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。     

砂煤互层水力裂缝穿层扩展机理

临兴地区含煤岩系地层纵向互层发育煤层、致密砂岩层产层组,当砂煤薄层组合开发时,受界面胶结性质、地应力差、压裂选层、煤层厚度、施工参数等因素的影响,难以判断裂缝是否垂向穿层。为了分析砂煤互层水力压裂裂缝穿层扩展规律,通过选取砂煤天然露头岩样进行交错组合,利用大尺寸真三轴水力压裂系统开展了砂煤产层组组合的物理模拟实验,研究了压裂选层、层间胶结强度、煤层厚度、胶液和活性水对水力裂缝穿层扩展的影响。实验结果表明:在煤岩中起裂时,受煤岩层理和自身天然裂缝的影响,裂缝在扩展过程中,容易发生转向,使得裂缝形态复杂多样,不利于裂缝穿层;在砂岩层中起裂时,砂岩中水力裂缝形态简单,形成水力主缝,容易穿层扩展;当界面胶结强度较弱时,裂缝扩展至砂煤界面,容易发生转向,沿界面扩展,形成水平裂缝;煤层越厚越容易耗散水力能量,使得水力裂缝难以穿层扩展;胶液的造缝能力优于活性水,但其对储层伤害较重,压裂液类型的选取需根据现场压裂所需进行甄选。     

煤层气井水力压裂“T”型缝延伸模型的建立及应用

与常规储层不同,煤层压裂裂缝形态复杂多样,其中“T”型缝是典型代表之一。为准确模拟“T”型缝延伸,满足实际压裂设计需要,通过建立数学模型、控制流量、单因素分析等方法对煤层复杂缝中的“T”型缝进行了研究,进而得到煤层压裂“T”型缝延伸规律。通过对PKN模型和Penny模型组合提出了“T”型缝的简化模型,并将多层压裂的流量分配思想应用于“T”型缝中的流量控制。通过实例模拟计算了“T”型缝中各部分的尺寸,在此基础上分析了施工时间、排量及压裂液黏度对“T”型缝系统中各部分几何尺寸的影响规律。研究表明,通过优化施工参数可获取理想尺寸的“T”型裂缝。     

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。     

煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究

硬脆性砂岩、页岩储层与塑性的煤层组合开发时,层间应力差、岩性差异、界面性质等因素会对水力裂缝扩展产生较大影响,复合储层人工裂缝扩展规律存在认识不清的难点,给储层改造方案的合理设计带来了难度。基于此,选取鄂尔多斯盆地东缘临兴地区天然露头岩石进行不同岩性组合,开展室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同地应力差、弹性模量差异、煤岩割理等参数对水力裂缝起裂及扩展的影响。结果表明:水力裂缝起裂方向受地应力条件及近井筒天然弱面共同控制;当应力差在4~6 MPa时,既能保证裂缝穿透界面,又能保证高效沟通煤岩中天然弱面形成网络裂缝;层间弹性模量差异越大,缝内流体压力越高,穿透界面时释放的压力脉冲有助于激活煤岩中的微裂缝形成复杂的裂缝网络。水力裂缝在煤岩中的扩展路径受割理影响较大,易发生转向或者分叉扩展;水力裂缝穿透界面时压裂曲线存在明显的2次憋压,沟通煤岩割理过程中压裂曲线上下波动明显。研究复合储层水力裂缝起裂及扩展规律可为油田现场预测裂缝形态以及优化泵注程序提供参考。     

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。     

砂煤岩互层水力裂缝扩展规律的数值模拟研究

砂煤岩互层中都含气的情况下,采取多层联合压裂工艺进行煤层气和致密砂岩气的合采,但是地层垂向上岩石性质差异很大,地应力状态不同,从煤岩层起裂和从砂岩层起裂裂缝的形态可能会有很大的差别。采用有限元方法对砂煤岩互层中的裂缝进行了模拟研究,依据室内试验及现场数据,考虑了分层地应力、岩性差异、地层界面、施工条件的影响。采用全三维的裂缝扩展模型,分别模拟了砂岩层射孔起裂和煤层射孔起裂2种情况。结果表明,从砂岩层起裂的裂缝会在缝高方向上迅速突破煤岩层,在模型范围内,缝高大致是缝长的2倍,达不到压裂深穿透储层的目的。从煤岩层起裂的裂缝缝高方向受到砂岩层的遮挡作用,缝长较长,采取合理的施工参数裂缝可以扩展至砂岩层,推荐采取从煤层起裂的方式。并对煤层为起裂层这一情况下裂缝形态的影响因素进行了探讨,5 MPa左右的最小水平主应力差可以将裂缝限制在煤层中,地应力差为4 MPa时,存在7 m³/min的临界排量,推荐采取不小于7 m³/min的排量施工,低弹性模量、高抗拉强度、高渗透率的砂岩层有效限制了裂缝缝高方向的扩展,高黏度的压裂液有助于裂缝的穿层行为,但影响程度较弱,煤层推荐采取清水压裂液。     

临兴区块石盒子组致密砂岩气储层压裂缝高控制数值模拟研究

对含上下隔层的致密砂岩进行水力压裂增产作业时,储隔层间应力差、物性差异等地质因素和压裂液黏度、施工排量、射孔位置等工程因素对水力裂缝延伸规律影响显著。针对鄂尔多斯盆地东缘临兴区块石盒子组致密气砂岩储层,基于ABAQUS有限元计算平台,建立三维层状介质的压裂缝高数值模型,研究各因素对裂缝高度控制的影响规律。研究结果表明:临兴区块石盒子组储层压裂施工产生垂直形态的水力裂缝,储隔层应力差是最关键控制因素,当大于4 MPa时可以有效控制缝高;弹性模量低的隔层对控制压裂缝高有利;泊松比对于压裂缝高几乎没有影响;高储隔层应力差(4 MPa)下施工排量小于6 m~3/min时,裂缝延伸抑制作用明显;低储隔层应力差下(2 MPa)施工排量越大,裂缝在隔层内延伸程度越大;压裂液黏度低于10 m Pa·s时对压裂缝高影响很小;射孔位置的不同对于裂缝起裂阶段影响显著,储层上部射孔时裂缝最终形态和压裂缝高较储层中部射孔和全井段射孔差异很大。开展室内试验研究施工排量、射孔位置等工程因素对裂缝穿层扩展的影响,试验结果与数值模拟结果吻合良好。研究结论可为油田现场预测裂缝形态,选择合适层位,优化压裂参数提供借鉴。     

基于扩展有限元双井水力压裂裂缝扩展及缝间干扰研究

水平井分段压裂是开发非常规油气藏的有效手段,为研究2口水平井压裂过程中缝间干扰对裂缝扩展的影响,基于扩展有限元法,在考虑裂缝流动及压裂液滤失情况下,分析不同压裂液排量、裂缝间距及2口井间距条件下,缝间干扰对裂缝缝宽、缝长和扩展方向的影响。研究结果表明,在2口井同时压裂的情况下,2条裂缝彼此靠近的一端延伸距离小于靠近边界的一端,且延伸时发生相互吸引。压裂液排量的增加不仅利于裂缝延伸,还能引发裂缝尖端偏转;裂缝间距和井间距越小,裂缝扩展时彼此靠近的一端越易发生偏转,且裂缝缝长受限。研究通过对比压裂液排量、裂缝间距2两口井间距对缝间干扰的影响,可为现场压裂方案设计提供理论指导。     

穿层钻孔水力压裂数值模拟及工程应用

基于煤岩体变形模型、裂缝面内流体压降模型和裂缝扩展模型及扩展准则,建立了煤岩体钻孔水力压裂数学模型,并使用ANSYS的APDL语言编程实现了该数学模型的数值求解。穿层钻孔水力压裂数值模拟结果表明：随注入压力的增大,水力压裂缝长线性增大,最大缝宽近似指数函数形式递增,压裂后期的造缝宽能力略大于造缝长能力;随压裂液黏度的增大,最大缝宽增大,缝长近似指数函数形式递减,压裂液黏度增大到一定程度后对缝长和缝宽的影响作用减弱。穿层钻孔水力压裂数值模拟结果与现场试验结果具有很好的一致性,验证了该数学模型及数值解法的正确性和适用性。     

临兴区块煤系地层多层合压可行性研究

针对煤系地层多层合压时煤与砂岩、页岩的差异较大,裂缝扩展针对煤系地层复杂,裂缝形态变化不可预知等问题,通过室内实验测量煤层顶底板地应力,建立多层有限元反演模型,进行煤层地应力反演计算,对不同类型地层合压的可行性进行分析。结果表明：反演计算结果误差小于5%,可信度较高|多层合压穿层条件为：裂缝为垂直缝、破裂压力相差小于5MPa、合压层相差小于18～20m|多储层合压时,上部储层条件较好,尽量避免压开下部煤层|下部煤层起裂时,支撑剂主要支撑下部煤层,对于上部地层而言,支撑效果相对差|煤层在上部,砂岩气层在下部,从煤层起裂可利用应力遮挡作用,增加在煤层中缝长。     

水力压裂技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为了解决某煤矿低透气性煤层难抽采的问题,分析了水力压裂增透裂缝扩展规律以及煤层水力压裂卸压增透机理,采用PFPA-2D数值模拟软件,研究了单注水孔以及双注水孔的水力压裂过程中的裂缝扩展规律及煤体位移和应力变化规律,实现大范围裂隙网的形成、贯通和发育,提高了煤体的透气性。通过现场试验,实现了低透气性煤层卸压增透的目的,验证了低透气性煤层水力压裂增透技术的安全性、有效性和适用性。     

煤矿井下暂堵转向水力压裂技术研究

为更好地提高煤层透气性,结合煤矿井下压裂应用现状和暂堵转向压裂技术原理,本文创造性的提出了将暂堵转向压裂技术应用于煤矿井下水力压裂的思路,目的是着力于转向形成新裂缝并沟通煤层自有天然裂缝以强化煤岩缝网复杂程度,提高压后瓦斯抽采效果。研究结果表明:暂堵转向压裂技术适应性较强,可用于煤矿井下压裂;优选了适合煤矿井下压裂的小粒径水溶性MKZD-1暂堵剂,1.0cm厚滤饼承压可达40MPa,封堵能力强,溶解性好,压后其水不溶物约为4%;设计了煤矿井下实施暂堵转向压裂的工艺流程和暂堵剂加量方法。本文研究成果为煤矿瓦斯治理提供了新手段,开辟了新方向,具有一定的实际运用和推广价值。     

基于测井的煤及煤层顶底板力学性质分异预测研究

为评价煤层顶底板岩石对煤层水力压裂裂缝的影响，取煤及煤层顶底板岩芯开展岩石力学参数测试，获取煤和岩石抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数。将测试的岩芯深度归位至常规测井深度，测井响应标准化处理后，标定岩芯纵波时差、电阻率、自然伽玛值。分析煤、岩石力学参数与声波时差、电阻率、自然伽玛值的拟合关系，构建了基于多测井响应的岩石力学参数预测模型。采用预测模型计算煤、岩石力学参数及比值，评价煤层与顶底板岩石力学性质差异。结果表明：研究区顶板岩石弹性模量一般是煤层的6倍以上，抗压强度一般是煤层的5倍以上|底板局部岩石弹性模量和抗压强度是煤层的5倍以上。煤层水力压裂裂缝容易控制在顶板之内，不易控制在底板之内，在研究区东南部，水力压裂裂缝容易窜至顶底板。