第八章煤层气增产技术

主讲人：林晓英单位：河南理工大学能源科学与工程学院联系方式：[e-mail]内容提纲绪论煤层气的生成煤层气的储集煤层气的赋存与产出煤层气勘探开发选区与评价煤层气勘探开发钻完井技术煤层气勘探开发地球物理勘探技术煤层气勘探开发基本参数测试技术煤层气勘探开发增产技术煤层气地面排采与集输工艺3第八章煤层气勘探开发增产技术一裸眼完井和洞穴完井二水力压裂三CO2/N2泡沫压裂4一裸眼完井和洞穴完井裸眼完井5（a）水力造穴（b）机械工具造穴（c）空气造穴洞穴完井一裸眼完井和洞穴完井6一裸眼完井和洞穴完井洞穴完井工艺的增产机理•A、解除钻井污染，增大渗流面积；•B、压力的迅速释放，改变近井筒周围的应力状态，在煤层中产生剪切力，造成煤层错动，改善煤层导流能力…煤层气裸眼洞穴完井示意图技术套管煤层7一裸眼完井和洞穴完井8直井及部分水平井一般都需要采取水力压裂或洞穴完井等增产措施后，才能获得经济产能。目前，国内绝大部分直井采用水力压裂的方式进行增产改造。压裂工艺的关键是解决裂缝几何形状、压裂液的滤失及伤害、支撑剂的嵌入以及煤粉的产生和支撑剂返吐问题。压裂液的关键是减少对煤层的伤害，有一定的造缝携砂能力。二水力压裂9–解除近井筒堵塞和污染；–改变了液体流动模式，部分或全部变径向流为线性流，减少流动阻力；–形成一条高导流能力的支撑裂缝，沟通煤层天然割理系统，加快排水－降压－产气速度；–压裂可更广泛的分配井孔附近的压降，降低煤粉产量1.煤层压裂的目的二水力压裂–在地面采用高压大排量的泵，利用液体传压的原理，将具有一定粘度的液体以大于煤层吸收能力的排量向井内注入，使井筒内的压力逐渐提高。当压力增高到大于煤层破裂所需要的压力时，煤层就会形成一条或几条水平或垂直裂缝。当继续注入液体时，裂缝也会向煤层深处延伸与扩展，直到液体注入速度等于煤层渗透速度时，裂缝才会停止延伸与扩展。如果地面停止注入夜体，煤层由于外来压力消失，又会使裂缝闭合，为了防止停泵后裂缝闭合，在挤入的液体中加入支撑剂（如石英砂、核桃壳等），使煤层中形成导流能力很强的添砂裂缝。102.压裂过程二水力压裂113.影响压裂效果的地质因素(1)煤层的岩石力学性质对压裂效果的影响(2)煤层渗透能力(3)煤层滤失性的压力敏感特征(4)水化膨胀敏感性(5)吸附润湿特性二水力压裂12（1）煤层的岩石力学性质制约着压裂裂缝的形成、扩展及形态（2）煤层及顶底板岩石力学性质差异控制着——压裂裂缝的高度及“T”形裂缝的形成(1)煤层的岩石力学性质对压裂效果的影响抗压强度(MPa)冲击倾向(MPa)弹性模量(MPa)泊松比煤层自然饱和水自然饱和水自然饱和水自然饱和水三分层10.47.910.941.081938.81071.40.250.35四分层11.737.910.741.2832141071.40.300.28五分层14.612.30.961.09331614290.280.35六分层17.88.411.201.252429612.20.300.40煤的力学性质二水力压裂13高渗煤层压裂往往受施工排量的限制而形成短而宽裂缝低渗煤层则不然会形成窄而长的裂缝高渗煤层需要较宽裂缝，以提高压裂裂缝的导流能力，提高产量；而低渗产层则需要形成更长裂缝，以增加线流面积提高产量。（2）煤层渗透能力对压裂效果的影响二水力压裂14（3）压力敏感性滤失特征对压裂效果的影响随着压裂裂缝的延伸，人工裂缝沟通了更多的天然裂隙而加大了滤失条件压裂施工压力升高—天然裂隙内流体压力升高—裂隙扩张—滤失加大但由于煤层本身的低渗和可塑性，在导致裂隙扩张的同时却形成了“压缩带”二水力压裂15（4）水化膨胀敏感性对压裂效果的影响自来水与寺河煤矿3号煤层煤样膨胀曲线二水力压裂16（5）吸附润湿特性对增产效果的影响接触角：65.760.8吸附润湿性差二水力压裂17（1）低压、低渗—必须压裂，且要有一定的规模、减少伤害（2）天然裂隙发育—要求大排量（3）低模量、低强度（脆、软，易破碎）、非弹性体特征显著（4）吸附能力极强—慎防有机添加剂，以免造成严重的吸附伤害（5）膨胀性、水化性—防膨胀煤层气储层特征及其对压裂技术的要求不仅要求压裂液应满足煤层的防膨、降滤、返排、降阻、携砂等技术要求，以降低伤害程度；而且还要满足大排量、大规模压裂施工，以达到形成较长裂缝，提高单井产量的目的。二水力压裂184.压裂的一般流程二水力压裂195.压裂材料与设备（1）压裂液定义：在压裂施工过程中，向井内挤入的全部液体的总称。主要作用：在施工中将地面设备所形成的高压传递到地下煤储层中去，在煤储层中造成新的裂缝，撑开或扩大原有裂缝，同时把支撑剂带到裂缝中去。压裂液分类前置液携砂液顶替液劈裂煤层，形成裂缝的作用将井筒内的携砂液顶替到裂缝中，防止砂卡、砂堵携带砂子进入裂缝，扩展和延伸裂缝二水力压裂20压裂液国内外研究现状清水活性水聚合物表面活性剂表面活性剂－聚合物价廉泡沫价廉粘度较高、携砂能力较好、失水量较小压裂液粘度高、携砂能力强，容易返排稳定性好粘度低、携砂能力差、失水量大、废水处理量大交联聚合物聚合物粘度低、携砂能力差、失水量大、废水处理量大聚合物中不溶性杂质及其不完全降解碎片，会堵塞裂缝粘度高、携砂能力好、失水量小稳定性差损害地层聚合物中不溶性杂质及其不完全降解碎片，会堵塞裂缝二水力压裂与水源及煤储层的配伍性良好；滤失低、压裂液效率高，能造长缝；携砂能力强；摩阻低、稳定性良好；残渣低，容易返排；货源广，价格低。①选择的基本原则二水力压裂②压裂液对煤层的伤害原因及伤害类型伤害原因煤层本身的特性（煤的质软、性脆、易造粉、煤层裂隙发育、物理化学变化敏感、吸附性强、低压低渗等特点）压裂液带来的外来物质所造成的伤害（水化学膨胀伤害、化学伤害、胶液滤饼和胶液残渣伤害等）二水力压裂23伤害类型吸附伤害堵塞伤害水化膨胀伤害化学伤害吸附膜伤害吸附絮凝伤害压裂液中各种煤的亲合物被吸附到煤的裂隙表面从而形成密封膜煤的吸附作用使压裂液添加剂与煤粉形成絮凝状，堵塞煤的裂隙系统煤粉堵塞伤害胶液残渣堵塞伤害杂物堵塞伤害冲刷作用产生煤粉，煤粉堵塞煤层天然裂隙和压裂裂隙，造成伤害胶液压裂液进入煤层后不能彻底破胶而形成一些胶液残渣堵塞裂隙系统造成伤害胶液压裂液进入煤层后不能彻底破胶而形成一些胶液残渣堵塞裂隙系统造成伤害遇水膨胀伤害煤层水化伤害粘土矿物等遇水后膨胀对煤层裂隙伤害压裂液进入煤层后，压裂液与煤层发生水化作用形成煤泥状造成伤害地下水及煤层对外来的压裂液产生盐敏、酸敏、碱敏等化学反应而造成的伤害二水力压裂③压裂液用添加剂的优选性能表征：增粘能力、交联能力和残渣含量。国内广泛使用的稠化剂性能比较见下表。稠化剂的优选稠化剂粘度/mPa·s残渣含量%小颗粒（直径0.12mm)含量/%胍胶300-35010.0-15.080改性羟丙基胍胶（HPG)180-3001.5-8.090香豆粉120-2006.0-10.070二水力压裂交联剂的优选作用：交联剂与稠化剂分子链上的顺式羟基形成牢固结合的冻胶，从而提高其携砂能力。优选基本原则：既能在压裂施工中形成性能良好的冻胶，又能在压裂后迅速破胶。国内常用交联剂：无机硼酸盐具有交联后凝胶弹性好、剪切可逆性、对环境无污染、使用温度宽（可达70℃）、携砂能力强、破胶易返排等特点。交联机理：单硼酸盐与胍胶分子链上的顺式羟基配对而形成配位键，将线状高分子链连接起来，形成凝胶。Na2B4O7·10H2O→2Na+2B(OH)3+2B(OH)4-+3H2O;B(OH)3+H2O→B(OH)4-+H+。二水力压裂粘土稳定剂的优选作用：防止压裂过程中粘土矿物的膨胀和运移。国内常用粘土稳定剂：不同类型、不同浓度的粘土稳定剂对煤层样品的防膨能力不同，其中氯化钾较为适宜煤层气压裂。氯化钾防膨能力强的机理是：氯化钾中的K+离子能侵入到粘土硅氧四面体内，继而阻止粘土膨胀。注意：KCl的加入会降低稠化剂的粘度，使稠化剂用量增加；而某些特定条件下又不得不加大KCl用量，（如压裂工艺要测压后裂缝几何形状，该工艺要求有较高矿化度），因此，应考虑多方面因素，加适宜KCl。二水力压裂表面活性剂的优选作用：降低其表面张力，减少压裂液在微孔隙和裂隙中的流动阻力，使压裂液尽快返排，以减少对煤储层的伤害。同时，加入特种材料，使其在气液界面上产生气泡，以便在排水过程中迅速将压裂液迅速带出地面，起到降低井筒液面提高煤层渗流压差的作用。优选方法：使用界面张力仪测定表面活性剂在不同浓度、不同温度、不同时间下的表面张力，从而优选。二水力压裂破胶剂和低温破胶活化剂的优选作用：低温破胶活化剂的加入，有助于线性胶和交联冻胶降低其活化能，使其在较低温度下分解，较好地完成压后彻底破胶及返排。优选方法：在实验室观察其在不同温度、不同时间下的破胶情况，从而优选。二水力压裂杀菌剂的优选作用：压裂液中使用的稠化剂一般为糖聚合物，糖聚合物是细菌繁殖的极好环境。细菌的生长势必使得糖聚合物的分子链变短。杀菌剂加入压裂液中是为了防止压裂液中的稠化剂降解而造成粘度的损失。评价依据：稠化剂的粘度保持率为依据。注意：在较低温度或配液到施工时间较短的情况下，建议不考虑加入杀菌剂。二水力压裂④三种常见压裂液的性能比较活性水、线性胶、交联冻胶压裂液的性能比较压裂液性能防膨胀性吸附润湿性携砂性滤失性破胶性储层伤害程度活性水昀好一般昀差//昀小线性胶一般昀大一般差好一般交联冻胶昀差昀小昀好好差昀大二水力压裂定义：在压裂时，当把地层压开裂缝后，用来支撑裂缝不使裂缝再重新闭合的一种固体颗粒。在裂缝中沉积排列后支撑裂缝；增大孔隙度；提高渗透率；达到增产的目的。作用：（2）支撑剂二水力压裂支撑剂的种类根据支撑剂的性质，一般分为两大类：•韧性可变形的支撑剂；如金属球、塑料球、核桃壳等；特点：都有一定的可变性；•硬脆性的支撑剂；如石英砂、玻璃球等；特点：硬度大、强度高；二水力压裂支撑剂的选择与压裂效果的关系I支撑剂颗粒大小、外形对流通性的影响渗透率随颗粒大小变化而变化；颗粒越大，渗透率越大；反之，颗粒越小，渗透率越小。玻璃球比石英砂的渗透率高。玻璃球圆度好，互相之间点接触，孔隙最大。不同颗粒组合的支撑剂渗透率不同。支撑剂的颗粒大小、均匀程度、圆度好坏、表面光滑程度等都对渗透率有影响。二水力压裂II支撑剂用量及排列对流通性的影响用量太少，裂缝受地层压力而完全闭合，压裂失败。用量较少，支撑剂在裂缝中形成单层排列，这时，如果支撑剂的强度和颗粒大小选择不合适，则可能被压碎或嵌入裂缝壁内。一般，呈单层稀疏排列时，对硬而深的储层，可选强度大、有较小变形的支撑剂；对软地层，可选较大颗粒的支撑剂。用量多，支撑剂在裂缝中呈多层排列，这时，携砂液有一定滤失，混砂比增高，流速下降，延伸距离不远。支撑剂用量超过一定程度后，产量并不随加砂量的增加而成比例的提高。相反，由于用量过多，压裂设备能力不易满足要求，施工工艺复杂，成本也高，是不合理的。支撑剂的选择与压裂效果的关系二水力压裂III支撑剂强度对流通性的影响在煤储层较软，地层压力不太大时，硬的支撑剂在储层中会嵌入一定深度，因此，使用韧性可变形的支撑剂较好；在煤储层坚硬时，用硬的支撑剂，在地层压力不太大时，可起到支撑作用；当压力超过一定程度时，则会压碎，不能很好的起到支撑作用，此时，应改为韧性支撑剂。支撑剂的选择与压裂效果的关系二水力压裂IV支撑剂的运行、沉积对流通性的影响支撑剂在运行中，主要受三种力的作用：（1）支撑剂自重产生的下沉力，称自重力；（2）压裂液给支撑剂的悬浮力，称浮力；（3）携砂液在一定流速下给支撑剂的推动力，称推力。在垂直裂缝中，砂体堆积犹如河口泥砂的堆积现象——先入先沉积，因此，应先加入大颗粒砂子，之后加入小颗粒的砂子。在水平裂缝中，先进入裂缝的携砂液必须到裂缝深处沉积，后进入的携砂液在井筒附近沉积，因此，为提高井筒附近渗透率，应先加入小颗粒的支撑剂，后加入大颗粒的支撑剂。支撑剂的选择与压裂效果的关系二水