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...     

主成分分析法在煤层气选区评价中的应用

为了对黔西-滇东地区煤层气有利区块进行优选,以6个主要区块为研究对象,选取资源丰度、含气饱和度、平均含气量、含气面积、煤层总厚度、Ro,max、平均渗透率、兰氏体积、视储层压力和地应力10个评价指标,采用主成分分析法,在众多指标中提取3个主成分,分别为煤储层物性因素、煤储层能量因素、煤层气资源因素,依据主成分得分加权求和获得各区块的综合得分。研究表明:织纳矿区的煤储层物性条件较好,盘县矿区的资源条件和煤储层能量条件较好,属于煤层气开发的最优区块;水城矿区和六枝矿区的资源条件和煤储层能量条件较好,属于煤层气开发的较优区块;老厂矿区和恩洪矿区总体上也受煤储层能量因素和资源因素控制,但煤储层物性条件较差,符合"小而肥"的特点,是煤层气开发的一般区块。     

煤层气储层水力压裂裂缝扩展模型分析及应用

以往对于水力压裂裂缝扩展模型的研究,主要集中在砂泥岩储层,而对煤储层的研究较少。以沁水盆地安泽区块煤层气储层为例,建立了水力压裂裂缝扩展模型并对该模型的现场应用进行了研究。首先通过煤储层水力压裂裂缝形态的分析,选取相应的裂缝模型;然后运用滤失经典理论并结合煤储层应力敏感性特征,提出了动态滤失系数计算方法,进而建立了裂缝扩展数学模型并对影响缝长的主要因素进行了评价;最后,应用模型对煤层气井的裂缝几何参数进行计算,并与现场裂缝监测数据比较,提出了模型适用的地质条件。研究结果表明:安泽地区煤储层水力压裂以形成垂直缝为主;考虑煤储层应力敏感性后,研究区综合滤失系数从3.36 mm/min1/2增大到4.24 mm/min1/2,在影响缝长的诸多参数中,排量、滤失系数和压裂时间是最主要的3个因素;模型计算缝长和裂缝监测数据吻合较好,但模型应用也有一定的限制条件,适用于水力压裂不压开煤层顶底板,以及天然裂缝发育较少的煤储层。     

基于径向井技术的煤储层高效增透工艺研究

为获得高效的煤储层增透工艺技术,从而达到显著提高煤层气井气产量的目的,以新型径向井技术为基础,并将其与水力压裂技术高效结合,采用理论分析的方法,对影响径向井压裂增透效果的各因素进行了深入的分析与研究,包括主裂隙方位、地层倾角、径向井施工技术等。同时,通过现场试验对径向井压裂技术的实用性进行了检验,结果表明,基于径向井技术的煤储层高效增透工艺能使不产气井的日产量增加到500 m~3/d,煤层透气性系数提高了3.55倍,从而形成了一套基于径向井技术的煤储层高效增透新工艺,该工艺可以显著提升煤储层的增透效果,提高煤层气井产量。     

高阶煤水力压裂负效应分析及改造方法优化

水力压裂是煤层气直井储层改造的主要方式,但在改善储层渗透性的同时会对煤层气开发产生一定的副作用。基于对沁水盆地南部煤层气水力压裂生产实践研究,总结了压裂带来的增大煤岩应力、水锁伤害及激动煤粉源3个方面负效应;针对水力压裂负效应并兼顾工程技术对地质特征的适应性,提出了针对煤层中下部软煤带造穴,并在煤层顶板附近进行水力压裂的储层改造方法,该方法包括造穴层位选择、在造穴液中加入合适比例空气和煤粉分散剂以及采用脉冲式造穴方式的喷射造穴工艺优化以及水力压裂层位选择优化。研究表明,该方法达到了泄压、造缝、增透的目的,又减少了改造对储层造成的负效应影响,起到了很好的储层增产改造效果。     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。     

保德区块中低阶煤层压裂施工砂堵原因分析及技术对策

针对保德区块中低阶煤储层压裂过程中容易出现砂堵影响储层改造效果的问题,根据研究区块的地质条件,结合水力压裂时裂缝在煤层中的扩展规律,分析了保德区块煤层水力压裂出现砂堵的4类主要原因,分别为煤储层裂隙相对发育造成压裂液滤失量增加、压裂沟通高渗透性的顶底板、煤储层本身有效厚度大滤失量增大及多层合压造缝不充分。在此基础上,提出了相应的技术对策,使用清洁压裂液、适当提高并稳定施工排量及优化压裂施工设计,为现场的水力压裂施工和提高煤储层改造效果提供重要指导。     

基于地应力场分析提高产气量的测井评价技术——以樊庄煤层气区块为例

针对樊庄地区高阶煤含气量高、产气量低的特点,煤层压裂改造可有效的将井孔与煤层天然裂隙连通起来,从而加快气体解吸速率,地应力场是影响该区煤层气开发效果的重要因素。本文利用地球物理测井技术,总结出一套适用樊庄地质条件和煤层气勘探开发特点的地应力场评价方法,优选煤层气有利开发部署区,为煤层气有利开发区水力压裂施工提供依据,取得了较好的生产效果。     

煤层气直井压裂效果及其对产能影响——以窑街矿区为例

煤层气藏作为典型缝控气藏，压裂造缝规模及裂缝充填效果对气井产能具有决定性控制。为探究煤层气直井水力压裂效果对气井产能效果的影响机制，以甘肃窑街海石湾矿区为例，重点报道直井开发形式下煤储层压裂改造效果及其对产能制约方面认识，结果表明：(1)煤层气井破裂压力主要反馈井筒固井水泥环特征而非煤储层力学性能，从该井压裂曲线看破裂压力不明显，表明井筒环空固井水泥环厚度适中，水力压裂期间固井水泥环破裂相对容易，能量消耗低，注入压裂液能量主要用于撑开煤岩裂缝；(2)从压裂曲线看出，该井压裂裂缝延伸压力较高，表明地下煤储层结构较为破碎且发育煤粉源集合体，煤粉对压裂裂缝的延展具有关键制约作用。而且在压裂曲线裂缝延展阶段出现多个波动形态特征，指示多条次级裂缝撑开，整体上该井压裂裂缝形态较为复杂，推测为主干压裂裂缝两侧发育枝状次级裂缝形式；(3)该井注砂后发生严重砂堵，主要原因是煤储层压裂液滤失造成近井地带压裂裂缝内支撑剂脱砂形成楔体，导致后续支撑剂注入困难，同时也与煤储层原生裂缝煤粉源及少量构造煤粉源集合体发育有关；(4)压裂微震监测数据显示该井煤储层主干压裂裂缝走向为NE 50°，其中在北东方向上煤岩微震...     

单一煤层重复水力压裂综合选井研究

为减少盲目改造煤层气低产井、有效提高其产气量,从开发单一煤层的煤层气资源条件、煤储层物性及围岩特征、一次压裂效果和排采工作制度等4个方面较系统的分析了重复水力压裂效果的主要影响因素,构建了其一级评价指标和二级评价指标。根据多层次模糊综合评价原理结合煤层气井产气特点,得出了不同级别评价指标的隶属度。以山西柿庄南区块部分煤层气井的勘探开发资料为例进行了重复水力压裂综合选井评价。结果表明:日产气量超过1 000 m3的井目前不需要重复压裂;平均日产气量小于300 m3的井,重复水力压裂需慎重;平均日产气量300~1 000 m3的井是重复压裂改造的首选,但需进一步优化泵注参数。     

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。     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。     

低渗透煤储层缝网压裂工程技术研究

为了研究低渗透煤储层的增透机理,国内外近几年提出缝网压裂理论,利用特定的工程技术手段,在储层中制造出多缝系统,从而最大限度的对储层进行增透改造,但是多缝系统的形成受水平最大主应力和水平最小主应力,水力裂缝与天然割理夹角还有排采工艺等因素的影响,文章通过计算,初步得出煤储层中多缝系统形成的控制因素和那些因素所符合的的理论条件,为以后的煤层气开发工程实践提供相应的理论依据。     

高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术，水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样，通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析，测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征，揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明，在围压和轴压恒定条件下，煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高；当注入压力大于破裂压力时，煤样发生破裂，煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下，随着围压和轴压的增大，有效应力增高，水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小，且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果，4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大，但随围压的增大，渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小，裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价

水力压裂有利区评价是煤储层压裂改造施工设计的基础。通过对沁水盆地西南部3号煤储层42个水力压裂地应力测试数据统计,系统分析了研究区煤储层地应力分布规律。采用378口水力压裂井资料,基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算了研究区煤储层单轴抗拉强度,建立了煤储层破裂压力与最小水平主应力和抗拉强度之间关系和模型,揭示了研究区煤储层可压裂性特征,建立了基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价方法,对煤储层水力压裂有利区进行了评价。研究结果表明,研究区块3号煤层最大水平主应力14.67~45.05 MPa,平均为29.31 MPa,最大水平主应力梯度为2.00~4.84 MPa/100 m,平均为3.27 MPa/100 m;最小水平主应力10.51~29.09 MPa,平均为18.61 MPa;最小水平主应力梯度为1.44~2.85 MPa/100m,平均为2.09MPa/100 m,煤储层应力和压力均随深度的增加呈线性增大的规律。基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算的研究区3号煤储层单轴抗拉强度为0.15~1.10 MPa,在平面上存在一定的差异性。根据单轴抗拉强度值将煤储层可压裂性划分为4类,对于较高抗拉强度区和高抗拉强度区(Ⅲ和Ⅳ),煤储层抗拉强度值大,煤层气井水力压裂改造中起裂压力高,难以进行压裂改造。对于低抗拉强度区和较低抗拉强度区(Ⅰ和Ⅱ),煤储层抗拉强度值小,煤层气井水力压裂改造中起裂压力小,易于进行压裂改造,评价结果与实际水力压裂情况相吻合。     

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。     

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。     

煤储层瓦斯激励开采技术及其适应性

由于煤储层瓦斯特性、流动机理等与常规天然气藏有很大的差异，形成了有效的造穴，水力压裂，注气和物理场激励等四种煤储层瓦斯激励开采技术。造穴技术适应于内生裂隙发育的中变质阶段煤；水力压裂适用于相对坚硬的裂缝性煤储层；CO2注气开采，效果明显，但气源和经济性使其应用范围十分有限；外加交变磁场、声场等物理场激励促进煤层瓦斯解吸、流动，还需要大量的室内和室外研究工作。     

径向钻井技术开发沁水盆地煤层气工艺研究

针对沁水盆地碎裂煤煤体结构,提出采用水力喷射径向钻井与水力压裂等增产联作工艺。先在煤层实施水力喷射径向钻井作业,以形成呈辐射状的径向水平孔,沟通煤储层发育的天然孔隙和裂隙,然后根据储层条件再进行水力压裂改造措施,确保沿着径向孔方向诱导水力压裂裂缝,以增加水力压裂在煤层中形成的裂缝数目,并通过变排量技术控制裂缝在煤层中的延伸高度,最终延长煤层中的有效压裂裂缝长度,使支撑剂填充在有效的煤层裂缝中。同时在水力压裂之后,可根据煤储层地质特征,增加酸化作业,以酸溶煤储层割理中的可溶性矿物质,达到进一步提高煤储层渗透率的目的。     

郑庄区块煤储层水力压裂裂缝扩展地质因素分析

为了研究煤储层水力压裂裂缝扩展规律,以沁水盆地郑庄区块15口煤层气井水力压裂裂缝的微地震监测数据为基础,通过分析压后裂缝方位、长度和高度等参数,从煤岩学特征、岩石力学特征、地应力条件及煤岩裂隙发育特征4个方面综合研究了压裂裂缝扩展的地质控制因素。结果表明:郑庄区块区压裂裂缝方位近NEE向,与区域水平最大主应力方向相近,垂直裂缝发育;演化程度较高的煤层更易形成长缝,且煤岩显微组分含量与压后缝长有一定相关性;裂缝长度随煤岩抗拉强度及弹性模量的增大而减小,煤岩与顶底板岩石力学性质的差异限制了裂缝纵向扩展;随埋深增加,煤储层闭合应力增大,但裂缝长度与煤层埋深负相关性较弱,原生裂隙在一定程度上阻碍了裂缝扩展。