寺河矿区压裂煤储层中裂缝与流动通道模型

为阐明流体在压裂煤储层中的流动路径,确立流体的流动通道几何模型,对寺河矿区多口压裂煤层气井进行了跟踪开挖解剖研究,认为压裂煤储层中不同成因裂隙因各自空间尺度、密度、分布特征以及与煤基质的接触面积差异,对流体流动的影响各不相同,裂隙的组合方式控制了压降的传递.研究结果表明:在绝大多数水平铺砂压裂裂缝的最前端,存在一段压开未铺砂的压裂裂缝;在单一煤岩分层中,发育线密度8～11条/5cm的内生裂隙局部密集发育带,线密度3～5条/5cm的气胀节理局部密集发育带,不同煤岩分层内的内生裂隙常被外生裂隙或者气胀节理串联;与压裂裂缝连接的天然裂隙存在明显的压裂液挤压、扩张痕迹.根据裂缝空间分布与组合关系,发现存在由内生裂隙、气胀节理、外生裂隙、压裂裂缝组成的2种基本通道类型.煤基质块中的流体通过内生裂隙密集发育带进入流动通道,气胀节理密集发育带和外生裂隙以及压裂裂缝是流体流动的通道;煤基质块对通道的流体补给速率与通道自身的导流能力,决定了通道内的压降传递效率.     

顺煤层钻进用可降解聚合物钻井液

沁水盆地南部寺河矿区15号煤含气量高,埋深较浅,具有良好的煤层气开发潜力。针对15号煤煤体结构复杂和顶底板为富含水层的灰岩,在顺煤层钻进时主要存在的携屑困难、井壁失稳、容易漏失和储层污染难题,研发了微固相可降解聚合物钻井液体系。通过煤粉悬浮、煤岩取心模拟护壁、黏度衰减和渗透率恢复实验评价了该体系的基本性能。实验结果表明,该体系携带岩屑效果好,抑制作用强,能够减小井眼扩径,同时配合生物酶的降解作用,储层渗透率伤害率可以从50%降低到25%。该钻井液在中国首个煤层气工厂化钻井平台X-2井进行现场试用,钻井液密度为1.01~1.03g/cm3,漏斗黏度为35~40s,API滤失量小于15mL,pH值为8~10,加入生物酶后黏度降低40%,顺煤层段成功钻进900m。      

致密砂岩Ⅰ型断裂行为的温度效应研究

致密砂岩裂缝复杂程度对于提升致密气储层压裂改造效率、增大资源动用程度具有实际意义。本文利用三点弯曲加载手段结合SEM分析对致密砂岩半圆弯曲(SCB)试样在室温、液氮低温条件下的力学特性、断裂行为、断裂路径规律及断裂能特征进行表征,讨论液氮低温作用下的致密砂岩预裂机制。研究结果表明:①液氮低温处理后致密砂岩试样断裂荷载、断裂韧度较室温状态均明显降低,而层理平行加载方位试样上参数略有增大,推测与液氮低温对层理面增强有关;②液氮低温处理后试样裂缝扩展路径复杂度提升,裂缝条数增多并出现裂缝分叉汇聚等现象,液氮预裂对致密砂岩断裂复杂度提升效果显著;③液氮预裂后致密砂岩断裂能显著降低,最大降幅达46.98 %;④室温下致密砂岩断裂路径主要沿矿物晶界发展,形成沿晶裂缝,岩石改造程度低;液氮低温处理后砂岩试样以沿晶断裂、穿晶断裂及颗粒断裂形成复杂裂缝形式,促进了穿晶裂缝与复杂缝网形成。综上,致密砂岩储层压裂中低温预处理能有效降低储层破裂压力,实现裂缝端部岩石韧-脆转换,提升压裂裂缝复杂程度。     

深部煤层气水平井测-定-录一体化地质导向技术

我国深部煤层气资源丰富,目前已逐步进入勘探开发阶段,但经济高效的煤层气井数量偏少。钻井工程导向技术是制约煤层气水平井产能的首要因素:一方面,要求着陆井段轨迹平滑,使着陆层位和角度与地层参数相互匹配,以免造成后期排采设备故障率高、排采不连续的现象;另一方面,水平段煤层钻遇率尽可能高,以保障供气充足。基于此,在总结前期深部煤层气水平井地质导向经验基础上,提出集测井、定向、录井技术于一体的地质导向技术,最大限度优化井眼轨迹,提高靶点着陆准确度和水平段煤层钻遇率。该技术主要流程为:根据前期有限的钻探、地震等资料建立目的层地质模型,钻井工程实施过程中通过垂直井段获取钻遇地层的测井参数响应值,水平段钻进时实时对比定向和录井参数,及时校正随钻伽玛,利用GeoWorks软件进行层位对比和划分,并建立动态地质模型,进而调整和预测后续井眼轨迹。通过沁水盆地横岭区块HL-U-04井实例应用,该技术取得了良好的应用效果,施工周期缩短了30%,煤层钻遇率提高了24.47%。该井完钻后连续油管压裂套管压力在5.7 m~3/min的排量下稳定维持在35 MPa,达到了储层改造效果,投产后该井排采初期日产气量稳定在1 000 m~3左右。因此,测-定-录一体化地质导向技术提高了水平井钻井技术的精确性和高效性。     

海/陆相页岩微观力学性质压痕测试研究

页岩微观力学性质对页岩油气储层钻井、完井、压裂改造具有关键影响。利用X射线衍射、微观结构扫描电镜及压痕测试等手段对四川盆地海相页岩和内蒙古石拐盆地陆相页岩进行研究,结果表明：海相页岩由石英、方解石、白云石及黄铁矿等自生矿物组成,微观结构较为致密,维氏硬度平均值为2.43 kN/mm2,岩石坚硬、刚度大,储层破裂压力较高;陆相页岩由石英、钠长石、高岭石和蒙脱石等外源矿物组成,黏土矿物含量高是其显著特征,粒间孔隙发育,结构相对疏松,其维氏硬度平均值为0.80 kN/mm2,储层破裂压力较低。海相页岩不同方向上压痕位移差异大,易形成辐射裂缝（纹）,其脆性强,储层压裂可采取低裂缝净压力以减小裂缝后期回弹;而陆相页岩不同方向上压痕位移相似且不易形成辐射裂缝,其脆性弱,储层压裂可考虑高裂缝净压力加载,以保障压裂裂缝残余宽度。     

固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响

目前针对于煤层气井近井部位固井水泥浆侵入的方式和形态规模、固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响机制及其与煤层气井开采效果的内在关联方面的研究较少。为了深化煤储层压裂裂缝延展理论并给煤层气井水力压裂施工方案优化提供支撑,选取沁水盆地煤储层中基质—裂隙发育组合迥异的区块,对部署在不同部位气井的固井水泥浆侵入方式和水泥环形态规模进行了系统刻画,分析了不同固井水泥浆侵入方式下的压裂力学判据,针对深部气井难于开挖解剖其固井水泥浆侵入特征的实际问题,提出了破裂压力当量的定义,在此基础上,对郑庄区块39口煤层气井的压裂排采数据进行了分析,总结了固井水泥浆不同侵入方式对煤层气井压裂、排采的影响。研究结果表明:①煤层气井固井水泥浆的侵入方式包含固井水泥浆正常充注型(硬煤基质)、加厚型(构造煤)及煤岩—水泥胶结界面型(硬煤裂隙带)等3种;②由破裂压力当量(pt)小于1.50 MPa,固井水泥浆均匀充注在气井井眼—套管环空,可以判断气井位于硬煤基质;由pt介于1.50～9.00 MPa,固井水泥浆沿井壁构造节理缝挤侵入储层内形成胶结滤饼,可以判断气井位于硬煤裂隙带;由pt大于9.00 MPa,固井水泥在井眼环空垮塌空间加厚形成纺锤体,可以判断气井位于构造煤;③位于硬煤基质的气井在排采期间气井产气量缓慢增加到峰值,并可在峰值部位稳产较长时间,而后产气量缓慢下降,位于构造煤的气井在排采初期很快见产,随后产气量迅速衰减,硬煤裂隙带气井在排采初期产气量快速上升并达到峰值,但稳产时间较短,而后产气量缓慢下降。     

煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

煤储层压裂改造过程中,天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖,描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型,并阐明了二者之间的作用关系。结果表明,煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙,且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关,伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等4种,其中,水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性,受最大主应力和天然裂隙的共同作用,研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角,因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外,考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响,提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的方向。     

二连盆地褐煤断裂行为加载率效应及对压裂裂缝调控的启示

室内试验尺度对煤岩断裂行为及加载率效应的认识同样有助于地下储层压裂过程中压裂裂缝延展规律分析及压裂造缝形式的调控。利用SHPB试验对采取自内蒙古二连盆地褐煤半圆弯曲试样在层理平行、层理垂直及层理斜交方向上的断裂行为及加载率效应开展研究，据此构建研究区褐煤储层水力压裂造缝模式。结果表明：二连盆地褐煤试样冲击下断裂过程包括弹性变形、断裂及卸载阶段；随加载率提升，试样断裂强度、断裂韧度随之线性增大，研究区褐煤断裂性能加载率效应非常显著。随加载率增大试样破碎程度加剧，层理平行型试样冲击下以层理剪切破碎形式为主，垂直层理及斜交层理试样以冲击压碎式破坏为主并形成大量煤粉，对煤层气排采较为不利。冲击下褐煤岩断裂方位基本与加载方位一致。同时随加载率增大，研究区褐煤断裂过程耗能线性增加。以上表明二连盆地褐煤断裂行为受外部加载率深刻控制。最后提出一种基于加载率效应的煤储层压裂造缝模式调控程序。其中深部应力主控型褐煤储层压裂，压裂中主要采取由近到远逐级增大加载率，而浅层由天然裂缝主控的褐煤储层压裂，压裂中由近到远逐级减小加载率的泵注程序，使压裂裂缝初期由应力主控，后期转为天然裂缝主控。形成近井地带主干裂缝，...