煤层气井压裂效果影响因素分析与技术对策

煤层作为自生自储式非常规储层较常规储层开采难度大,在我国直接表现为单井产量低,严重制约煤层气产业发展。以压裂煤层气井产能为基础,分析并研究了影响压裂效果的因素及其影响方式,主要包括压裂液类型、支撑剂性能、排量和砂比等施工参数以及应力状态的改变,其主要通过作用于渗透率、导流能力、裂缝的延伸来对增产效果产生影响。最后针对国内外技术现状提出可提高煤层气井压裂效果的技术对策,为进一步发展我国煤层气井增产改造技术提供视角。     

沁水盆地赵庄井田煤层气产出特征及其影响因素

沁水盆地赵庄井田3~#煤的煤层气虽然资源丰度高,但由于储集物性差等因素,导致煤层气解吸、扩散、运移产出速度缓慢,不但煤层气井单井产量低,而且产量衰减快,稳产期短,煤层气开发难度大。因此,针对煤层气产出不理想的情况,采用室内实验模拟结果和现场测试分析数据相结合方法对影响煤层气产出的原因进行了分析,指出了煤层气产出困难的3个主要影响因素:(1)3~#煤层裂缝极为发育,裂隙连通性差、充填堵塞严重;3~#煤大孔占比少,细孔、微孔占比大,煤层的渗流条件差,煤层的可动流体饱和度低,排水降压可产出的孔隙流体少,气体可解吸、扩散、渗流产出量少,致使煤层气的产出程度低;(2)3~#煤的临储比和含气饱和度低,煤层气井排水降压的可降幅程度小,压降漏斗的扩展面积小,致使产气效果较差;(3)煤层的塑性强、应力差异系数小,煤层与围岩的应力差小,煤层压裂裂缝延伸难度大,裂缝容易突破顶底板纵向延伸,压裂容易形成多裂缝,限制了裂缝长度的扩展延伸,致使压裂增产效果差。并提出优选煤层气开发有利区域、强化煤层压裂改造措施和分段压裂水平井抽采技术是实现赵庄井田3~#煤层下一步煤层气高效开发的3个有利措施。     

裂缝性储层缝网压裂技术研究及应用

裂缝性储层压裂井生产能力主要受主裂缝沟通的天然裂缝系统控制区域的大小影响。裂缝性储层压裂改造后,短期产量来自高导流能力的主裂缝,长期产量则主要来自天然裂缝网络。常规压裂以抑制天然裂缝扩展形成主裂缝为主,其控制的渗流区域较为有限,这与压裂增产形成矛盾。因此,要提高压裂井改造效果,需要保证压裂形成的裂缝形态为网络裂缝,沟通更大的渗流区域和更远的裂缝作用距离,充分发挥主裂缝和天然裂缝网络的增产优势。在研究水力压裂裂缝网络形成条件的基础上,对缝网压裂的关键参数进行了分析研究。现场应用结果表明,缝网压裂的增产效果远远高于常规压裂。     

煤层气压裂井裂缝参数优化及效果评价

因煤层复杂渗流机理及低孔低渗特征,煤层气均需采取压裂改造措施进行开采。为了正确认识压裂参数对煤层气井产能、采出程度及井网部署的影响规律,从储层应力形变及煤层气解吸、扩散、渗流流固耦合分析出发,建立压裂井气水两相非线性渗流模型,研究裂缝参数、储层非均质性对井距及井网类型优化的影响,并且采用注入压降试井解释对压裂工艺参数进行评价。研究结果表明：煤层流体以非线性渗流为主,物性呈现先下降后上升的特征,存在启动压力梯度的影响;井距优化应考虑裂缝方向、裂缝穿透比、裂缝导流能力等因素的影响;矩形与菱形井网选择要参考储层各向异性系数的临界值;避免注入压降测试中井筒液面的变化及测试段的选择对试井解释结果的影响,提高压裂效果解释评价准确性。研究对煤层气压裂井裂缝、井网参数优化及提高压裂效果评价准确性具有较好的指导意义。     

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文章采用数值模拟方法，从煤层甲烷的流动机理入手，利用朗格缪尔等温吸附方程描述甲烷从煤表面解吸过程，利用Fick定律描述甲烷从煤基质和微孔隙中的扩散，综合考虑了煤层甲烷的解吸附、扩散、渗流三个过程，并考虑了水力压裂产生高渗透裂缝对渗流场的影响，在煤层理想化等七个假设条件下，建立了煤层甲烷的非平衡拟稳态吸附扩散模型，利用该模型编制了煤层气井产能预测软件，并进行了模拟计算，给出了计算实例。结果表明：煤层在没有经过水力压裂处理时，煤层的气、水产量是很小的；经过水力压裂处理后，由于煤层的排水降压效果，煤层气井气、水产量有明显的增加，具有经济开采的产量规模。     

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煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中，只有当储层压力降低后才可以从基质中解吸出来，煤岩裂隙或割理中多被水充满，而裂隙与割理是煤层中的主要运移通道，煤层气需要通过排水（裂隙或割理）降压（煤岩储层）方式才得以采出，故煤层气的产量受煤岩性质、压力水平和两相渗流特征等多种因素的影响。文章分析认为，影响煤层气井单井产量的主要因素包括煤岩渗透率、孔隙度、吸附能力、含气量、临界解吸压力、相对渗透率等；为提高煤层气井单井产量，必须通过洞穴完井、压裂改造或水平井等方式，改善井底渗流条件，有效地降低井底流压，扩大压力波及范围，增加有效解吸区，扩展两相渗流区范围。为实现煤层气的规模开发，必须深化认识储层特征，结合地质实际，选择合适的开发技术。     

体积压裂技术在煤层气开采中的可行性研究

中国煤层气储量丰富,但由于煤储集层低饱和度、低渗透率、低压力等特点使煤层气井的开采效率极低。为了获得煤层气的高效产出,借鉴北美页岩气藏体积压裂改造工艺的成功经验,从天然裂缝发育程度、岩石成分和缝网构造机理3个方面提出了体积压裂的控制条件,对比了煤层气与页岩气的勘探技术和地质特征等,针对性地剖析了体积压裂技术在煤层气开发中的有效性与局限性。研究结果指出,体积压裂改造工艺技术可明显改善煤储集层的渗流环境,提高单井产量;其增产改造效果与煤储集层内天然裂缝、节理与层理等结构薄弱面的发育程度、岩石的脆性指数和水平主应力差值等密切相关;在压裂工艺允许的范围内,压裂改造体积越大,增产效果越显著。用MEYER软件数值模拟了山西临汾煤层气井组的一口井,结果表明,在煤储集层内实施体积压裂技术是可行的,这对今后煤层气的开采研究具有重要的指导意义与现实价值。     

沁水地区煤层气储层多脉冲压裂技术试验及应用研究

沁水盆地煤层气储量较为丰富,煤层埋深较浅,煤储层孔隙度、渗透率低,目前主要以水力压裂改造煤气层储层达到投产增产目的。针对沁水地区浅层煤层气储层地质特征及开发特点,水力压裂地层破裂压力不明显,二次压裂增产效果不理想等问题,开展了煤层气储层多脉冲压裂技术的试验应用研究与探索。重点论述了浅层煤层气多脉冲压裂技术设计方法、装药结构设计、作用机理与工艺设计及全封闭井口多脉冲压裂设计等,总结分析了三口井现场试验的效果及存在的不足。该工艺技术应用试验的成功为浅层煤层气压裂开发提供了新的增产技术与途径。建议进一步完善工艺和优化设计方法,在单井多脉冲试验应用的基础上,开展煤层气多脉冲压裂技术与水力压裂复合工艺研究,以提高综合压裂效果。     

高压深层低渗透储层改造技术的研究与应用

水力压裂是目前国内外高压深层低渗透油气藏开发的主要技术之一，能够有效改善低渗透油气藏的渗流条件，提高单井产量，但是对于裂缝影响比较显著的注水开发油气藏，实践证明严重的储层非均质性和天然裂缝是控制这类油气藏油井产能的重要因素，故常规的单井压裂技术并不能取得理想的效果。文章针对研究区块为高压深层低渗透油藏的储层特征和实际情况，在室内理论研究的基础上，研究了深层低渗透储层整体压裂改造数值模拟、深层低渗透油气田压裂配套技术、压裂优化设计、实施监测和评估技术，进一步深入和完善了裂缝性深层低渗透油气藏整体压裂改造的配套技术。在此基础上，研制了OGFRACS三维压裂优化设计软件。该研究通过现场实施，增产效果显著，从而也验证了本研究比单井压裂设计更加合理和科学。     

苏53区块裸眼水平井段内多裂缝体积压裂实践与认识

苏里格低渗透致密砂岩气藏水平井具有储层多、含气井段长、物性差等特点,裸眼封隔器分段压裂是提高单井产气量的有效措施。致密砂岩气藏水力压裂改造主要是在平面上改善储层渗流能力和纵向上提高储层剖面动用程度及有效性,储层改造体积与增产效果表现为明显的正相关。探讨了适合苏53区块裸眼水平井的体积压裂模式,提出了段内多裂缝体积压裂工艺与实现方法,现场试验增产效果良好,为苏里格气田的高效开发开辟了新的技术思路。     

致密油藏层内爆燃压裂缝网渗流及产能特征

利用类分形树状网络理论表征复杂的爆燃次生裂缝,考虑启动压力梯度和压敏效应影响,耦合基质非线性渗流区、爆燃次生裂缝波及范围的椭圆线性渗流区、主裂缝线性渗流区,建立了致密油藏水力裂缝层内爆燃压裂非线性渗流稳态模型。实例计算表明:对于致密油藏,爆燃压裂较常规水力压裂在提高增产效果方面具有明显优势,增产效果约为常规水力压裂的1.5倍。爆燃改造区域渗透率K_(in)与裂缝分形维数D_f成正比、与迂曲度分形维数D_t和裂缝分叉角度θ成反比。层内爆燃压裂增产效果主要受爆生裂缝距离影响,与裂缝分形维数D_f、迂曲度分形维数D_t相关性不强,因此选用能量释放率低或具多级反应速率的爆燃药剂,减小裂缝分叉角θ,增加爆生裂缝长度,扩大储层改造体积,是提高产能、优化储层改造效果的重点。     

致密油藏缝网压裂模式的渗透率界限

缝网压裂技术在近期非常规储层改造中取得重要进展,已经得到形成裂缝网络的力学控制条件。针对双重介质致密油藏、采用EQ-LGR方法描述压裂裂缝网络系统建立离散正交缝网数值模型;忽略致密油藏中吸附作用、高速非达西渗流影响和裂缝导流能力变化,模拟不同地层渗透率下实施缝网压裂和常规压裂时的增产效果和裂缝网络对压裂产能的贡献。缝网压裂的增产效果始终高于常规压裂,且致密油藏中缝网压裂后单井产量增加更显著;而相对高渗储层实施缝网压裂与常规压裂的效果较为接近。考虑实施常规压裂更能降低成本和风险,首次明确提出实施缝网压裂的临界渗透率为1.00×10~(-3)μm~2。研究成果不仅为优化压裂裂缝参数提供了手段,也为优选压裂工艺提供了理论依据。     

沁南盆地冷冻煤储层压裂技术探索与实践

改造煤层是煤层气增产的重要技术手段之一，但由于煤储层特有的割理系统和岩性特征，常规水力压裂技术在现场实践中暴露出了一些不适用性。基于液态二氧化碳低温性、安全性、吸附分压和相变增压的特点，进行了液态二氧化碳冷冻煤储层压裂技术探索。国内首次在沁南盆地X150-1井进行了冷冻煤层试验，现场试验表明，井下不仅形成了冰晶，还起到了明显的暂堵作用，达到了控制裂缝转向、持续扩展造缝的目的。与邻井X150-2井生产数据进行了对比，从后期排采效果来看，该技术体现出改造后单井解吸时间短、产气量高的优势；从长期排采效果看，在后期液面降至煤层附近后，X150-1井日排水相对较高，具有更好的产气潜力。该技术是常规水力压裂技术的一种有效补充和发展。     

不同压裂液类型对煤岩水力压裂的影响研究

通过水力裂缝改造煤层,沟通更多的天然裂缝系统,可达到促进排水降压采气的目的。而煤岩由于强吸附特征和天然裂缝系统异常发育的储层特点,从压裂的角度而言将带来两大难题：一是煤储层与水力裂缝本身的伤害问题;二是裂缝的有效造缝与延伸的难题。通过数值模拟方法,以不同液体类型的压裂特点为出发点,研究了不同伤害因素对压后产量的影响程度,以及对裂缝造缝与扩展的影响,为煤层水力压裂材料与技术提供了一个优选的理论依据。     

沁南地区煤层气井二次压裂技术研究

针对SZN区块大量煤层气井水力压裂后产能无法满足要求的现状,需要进行二次压裂改造,提高单井产量。然而,煤层气储层由于其结构的复杂性以及初次人工裂缝的存在、前期生产活动的扰动,其二次压裂过程裂缝产生的条件和扩展机制极为复杂,增产效果差异较大,改造效果无法令人满意。本文通过从地质、压裂、排采等多方面入手,对区块前期已施工二次压裂井进行分析,研究发现,在地质条件类似,井况完好,排采合理的情况下,二次压裂过程裂缝能否有效延伸、新裂缝形成与否;二次压裂前煤层地应力与原始地应力的变化情况是决定二次压裂改造效果的关键。两者与二次压裂后产量相关性规律明显,提出了新的二次压裂改造理念,通过大规模体积改造形成大规模新裂缝,结合区块前期施工经验优化二次压裂改造工艺参数,为煤层气二次压裂提供了新的技术方向,为区块低产井的提产稳产提供了新的技术途径。     

煤层气降滤失工艺技术研究

目前煤层气开发主要是通过水力压裂[1]制造一条高渗通道,然后排水降压,当地层压力降低到煤层气解析压力以下的时候,气体从煤岩中解析出来通过裂缝流入井筒而被开采出来[2]。煤层气能否高效的采出来,关键是看裂缝造得好不好,可见水力压裂对于煤层气开采起着非常重要的作用。其中较关键的技术就是降滤失[3],只要解决好这个问题,就能造出满意的裂缝。本文主要针对煤层气压裂过程中压裂液滤失问题提出了一些工艺技术方面的改进,经过HC区块煤层气压裂现场试验研究表明此方法对于微裂缝较发育的煤层来说具有非常好的实用效果。     

煤层气井压裂技术的现场应用

煤层气是一种重要能源,它是一种储存于煤层及临近岩层之中的非常规天然气,其主要成分是甲烷。开采这种气体必须在煤层的天然裂缝与井筒之间建立起有效的连通孔道。产生这种连通孔道的最有效方式是对煤层进行水力压裂。通过山西晋试 1井组的压裂改造,研究了煤层水力压裂机理,煤层扬氏模量比普通砂岩储层低 1个数量级,因此,难以形成长的支撑裂缝。经过室内试验获得了晋城地区煤层岩石力学参数。针对煤层的地质特点,优选了煤层气井压裂工艺,完成了现场施工及裂缝方位监测,并对压裂施工效果进行了评价。     

考虑解吸扩散的页岩气藏气水两相压裂数值模拟

水力压裂是实现页岩储层有效开发的重要技术手段,而准确预测页岩气藏压裂井产量是保证页岩气高效开发的基础。以油气藏数值模拟和数值计算方法为工具,在考虑页岩基质块解吸扩散和窜流条件下,建立了页岩气藏气水两相压裂渗流数学模型,推导了数值计算模型,并研制了页岩气藏压裂产能模拟器,定量分析了裂缝参数、物性参数和解吸扩散参数对页岩气压裂井产量的影响。研究表明：水力压裂能有效提高单井产量,是页岩气藏高效开发的有效措施;压裂裂缝导流能力和天然裂缝渗透率是页岩气开采的主控因素,日产气量和日产水量随压裂裂缝导流能力和天然裂缝渗透率增加而增加;基质渗透率和扩散系数对产量的影响相对较小。     

煤层气藏水力裂缝扩展规律

由于水力压裂改造措施是煤层气藏增产的主要手段,故研究水力裂缝在煤层的扩展规律是高效开发煤层气的重要内容。煤层强度低且天然裂缝发育,其水力裂缝的扩展不同于常规天然气储层,为此应用损伤力学的方法研究了在流、固、热共同作用下的裂缝扩展规律。研究结果表明：与天然裂缝相遇后,水力裂缝会发生迂曲转向,部分水力载荷将消耗在非主裂缝的路径上,但迂曲一段距离之后,主裂缝仍会沿着平行于最大水平主应力方向延伸;主裂缝发生迂曲转向的临界条件随着天然裂缝数量、天然裂缝与最大水平主应力方向的夹角以及天然裂缝长度的不同而发生改变。该研究成果对煤层气藏进行水力压裂具有指导作用。     

致密油藏水力裂缝层内爆燃压裂非线性渗流模型

利用树状分形理论表征多尺度爆燃次生裂缝的复杂形态,针对致密油藏非线性渗流特性,建立致密油藏水力裂缝层内爆燃压裂非线性渗流模型。根据改造后致密油在地层中的不同流态,将渗流区域分为3个区,推导出3区耦合产能公式。产能影响因素分析结果表明:水力裂缝层内爆燃压裂获得的单井产能约为常规水力压裂的1.5倍;爆燃次生裂缝缝宽分形维数和迂曲度分形维数越大,爆燃次生裂缝面积百分数和爆燃次生裂缝波及区有效渗透率越大,单井产能越高;爆燃次生裂缝分叉角度越小,储层改造体积越大,单井产能越高。在选用爆燃药剂时,应选择能量释放率低或具多级反应速率的药剂,以减小爆燃次生裂缝分叉角度,增大储层改造体积,进而提高单井产能。