煤层顶板水平井分段多簇穿层压裂数值模拟

煤层顶板水平井分段压裂技术是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。文中基于流-固耦合原理,考虑分段多簇压裂时缝间应力干扰作用和射孔簇裂缝间压裂液动态分配,建立三维裂缝穿层扩展计算模型,研究了多簇射孔条件下裂缝动态延伸情况。结果表明：单簇射孔压裂形成的裂缝半长和宽度均较大,且裂缝尖端位于煤层顶板内,顶板内裂缝向前延伸后,由高应力顶板向低应力煤层中穿层扩展;三簇射孔条件下,当射孔簇间距小于15 m或压裂液排量低于8 m³/min时,中间裂缝不能获得有效的压裂液分配而发育不充分;对于煤层顶板水平井,射孔簇增多会导致压裂液分流,部分射孔簇将无法形成有效裂缝或无法穿层扩展,导致射孔簇效率降低。因此,对于多簇施工,应综合考虑压裂液排量、簇间距,以促进裂缝均匀扩展。研究成果可为煤层顶板水平井分段压裂施工优化设计提供依据。     

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。     

碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展规律及控制机制

碎软低渗煤层的煤层气地面抽采,多年来一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治工作的技术瓶颈,也是世界性技术难题。通过建立表征碎软低渗煤层顶板水平井分段煤层气抽采模式的地质—工程模型,采用数值模拟的方法,开展了顶板水平井压裂裂缝扩展规律的研究,揭示了碎软低渗煤层顶板水平井压裂裂缝垂向上不仅完全能穿层进入沟通煤层,而且由于裂缝在顶板岩层中的脆性主导性扩展造成"拉扯"作用带动煤层中的裂缝共同横向扩展,在碎软煤层中形成的裂缝比直接对碎软煤层压裂形成的裂缝要长的多,压裂增产效果更好。同时,现场工程试验也验证了煤层顶板水平井压裂对碎软煤层的增产改造效果。我国晚古生代煤田碎软低渗煤层分布广泛,高瓦斯突出矿井众多。该研究成果对于这类煤层的煤矿区煤层气地面抽采,尤其是突出煤层的掘进煤巷条带瓦斯地面快速预抽和区域瓦斯消突,瓦斯灾害防治,具有借鉴和指导作用,应用前景良好。     

脉冲爆燃压裂技术在煤层气井中的应用

脉冲爆燃压裂技术利用火药能源在近井带燃烧产生多级脉冲气体压力,在裂缝方向不受地应力控制的前提下,使地层产生多条裂缝体系,改善了地层近井带的导流能力。为验证脉冲爆燃压裂技术在煤层气井的应用效果,选择部分井层开展了现场试验及使用效果评价。结果表明,在煤层气井实施脉冲爆燃压裂措施,工艺简单,成本较低,不污染煤层,对提高煤层气井开发初期出水量,解除煤层气储层近井带污染及堵塞,提高产气量,具有较好的效果。     

碎软煤层夹矸间接压裂开发煤层气技术研究

目前间接压裂技术已成为低渗碎软煤层高效开发技术。文章以大宁—吉县区块5号煤层为研究对象,提出利用夹矸间接压裂技术提高煤层气开发效果,通过开展煤层夹矸可压性评价、水力压裂数值模拟、现场试验等研究,建立了低渗碎软煤层夹矸水平井分段压裂的工艺流程,揭示了该技术下水力裂缝的扩展规律。研究结果表明：与煤分层相比,夹矸的脆性和可浸泡性较好,可压性更高;在夹矸中进行压裂能够沟通上下部煤层,大幅降低施工压力与裂缝延伸压力,减少煤粉产出,裂缝延伸好,增产效果显著。射孔点距夹矸顶面0.5 m时,对夹矸上下煤层改造效果最优;夹矸煤层最小主应力差异系数为1.1时,水力裂缝在夹矸段少量扩展后,迅速向夹矸与煤层间的弱面延伸,进而撕裂夹矸上下部煤层,建立渗流通道。研究成果为低渗碎软煤层气开发提供了新的技术思路,同时可为射孔段优选以及压裂设计提供参考。     

关于煤层气压裂裂缝起裂扩展方式的思考

我国煤层磁资源的裂缝系统具有着复杂性的特征。煤层气水利压裂方式的研究,可以让人们对煤层气压裂裂缝的起裂情况和与之相关的扩展规律进行了解。本文主要对煤层气气压裂裂缝的起裂扩展方式进行了探究。     

稳定电场裂缝监测技术在煤层缝网压裂中的应用

前期大量压裂数据分析认为大规模高排量活性水压裂不适用于所有煤层气井，煤岩力学特征与压裂工艺、压裂施工参数未能合理匹配是其主要原因，但如何监测压裂缝网是评价施工效果的关键。为此，依据稳定电场裂缝监测原理，通过施工前后的地面电位随施工时间的相应变化，解释压裂裂缝的走向和裂缝在平面上的形态。在现场，金试3向1井分别对3套煤层采用高黏度胍胶液体、小排量压裂施工，取得了较好效果。应用效果表明：①监测信号反映主裂缝形成-主裂缝向深部延伸、停止-形成网状裂缝-网状裂缝（电位差）峰值；②返排流体方向和压裂监测裂缝延伸方向相一致；③应力差系数是裂缝形态关键因素之一，可认为系数小于0.3时，应用此工艺可具备形成网状裂缝的条件。结论认为，该方法可对压裂工艺的效果进行很好的评估，也为优化网状裂缝压裂施工参数提供有益的指导。     

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。     

我国煤层气压裂技术发展现状与展望北大核心CSCD

压裂技术是煤层气高效开发的关键增产技术,该技术对于大力开发煤层气、实现我国碳中和目标具有重要意义。本文通过对我国煤层气压裂技术的调研分析,发现:①目前现场大多采用常规活性水压裂技术,同时也在积极探索无水/少水压裂技术;②由于我国煤层地质条件复杂多样、非均质性强等特点,目前还存在裂缝动态扩展机理研究不够深入、压裂工艺以及压裂液体系对煤层不匹配不适应等问题。建议亟待厘清煤层压裂起裂和扩展机理、发展复合压裂新技术与多元化煤层压裂液体系、发展煤层气智能化压裂、提高煤层气开发压裂智能化水平。本文研究成果对我国煤层气压裂技术的发展具有参考意义。     

我国煤层气压裂技术发展现状与展望

压裂技术是煤层气高效开发的关键增产技术,该技术对于大力开发煤层气、实现我国碳中和目标具有重要意义。本文通过对我国煤层气压裂技术的调研分析,发现:(1)目前现场大多采用常规活性水压裂技术,同时也在积极探索无水/少水压裂技术;(2)由于我国煤层地质条件复杂多样、非均质性强等特点,目前还存在裂缝动态扩展机理研究不够深入、压裂工艺以及压裂液体系对煤层不匹配不适应等问题。建议亟待厘清煤层压裂起裂和扩展机理、发展复合压裂新技术与多元化煤层压裂液体系、发展煤层气智能化压裂、提高煤层气开发压裂智能化水平。本文研究成果对我国煤层气压裂技术的发展具有参考意义。     

TOUGH-FLAC3D热流固耦合模拟煤储层水力压裂过程

以沁水盆地南部安泽区块煤层气储层为例,将TOUGH与FLAC^3D搭接耦合来设计模拟,以实现对煤储层水力压裂热-流-固耦合的分析,进而获得在多场控制下的裂缝扩展与穿层规律。研究结果表明：水力裂缝沿着先存裂缝方向扩展更容易发生于二者以较小逼近角相交时。当逼近角较大时,水力裂缝会沿着最大主应力方向扩展。在垂向平面上,由于煤岩与顶底板岩石力学性质差异显著且煤层微裂隙发育,压力在煤层当中传播速度快于在顶底板中,导致在煤层中靠近顶底板的交界面处,形成两个相对高压区域。同时埋深较深的煤层由于原地应力较大,相比于浅层煤层,更易发生塑性变形。深部煤层由于压裂液滤失系数较小且垂向应力较大造成的流压积累,是顶底板被压穿的主要原因。煤样物理实验和压裂曲线分析的结果验证了此次模拟结论的准确性。     

深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用

为提高深部煤层的煤层气产能,针对其地质特征提出了在深煤层实施多口直井同步水力波及压裂的技术思路。首先基于边界元位移不连续法建立了多裂缝诱导应力数学模型,模拟深煤层诱导应力场分布,分析水力波及压裂复杂缝网形成的可能性,然后采用离散元方法研究应力干扰的裂缝网络延伸情况及其影响因素,最后通过三轴压裂实验和现场应用效果验证了其可行性。结果表明:(1)水力波及压裂技术能增大应力干扰面积和应力干扰强度,促使水平主应力差的减小甚至诱导局部区域的地应力方向发生改变,有利于沟通煤岩中发育的面、端割理,从而形成大规模高效复杂的裂缝网络;(2)水力波及压裂有利于复杂缝网形成的条件包括较小的初始水平主应力差、低泊松比、较小井距、低压裂液黏度、高缝内净压力等;(3)真三轴物理模拟实验结果显示,水力波及压裂技术能够充分沟通煤岩天然裂隙,形成由人工裂缝、面割理和端割理组成的复杂裂缝网络。进而提出了一套深煤层多井同步水力波及压裂工艺优化设计方法,在沁水盆地南部柿庄北地区深煤层选取了5口直井进行先导性试验,裂缝监测及排采数据表明,水力波及压裂井产生的波及体积较大,裂缝网络复杂;较之于常规压裂井,水力波及压裂井不仅见气更早,产量、套压较高且稳定,而且所形成的区域压力降波及邻井,可大幅增加实施井及邻井产量。     

绒囊流体控制煤岩储层水力裂缝形态研究

煤岩储层水力裂缝易随割理和天然裂缝转向延伸,致使水力裂缝形态不规则且横向延伸较短。欲采用绒囊流体作为压裂液,在压裂过程中暂堵割理和天然裂缝,使压力向垂直于井筒的方向传递,从而形成规则长缝。室内测试绒囊压裂流体暂堵煤岩柱塞剖缝承压能力18 MPa,能够阻止裂缝向割理和天然裂缝方向偏转;绒囊压裂流体伤害煤基质渗透率恢复值86%,满足压后产气要求;φ0.9 mm陶粒在绒囊压裂流体中的沉降速率0.003 cm/s,满足携砂要求。X井压裂现场配制绒囊压裂流体520 m3,采用井筒加砂分隔的方式分层压裂山西组和太原组煤层。绒囊携砂液泵注过程中,施工压力稳定在14.64~15.99 MPa之间,表明水力裂缝延伸过程中未出现堵塞和转向。压后模拟发现,太原组缝长155.7 m,缝高41.3 m;山西组缝长163.9 m,缝高47.5 m。因此,绒囊流体能够作为压裂液形成规则长缝,解决了煤岩储层造缝不理想的难题。      

Experimental investigation of propagation mechanisms and fracture morphology for coalbed methane reservoirs

Fracture propagation mechanisms in coalbed methane (CBM) reservoirs are very complex due to the development of the internal cleat system. In this paper, the characteristics of initiation and propagation of hydraulic fractures in coal specimens at different angles between the face cleat and the maximum horizontal principal stress were investigated with hydraulic fracturing tests. The results indicate that the interactions between the hydraulic fractures and the cleat system have a major effect on fracture networks. “Step-like” fractures were formed in most experiments due to the existence of discontinuous butt cleats. The hydraulic fractures were more likely to divert or propagate along the butt cleat with an increase in the angles and a decrease in the horizontal principal stress difference. An increase in the injection rate and a decrease in the fracturing fluid viscosity were more conducive to fracture networks. In addition, the influence on fracture propagation of the residual coal fines in the wellbore was also studied. The existence of coal fines was an obstacle in fracturing, and no effective connection can be formed between fractures. The experimental investigation revealed the fracture propagation mechanisms and can provide guidance for hydraulic fracturing design of CBM reservoirs.     

煤层气径向水平井压裂室内试验与产能数值分析

煤层气径向水平井压裂工艺,即先在目标煤层钻成单层或多层径向水平井、再进行水力压裂改造,有望成为一种解决我国煤层气单井产量过低问题的有效手段。为研究该工艺在煤层中的压裂效果,采用大型真三轴水力压裂试验设备对径向水平井压裂过程进行了物理模拟,得到了3种裂缝形态,并依据试验结果分析了井眼参数对裂缝起裂与扩展的影响规律;同时,采用油藏数模软件对径向水平井压裂后的煤层进行建模,对不同完井方式的产能对比,论证了径向水平井压裂对于煤层气高效开采的巨大潜力,指出径向水平井压裂应当以"一平多纵"的缝网形态为设计目标,并给出了具体的工程设计建议,为该技术在煤层气开发中的应用提供了理论依据。      

煤层气藏非对称水力裂缝直井产能评价

煤层具有非均值性较强、压裂裂缝展布不均匀、非对称分布等特点,目前缺少煤层非对称裂缝产能评价模型.针对上述问题,运用Langmuir等温吸附方程及Fick扩散定律描述煤层气藏中的吸附、解吸及扩散现象,引入特殊的拟时间函数解决考虑吸附解吸现象的物质平衡方程中非线性较强的问题,利用新定义的参数表征压裂过程中水力裂缝的非对称性...     

恩村井田煤体结构与煤层气垂直井产能关系

煤储层原始渗透率、压裂改造后渗透率及围岩的渗透率共同影响着煤层气垂直井排采过程中压力传播轨迹,并最终影响着煤层气垂直井的产能。以焦作矿区恩村井田勘探开发原始资料为基础,根据测井响应曲线,结合钻井取心,把煤体结构划分为原生结构煤（I类）、碎裂煤（Ⅱ类）和构造煤（Ⅲ类和Ⅳ类）3类4种。根据岩石弹性力学理论结合不同煤体结构天然裂隙发育状况,建立了天然裂缝方位与地应力方向关系模型,分析出不同煤体结构主裂缝方位的主控因素。根据裂缝延伸方位结合煤层气井排采过程压力传播轨迹,得出不同煤体结构与产能关系。排采试验表明：以目前的水力压裂工艺进行储层改造,碎裂煤对产能的贡献最大,原生结构煤次之,构造煤几乎不可被改造。     

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。     

沁水盆地寿阳区块煤层气井产水差异性原因分析及有利区预测

沁水盆地寿阳区块多数煤层气井在排采过程中呈现出"高产水、低产气"的特点,较高的产水量严重制约了煤层气单井产能。为此,基于该区64口煤层气井的排采动态资料和相关的地质、钻井及压裂资料,从断裂构造、压裂缝类型和煤层顶底板岩性组合三方面综合分析了煤层气井产水差异性的原因,并据此提出了"避水采气"层次分析方法,预测了该区"避水采气"的有利区。研究认为,该区煤层气井产水差异性主要存在两大原因:(1)部分煤层气井位于断层附近,断层沟通了煤层顶底板的砂岩含水层,导致单井产水量较高;(2)区域地应力类型决定了该区煤层在压裂过程中会产生垂直压裂缝,其压穿岩性组合类型较差的煤层顶底板,从而沟通含水层导致单井产水量较高。结论认为:(1)煤层气生产过程中应进行"避水采气"有利区预测,其层次分析步骤为"一看断裂构造,二看应力类型,三看岩性组合";(2)该区块西部、东北部和中北部为煤层气开发的"避水采气"有利区。