煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析_郝艳丽

文章编号:1001-1986(2001)03-0020-03

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、R o 与破压梯度的关系,并根据裂缝监测(测井温法、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:P 618.11 文献标识码:A

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、R o 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0.017～0.064M Pa /m 之间,一般都为0.023～0.045M Pa /m 。而且根据我们收集的资料

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0.002～0.007M Pa /m 的差别,也就是说煤层的高滤失特点会造成大约0.002～0.007M 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

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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:2000-05-15

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.

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20·煤田地质与勘探

CO A L G EO L O GY &EX PLO RA T ION V ol.29N o.3Jun.2001

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看表现为3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6M 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0.1m3/min。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24M Pa,而砂岩层压裂延伸压力大约在20M 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600m以浅一般形成水平缝,在600m 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60～150m,试验区的资料表明煤层裂缝单翼长度最长达到127m,最短为8m,一般为50～90m。

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—SE,9#煤表现为N E—SW方向,15#煤除在SE方向出现的机会较小外,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

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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