煤层气水力压裂技术简介

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四 压裂裂缝 4.1 裂缝形态及扩展规律
裂缝形态主要包括裂缝的长度、宽度和高度及走向 长度：随着裂缝宽度的增加，裂缝长度将受到限制。 宽度：压裂裂缝的宽度与其弹性模量成反比。 方位：同一盆地没有明显的方向性，但是存在着在某一方向 裂缝出现机率相对较大的现象。 裂缝形态4种类型：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)。形态复杂的例 如“T”、“工”，‘爪’ 型裂缝。
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压裂
S1 S2 S3
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图1 压裂过程示意
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压裂材料：压 裂液和支撑剂 施工参数：排 量和压力 压裂设备：泵 车(组)、液罐、
砂车、仪表车
图2 压裂施工现场
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三
压裂液
3.1 种类
水基压裂液、泡沫压裂液、油基压裂液、乳化压裂液 清洁压裂液，纯气体压裂液（液化）。
3.2 发展
专题研讨
煤层气井压裂技术
汇报人：周龙刚
中国矿业大学资源学院 2011年12月3日
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提 纲：
一
二
压裂的目的及意义
压裂机理及一般流程
三
四
压裂液
压裂裂缝
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一
压裂的目的及意义
①压裂消除了井筒附近储层在钻井、固井、完井过程中 造成的伤害。
②压裂使井孔与煤储层的裂隙系统更有效的联通。 ③压裂可加速脱水，加大气体解析率，增加产量。 ④压裂可更广泛地分配井孔附近的压降，降低煤粉产量。
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3.4 压裂液对储层的伤害
类型:吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害
(1) 煤比表面积较大，容易吸附物质（特别是有机物）。 (2) 压裂液滤失、反排不彻底，滞留储层造成液堵。 (3) 压裂液残渣，返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力； 另一方面较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂液一道进入 地层深部，堵塞孔隙喉道。 (4) 粘土矿物膨胀，煤粉运移堵塞裂隙，引起压裂压力增 大，裂缝方向改变。 (5) 压裂液与储层不配伍造成的伤害，可能发生化学反应。
40、50年代，矿场原油、凝胶油、粘性乳化液； 60年代瓜尔胶稠化剂的问世——现代压裂液化学的诞生； 70年代，水基压裂液迅速发展，占主导作用； 80年代泡沫压裂液技术取代了部分水基压裂液 。 目前，泡沫压裂液、液体CO2压裂液、液氮压裂液也开始应用。
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3.3 要求
滤失少、悬浮能力强、摩阻低、热稳定性及剪切稳定性 能好、低残渣、配伍性好、破胶迅速彻底、货源广，便于配 制，经济合理。
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4.3.1 煤岩本身的岩石力学性质
煤岩弹性模量E较低，泊松比u较高，决 定煤岩压裂时易形成短而宽的裂缝；煤岩不 均质性，造成了压裂裂缝形态复杂。 根据兰姆方程，岩石中压裂裂缝的宽度 与其弹性模量成反比。因此，同常规砂岩压 裂结果相比，煤岩更易形成短宽裂缝；随裂 缝宽度增加，裂缝长度将受到限制。 煤层与顶底板的交界处存在一个弱面，在 弱面处造成一个低应力区（遮挡层）。压裂 裂缝垂向延伸至弱面时由于受到应力阻挡， 裂缝将沿弱面处的低应力区延伸，形成“T” 形缝或“工”形缝，对裂缝高度扩展影响较 20 “T”、“工”型 大。 缝
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4.3 压裂裂缝形成的控制因素
1 煤岩本身的岩石力学性质 2 地应力，不同构造部位煤层与褶皱中和面的 位置关系 （局部构造地应力） 3 割理、孔隙系统，先存裂隙 4 煤层埋深
5 温度,在深井中,也会对破裂压力造成影响
6 压裂施工作业参数，如施工规模和施工排量 等，也可以在一定程度上改变裂缝形状。
通过煤层气排水-降压-解吸的过程，达到正常排气的目的。
憋压
造逢
裂缝延伸 充填支撑剂
裂缝闭合
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2.2 压裂的一般流程
原始煤层压裂井的施工主要经过3个阶段:完井阶段、储 层改造阶段(即射孔、压裂阶段)、排水采气阶段。 （1）压裂方案设计：（裂缝几何参数优选及设计；压裂液类 型、配方选择及注液程序；支撑剂选择及加砂方案设 计；压裂效果预测和经济分析等。 ） （2）压前准备：配制压裂液，压裂车组、设备调试完毕。 （3）施工过程： ①前期：注入前置液，降低滤失，破裂地层，造缝， 降温，压开裂缝后前期加入细砂。 ②中期：注入携砂液，携带支撑剂（先中砂后粗砂）、 充填裂缝、造缝。 ③后期：注入顶替液，中间顶替液：携砂液、防砂卡； 末尾顶替液：提高携砂液效率和防止井筒沉砂。 5
3.4 按阶段划分
按照在压裂施工中的不同工艺作用，压裂液可以分为： 前置液、携砂液和顶替液。 前置液：是压开地层并造成一定几何尺寸的裂缝，以备后面 的携砂液的进入。在温度较高的地层里，它还可以 起到一定的降温作用。 携砂液：将支撑剂带入裂缝，继续扩张裂缝，冷却地层。 顶替液：将携砂液顶替进裂缝，防治余砂沉积井底形成砂卡。
钻井以后，井筒周围压力重分布，使最大水平主应 力沿井筒周向呈环状分布,最小水平主应力沿井筒呈放射 状分布。应力集中的影响范围约为井筒半径的10倍。 水力裂缝起裂方位不但与水平主地应力方位有关,而 且与水平主应力差的大小有关。高水平主应力差条件下, 水力裂缝易于在井壁处沿垂直最小水平主应力的方位起 裂并延伸,产生较为平直的水力主缝。低水平主应力差条 件下,水力裂缝容易沟通各种成因的天然裂缝,并沿天然 裂缝扩展,产生网状裂缝。 传统经验方法从煤岩本身性质出发来判定压裂裂缝 的临界转化深度,在地质构造未发生明显扭转和剪切运动 情况下,具有一定的普适性。
走向：井眼三维地震、地震声波井下电视、井下电视照相 高度、宽度：水力阻抗监测、伽玛射线测井、井温测井、 超声波成像测井 沁水盆地： 方位、长度:大地电位法或微地震法 高度：井温测试法或放射性同位素示踪剂（伽马测井法）
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图5 煤层压裂后电位(Vm)纯异常等值线图
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图6 压前和压后的井温测量
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4.3.2 地应力
地应力大小和方向控制煤层气井水力压裂裂缝起裂压力、 起裂位置及裂缝形态。（晋城西）
A、B处压力集中：
A 3h 3H B 3H 3h
起裂压力：
Pc 3h H T
水平主应力差系数Kh:
Kh
H h h
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4.3.2 地应力
≥95
≤3.0 ≤2.0 ――
乳化 压裂液
泡沫 压裂液 液态CO2 压裂液
残渣少、滤失 低、伤害较小
密度低、易返 排，伤害小、 携砂性好 不会引入任何 流体，对地层 无伤害，有利 于压后投产
摩阻较高，油 水比较难控制
施工压力高， 需特殊设备
水敏，低压储 层、低中温井
低压、水敏领 导
施工设备特殊， 干气气藏，低 成本远高于其 压油藏 它体系，施工 规模较小
图4 裂缝延伸形态
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4.1 裂缝形态及扩展规律
一般首先在井筒附近产生不规则水平缝，然后随着裂 缝的进一步延伸，有的井产生水平缝，有的井产生垂直缝。
表2 沁水盆地煤层气井压裂裂缝高度测试结果表
裂缝的高度超过压裂层厚度的4倍，最高达到6倍，一般在2~4倍
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4.2 裂缝监测方法
包括裂缝高度测量和裂缝方位及长度的监测
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4.3.3 其它因素
天然裂缝的存在有效地降低了岩石的抗张强度， 也使井筒附近的地应力发生了改变,对压裂裂缝的启 裂和延伸产生影响。 控缝高压裂技术（油气） •控缝高压裂技术就是通过上浮式和下沉式导向剂在裂 缝的顶部和底部形成人工遮挡层，阻止裂缝中的压力 向上下传播，继而达到控制裂缝在高度方向上进一步 延伸的目的。
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二 2.1
压裂机理及一般流程
机理
利用地面高压泵组，将高粘度压裂液在大排量条件下注入井中，在
井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时
，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前 延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层
内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，沟通煤层裂隙，最后
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4.3 裂缝扩展模型
现在采用较普遍的裂缝扩展模型有二维的PKN模 型、KGD模型、RADIAL模型，以及三维的全三维模型 和拟三维模型。
主要差别是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式 不同：
二维模型假设裂缝高度是常数，即流体仅沿缝长 方向流动。裂缝内仍是一维流动(缝长)。 拟三维模型和真三维模型缝高沿缝长方向是变化 的，在缝长、缝高方向均有流动(即存在压力降)。
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前置液
携砂液
顶替液
图3 SH133 压裂施工曲线图
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3.3 添加剂
稠化剂：植物胶，瓜尔胶 、香豆胶 、田菁胶等 交联剂：交联冻胶压裂液，交联剂是必不可少的添加剂 （硼砂） 防膨剂：粘土稳定剂，氯化钾 助排剂：促使压裂后破胶压裂液迅速返排 ，活性水、线 性胶和交联冻胶压 裂液中都需要加入助排剂 破胶剂：线性胶，特别是交联冻胶压裂液 （过硫酸铵 ， 生物酶破胶剂 ） 杀菌剂：压裂液中的稠化剂多糖聚合物在细菌作用下会发 生降解，导致粘度下降。（甲醛液） PH调节剂：调节压裂液PH值 表面活性剂、降滤剂等
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表1 国内外压裂液类型及使用现状
压裂 液类型
水基 压裂液 油基 压裂液
优点
廉价、安全、 可操作性强、 综合性能好 配伍性好、密 度低、易返排 伤害小
缺点
适用范围
使用比例
国外 国内
深度高，残渣、 除强水敏性储 伤害高 层外均可用 成本高，安全 性差，耐温较 低 强水敏，低压 储层