低渗煤层多脉冲压裂激励作用的裂缝模型研究

为了提高适用于低渗煤层气高能气体压裂开发的技术水平,结合全封闭多脉冲压裂工艺特点,分析了多脉冲加载激励煤层产生多裂缝松弛地应力的作用机理及p-T作用过程,研究建立其多裂缝物理模型。该模型为低渗煤层全封闭多脉冲压裂瞬间破岩成缝机理研究及优化工艺设计提供了理论参考。     

浅层煤层气强脉冲射孔压裂工艺试验研究

为了提高浅层、多层、薄层等低渗复杂煤层气井射孔完井及压裂改造工艺水平与效果,研究开发了强脉冲射孔与压裂复合工艺。研究表明:设计的多级压裂药与射孔枪复合结构工艺,实现了对煤层强脉冲射孔的増深增透作用,加大加深射孔孔眼约0.3~0.5倍;多组燃速压裂药对煤层形成的多级脉冲压裂作用,延长了地层裂缝;井口封闭式压裂设计提高了高能气体能量的利用率。     

体积压裂技术在煤层气开采中的适应性研究

体积压裂技术已成功应用于国内外的页岩气开发中,目前国内开始试验性地将此技术应用于煤层气开发中。由于煤岩与页岩特性的不同,研究体积压裂技术在煤层气开采中的适应性,对其在煤层气开采中的应用具有指导意义。从煤岩力学性质、天然裂缝和渗透率3个方面进行了分析研究,得出高杨氏模量、低泊松比、脆性大、天然裂缝发育、低渗的煤层适合进行体积压裂,并对进一步的压裂施工提出建议。     

煤储层破裂压力对压裂改造的影响与工程应用

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供指导。结果表明：2口井的测井数据反演的煤层具有低泊松比、低杨氏模量、低强度、低破裂压力的特点;通过在前置液阶段控制施工排量及施工压力、提高阶段液量,可以有效避免压裂裂缝沿煤层顶底板之间的层间界面延伸及扩展至煤层顶底板;测井数据反演的PN-1井煤层破裂压力与实际压裂施工的破裂压力较接近,误差仅为3.01%,对压裂施工参数优化的指导意义较高;PN-2井煤层破裂压力略低于顶底板岩层的破裂压力,压裂初期的施工排量偏高,导致施工压力达到顶底板的破裂压力,压裂裂缝在顶底板之间延伸形成单一裂缝,改造效果及产气效果均较差。     

气相压裂瓦斯快速抽采技术研究和应用

针对试验煤矿高瓦斯低渗煤层密集抽采钻孔施工量大、抽采效果差、抽采达标时间长等问题,提出了气相压裂瓦斯快速抽采技术。试验结果显示:气相压裂后抽采量提高了4.4倍,瓦斯抽采达标时间比压裂前缩短了4/5。实践证明,气相压裂技术适用于高瓦斯低渗煤层的瓦斯抽采。     

煤层群条件下合层多段压裂技术研究

贵州地区普遍发育薄—中厚煤层群,煤层气开发地质条件复杂特殊,需要与之相匹配的工艺技术。在具体分析贵州地区煤层群发育特点的基础上,提出煤层气合层多段压裂技术。合层多段压裂是从煤层群的角度出发,从同一口井中优选多个压裂段,每个压裂段包含相邻的多个煤层及煤层之间的夹层;通过小层射孔,投球封堵,填砂封隔,可降低施工难度,提高合层多段压裂施工效果。合层多段压裂技术已在盘江矿区松河矿煤层气地面开发示范工程中应用实施并取得一定成效。     

低渗煤层控制水力压裂增透技术研究及应用

针对低渗煤层水力压裂存在裂缝扩展范围小、增透效果差和在增透影响范围内容易留下空白带等问题,将控制水力压裂引入低渗煤层水力压裂实践。分析了低渗煤层控制水力压裂增透机理,提出了低渗煤层控制水力压裂增透技术及封孔方法,并在夏店煤矿进行了工程应用。结果表明:控制水力压裂使水力裂缝沿着控制孔的方向扩展延伸并有效增加煤层渗透性;组合式封孔技术封孔效果好、成本低,实现了一孔多用;控制水力压裂技术应用后,煤层渗透率有效增大,钻孔瓦斯抽采纯流量为原始煤层的4.969倍,3117工作面瓦斯预抽效果达标,回采期间回风巷瓦斯浓度始终低于0.5%,实现了工作面的安全高效开采。     

碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式

碎软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。以安徽淮北矿区芦岭煤矿8号碎软低渗煤层为研究对象,通过开展现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模拟等工作,提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式,揭示了该模式下水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理,构建了该模式实施的主要工艺流程。研究结果表明:顶板岩层相对脆性、裂缝扩展压力较高,碎软煤层相对塑性、裂缝扩展压力低。在顶板岩层水平井进行套管射孔和水力压裂,顶板岩层中产生的压裂裂缝,在垂向上向下扩展伸延并穿入碎软煤层;同时在水平方向上也快速扩展延伸,由此产生的牵引作用撕裂下部碎软煤层形成较长的压裂裂缝。数值模拟结果显示,在给定的压裂施工参数条件下,顶板岩层中压裂在碎软煤层中形成的压裂裂缝长度,是直接在碎软煤层中压裂形成的压裂裂缝长度的6.7倍。碎软煤层和顶板岩层中形成的这些压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填,成为煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道。显然,采用这种抽采模式,碎软低渗煤层可以获得良好的压裂改造效果。研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井抽采示范工程,取得了很好的产气效果,水平井单井曾连续3,6,12个月平均日产气量分别为10 358,9 039,7 921 m3,截至2017-11-16,已累计产气500万m3,日产气量仍在3 200 m3以上,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录。     

我国煤层气开发模式与开发技术问题探讨

我国复杂的地质条件决定了煤层气开发模式与开发技术选择的多样性。就目前应用较广的5种煤层气开发模式(井下瓦斯抽放模式、煤矿区地面预抽开发模式、采煤采气一体化开发模式、地面直井压裂开发模式及多分支水平井开发模式)和3项煤层气开发技术(定向水平井技术,欠平衡技术钻井、完井技术和注气提高采收率技术)进行了深入探讨,并对各项技术和模式的地质适应性进行了初步分析。结果表明:直井压裂技术较适用于高渗、原生结构厚煤层的煤层气开发,多分支水平井技术适用于低渗与特低渗厚煤层的煤层气开发以及煤矿瓦斯预抽,而采气采煤一体化适合于煤层发育比较复杂、地表条件差、垂直钻井和水平钻井很难施工的矿区的煤层气开发。     

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。