碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂高效抽采煤层气技术研究

中国碎软低渗煤层发育,气含量高,资源潜力大,瓦斯压力大、煤岩力学强度低、顺煤层钻进成孔困难,"有气难出"一直是困扰这类煤层气高效开发和矿井瓦斯治理的关键科学技术问题。芦岭煤矿8煤层为碎软、高瓦斯、突出、低渗、难抽采煤层,顶板可钻性较好。引进水平井分段压裂技术,沿煤层顶板施工水平井,采用"泵送桥塞封隔分段、多段多簇定向射孔、逐段分步定向压裂"等成套开发技术,以及"先低后高、先细后粗"的加砂工艺,适时应用段塞式加砂技术,在煤层中形成了多组具有高渗流能力的北东向垂直主裂缝带。经过精细排采,创造了煤层气水平井日产气量超万立方米的纪录。碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂技术的成功应用,突破了"构造煤是煤层气开发禁区"的观念,填补了难抽采突出煤层区地面煤层气高效开发和矿井瓦斯治理技术的空白。     

紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术

煤体结构破碎和渗透率低是碎软煤层"有气难出"的主要原因。为了提高该类储层的煤层气产量,以淮北矿区芦岭井田8号煤层为例,从水平井钻井、压裂和排采控制等3个方面加以综合考虑,基于紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气的思路,在对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律进行研究的基础上,对顶板水平井位置进行了优化,探索形成了紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术,并进行了现场试验。研究结果表明:(1)顶板岩层水平井穿层压裂过程中形成的垂直裂缝能够从高应力值的顶板岩层向下延伸到低应力值的煤层中,且水平井的位置对穿层压裂效果会产生重要的影响,水平井距离煤层越近,穿层压裂裂缝延伸的效果越好;(2)水平井的位置应布置在距离煤层顶界1.5 m范围的顶板内,这样才能最大限度地满足顶板水平井的增产改造要求;(3)形成了"优质、快速、安全"钻井技术,深穿透定向射孔技术,"大排量、大规模、高前置液比、中砂比"活性水压裂技术等3项关键技术;(4)工程实践取得了较好的产气效果。结论认为,紧邻碎软煤层顶板岩层水平井开发煤层气技术可行,该研究成果为碎软煤层的煤层气开发提供了一条新的技术途径。     

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。     

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。     

基于测井信息的煤层顶板水平井抽采煤层气技术

碎软煤层顶板水平井煤层气抽采技术目前尚处于发展初期,卡钻塌孔、加砂困难等问题频发,严重影响了煤层气的开发效果。为了提高碎软煤层水平井的成孔率和煤体改造效率、强化顶板水平井抽采工艺,以沁水盆地晋城矿区赵庄井田3号煤层为研究对象,综合利用井田测井信息,提出了一套基于测井信息的顶板水平井煤层气开发优化技术:利用声波测井资料,引入形变系数建立煤系有效应力测井解释公式,修正组合弹簧模型,解释井田X-01V井地应力,并通过井壁应力场分析,结合摩尔库伦理论和拉伸屈服准则,建立了X-01H井井壁稳定评价方法,得到X-01H井水平段安全钻井密度窗口介于1.15～1.81 g/cm~3;完钻后利用随钻自然伽马数据,绘制X-01H井水平段泥质含量曲线和X-01H水平段与目标煤层相对位置曲线,优选泥质含量小于50%和井眼轨迹距离煤层小于1 m的位置,优化第3压裂段至第6压裂段射孔位置。现场应用效果表明,X-01H井水平段钻井周期为8 d,加砂完成率达110%,目前已累计产气168×10~4 m~3,日产气量最高达11 000 m~3。结论认为,所建立的基于声波测井信息的井壁稳定评价方法 +"双曲线"射孔位置优选法,对于指导碎软煤层顶板水平井煤层气开发具有良好的效果。     

煤层气开发技术发展趋势

煤层气开发模式经过最初的煤矿井下瓦斯抽放到煤层气地面开发与井下抽采并举的发展之后,逐步朝着地面开发、地面与井下联合抽采、井下抽采与采动区抽采以及采空区抽采逐级递进的采气采煤一体化方向发展。地面开发技术也由单一的直井开发朝直井压裂、多分支水平井、远端对接井及丛式井等多样化钻采技术体系方向发展;增产改造技术由单一的活性水大排量加砂压裂朝着大排量中砂比活性水压裂、液氮泡沫加砂压裂和清洁压裂液压裂等更科学的增产改造技术方向发展;排采技术则由定性的定压排采朝着智能化控压控粉定压排采方向发展。     

潞安余吾井田地面瓦斯高效抽采工艺技术研究与实践

为了提高地面瓦斯抽采效率和投入产出比,基于潞安余吾井田主要采用地面垂直井的方式导致瓦斯抽采效果较差的现状,通过理论和实验分析论证了该区穿岩层压裂改造煤储层的可行性,在余吾井田实施了一口煤层顶板分段压裂水平井。试验结果表明:(1)采用顶板分段压裂水平井的方式,日气产量较垂直井有显著提高,单井产量为周边直井日产气量的10～20倍;(2)水平井单井产量高、高稳产期更长、产量衰减更慢;(3)相同投资规模条件下,顶板分段压裂水平井产出效果更好,瓦斯治理效果更为显著。     

“三软”煤层注水压裂增透机理及瓦斯抽采施工参数确定

针对豫西"三软"煤矿区瓦斯低渗难抽问题的特殊性,探讨了主采二1煤层生、储气层的变形特征。以ABAQUS软件为平台,依托告成煤矿建立了滑动构造带三维非线性流—固耦合水力压裂模型。应用多参数耦合模拟方法,探讨了定向注水压裂过程中目标层的流变—损伤—渗流耦合行为;同时利用T—P损伤演化准则的Cohesive单元,模拟了目标层裂隙的起裂和扩展过程。此外,探讨了煤岩体对动力荷载的响应机制和动态条件下的压裂效果。研究结果表明,定向注水新工艺条件下,当注水压力为4.5MPa,注水时间在2h左右时,水力压裂在顺层软煤中的影响半径基本可以达到80~100m这一理想数据,从而大幅度地改善了"三软"煤层低渗性能。实践证明,采用正确的施工方法和技术参数优化组合,可以有效提高煤层的透气性和瓦斯抽采效果,对复杂矿区瓦斯综合利用具有重要借鉴意义。     

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。     

技术：从依赖走向自主

＂煤层气（煤矿瓦斯）开发利用基础研究薄弱。现有煤层气勘探开发技术不能适应复杂地质条件,钻井、压裂等技术装备水平较低,低阶煤和高应力区煤层气开发等关键技术有待研发。煤与瓦斯突出机理仍未完全掌握,深部低透气性煤层瓦斯抽采关键技术装备水平亟待提升。＂《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用＂十二五＂规划》提出的技术关键,为煤层气发展提出了攻坚攻关课题。     

煤矿区采煤采气一体化技术及其对设备的要求

随着煤矿区采煤采气一体化进程的推进,煤层气开发工程对设备提出了更高的要求。在论述煤矿区煤层气抽采技术的基础上,分析了煤矿区煤层气抽采对设备的要求。总体而言,煤层气地面钻井施工设备价格偏高,配件供应和维修时间较长,施工成本较高,而且钻井深度也很有限;井下钻井设备需要解决松软突出煤层钻进问题,应研制开发大直径、长钻孔、定向钻进设备以及有效的钻孔循环介质;压裂设备要求压裂泵车的排量尽量大、稳定性好、成本低、维修方便及时,同时应尝试液氮代替常规的水基压裂液,并开发相应的液氮压裂设备体系。     

煤与煤层气协调开发模式研究

为了实现煤矿区煤炭与煤层气二种资源的安全高效协调开发,基于煤炭开发时空接替规律,分别采用地面钻井排采、地面与井下联合抽采以及本煤层钻孔抽采等不同的瓦斯抽采技术以保证煤炭安全高效生产,是煤与煤层气协调开发模式的代表。     

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。      

低渗透煤层煤层气增产技术瓶颈被打破

正2020年6月30日,山西蓝焰煤层气集团有限责任公司牵头承担的山西省科技重大专项"低渗透煤层煤层气分段压裂水平井增产技术研究"项目,完成研究计划任务,正式通过专家组结题评审。我国煤矿区松软低渗透煤层比例高达82%,该类煤层具有煤体破碎、渗透率低、含气量高等特点,煤炭生产过程中抽掘采在时间和     

采动影响区煤层动态含气量数值模拟

煤矿采动影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽放的有利部位。基于矿井瓦斯工作实践,划分了煤矿采动影响区类型,阐述了采动影响区煤层动态含气量的数值模拟方法,并以阳煤集团二矿为例对采动影响区内煤层动态含气量进行了估算。     

淮南顾桥井田煤层气井排采技术研究

淮南矿区是松软、低透气性、中厚、煤层群开采的典型矿区。淮南矿区所属的顾桥井田面积106.7km2,煤炭资源量18.7×108t。目前,顾桥井田进行瓦斯治理时存在采空区地面抽采难以实施,井下抽采工作量大,难度大,瓦斯超前预抽势在必行。国内外研究和实践证明,利用地面垂直井抽采瓦斯可以提前5~20年解决煤矿开采中遇到的瓦斯抽采问题。为了实现顾桥井田的瓦斯超前预抽,淮南矿业集团决定在顾桥井田开展地面垂直井煤层气超前预抽试验,本文对顾桥井田煤层气井的排采技术进行了分析研究。     

高压水力压裂技术在瓦斯治理中的应用研究

为解决低渗透煤层瓦斯抽采难的问题，本文利用数值模拟研究对水力压裂参数进行研究，发现随着注液时间的不断增大，此时流体压力呈现出先增大后减小的趋势。同时随着随着注液时间及注液量的增大裂缝的宽度及裂缝扩展长度均呈现逐步增大。对水力压裂增透技术进行应用，发现经过水力压裂的钻孔抽采瓦斯的流量明显高于常规孔，增透技术应用取得了较好的效果，为矿井瓦斯抽采提供一定的参考。     

利用爆炸压裂开采煤层气方法探索

国内煤层具有低压力、低饱和度、低渗透率的"三低"特性;主要煤层气富集区煤层顶板主要是泥岩、砂岩和砂泥岩互层且顶板抗压强度和抗拉强度都较高。吸取井内爆炸采油的教训,借鉴高能气体压裂的成功经验,根据煤层气储层地层特性和煤层气开发方法,提出了在贴近煤层的顶板钻多分支水平井,然后在水平井眼中利用"爆炸技术"炸开顶板,并使炸药部分能量压裂煤层,从而提高煤层渗透率,增加煤层气开采的经济效益。     

水力压裂条件下“三软”煤层压裂渗透模型及应用

为了探索水力压裂条件下由软煤、软顶和软底构成的特殊地质体(简称"三软"煤层)裂缝的扩展规律,以及压裂后储层的裂隙分布特征,结合河南焦作煤层气田的注水压裂试验,基于PKN模型的裂缝宽度假设与裂缝流动的摩阻压降规律,着重考虑软煤裂隙中压裂液的滤失因素,构建了水力压裂条件下"三软"矿区碎裂煤的裂缝扩展模型与渗透率计算模型,并运用地震实测法和渗透率反演计算法分别进行了验证。研究结果表明,实际施工条件下试验区二_1煤层压裂后的裂缝几何特征大致相同,长度分布区间为81.85~139.23m,平均为100.41m;最大裂缝宽度区间为24.83~32.78mm,平均为27.32mm,裂缝长度与地震实测结果基本一致。应用裂缝渗透模型,进一步计算得到压裂后煤储层的渗透率一般在(9.21~86.61)×10~(-3)μm~2之间,平均为31.63×10~(-3)μm~2。与后期排采结果所得到的储层渗透率反演值相对比,二者基本吻合。由此可见,压裂改造后的煤储层的渗透率得到显著提高,裂缝扩展与裂缝渗透模型皆可应用于指导"三软"矿区的压裂抽采实践与产能预测。     

煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究

90%以上的煤层气以吸附状态附着在煤的内表面上,煤层气的产出是一个区别于常规天然气的"排水—降压—解吸—扩散—渗流"的复杂过程。我国煤层气储层条件较差,具有低孔、低渗、非均质性强的特点,普遍存在常规开采方式开发效果差的问题。为提高煤层气单井产量,实现商业化开采,必须对储层进行增产改造,促进排水降压,提高煤层气单井产量,水力压裂改造技术是当前煤层气增产的首选方法,也是已被证明的煤层气开采的一种有效的增产方法。论述了水力压裂增产渗流机理及其效果评价方法,并进行了实例分析。表明通过对煤层进行水力压裂,能够改善井底渗流条件,提高储层的渗透能力;煤层渗透率、表皮系数及裂缝导流能力和裂缝半长是评价煤层气水力压裂增产效果的主要参数。