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。

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
图5　沁水盆地3#煤裂缝方位投影图
井10#煤和3#煤压裂裂缝方向均为正N—SW60°,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2h、4h 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20m,从缝高数据与施工参数对比看,如某003井15#煤缝高达12.5m,其压裂井深和井段厚度与相近的某002井相当,002井在 6.94～7.14m3/min的排量下,施工压力为8.4～9.6M Pa,而003井在7.39～7.49m3/min的排量下,施工压力达到20.1～25.5M 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0.023～0.045M Pa/m之间,且有随R o增大而增大的趋势。

b.　煤层压裂比常规储层压裂压力高,其压力曲线可表现为5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 etcalfe R S,Yee 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.
Simplified analysis of fracture treating pressure and fracture morphology in coalbed gas well
HAO Yan-li,W AN G He-qing,LI Yu-kui
(Do w nhole Special Operation Service Department,ZPEB,Henan Puyang457061,China)
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(DTI)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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·煤田地质与勘探第29卷。