裂缝更深处，增大注入支撑剂含量可有效提高裂缝中形成的砂堤高度，但当砂比增加到15%以上时砂堤平衡高度增长率变小，综合考虑经济性和压裂后的增产效果，现场压裂施工时选取泵注排量5 m³/min,压裂液黏度10 MPa·s,砂比为10%储层改善效果较好。     

煤层气储层压裂现状及展望

为了深入研究煤层压裂,提高煤层压裂效果,总结分析了煤层压裂液、压裂支撑剂、压裂裂缝数值模拟、裂缝监测、煤层压裂设计及施工工艺的现状。通过对比分析得出,活性水与石英砂组合是浅层煤层气压裂的主要组合方式,但随着深度的增加,储层地质复杂性的增强,该组合压裂后的效果逐渐变差;传统的二维和拟三维裂缝模拟方法在煤层应用中具有局限性,需要根据煤储层地质特征对裂缝模拟方法进行优化;多种裂缝监测方法在煤层应用中的结果表明,煤储层压裂后主要呈现出贯穿煤层的垂直裂缝、垂直裂缝与水平裂缝组合的复杂裂缝和非对称网络裂缝3种形态。我国已探索出以活性水直井压裂为主,水力波及压裂和间接压裂等多种压裂工艺为辅的压裂工艺技术。最后对煤层压裂提出了展望,即在低成本和高效环保的前提下,从增加煤层改造体积和增大解吸面积的压裂机理出发,结合煤岩工程地质特征,优选压裂材料及配套压裂技术,为煤层气的合理高效开发提供理论指导。     

压裂中煤粉对煤储层损害机理分析与防控对策

为了减轻煤储层压裂过程中煤粉对煤储层的损害,分析了煤粉的形成机理及其对煤储层损害的机理。以沁水盆地柿庄南区块为例,根据工业分析和X衍射资料,采用DLVO理论分析了煤粉的水润湿性。研究认为,因为煤粉具有一定的亲水性,煤粉运移容易受水流动的影响,因而压裂后的返排阶段与排水采气阶段是煤粉运移的主要阶段。从煤粉的来源和运移堵塞条件看,在近井带裂缝有效应力大、水流速度高的地方,容易形成煤粉运移损害。采取以下措施可减少煤粉运移损害:在压裂时尽量避开原生煤粉发育的软煤层段;压裂液中避免使用阴离子表面活性剂;在顶替液阶段可适量注入阳离子表面活性剂;煤层气井压裂后的排采过程中,应严格控制排水速度。     

煤粉产出对高煤阶煤层气井产能的影响及其控制

从实际资料入手,应用扫描电镜,测井解释等方法,系统研究了煤粉产出的机理,分析了煤粉产出对煤层气井产能的影响,并积极探索控制煤粉产出的方法.研究认为:煤粉产生的主要原因包括地应力变化导致煤岩基质破裂、钻井工具研磨及压裂支撑剂的打磨,并与煤岩性质密切相关;软煤层是煤粉的主要来源,其黏土矿物成分高达16.75%~22.53%,电阻率比原生结构煤低一个数量级,基本在1 kΩ·m以下,而自然伽马、声波时差明显偏高;水平钻井和压裂射孔避开软煤层段施工与使用高圆度压裂支撑剂等是降低煤粉产出的有效方法,应用防砂泵以及科学的排采技术可以有效降低煤粉产出对煤层气产能的负面影响.     

潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝延展特征

压裂裂缝延展特征对煤层气开发效果具有重要影响,是压裂方案设计及优化、井网布置和井间距确定等的重要参数。文章以潘庄煤层气区块为工程背景,对区块3号煤层压裂裂缝延展特征进行了研究。结果表明,受水平主应力控制,裂缝以水平裂缝为主,垂直裂缝次之,裂缝延展优势方位为NNE13~NE58°。裂缝总长度131.5~192.6 m,平均153.4 m;裂缝高度16.7~29.2 m,平均21.5 m。压裂液总量及排量对裂缝总长具有重要控制作用,具有显著的线性正相关性,同时,压裂裂缝延展特征受多地质要素、储层物性、物理力学特性等控制,导致煤层气井在压裂规模相当的情况下,压裂裂缝长度、高度和延展方位具有一定分异现象。     

压裂液吸附对煤层损害的实验研究及影响因素分析

压裂液对煤储层的伤害机理是目前煤层气井压裂技术的主要研究内容之一.由于煤岩的矿物组成和孔隙结构等多方面的特殊性,在压裂施工过程中压裂液对煤层的伤害不同于其对常规油气藏储层的伤害.相关研究表明:在煤层气井压裂施工过程中,压裂液与煤层接触所造成的渗透率的降低,一般是由煤基质的割理被堵塞及煤基质对压裂液的吸附所造成.重点对辽河油田阜新组煤层由于压裂液的吸附所引起的煤层伤害进行了实验研究,并结合相关理论和实验结果,对压裂液吸附对煤层伤害的影响因素进行了分析.     

煤层气井压裂液和支撑剂

压裂液和支撑剂是煤层气井压裂增产措施的基本材料。通过实验分析了破胶剂的低温破胶效果，并模拟研究了压裂液对煤的基质渗透率的伤害情况，形成了一整套适合于煤层气井的压裂液体系和配方。确定了用石英砂作为煤层压裂的支撑剂。     

煤层气储层压裂负效应作用机理

储层压裂是煤层气工程中提高采收率的主要措施之一,但同时受压裂液侵入和煤粉的影响会对储层造成伤害,从而抑制了煤岩储层渗透率的有效提高。基于孔隙压力变化对煤岩应力状态改变的力学分析,研究分析了压裂过程中压裂液对裂隙面附近煤岩的作用机理;通过煤岩应力状态变化的研究,确定了煤层气压裂过程引起裂隙面附近煤岩发生不同破坏特征的破坏模式;并根据压裂对煤层气工程产生的负效应,进一步给出了煤层气排采过程中的降压速率上限值确定方法。研究分析表明,压裂对煤层气储层改造具有明显的两面性,对煤层气的长期高效排采具有很大的局限性,必须严格控制压裂施工工艺及排采降压规律,才能达到有效提高排采效率的目的。     

煤层气井压裂用新型煤粉分散剂研究

煤层气储层水力压裂过程中容易产生大量的煤粉,煤粉的积聚和沉降会对压裂形成的裂缝造成严重的堵塞,从而降低裂缝的渗透率和导流能力,影响煤层气井压裂增产的效果。为此,通过大量室内实验,并结合目标煤层气区块的储层特点,研制了一种新型煤粉分散剂MFFS-2,并对其综合性能进行了评价。实验结果表明：当新型煤粉分散剂MFFS-2的质量浓度达到0.3%时,能将水溶液的表面张力降低至25 mN/m以下,并且使煤粉表面的接触角由115.3°降低至60°以下,具有良好的表面活性和润湿性能;当煤粉悬浮液静置10 h时,0.3%MFFS-2的加入能使煤粉悬浮率达到30%以上,当使用0.3%MFFS-2溶液驱替2 h时,煤粉产出率可以达到60%以上,说明其对煤粉具有良好的悬浮分散和携带效果;此外,MFFS-2对目标区块煤岩心基质渗透率的伤害率低于10%,在活性水压裂液中加入MFFS-2后,压裂液体系对煤岩心渗透率的伤害程度有所降低。煤层气井现场压裂施工结果表明：加入新型煤粉分散剂MFFS-2后,S-1井压裂施工顺利,返排液中携带出大量的煤粉,产气量较高,达到了预期的压裂施工效果,并且同区块内新型活性水压裂液的施工...     

高角度煤层群水力压裂裂缝形态特征分析

以松河井田GP-1、GP-2生产井施工参数、GC-1井参数井煤岩芯实验、试井资料为基础,分析和总结了研究区储层特点和压裂裂缝形态特征。分析发现:煤储层破裂压力梯度介于0.02~0.027 5 MPa/m之间,闭合压力梯度介于0.016 8~0.026 8 MPa/m,压裂施工压力较高,含有高温高压异常储层;通过微地震裂缝检测,煤储层主裂缝均沿北东向呈现一致性;裂缝垂向延展不局限在压裂段内,均穿越压裂段顶、底部,裂缝高度是射孔厚度的2.6~3.14倍,埋深越浅,倍数越大;裂缝形态受地应力、局部构造、煤岩力学特性和高角度煤层群储层特点等因素共同作用而表现出复杂多态性。     

煤层气井水力压裂段塞技术多因素风险分析

基于大量现场作业和水力压裂裂缝扩展理论,提出了煤层气井水力压裂施工中支撑剂段塞存在引起早期砂堵的风险。针对煤层气井压裂施工,着重分析了施工液量、排量、裂缝转向、多裂缝等对裂缝几何尺寸的影响。采用理论分析结合模拟计算的研究方法,阐述了上述多种因素对裂缝几何尺寸、压裂液效率、尤其是缝宽的影响规律。针对不同因素的影响,提出了相对应的施工措施:提高排量、增加段塞前泵注液量有利于支撑剂进入裂缝;提高液体黏度、排量,沿最大主应力方向定向射孔等措施降低裂缝转向带来的砂堵风险;采用细砂或粉砂作为段塞支撑剂,有利于进入人工裂缝、降低滤失量、提高施工压裂液效率,进而降低多裂缝带来的影响。     

水平井分段多簇压裂裂缝扩展数值模拟

目前,非常规储层复杂裂缝扩展数值模拟的裂缝形态多为二维形态,并且将注入地层中的压裂液视为纯液体,但实际压裂液中有支撑剂的存在,导致模拟结果与现场实际结果存在较大差异,难以直接应用于现场优化设计。因此,本文基于三维位移不连续法,考虑压裂液、支撑剂在井筒和水力裂缝中的流动情况,建立了三维分段多簇压裂数值模型,采用Newton-Raphson法求解数值模型,分析了压裂液排量、黏度、砂比和簇间距等工程因素对多裂缝扩展的影响规律。结果表明,高黏度、高排量的压裂容易形成多条宽而短的裂缝,有利于支撑剂运移形成高导流通道,而低黏度和低排量的压裂会形成多条窄而长的裂缝,影响支撑剂的运移和压裂效果。随着砂比的增加裂缝高度逐渐变大、长度变小,此时裂缝中支撑剂分布浓度增大、远端裂缝缝宽变小,裂缝内流体和支撑剂流动受阻会导致砂堵现象;随着簇间距增大,裂缝间应力阴影效应减小,各裂缝更容易独立扩展,当簇间距减小时,中间裂缝扩展受到抑制且缝宽变小。研究结果可为水平井分段多簇压裂优化设计提供理论指导。     

煤岩二次暂堵压裂裂缝扩展规律试验研究

二次压裂是煤层气开采中初次裂缝产量下降时有效增产手段。为研究煤层气储层二次压裂裂缝扩展规律、优化暂堵参数,开展了室内暂堵压裂模拟试验研究。使用大尺寸真三轴压裂模拟系统,样品尺寸为30 cm×30 cm×30 cm,采集沁水盆地煤岩后通过包裹混凝土得到标准试验样品。首先通过加载三轴应力模拟地层环境,后以恒定排量向井筒中注压裂液模拟初次压裂,初次压裂完成后采用CT扫描对岩样内部的初次裂缝形态进行扫描观测,将暂堵剂注入井筒内部并开展二次压裂试验;试验结束通过CT扫描裂缝形态分析二次压裂裂缝形态。试验结果表明：暂堵效果受暂堵剂粒径和用量影响较大。暂堵剂粒径过大,影响压裂液的悬砂效果,暂堵剂容易在井筒内堆积,导致二次压裂施工压力异常升高,暂堵剂粒径过小,难以形成有效封堵,二次压裂时裂缝以沿初次裂缝扩展为主。随着暂堵剂用量的提高,对初次裂缝的封堵效果增强,二次压裂破裂压力升高,促进二次压裂裂缝沿垂直初次裂缝方向的扩展;另一方面暂堵剂进入二次压裂裂缝后形成二次封堵,促进分支裂缝的形成,二次压裂复杂程度升高。研究认为通过暂堵压裂可以促进分支裂缝的形成,提高二次压裂裂缝的复杂程度,增大压裂改造面积提升二...     

煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验

探讨煤岩水压裂缝扩展规律是提高煤层气开采效率,降低开采安全风险及成本的重要课题。采用原煤试样,参照煤层气井水力压裂工程制定了“三轴向施加围压-顶部钻孔-下射流管注水”的煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验方案,根据实验方案结合现有实验条件开展了煤岩水力压裂物理模拟实验及煤岩裂缝检测实验。实验结果表明：煤岩沿层理面方向裂缝的发育程度要高于垂直层理面方向的裂缝;煤岩水压裂缝扩展形式以注水孔壁原生横向裂缝扩展为主,纵向裂缝扩展为辅,且裂缝呈直线形、跳跃性扩展。同时,根据实验结果分析提出：实际煤储层水力压裂工程中,射流孔应尽量布置在井壁含有较多横向原生裂缝的位置,提高煤层气井水力压裂质量;对于井壁同时含有较多横向裂缝和纵向裂缝的储层,采用“控压”压裂方式提高造缝质量;对于厚储层,采用“分段-分压”压裂方式构造横纵交织的裂缝网,提高煤层气的开采效率;尽量避免在含较多纵向原生裂缝及较大断层的井壁位置布置射流孔,以免引起煤储层顶板、底板失稳破坏,造成安全事故。