煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究_倪小明

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引
言
水力压裂是目前我国地面开发煤层气储层改 造的主要措施． 煤 层 气 垂 直 井 的 水 力 压 裂 是 从 石 油产业的水力 压 裂 工 艺 移 植 过 来 的， 煤储层与砂 岩储层岩石力学 性 质、 孔裂隙 系 统 等 方面 的 差 异 性决定了完全照搬石油产业的水力压裂进行煤储
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1019 收稿日期: 2011作者简介: 倪小明 ( 1979 —) ，男，山西临汾人，副教授，主要从事井上下联合抽采煤层气方面教学与研究． E － mail: nxm1979@ 126． com
DOI:10.16186/ki.1673-9787.2012.01.012
第 31 卷第 1 期 2012 年 2 月
河南理工大学学报( 自然科学版) JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY( NATURAL SCIENCE)
Vol． 31 No． 1 Feb． 2012Fra bibliotek第1 期
倪小明， 等: 煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究
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条件的判别．
M = ( m1 ， m2 ， m3 ) ． 应 用 模 糊 矩 阵 的 复 合 运 算， 得 到煤层气垂直井重复水力压裂选井的模糊综合评 判矩阵为 B = M r11 r 21 r31 r41 r12 r22 r32 r42 R = ( m1 ， m2 ， m3 ， m4 ) × r13 r23 r33 r34 r43 r14 r24 =［ b1 ， b2 ， b3 ， b4］ ． r44
煤 层 气 垂 直 井重 复 水 力 压 裂 综 合 评价 方 法研究
1， 2 1 1 倪小明 ，朱明阳 ，苏现波 ，徐
涛
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( 1． 河南理工大学 能源科学与工程学院，焦作 454000 ; 2． 山西晋城无烟 煤矿 业 集团 公司， 山 西 晋 城
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048006 ; 3． 河南理工大学
资源环境学院，河南 焦作 454000 )
454000 ，Henan，China; 2 ． Shanxi Jinchen Anthracite
048006 ， Shanxi，China; 3 ． School of Resource ＆ Environment，Henan Polytechnic University，
Abstract: By analyzing main influence factors of repeated hydraulic fracturing，an accident tree model for selecting wells of repeating hydraulic fracturing was presented． According to the multilevel fuzzy synthetic evaluation method and the accident tree model，the evaluation index system of selecting wells on repeated hydraulic fracturing of CBM vertical wells was established． Based on the evaluation index system，those wells on Fanzhuang block in the southeast Qinshui basin where gas is produced poorly were evaluated． The results showed that the method could provide theory basis of selecting wells and reduce investment risk greatly． Key words: repeated fracturing; coal bed methane; hydraulic fracturing; selecting wells 层改造的局限 性， 导致采用几乎同一水力压裂工 艺后有着不同 的产气 表 现， 部 分井 产气 量 一 直 很 高， 部 分井会 出 现 第一、 第 二 产气 高 峰; 部 分井 产 气量一直比较低 甚 至部 分井 几 乎 不 产气， 针对煤 层气井不同产气 特 点， 哪 些井 可 进行重 复 水 力 压 裂， 哪些井不能进行重复水力压裂， 则需进行系统 研究． 目前关于重复压裂选层技术， 石油产业研究
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河南理工大学学报( 自然科学版)
2012 年第 31 卷
较 多， 石 油 产 业 主要采 用 了 模 糊灰 元、 模 糊 物 元、 多层次 模 糊 聚 类、 灰 色 理 论、 人 工 神 经 网 络、 模糊 数学和系统层次 分析 方 法等进行 选 层 的 研究， 煤 ［1 － 5 ］ ． 为了减少无 谓 资金 投 入， 层气产业鲜有报道 本文在分析 影响 重 复 水 力 压 裂 的影响 因 素 基 础 上， 利用“系 统 工程 事 故 树 分析法 + 多 层 模 糊 数 ， 学综合评价 法 ” 对 煤 层 气 井重 复 水 力 压 裂 选 井 ． 进行研究
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重复水力压裂选井评判方法
煤层气垂直井重复水力压裂选井评判方法就 是首先把 研究 区 的 因 素 与“短 路 条件 ” 中的因素 进行对比， 当 满足“短 路 条件 ” 中 某 一 因 素 时， 即 认为该井 没 有进行重 复 压 裂 的 必 要 性; 当“短 路 条件” 中 的 所 有 因 素 均 不 满足 时， 则需 进行其 他
越大， 煤层气的排采潜势就越高． 煤层气主要是靠 降压解吸的， 临储压力比越高， 越不利于煤层气的 解 吸． 因此， 资源 条件主要 包 括 产气 后 的 资源 丰 度、 含气饱和度和临储压力比． 因产气后含气量的 分布发生变化， 为便于计算， 主要是根据未排采时 计算出的资源量 与 已 产出的气体总 量 之 差， 得出 目前的资源量， 然 后 根据 井 网 间 距 求 得 目前 的 资 ; 源丰度 根据目前 的 资源 量 反 推 出 计 算 面 积 内 的 平均含气量， 根据平均含气量结合兰氏体积、 兰氏 压力求得目前的 平 均 含 气 饱 和度; 根据 平 均 含 气 量计算出目前的 临界 解 吸 压 力， 进而 得 出 目前 的 平均临储压力比． ( 3 ) 开 发条件． 影响煤 层 气 井 产 量 的 开 发条 件很多， 可不考虑工艺技术对产能的影响， 仅考虑 煤储层裂隙通道 的 畅 通程 度对其 影响． 煤体 结 构 是煤形成过程及形成后受到各种力后变形程度的 表现， 不同 的 变 形 程 度， 裂隙 发 育 程 度不同， 煤层 气产出的难易程度不同． 同时， 大量水力压裂实例 表明， Ⅲ类和Ⅳ 类 煤 几 乎 是 目前 煤 层 气 水 力 压 裂 “禁区” ， 的 因此煤体结 构 可 作 为 能 否 进行重 复 水 力压裂的开发条件之一． 最小主应力不仅影响着水力压裂时裂缝延伸 形态， 而且最小 主 应 力 的大 小 对 煤 储 层 裂隙 的 闭 合影响 很 大． 当最 小 主 应 力 值较 小 时， 压 裂 过程、 排采过程等对裂隙闭 合 影响 小; 当最 小 主 应 力 大 时， 更 容 易 引 起 裂隙 的 闭 合． 因此， 能 否 进行重 复 水力压裂的开发条件主要包括煤体结构和最小地 应力． ( 4 ) 工 艺 技术 因 素． 第一 次 水 力 压 裂 可能由 于压裂规模不够， 使裂缝不能充分延伸; 也可能由 于支撑剂颗粒太小， 导致裂缝不能有效支撑; 或支 撑剂强度不够， 被压碎等; 或射孔工艺技术原因导 致压裂效果不理想; 或由于排采工作制度过快， 导 致支撑剂从裂缝产出或煤粉发生运移． 因此， 能否 进行重复水力压裂的工艺技术因素主要包括排采 工作制度、 支撑剂、 压裂规模、 射孔工艺等． 综上所述， 得 出煤 层 气 垂 直 井重 复 水 力 压 裂 的事故树模型， 见图 1．
Study on methods of repeated hydraulic fracturing comprehensive evaluation about CBM vertical Wells
2 NI Xiaoming1， ，ZHU Mingyang1 ，SU Xianbo1 ，XU Tao3
( 1 ． School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Coal Mining Group Corporation Ltd，Jincheng Jizozuo 454000 ，Henan，China)
第 6 步， 根据隶属度， 把其隶属度划分为百 分 ［6 － 7 ］ ． 制， 采用矩阵计算得出评价的百分数
摘要: 系统分析了重复 水 力 压 裂 选井 的 主要影响因素， 建 立 了 重 复 水 力 压 裂 选井 事 故 树 模 型; 根据多层次模糊数学综合评价方法结合事故树模型，建立了煤层气垂直井重复水力压裂 选井评价指标体系． 根据评价指标体系，对沁水盆地东南樊庄区块部分产气效果不好的煤层 气井能否对二次压裂进行评价． 结果表明，该方法能较好地为现场煤层气垂直井重复水力压 裂选井提供理论依据，投资风险大大降低． 词: 重复压裂; 煤层气; 水力压裂; 选井 9787 ( 2012 ) 01003905 中图分类号: P618 文献标识码: A 文章编号: 1673关 键
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重复水力压裂选井的影响因素
煤层气井能 否 产气 决 定 于 2 个 方面: 一是 有 没有气; 二是有 没 有 能量系 统 通过 裂隙 通 道使 气 体运移产出， 而重 复 水 力 压 裂 实 质上 解 决 的是煤 层气运移通道的问题． 因此， 煤层气井产气不理想 可归纳为 3 类原因: 一类是无产气潜力， 即资源 条 件不足的; 一类是有产气潜力， 由于种种原因裂隙 通道被堵塞或闭合的; 一类是有产气潜力， 由于种 存在以目 种原因未形成裂隙的． 在未形成裂隙中， 前的水力压裂工艺根本无法形成裂隙和由于施工 不当导致未形成裂隙两种情况． 上述不同情况中， 有些是不可进行重 复 水 力 压 裂 的， 有些 则 可以 进 ， 行 把由于某一 因 素 导 致 最 终 煤 层 气 井不 可 进行 ． 产气一段 重复水力压裂的因素称为“短 路 条件 ” 时间后资源条件 决 定 是 否 有重 复 压 裂 的 必 要 性． 煤体结构、 地应 力 在 某 种 程 度 上 决 定 煤 储 层原 始 裂隙发育程度， 可作为重复压裂选井的开发条件． 压裂规模、 支撑剂性能、 排采工作制度等可作为开 发工艺因素． ( 1 ) 短路条件． 所谓 “短路条件 ” ， 即 当需 改 造 的煤层气井满足 下 列 条件之一 时， 就 不 再 考虑 其 他任何因素， 即认为无进行重复压裂的必要， 这些 条件称为短路． 大量的研究表明: 以现有的水力压 裂工艺， 当Ⅲ类、 Ⅳ类煤在整个煤层段所占比例超 过 65% 时， 很难在煤层中 营 造 出 有 效 的 较长 的 裂 缝通道， 可认为这样的煤层不可用水力压裂改造; 3 2 当资源 丰 度 ＜ 0. 510 8m / km 时， 即 认 为不具 备 开发价值; 从排 采 到 要 对其进行 论证 是 否 有 必 要 进行重复压裂时 止， 通过产出气 量 和 原来 的 含 气 量计算得出目前 的 平 均 含 气 量， 得出平均含气饱 和度， 当其值低于 40% 时， 重 复 压 裂 的 意义不 大; 排采到论证时， 临储压力比低于 0. 4 时， 也没 有重 复压裂的意义． 这些都可作为短路条件． ( 2 ) 资源 条件． 一 般 进行重 复 压 裂 的 井 均 进 行了一定时间的排采， 且产出了一定量的煤层气， 产出后的含气饱 和度 越 高， 煤 层 气的 运移 潜 势就