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。     

多层砂岩油藏难动用储量压裂效果综合评价(增刊)

在调研目前压裂效果评价技术方法的基础上,针对南堡油田多层低渗砂岩储层特点,提出以系统的观点,从产量、技术和裂缝特征三种角度对压裂效果进行综合分析,认为油井评价重点在于地层能量,水井评价需引入视吸水指数这一参数,裂缝特征评价需多种手段联合监测,才能达到预期目的。通过已压裂井效果评价工作,可以为下步压裂选井、优化压裂设计和油气藏管理决策提供依据。     

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。     

不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析

为了准确认识原生裂缝壁面特征对煤储层水力压裂效果的影响,基于对沁水盆地南部8口煤层气井附近原生裂缝壁面特征以及其压裂效果的解剖观测,对2口典型煤层气井F1和F2附近的原生裂缝壁面特征进行了观测和对比:F1原生裂缝壁面相对曲折、粗糙以及次级裂缝发育,F2则反之。对2口煤层气压裂井开挖解剖发现:煤储层压裂裂缝形态比压裂理论模型推算值及地面监测值更为短而宽;原生裂缝壁面特征对水力压裂效果具有重要影响。研究结果表明:煤储层特有的原生裂缝壁面特征是造成实际的压裂裂缝更为短而宽的重要因素;不同的原生裂缝壁面特征通过影响压裂过程中流体压力降低梯度进而影响最终压裂效果。     

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。     

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。     

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。     

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。     

煤储层压裂裂缝导流能力计算模型及应用

裂缝导流能力是影响煤层气井产能的重要因素之一,除实验研究裂缝导流能力外,还需应用数学方法建立裂缝导流能力计算模型,实现对裂缝导流能力快速有效的评价。以Carman-Kozeny公式为基础,建立了不同条件下的煤储层裂缝导流能力计算模型,分析了支撑剂尺寸、铺置层数、闭合压力与裂缝导流能力的关系。结果表明:支撑剂粒径越大,铺置层数越多,裂缝导流能力越大;闭合压力与裂缝导流能力呈现负相关关系;相同闭合压力时,支撑剂多层铺置的导流能力明显大于单层铺置时的导流能力。建议在压裂前期,使用较小粒径的支撑剂,使裂缝延伸更长;后期尾追较大粒径的支撑剂,提高近井地带的导流能力。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。     

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。     

流量引起的注入压力变化对水力压裂效果的影响研究

为探究不同流量条件下水力压裂试件的破裂压力和裂隙扩展面积变化规律,利用真三轴水力压裂系统开展不同流量的水力压裂物理模拟实验。实验结果表明：通过压裂液流量控制注入压力变化量,流量与注入压力变化量、破裂压力呈正相关关系;泵压力曲线都经历了储液─上升─下降─稳定4个阶段,流量越大则储液时间越短、压裂曲线上升和下降的周期越短、稳定压力越高;裂隙扩展面积随流量的增加而增加,在流量为60 mL/min时裂隙扩展面积最大,压裂效果最佳,但当流量超过60 mL/min时容易产生形态单一、扩展面积小的裂隙网络,水力压裂效果会明显降低。研究结果可为水力压裂技术工艺参数的设计提供参考。     

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。     

页岩气压裂技术进展及发展建议

针对页岩储层孔隙度、渗透率极低，需要压裂改造形成复杂的裂缝网络，才能保证页岩气的高效开发，梳理了直井压裂、水平井压裂、重复压裂、超高导流能力压裂及深层压裂的关键工艺，对比了泡沫、滑溜水、纤维、液化石油气等压裂液体系的优缺点及适用性，归纳了微地震监测、测斜仪监测等裂缝监测技术的原理和优缺点，并提出了页岩气压裂发展的建议。研究得出:我国已实现3 500 m以浅页岩气资源的大规模工业化开发，深层页岩气将成为页岩气开发的重要接替领域；未来压裂液体系发展呈低成本、低伤害、清洁环保、适应苛刻环境的趋势；重复压裂将成为页岩气增产的重要举措，裂缝监测技术是页岩气压裂优化设计的导向，“工厂化”压裂模式是页岩气压裂降低成本的有效途径。     

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层"高储低渗"的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出"波动"特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。     

整装勘查区资源开发利用技术经济综合评价研究

开展重要成矿区(带)资源开发利用的地质、技术、经济、社会和环境影响综合评价,是优化勘查开发布局、保护与合理利用资源的基础性工作,是地质调查服务矿政管理的新领域。本文探讨了快速评价和详细评价相结合的综合评价思路,研究提出了综合优度指数法、重要矿床群评价法两种评价方法,应用这两种评价方法,对三个整装勘查区进行了试评价。评价结果表明两种评价方法均具有可操作性,结论能反映实际情况,评价方法可推广应用。建议:1修改整装勘查区的总结报告(提纲)要求,尽可能增加经济、社会和环境等方面参数,满足综合评价需要;2进一步完善评价方法和指标体系,加大对整装勘查区试评价范围。