页岩气与煤层气开发课件.ppt

关于我国页岩气与煤层气储层压裂增产技术的探讨,西南石油大学 杨兆中2012年5月,汇报提纲1.非常规天然气资源概述2.页岩气增产及配套技术3.煤层气增产及配套技术,非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规天然气的烃类(或非烃类)资源，主要指页岩气、煤层气、致密砂岩气和天然气水合物等。,1.非常规天然气资源概述,1.1 全球非常规天然气资源量 世界常规天然气总资源量为436万亿立方米，2010年产天然气约3万亿立方米，储采比保持在60以上； 世界非常规天然气总资源量921万亿方，是常规天然气2倍多（其中，致密气209.6万亿方、煤层气256.1万亿方、页岩气456万亿方），但产量只占1/7左右； 天然气水合物资源量超过2万万亿方，是目前化石能源资源总量2倍以上。 其中仅页岩气456万亿方就大于常规天然气总资源量436万亿,1.非常规天然气资源概述,致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约84.5万亿方，是常规气资源量1.5倍。,中国非常规油气可采资源,1.2 中国非常规天然气发展前景广阔,1.非常规天然气资源概述,2.1 页岩气的概念及储层特点页岩气定义页岩气储层基本特点2.2 国外页岩气增产技术进展2.3 对中国页岩气开发的建议,2.页岩气增产及配套技术,2.1 页岩气的概念及储层特点,页岩气定义页岩气是一种特殊的非常规天然气，赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。 页岩气储层基本特征,储层低渗致密，纳米级孔隙发育；储气模式以游离气和吸附气为主；由于页岩气储层比表面比常规砂岩储层大很多，其吸附气量远大于砂岩吸附气量，因此需要通过大规模压裂，增大改造体积。岩性及矿物组分复杂；储层所含的硅质矿物、碳酸盐岩矿物、粘土矿物不同，导致储层岩石的脆性程度不同，从而引起改造模式和改造效果不同；储层的脆性越强，压裂时越易实现脆性断裂形成网状裂缝，从而实现体积改造。天然裂缝系统发育；如果天然裂缝不发育或不能通过大型压裂形成复杂的多缝或网络裂缝，页岩气储层很难成为有效储层。脆性和天然裂缝发育的地层中容易实现体积改造，而塑性较强地层实现体积改造比较困难。,2.页岩气增产及配套技术,BHN计算公式及美国不同油藏岩心BHN值 摘自（SPE 142959）,岩石的脆性指数表征方式可用岩心或者岩屑的布氏硬度（BHN）,2.页岩气增产及配套技术,2.1 页岩气的概念及储层特点2.2 国外页岩气增产技术进展2.3 对中国页岩气开发的建议,2.页岩气增产及配套技术,2.2 国外页岩气增产技术进展,直井连续油管分层压裂技术（SPE 107060） 较早的页岩气开发主要是在浅层，以直井为主，其压裂技术具有3个特征，即连续油管、水力喷砂射孔、环空加砂 。该技术是用高速和高压流体通过连续油管进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，环空加注携砂液体，从而在地层中压开裂缝。其技术要点为水力喷砂射孔，环空加砂，然后填砂封堵已压裂层段，上提连续油管至下一目的层段，重复上述步骤直至结束施工，施工结束后用连续油管进行冲砂、返排。该技术具有作业周期短、成本低、排量选择范围广、连续油管磨损小、井下工具简单和成功率高等特点，目前在页岩气直井开发中得到了很好的应用。,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段压裂技术1. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术（ SPE 100674）水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主要特点是套管压裂多段分簇射孔、可钻式桥塞。一般目的层水平井段被分成815段，每段水平段长度为100 150 m，每段射孔46簇，每射孔簇跨度为0. 460. 77 m，簇间距2030 m，压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。,2.页岩气增产及配套技术,水平井多级滑套封隔器分段压裂技术（SPE 100674）该技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器相同，采用机械式封隔器，主要适用于套管完井。该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此工艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就会导致施工失败，造成大修。目前由于可钻式桥塞分隔技术的应用，该技术的应用逐年减少。（下图为投球滑套环空封隔多级压裂示意图）,2.页岩气增产及配套技术,水平井膨胀式封隔器分段压裂技术由于水平井开发的特殊性，部分水平井裸眼完井，规封隔器难以满足后期压裂施工的需要，为此研制开发了遇油(遇水)膨胀封隔器。其工作原理为封隔器下入井底预定位置后，遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶膨胀至井壁位置后继续膨胀而产生接触应力，从而实现密封。该技术具有可靠性高、成本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产等优点。所以，目前在国外已经得到大规模的应用在120多口井上应用，改造层段超过850段。,2.页岩气增产及配套技术,连续油管跨式封隔器分段压裂技术（ SPE 150949）该技术可实现在压裂设备未安置好之前完成所有射孔程序，这样减少了非生产时间的消耗。射孔可以采用连续油管传输、电线传输或者水力喷射。跨式封隔器组合工具可以隔离每个单独射孔簇提供，所有压裂流体都通过连续油管注入。当出现早期脱砂时，杯状上部封隔器实现足够的返回能力。该技术最大的优点与增能或泡沫压裂液配伍，适用于薄层、低应力、中低温环境和裂缝间距较小或射孔簇数较多的塑性地层。,2.页岩气增产及配套技术,水平井水力喷射分段压裂技术（ SPE 94098、150949）该技术是集射孔、压裂、封隔于一体的新型增产改造技术。利用水力喷射工具实施分段压裂，不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵，封隔准确。水力喷射分段压裂技术可以选用油管或连续油管作为作业管柱，使用范围广，套管完井、筛管完井和裸眼完井都适用。,水力喷射环空压裂+支撑剂桥塞,水力喷射油管压裂,2.页岩气增产及配套技术,水平井水力喷射+井下混合分段压裂技术（ SPE 142959）该方法采用水力射孔，然后 “液态支撑剂”（12-24lbm/gal） 由连续油管低速注入（35ft/sec），而无支撑剂流体由环空高速注入。当环空高速泵入无支撑剂流体时，防止连续油管磨破的限制速度（35ft/sec）可以大大提高，这样就在孔眼处形成高速混砂流体，实现支撑剂深穿透、裂缝分支以及支撑剂墩导流。具体施工步骤：1.安置水力喷射井下集成装置到最远处的射孔簇进行改造；2.在第一段射孔簇进行水力射孔和起裂；3.从BHA移出球，带到地表以便循环；4.环空开始泵入滑溜水，获取一个设计的速度；5.连续油管开始泵入液态支撑剂；6.减少环空注入速度，提高支撑剂浓度；7.恢复设计的环空速度用滑溜水顶替支撑剂段塞；8.重复6至7步实现所需的净压力或微地震监测的裂缝分支效应；9.缓慢减少环空注入速度在孔眼处形成高浓度支撑剂充填层；10.移动水力喷射BHA到下一段压裂目标处；11.支撑剂回流（如果需要）；12.通过连续油管下入球到BHA上；13.重复1至12步直到各射孔簇被改造完。,2.页岩气增产及配套技术,水平井多井同步压裂技术 （摘自 SPE 116124）邻井间同步压裂技术是指大致平行的两口或两口以上水平井同时进行压裂改造。其目的是在页岩气层中产生更大压力，创造出更复杂的三维裂缝网络系统，增加裂缝系统表面积。这是单井压裂所不能实现的。2006年，该技术首先在美国Ft. Worth盆地的Barnett页岩中实施。施工作业者在水平井段相隔152305m的两口大致平行的水平配对井之间进行同步压裂，两井均得到高速生产。其中一口井以 的速度持续生产30天，而其它未压裂的只有 。,四口水平井同步压裂微地震监测图摘自 SPE（119635）,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段德洲“两步跳”压裂技术 （摘自 SPE 130043）德洲两步跳是非常流行的舞蹈，结合乡村和西部音乐两步向前，一步在后。该技术的目标：在多段压裂中，改变岩石的应力场，实现主分支缝与诱导的应力松弛缝相连通。该技术手在无分支水平井段中常规压裂单个射孔簇。但是，要改变施工的先后顺序。从水平井最远端开始起，首先进行压裂增产；然后向井跟移动，改造第二次，这样可以使得两段裂缝间一定程度的应力干扰。随后，改变向井跟的方向，第三次压裂在前两段之间进行，以利用应力改变的岩石和连通创造的应力松弛缝。,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段通道压裂技术 通道压裂技术依靠水力压裂过程中，高频交替注入多级支撑剂冻胶液和不含支撑剂的冻胶液，以实现支撑剂的非均匀铺置和形成开启的通道。同时，冻胶液在被施工设备泵入过程中，加入可降解的纤维材料可以减少支撑剂脉冲在完井处以及地下裂缝过程的耗散，在一个确定的泵注程序和油藏性质条件下，可利用岩石物理模型来进行通道压裂设计。由此，可形成如下图所示的导流通。该技术应用到Hawkville油田伊格福特页岩地层中，使得产量比常规增产技术提高了32%至68%。,通道压裂施工泵注程序示意图 摘自SPE（141708）,通道压裂形成超高导流能力示意图 摘自 http:/,2.页岩气增产及配套技术,2.页岩气增产及配套技术,2.1 页岩气的概念及储层特点2.2 国外页岩气增产技术进展2.3 对中国页岩气开发的建议产能影响因素压裂设计方式选择压裂液体系微地震裂缝监测,页岩气高效经济开发的必要元素（SPE123586）,产能影响因素,2.页岩气增产及配套技术,形成分支缝，促进页岩气开采的关键参数（SPE142959）,储层岩石非均质性（天然缝、割理、裂隙等） 岩土力学性质（脆性） 水平井参数（井眼轨迹、目的层） 原地应力各向异性 基质渗透率 压裂施工净压 工作液粘度 主裂缝及分支裂缝导流能力,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂设计选择标准压裂方式选择,基于岩石性质的多级压裂选择原则（SPE150949）,2.页岩气增产及配套技术,Perf and Plug射孔和桥塞技术;BASS 投球滑套封隔技术；CTSP 连续油管跨式封隔技术；HJAF 水力喷射辅助压裂技术；HP-ACT水力喷射+连续油管环空压裂技术；HP-DM水力喷射+地下混合压裂技术,不同压裂方法的施工参数比较（SPE150949）,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂设计选择标准施工参数选择,摘自 薛承瑾页岩气压裂技术现状及发展建议,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂液体系页岩气储层特点不同，其选择的压裂液也不同。目前所使用的压裂液有滑溜水线性胶、交联液和泡沫等，而滑溜水和复合压裂液是日前主要压裂液体系。滑溜水压裂液体系 该液体体系主要适用于无水敏、储层天然裂缝较发育、脆性较高地层。其主要特点为：适用于裂缝性地层；提高形成剪切缝和网状缝的概率；使用少量稠化剂降阻，对地层伤害小，支撑剂用量少；成本低，在相同作业规模下，滑溜水压裂比常规冻胶压裂其成本可以降低40%一60%。 复合压裂液体系 复合压裂或混合压裂主要是针对黏土含量高，塑性较强的页岩气储层。注入复合压裂液既可保证形成一定的缝宽，又保证有一定的携砂能力。复合压裂液的注入顺序一般为：前置液滑溜水与冻胶交替注入，支撑剂先为小粒径，后为中等粒径，低粘度活性水携砂在冻胶液中发生粘滞指进现象，从而减缓支撑剂沉降，确保裂缝的导流能力。,2.页岩气增产及配套技术,微地震监测 监测裂缝的方法包括化学示踪剂法、物理示踪剂法、微地震监测以及测斜仪监测，应用较广泛的是微地震监测。微地震监测又分为同井监测和邻井监测，其原理主要是通过邻井放置多个检波器，记录在裂缝起裂和闭合过程中所发生的微地震事件，计算压裂改造所得到的改造体积及预测压后产量。,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段压裂微地震事件,16,微地震事件解释,17,2.3 对中国页岩气开发的建议,经过30多年的发展，美国从初期的大规模水力压裂(MHF、交联压裂液)技术发展到现在的水平井完井、水平井多簇射孔、分段大规模减阻水力压裂、同步压裂和复合压裂等系列技术，并目取得了巨大成功，同时带动了微地震监测技术、大功率泵车、高效降阻剂和低密度支撑剂及连续混配技术的发展。 国内页岩气的开发刚刚起步，没有成型的页岩气开发配套技术。目前，国内比较成熟的常规压裂技术主要有直井分压合采技术、直井大型压裂技术、直井连续油管分段压裂技术、水平井分段压裂改造技术和超低浓度羧甲基胍胶压裂液技术等，这些常规技术对页岩气压裂能够提供一定的借鉴和参考。根据国内外页岩气压裂技术发展现状和动态，建议我国从以下几方面加强.,2.页岩气增产及配套技术,页岩气水平井多段压裂技术研究。包括页岩气水平井分段压裂工程地质评价、水平井压裂选段及射孔参数优化、滑套式喷射器开发与研制、水平井测试压裂设计与解释方法研究、水平井多段压裂优化设计方法研究和现场试验。页岩气体积压裂技术研究。包括体积缝网形成的力学机理及裂缝延伸模式、压裂工艺（同步压裂、德洲“两步跳”等）形成大规模体积缝、裂缝网络参数优化设计方法、裂缝监测技术（尤其是微地震裂缝监测和解释）、压后产能评价方法和现场试验。页岩气压裂材料和工具设备研究。包括压裂液液体系优选及配方研究，超低密度支撑剂研究。实现大规模压裂的泵车；能够承受地下复杂环境的管柱和一些工具（如水力喷射的喷嘴）。4. 页岩气压裂还要注意环境保护问题。,2.页岩气增产及配套技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.1 煤层气储层特征及压裂难点煤层气赋存特征储渗结构特征岩石力学特征工程材料应用3.2 国内外煤层气增产技术现状3.3 煤层气增产技术发展趋势,煤层气赋存及渗流状态复杂，单井产量差异大,3.1.1 煤层气赋存及渗流特征,煤层中四种气体赋存形式：煤颗粒内表面的吸附气；基质孔隙空间内的自由气；水中的溶解气；割理系统中的自由气,煤层气渗流特性：基质孔隙内气体多为非连续相，渗流不满足达西定律。煤层中气泡的聚并、膨胀以及运移过程复杂，并不能用传统相渗实验准确模拟。压裂液中有机物吸附影响煤层气的渗流。,3.煤层气压裂增产与配套技术,储渗结构复杂，压裂液滤失突出，煤层易伤害,煤岩基质的孔隙度和渗透率很低裂缝系统（割理和微裂隙）发育状况复杂,3.1.2 储渗结构特征,3.煤层气压裂增产与配套技术,对各向裂缝发育的煤层压裂：天然裂缝重新开启，使煤层渗透率增加。压裂液粘度控制的滤失系数和地层流体压缩性控制的滤失系数，都与渗透率和孔隙度的平方根成正比。压裂液滤失进入基质孔隙和微裂隙，形成液锁。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.1.3 岩石力学特征,岩石力学性质复杂，裂缝起裂及延伸规律复杂的双重复杂性,初始阶段弯曲，表明煤对煤岩的不断压实过程；在直线段煤岩接近弹性变形阶段；在压力最高点达到弹性极限，煤岩存在不可恢复的塑性变形发生破裂；岩石内薄弱面以及充填物质的影响，变形及断裂模式差异明显（如A1、A4）,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝延伸受地应力和天然裂缝（割理）双重控制，表现为双翼、单翼和网状等不同延伸形式人工裂缝扩张极不规则，曲折延伸且缝面呈阶梯状,网状缝,对称双翼缝,单翼缝,3.煤层气压裂增产与配套技术,单学军等，2005,实际监测的裂缝形态对称不等长双翼缝单翼缝水平与垂直交错缝,3.煤层气压裂增产与配套技术,压裂液活性水压裂：价格便宜，对煤层伤害小；但携砂差，难以实现现有支撑剂的长距离输送；线性胶及冻胶压裂液 ：粘度高，携砂强，但有残渣、伤害大；清洁压裂液 ：携砂好，易破胶，伤害小，但价格贵且存在表面活性剂化学吸附；二氧化碳压裂：携砂好，伤害小，价格贵，有助于煤层气的解吸。,3.1.4 工程材料与工艺方法的不足,3.煤层气压裂增产与配套技术,砂堵：支撑剂颗粒密度与压裂液密度差异，压裂液滤失等控制,嵌入：支撑剂几何、机械与表面特性影响,回流反吐：煤层机械特性、后期（抽吸）排采影响,有效支撑有效导流,支撑剂陶粒：颗粒相对密度可达3.0以上石英砂：颗粒相对密度2.65纤维加砂、树脂包裹：防嵌入与回流反吐,核心目标：建立导流能力两道难题：输送到位、有效支撑,3.煤层气压裂增产与配套技术,工艺方法常规的主流方法：单井水力加砂压裂（包括采用特殊压裂液等工艺方法），致力于形成长裂缝，但目标难以实现（动态缝杂乱、支撑缝短小）主流方法的演化：从单井压裂到多井同步大排量水力诱导，利用煤层节理发育的特点，但不适合在高构造挤压部位或层状煤。新兴技术的初步研究：高压水射流 （成孔）压裂技术，理论上优势明显，缺乏实践支撑，防坍塌、防煤粉反吐是有效成孔的关键。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.1 煤层气储层特征及压裂难点3.2 国内外煤层气增产技术现状国外煤层气增产技术发展现状国内煤层气增产技术发展现状目前存在的问题3.3 煤层气增产技术发展趋势,3.煤层气压裂增产与配套技术,美国从80年代初开始进行煤层气的勘探和开发，是世界上第一个率先成功实现煤层气商业性开发的国家。,3.2.1 国外煤层气增产技术发展现状美国,3.煤层气压裂增产与配套技术,煤层气开采早期，大井组直井压裂技术曾广泛应用于圣胡安、黑勇士中煤阶含煤盆地的煤层气开发之中，其技术关键在于钻大井组压裂后长期、连续抽排，大面积降压后煤层吸附的甲烷气大量解吸而产出。1989-2003 年形成了针对不同地质背景的理论与开发技术，最大限度地保护储层，降低伤害是不同技术的共同特征。圣胡安盆地以裸眼洞穴法完井为主，黑勇士盆地、拉顿盆地等以套管完井加压裂为主，粉河盆地以钻井- 洗井技术为主，阿巴拉契亚盆地采用羽状水平井技术。,3.煤层气压裂增产与配套技术,集钻井、增产技术于一身,以CDX公司羽状水平井为代表，在西弗吉尼亚石炭系（焦煤Ro1.5%、煤厚1.22-2m、煤层含气量8.5-15.6m3/t、煤层渗透率3-4md）进行开采，单井日产气3.4-5.6万m3 ，较前期产量提高10倍，8年采出可采储量85%。,3.煤层气压裂增产与配套技术,上世纪九十年代中后期，采用新技术开发新盆地，是美国煤层气产量大幅度增长的主要因素粉河盆地低煤阶洞穴完井技术，2004年产量95亿m3；中阿巴拉契亚高煤阶定向羽状水平井技术，2004年产量20亿m3。,3.煤层气压裂增产与配套技术,煤层气新型压裂液技术&连续油管压裂针对煤层开发新型压裂液技术，加强煤层脱水，不仅能够保持煤层表面的润湿性，还能减少微粒运移（黑勇士煤层气井使用该技术产量增加38%）。连续油管的应用可以使有效处理的单井净产层百分率提高10%22%。根据现场作业经验，CT压裂提高了工作效率。,3.煤层气压裂增产与配套技术,加拿大煤层气开发的起步时间基本与中国开展煤层气工作的时间相当，勘探工作始于1976年。21 世纪初以来，根据煤层气地质条件 (以低变质煤为主，多煤层、含水少)，注重发展连续油管压裂、二氧化碳注入、多分支水平羽状井、煤与瓦斯共采等技术，降低了煤层气开采成本。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.2.1 国外煤层气增产技术发展现状加拿大,Mist-FracSM：采用高效泡沫加砂压裂，压裂液对煤层几乎没有伤害，比用纯氮气压裂获得的产量高。优点：水与地层接触的更少最小化储层的敏感问题相比于液氮和二氧化碳压裂，能够提供更好的携砂能力在低温储层中能够更快，更彻底的消泡排液更彻底，有助于提高导流能力需要更少的设备，人员，液体和化学剂，减少现场液体处理费用使井更快投产,3.煤层气压裂增产与配套技术,Sand Wedge：在支撑剂表面加上涂层，使煤粉在支撑剂之间的孔隙、喉道间不会停留，防止煤粉堵塞。优点：在更长的时间内提供更高的产量稳定支撑剂充填层和地层表面，阻止地层矿物颗粒侵入充填层提高压裂液返排能力减小支撑剂沉降速度减小岩化作用的影响与水基压裂液有很好的配伍适合井温高达350oF的情况,3.煤层气压裂增产与配套技术,Coal StimSM：煤粉堵塞的补救措施，冲洗井筒，洗出煤粉，达到增产的目的。优点：帮助提高煤层气产量帮助延长气井寿命整个气田可以得到最快的施工投资回收期-一些区域短至9天提高采收率，将部分不可采资源变为可采资源,3.煤层气压裂增产与配套技术,Cobra Frac：连续油管压裂技术早在1998年就已成功应用于许多浅层气井的压裂，并获得巨大成功。优点：实现个体脉络的低成本开发单日作业可节约一周期的销售时间并减少环境污染与提高效益的过程相适应与常见的压裂设备比更小的占地量,3.煤层气压裂增产与配套技术,Surgifrac SM：这项技术可以在裸眼井、筛管井、套管的水平井进行压裂，成功用于几百口水平井的压裂，一口井中可以压裂40次。优点：提高现有井层产量改善储层驱动条件相比常规压裂更易增产降低成本,3.煤层气压裂增产与配套技术,澳大利亚是世界第四大煤炭生产国和世界上最大的煤炭输出国，煤层气勘探始于1976年。近年针对其煤层含气量高、含水饱和度变化大、原地应力高等地质特点，进行了特色技术的发展，成功开发和应用了水平井高压水射流改进技术，将煤矿井下抽放技术应用到地面开发中，形成独特的U型井技术。2009年产量达到40108m3，已进入商业化开发阶段。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.2.1 国外煤层气增产技术发展现状澳大利亚,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,煤层气地面开发始于20世纪70年代末，以解决瓦斯突出为主要目的。20世纪90年代，煤层气开始被作为资源进行开发。我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿立方米，与常规的天然气资源量相当 ；可采资源量约10万亿立方米。国内煤层气增产技术包括：水力压裂改造技术煤中多元气体驱替技术定向羽状水平钻井技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.2.2 国内煤层气增产技术发展现状已有技术,主要水力压裂技术？,3.煤层气压裂增产与配套技术,液氮CO2压裂工艺技术原理：在低于临界温度和高于临界压力条件下，将CO2以液体的状态注入煤层。二氧化碳溶于水形成水溶液呈弱酸性，具有较低的表面张力和界面张力，可以解除部分矿物质的堵塞，能改善和提高煤层的渗透率。特点：返排能力强，压裂成本低，经济效益好，设备需要专用的设备的特点。,3.煤层气压裂增产与配套技术,间接压裂技术原理：是通过在煤层相邻的碎屑岩中以较低压力形成裂缝，然后使得这些诱导裂缝与煤层相连，进而达到提高煤层改造效果目的。技术优势：煤层的垂向渗透率通常优于水平渗透率。砂岩或煤粉砂岩具有更低的破裂压力，进入煤层的压力也低，这使得一个弹性耦合断面能够进入煤层中，且沿着裂缝延伸方向连通性较好。,在阜新煤层气压裂中采用了该技术，效果良好。,3.煤层气压裂增产与配套技术,煤层气是以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。对煤层气的开采主要经历以下三个过程,现有技术对于“解吸”和“扩散”过程的几乎没有涉及，是从根本上制约煤层气增产的“短板”。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.2.2 国内煤层气增产技术发展现状存在问题,3.煤层气压裂增产与配套技术,国内煤层气开发的模式主要借鉴北美、尤其是美国的发展思路（包括煤层气和页岩气大排量、大液量，多段水平井压裂？）美国的煤层气开发正在走向瓶颈期（煤层气产量维持现状，页岩气大发展？）中国煤层气开发技术是否应该另谋出路？,Where should we go?,3.1 煤层气储层特征及压裂难点3.2 国内外煤层气增产技术现状3.3 煤层气增产技术发展趋势煤层气裂缝起裂机理研究压裂材料低密度支撑剂研究 煤层气降滤机理及其工艺研究 压裂工艺冰晶暂堵转向技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.3.1 煤层气储层裂缝起裂机理研究,岩石是均质各向同性的多孔介质，并处于线弹性状态。井壁围岩处于平面应变状态；忽略压裂液与岩石发生物理化学作用所引起的力学性质变化。,假设条件：,裸眼井筒应力分布计算,考虑套管完井无滤失作用下的应力分布：,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.3.1 煤层气储层裂缝起裂机理研究,射孔孔眼壁面应力分布计算,（1）孔眼内流体压力引起的应力(考虑了孔眼摩阻)（2） 井筒切向应力和上覆应力引起的应力（3）井筒径向应力引起的应力 （4）压裂液的滤失引起的应力,应力组成,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.3.1 煤层气储层裂缝起裂机理研究,根据应力叠加准则，射孔孔眼周围应力分布为：,令 ,代入上式，可得孔眼孔壁处应力分布为：,3.煤层气压裂增产与配套技术,剪切起裂,最大张应力准则,库伦莫尔准则,拉剪复合准则,最大张应力准则,本体起裂,沿射孔尖端起裂,张开起裂,裂缝起裂,射孔孔眼应力分布,起裂过程分析,射孔完井下破裂压力计算,3.煤层气压裂增产与配套技术,实例计算,四种起裂模式在不同射孔深度交错发生；,当射孔深度超过0.2m后张开起裂和射孔尖端起裂占有一定的优势，而且随着深度的继续增加，尖端起裂压力继续降低；,在射孔深度为0m处破裂压力都较低，其中剪切起裂破裂压力最低，本体起裂压力最高；,射孔深度小于0.1m时，所有破裂模式的破裂压力都随之增加，当超过0.1m后剪切起裂和尖端起裂的破裂压力呈现降低的趋势；,当超过0.3m后，尖端起裂占有绝对优势。,不同起裂模式与射孔深度的关系,3.煤层气压裂增产与配套技术,实例计算,对岩石本体起裂，随着射孔方位角的增加其破裂压力不断增大的，在射孔方位为90时破裂压力达到最大；对于岩石剪切起裂分布相对比较均衡，在45左右破裂压力最小；,射孔尖端起裂随着射孔方位的增加也是增加的，在射孔方位90处达到最大；张开起裂波动性比较大，在射孔方位为60左右和0处破裂压力相对较小。,不同起裂模式与射孔方位的关系,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝产生过程,憋压模型,由于存在不同裂缝起裂模式，故在同一射孔深度将发生不同方式的起裂。这样将在不同的射孔方位，同一个射孔深度下产生多条裂缝。,通过向井筒中不断的泵入压裂液向地层传递能量，压裂液从井下射孔层位流出，此时射孔孔眼近似于泄压开口，当泄压口处的流出量小于井口的泵入量时，液体就会在井筒容器内压缩从而产生反弹力，进而使井底压力不断增大,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝产生过程,井筒憋压压力变化,在t1时刻，由于液体重力产生静夜柱压力P1。t2时刻，由于泵压以及井筒反弹力使地层岩石开始破裂，即达到第一条裂缝的破裂压裂P2。,由于射孔摩阻以及煤粉堵塞使压力继续升高，继而第二个、第三个破裂点相继发生起裂，但井筒憋压效应降低而使压力增加幅度下降，最后在ti时刻趋于稳定，井口注入量等于井底的流出量，发生泄压，压力降低为一条主裂缝的延伸压力P,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝产生过程,憋压较高的原因,在煤层压裂过程中，施工压力往往比同层常规储层压裂高，即在井底的憋压较高，而造成憋压较高的原因主要包括以下几个方面：,地应力影响若水平地应力接近相等由于沿井眼周向破裂压力的差别不大，各周向角度处都容易开启裂缝，裂缝起裂位置不确定，裂缝可能在任意位置开启，这些裂缝中有的裂缝的转向角度可能比较大，造成裂缝轨迹的弯曲与摩擦阻力的增加，有可能开启更多的裂缝，因而形成容易形成多个独立发展的裂缝。当水平应力相差较大时容易开启的方位有限，而且相对有利于连接，形成一个大裂缝；但是，当井的斜度增大后，裂缝不易于连接而可能形成多裂缝。,3.煤层气压裂增产与配套技术,影响裂缝起裂的其他因素,天然微裂隙影响如果射孔孔眼周围存在天然裂隙，则优先破裂的射孔孔眼就可能是存在微裂缝的射孔，也可能是已经破裂射孔的同轴向的孔眼，或者是前面两种并存，交替交织破裂。裂缝的存在明显的降低了地层的破裂压力。如果新开启射孔与前面已经开启射孔在周向上存在一定的角度，该处的小裂缝不容易与己经开启裂缝在延伸过程中连接，则发展成独立的大裂缝，而且可能是转向的大裂缝。,3.煤层气压裂增产与配套技术,井斜影响井的斜度加大后不利于裂缝在缝口的连接，因此，增大了多裂缝形成的可能性。即使最终连接，各裂缝在连接之前呈现网状结构，流量在各裂缝之间分流，减小了裂缝宽度，增大了流动阻力与加砂施工的难度，井的斜度增大会增加压裂施工的困难。孔密影响根据裂缝连接的相关理论分析，当射孔间距减小时，在有利的地应力条件下，可以促进各个小裂缝的连接，从而减少裂缝的条数。但是在不易连接的位置，增大射孔密度则增加了裂缝的条数。,3.煤层气压裂增产与配套技术,支撑剂输运,支撑剂铺置,裂缝导流,裂缝开启,液固两相流,中高密度支撑剂,高粘携砂液,砂堵,储层伤害,出路：支撑剂密度,支撑剂嵌入,3.3.2 压裂材料低密度支撑剂研究,3.煤层气压裂增产与配套技术,支撑剂制作原料选用采用低廉的工业级泡花碱（液体状）为浆体主体（便于喷雾造粒），并采用工业级二氧化硅、工业级二氧化铝粉体为增强外加材料。,3.煤层气压裂增产与配套技术,已有研究成果,成球方式研究在表面张力的作用下，微小液滴自然成球，随着干燥机对液滴的加热，首先在液滴表面形成一层对气流为半透性的凝胶膜，内部液体在蒸发的作用下，使凝胶膜膨胀，并透过凝胶膜排出气体，最终形成空心前驱体。,前驱球体失水成为不规则体阶段,前躯体成球阶段,玻璃化球体700,发泡为空心前驱球体阶段,玻璃球体800,烧结成球过程1. 前躯体成球阶段；2. 前驱球体失水成为不规则体阶段；3. 不规则体还原球体阶段（主要是煅烧阶段，从室温升至实验所需温度），该阶段又分为三个阶段: a. 发泡为空心前驱球体阶段；b. 玻璃化阶段；c. 成为玻璃球体阶段。随着温度的升高，玻璃化程度越高，球体越规则。,3.煤层气压裂增产与配套技术,漂珠体式照片 漂珠SEM照片,目前实验室已经成功制备密度在1.5-2g/cm3、粒径在1-2mm的空心玻璃微球；粒径为0.5-0.8mm的含陶瓷粉体的中空前躯体球。从上图可以看出，微球的外观漂亮，光泽度、圆度都是比较高的，而且抗静压强度达到60MPa时，球体破损率小于10%。,3.煤层气压裂增产与配套技术,现有玻璃体微球样品,以空心微球为基础的低密度支撑剂其关键参数在于壁厚的控制。壁厚的大小直接影响了支撑剂的抗压强度和支撑剂整体的密度。,500m（35目）空心球抗压强度、壁厚和密度的关系曲线,3.煤层气压裂增产与配套技术,尾追大粒径支撑剂，提高近井人工裂缝导流能力的作法，应当值得反思。活性水压裂缝宽是否满足支撑剂输运有待研究。,Stim-Lab Proppant and Fluid Consortia Notes,下一步计划,低密度支撑剂压裂技术一般情况下采用先细颗粒、中细颗粒再粗颗粒支撑剂的泵入顺序。但这种传统布砂顺序是否能够运用到低密度支撑剂中，仍要进行进一步的探讨。,3.煤层气压裂增产与配套技术,沃伦|茹特模型,3.煤层气压裂增产与配套技术,煤层气储层是裂缝孔隙类型的双重介质，基本特征是：双重孔隙度、双重渗透率、两个平行的水动力学场以及在两种孔隙结构之间有流体交换的“窜流”作用发生。,3.3.3 煤层气压裂液滤失机理及降滤工艺研究煤层气压裂液滤失机理研究,3.煤层气压裂增产与配套技术,形状因子,双重介质运动方程,双重介质状态方程,双重介质质量守恒方程,整个模型共有两套重叠的压力系统；基质的孔隙度比裂缝的孔隙度大很多，而裂缝的渗透率比基质的渗透率大。流体在裂缝和基质间的流动表现为两类系统之间的“窜流”。在考虑基质自身滤失和基质与裂缝滤失双重因素下，建立滤失数学模型：,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝中滤失计算结果,不考虑动态渗透率的滤失量,不同滤失距离下的滤失量,不同滤失时间下的滤失量,随着时间的增长，Q最终趋于平稳,随着距离的增长，Q逐渐减小,3.煤层气压裂增产与配套技术,考虑动态渗透率的滤失量,考虑动态渗透率下的Q为1.59cm3，没有考虑下的Q为0.032 cm3，前者是后者的50倍。,3.煤层气压裂增产与配套技术,不考虑动态渗透率的滤失量,随着时间的增长，Q先增大后减小，这是因为当Q达到饱和后就会逐渐减小,随着距离的增长，Q逐渐减小,基质中滤失计算结果,裂缝中的Q明显大于基质中的Q;裂缝中的Pf极大地影响基质中Q的变化趋势不考虑动态渗透率基质中的Q为12.02810-4g/(cm3s)，而考虑的Q为8.70710-4 g/(cm3s)，前者是后者的1.4倍，这是因为压裂液大多沿着天然裂缝滤失，相应地减少向基质中滤失。,考虑动态渗透率的滤失量,3.煤层气压裂增产与配套技术,粉砂降滤降滤失技术粉砂能够堵塞井周围的一些流道，在压裂形成的主裂缝延伸过程中，遇到微裂缝时，在相交处形成堵塞，达到控制和减少压裂液向天然裂缝滤失的目的。但粉砂用量过多，会影响压裂效果，而用量过少又不能达到降滤失的效果。因此，应根据储层实际滤失情况，合理调节粉砂加入量。,Fruitland储层岩心降滤失实验结果,San Juan盆地Fruitland储层3.5-2.9的煤样做测试。实验结果表明2ppg100目的砂子可有效减少压裂液在煤样中的滤失。,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.3.3 煤层气压裂液滤失机理及降滤工艺研究煤层气降滤工艺研究,CO2或N2泡沫压裂液降滤技术氮气优先占据微裂缝和高渗透层，阻止后续压裂液沿微裂缝和高渗地带滤失；液氮在压裂液中形成一定干度的泡沫，分散于压裂液中的气泡、泡沫占据孔隙空间能有效地封堵地层孔隙，叠加的气阻效应使压裂液滤失降低；以气体做降滤失剂，在返排时能顺利返出；避免了化学降滤失剂对地层和裂缝造成的渗透率伤害气液两相流动使得液相渗透率降低，降低压裂液的滤失量。,3.煤层气压裂增产与配套技术,清洁压裂液降滤技术清洁压裂液的携砂能力好，能够形成长的支撑裂缝，抗剪切性能好，易于彻底破胶，无残渣，对煤层伤害小。由于滤失量是由滤液粘度控制的，清洁压裂液中的胶束团是很难进入到渗透率510-3m2的地层中。故在低渗透地层中，清洁压裂液滤失量少，即起到降滤失的作用。,3.煤层气压裂增产与配套技术,针对已有活性水压裂液的特点，摩阻高，压裂产生的煤粉不易分散。可压裂液中加入润湿剂和分散剂 ，能使煤粉由疏水性转变为亲水性，并且有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中阻止煤粉的聚集，从而降低压裂施工压力，提高压裂效果。目前常用降阻剂为聚丙烯酰胺及其衍生物聚乙烯醇 ，煤粉分散剂是表面活性剂的一种 。因此，降阻剂和煤粉分散剂都属于有机添加剂。但在煤层气改造中应尽量减少有机添加剂的使用。降阻剂和分散剂的加入 虽然有利于煤层气井的压裂施工，但是也会对煤层渗透率造成伤害。为此，需要对添加剂的类型，用量进行合理的研究。,低伤害低成本压裂液技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,基于暂堵裂缝，降低滤失的目的，通过冷冻介质（液氮）对压裂液进行降温，使其在煤层形成冰水混合物，利用冰晶实现对裂缝的暂堵转向，提高压裂效果。,冰晶暂堵转向降滤技术,水、冰、溶液的蒸汽压曲线,3.煤层气压裂增产与配套技术,3.煤层气压裂增产与配套技术,管柱结构：液氮冷冻盲管（液氮管+气态流动环空）+套管,下液氮冷冻管柱，注活性水活性水开始进入裂缝开始注液氮，对活性水进行降温冻结计算缝中活性水的温度分布,四个阶段：,井筒温度场模型：,1.滤失带差分方程：,3.煤层气压裂增产与配套技术,裂缝温度场模型：,2.流体能量守恒方程及连续性方程的合并方程的差分形式：,3.岩石能量方程的差分形式：,3.煤层气压裂增产与配套技术,不同施工排量下井筒内活性水温度分布,不同注液时间下井筒内活性水温度分布,注液时间越长，施工排量越大，井筒内液体温度下降越快，进入裂缝内的活性水温度越低,井筒内活性水温度分布,3.煤层气压裂增产与配套技术,不同注液时间下缝内活性水温度分布,不同施工排量下缝内活性水温度分布,注液时间越长，施工排量越大，相同裂缝处活性水的温度也越低，对煤层气冰晶暂堵中暂堵物质的形成越有利,缝内活性水温度分布,3.煤层气压裂增产与配套技术,注液氮7min换热段活性水温度分布,不同注入排量下活性水温度分布,活性水温度随液氮注入时间的增加而逐步降低，活性水的注入排量越大，在相同时间内，温度下降的速度越慢，越难以形成冰晶,换热段活性水温度分布,3.煤层气压裂增产与配套技术,注液氮后裂缝温度场分析,不同注液氮时刻裂缝内活性水温度分布,随液氮注入时间的增加，活性水温度曲线逐渐下移，即活性水温度逐渐降低 当液氮注入一定时间后，活性水温度曲线与x轴开始相交，交点位置