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煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析_郝艳丽香

时间: 2019-10-09

  煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析_郝艳丽_能源/化工_工程科技_专业资料。煤层气

  · 20 · 文章编号 : 1001-1986( 2001) 03-002003 煤田地质与勘探 CO A L G EO L O GY & EX PLO RA T ION V ol. 29 N o. 3 Jun. 2001 煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析 郝艳丽 ,王河清 ,李玉魁 (中原石油勘探局井下特种作业处 ,河南 濮阳 457061) 摘要: 根据煤层气试验井的施工资料 , 分析了煤层压裂施工压力的特点以及井深、 Ro 与破压梯度的 关系 , 并根据裂缝监测 (测井温法、香港马会资料正版挂牌, 大地电位法和微地震法 )测量的裂缝方位和缝高 , 对煤层压裂形 成的裂缝特点进行了分类和总结 ,提出了指导性的建议 。 关 键 词 : 煤层气 ; 压裂 ; 施工压力 ; 裂缝 中图分类号 : P618. 11 文献标识码: A 表明 , 同一煤层测试压裂与加砂压裂的破压梯度存 在着大约 0. 002 ~ 0. 007 M Pa /m 的差别 , 也就是说 煤层的高滤失特点会造成大约 0. 002 ~ 0. 007 M Pa / m 的压降 , 损失在流体注入煤层引起孔隙压力增高 而产生的孔隙弹性效应上 , 也有一部分加砂压裂破 压梯度小于测试压裂的破压梯度的情况 , 这与压裂 流体对煤层的冲刷有关 。 另外 ,从煤层镜质体反射率 与破压梯度的散点图上 (图 2)看出 , 煤层破压梯度 有随镜质体反射率增大而增大的趋势 , 即变质程度 高的煤层 ,其煤层不易破裂 。 而且从变化趋势看 , R o 几乎与破压梯度呈线性相关关系 , 这是否是普遍规 律 , 有待于进一步进行理论和实验数据的分析。 1 引言 煤层气是指形成于煤化作用过程中 , 目前仍储 集在煤层中的优质天然气。 它的开发是一个排水降 压的过程 ,由于煤层的低渗透特点 ,决定了需要进行 水力压裂激化才能有效地分配井孔附近的压降 , 加 速脱水增加产能。本文针对煤层压裂的复杂性 , 从压 裂施工压力与裂缝形态方面 , 对煤层压裂裂缝的扩 展进行了分析和总结 , 希望能给以后的煤层气开发 提供有益的帮助。 2 煤层压裂施工压力分析 压裂主要是通过高压注入流体 , 破裂地层 , 从而 在地层中形成高导流能力的裂缝 。 施工过程中流体 在岩石中流动产生的压力变化在一定程度上反映了 裂缝延伸的复杂现象 , 煤层压裂施工分析主要是针 对压裂施工压力进行分析。 2. 1 煤层破裂压力分析 煤层的特殊性决定了其不同于常规储层的压裂 特点。 国外曾把煤层压裂的非常规性总结成 4 个方 面 : ① 异常高的压裂压力 ; ② 裂隙限制于煤层 , 即使 裂隙中的压力远高于围岩带的原位应力 ; ③ 伴随着 孔底压力增加的支撑剂注入 ; ④ 初始液体注入过程 中闭合压力的显著增加 。 为此我们首先分析了试验 区的破裂压力梯度情况 , 做出了井深 、 Ro 与井底破 压梯度的散点图。 (图 1, 2)由图 1中看出试验井的 煤层破压梯度在 0. 017 ~ 0. 064 M Pa /m 之间 , 一般都 为 0. 023 ~ 0. 045 M Pa /m。 而且根据我们收集的资料 图 1 井深与破压梯度的散点图 图 2 R o 与破压梯度的散点图 收稿日期 : 2000-0515 作者简介 : 郝艳丽 ( 1968 — ) ,女 , 河南清丰县人 ,中原石油勘探局井下特种作业处工 程师 ,从事煤层气研究工作 . 第 3期 郝艳丽 , 王河清等: 煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析 · 21 · 2. 2 煤层测试压裂及加砂压裂曲线形态 煤层压裂试验中 , 除进行加砂压裂外 , 一般还进 行了变排量测试压裂 , 包括从小到大阶梯排量测试 压裂和从小到大再从大到小变排量测试压裂。 从后 一种情况的压裂曲线种情况: 一种为一 定排量下第一次的压力高于后来同排量下的地面泵 压 , 最大相差大约为 6 M Pa, 越靠近最大排量相差越 小 ; 一种为一定排量下第一次的压力低于后来同排 量下的地面泵压 ; 另一种是前面两部分的综合 , 开始 大后来小。 因此在摩阻 (排量 )相同的情况下 , 压裂流 体在裂缝中的流动除受煤粉的影响外 , 其裂缝的扩 展也比较复杂 。 从加砂压裂的资料看 , 在煤层加砂压 裂施工过程中表现为 5种情况: a. 煤层压裂比常规储层压裂压力高。 我们曾 做过一口井相邻两套地层的压裂曲线 , 一个是煤层 压裂 , 一个为砂岩层压裂 , 两施工层厚度相当 , 加砂 量相同 , 排量相差 0. 1 m /mi n 。 而从施工压力看 , 煤 层压裂压力明显高于砂层压裂压力 , 煤层压裂延伸 压力约在 24 M Pa , 而砂岩层压裂延伸压力大约在 20 M Pa 。 另外从压裂曲线末端形态看 , 煤层顶替时 压力上升 ,砂层顶替时压力下降 , 即煤层相对砂层末 端裂缝流动阻力大 。 b. 煤层压裂过程 中加砂后施工压力迅速增 加 , 而后压力下降 。 c. 加砂后施工压力迅速减小一直持续到压裂 结束。 d. 压裂加砂后压力开始平稳后持续上升 , 出 现脱砂现象。 e. 煤层裂缝没有形成一条主导裂缝 , 而是多 裂隙分支 ,地层加不进砂子 。 也就是说煤层在压裂过 程中 , 支撑剂的磨蚀 、煤粉的流动、 支撑剂的桥接或 砂析造成的局部堵塞现象以及多裂缝的形成都存 在。 3 煤层裂缝形态分析 根据煤层压裂的观察和理论研究 , 国外曾把煤 层压裂中出现的现象归纳为 9 种: 压裂液渗到多种 天然裂缝中 ; 支撑剂穿透深度有限 ; 较宽的垂直支撑 裂缝 ; 裂缝高度大多遏制在煤层中 ; 在煤层与边界岩 石界面处产生支撑的和不支撑的水平裂缝 ; 井筒附 近产生大量平行裂缝 ; 裂缝的阶梯性和拐角性 ; 裂缝 为移动的煤屑所堵塞 ; 裂缝中存在不破胶的交联剂 和水泥浆。 为了了解我国煤层气井压裂时所产生的 裂缝的几何形态、 延伸长度和方向 ,我们采用了大地 电位法 、微地震法、 测井温法 3 种方式进行了 28个 3 层位的裂缝监测 , 统计了裂缝方位及缝高数据 , 并对 沁水盆地的裂缝方位做了投影图。 (图 3 、4 、 5)通过 总结发现 ,试验区的煤层压裂裂缝形态主要表现为: 水平缝 、垂直缝、 先水平缝后垂直缝 、两冀不对称缝 (一冀为垂直缝 , 一冀为水平缝 ) 4种类型 , 而且煤层 所产生的裂缝一般首先在井筒附近产生不规则水平 缝 , 随着裂缝的进一步延伸 , 有的井产生水平缝 , 有 的井产生垂直缝。 从裂缝形态与煤层埋深的对比数 据上表现出 , 煤层不像常规油气田那样有一个深度 界限 , 即 在 600 m 以浅一般形成水平缝 , 在 600 m 以深形成垂直缝 , 而是裂缝的形态随机性很大 , 在浅 部地层可以形成垂直缝 , 在深部地层也可以形成水 平缝。 在裂缝长度上 , 据国外资料介绍 ,由于煤的特 殊性 ,其支撑缝半长一般不超过 60 ~ 150 m, 试验区 的资料表明煤层裂缝单翼长度最长达到 127 m , 最 短为 8 m, 一般为 50 ~ 90 m。 裂缝方位上 , 通过同一区块煤层裂缝方位投影 (如图 3 、4 、 5)可以看出煤层压裂裂缝方位在同一盆 地没有明显的方向性 , 其分布范围不很集中 , 但是存 在着在某一方向裂缝出现机率相对较大的现象 。 在 沁水盆地 3 煤层压裂裂缝方位大多表现为 NW— # # — SW 方向 , 15 煤除在 SE 方向 SE, 9 煤表现为 N E 出现的机会较小外 , 其他方向均有表现。 与割理方向 相比 ,煤层裂缝方位与割理方向也不尽相同 ,如某 1 # # 图 3 沁水盆 地 9 煤裂缝方位投影图 # 图 4 沁水盆地 15 煤裂缝方位投影图 · 22 · 煤田地质与勘探 第 29卷 ~ 9. 6 M Pa , 而 003井在 7. 39 ~ 7. 49 m3 / mi n 的排 量下 , 施工压力达到 20. 1 ~ 25. 5 M Pa, 因此煤层压 裂应严格控制排量与压力 , 以防止裂缝向上延伸 , 尤 其是在煤层顶板含水量大时 , 否则会造成压后大量 出水。 4 结论及建议 a . 煤层实验井的井底破压梯度大都在 0. 023 ~ 0. 045 M Pa / m 之间 , 且有随 Ro 增大而增大的趋 # 图 5 沁水盆 地 3 煤裂缝方位投影图 势。 b. 煤层压裂比常规储层压裂压力高 , 其压力 曲线种不同的形态。 c. 试验井的 资料表明 煤层裂 缝可表现 为 4 种 , 一般首先在井筒附近产生不规则水平缝 , 随着裂 缝的延伸 , 一部分产生水平缝 , 一部分产生垂直缝 , 且裂缝形态与埋深的关系不是很大 , 浅层地层可形 成垂直缝 ,深层地层也可形成水平缝 。 d. 煤层压裂裂缝方位在同一盆地同一层位没 有明显的方向性 , 但存在着同一盆地同一层位在某 一方向出现机率较大的现象 , 而且与割理方向不尽 相同。 即煤层压裂裂缝除受大地主构造应力影响外 , 还受局部构造应力和裂隙的影响 。 e. 利用井温只能大致判断裂缝高度 , 建议以 后采用示踪剂监测裂缝高度 。 参考文献 [ 1 ] Palmer I D, M etcalf e R S, Y ee D, Puri R 等 ,秦 勇 ,曾 勇主 编 译 : 煤层甲烷储层 评价及 生产 技术 [ M ] ,徐 州 : 中国 矿业大 学 出版社 , 1996. 180 — 182. [ 2 ] 吉 德利 J L 等 . 水力压裂技术新发展 [ M ] . 北京 : 石油工业 出 版社 , 1995. 80 — 84. # # 井 10 煤和 3 煤压裂裂缝方向均为正 N— SW 60 ° , 而从该区煤层割理发育情况得知 , 该区发育一组走 向 N E35 ° 的面 割理和 另一组 走向 为 SE55 ° 的 端割 理 , 某 2井电成像测得裂缝方位为 N E — SW , 压裂 # 裂缝监测表明该井 3 煤形成了 N E — SW 向的对称 不等长裂缝 , 因此煤层压裂形成的裂缝除受大地主 构造应力影响外 , 还存在着局部构造应力及裂隙的 影响。 利用井温监测裂缝高度 , 目前采用压后 2 h、 4 h 测量 , 从测量结果看 , 温度异常明显 , 能满足测量的 需要 ,但用井温曲线判断裂缝高度的准确数据 , 目前 还不成熟。 根据温度异常的半幅点结合同位素异常 显示的半幅点可以大致判断裂缝的高度。 我们收集 了 5口井 9个层位的井温测量数据 , 从数据中得出 煤层压裂裂缝表现为基本控制在煤层中或延伸入边 界层 , 最大向上可延伸 20 m, 从缝高数据与施工参 数对比看 , 如某 003 井 15 煤缝高达 12. 5 m , 其压 裂井深和井段厚度与相近的某 002 井相当 , 002 井 在 6. 94 ~ 7. 14 m 3 /mi n的排量下 , 施工压力为 8. 4 # Simplified analysis of fracture treating pressure and fracture morphology in coalbed gas well HAO Yan -li , W AN G He -qing , L I Yu -kui ( Do w nhole Speci al Operati on Servi ce Depart ment, ZP EB, Henan Puyang 457061, Chi na) Abstract : Ba sed o n ex periences of pr ev io us trea tment da ta of coa lbed gas test wells, the featr ues o f fr acture t reating pressure in coal seams and the rela tio nship be tween the depth , R o a nd f racture pressure g radient a re ana ly zed. The frac ture fea tures after fra cturing opera tion ar e also classified and summarized , a cco rding to f racture o rienta tio n a nd heigh t reco rded by fractur e mo nito ring ( temper ature logg ing , g round pote ntial and upho le surv ey ) . Based o n that some useful sugg estio n and v aluable r eference for the future fr acturing in coalbed ga s wells ar e prov ided. Key words : coalbed ga s; frac ture; treating pressure; fractur e orientation; f racture heig ht 中英煤层气技术交流项目 2000年初英国贸 工部 ( D TI)与中国国际经济技术 交流中心签定 了煤层气技术交流项目 。 目前一期项目工作业已完成 , 其中煤炭科学 研究总院西安分院 的研究报告得到了英方的充分 肯定 。 今年年初启 动了二期项目 。 拟通过借鉴英国相关技术 ,对中国的废弃煤矿进行全 面研 究和重 点矿区 监测 、评 价 ,以 便选 择最优 地点 进行 抽放 利用试 验 ,从而推动我国废弃矿井甲烷抽放利用的全面发展 。 在为期一年半 的二期项目中 西安分院的主要任务是矿井甲烷 运移规律 、优化选 区 、 现场监测 、产能预测等研究和监测 。 (煤炭科学研究总院西安分院 宋生印 )


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