煤层气高能气体压裂技术

煤层气高能气体压裂技术简介

1.前言

我国是世界上煤炭生产和消费大国,煤层气资源储量非常丰富。但煤气层为低渗透率、低压力、低含水饱和度，富含煤层气的煤田大都具有构造复杂、煤体破坏严重、软煤发育、高塑性和煤层渗透率极低等特点，开发难度较大。目前提高煤层渗透率主要有洞穴法和水力压裂法，主要包括：垂直井套管射孔完井、清水加砂压裂、活性水加砂压裂、洞穴完井等工艺；应用空气钻井,氮气泡沫压裂,清洁压裂液、胶加砂压裂,注入二氧化碳，以及欠平衡钻井、欠平衡水平钻井和多分支水平井钻井完井技术等技术[1-5]，以提高煤层气井产量和采收率，积累了很多经验。但从煤层气改造看，至目前还缺少适合我国煤层气有效开发的较成熟的技术。针对煤气层的地质特点及开发现状，在分析了高能气体压裂技术研究的基础上，提出并开展了煤层气多级脉冲加载压裂开发技术的试验研究与应用。

高能气体压裂技术是利用固态、液态火药或推进剂在油层目的层快速燃烧产生的大量高温高压气体，对地层脉冲加载压裂，使地层产生并形成多裂缝体系，同时产生较强的脉冲震荡作用作用地层基质，综合改善和提高地层渗透导流能力，扩大有效采油（气）范围，以达到提高产量的目的。其特点是:能在地层产生不受地应力约束的多裂缝体系，有利于沟通天然裂缝，扩大泄流面积，同时产生较强的脉冲震荡传播作用有利于改变地层岩性基质微错动变化，沟通基质通道，延伸地层深处，提高了地层渗透性，提高了油气井产量。目前主要应用油层改造，而且对地层无污染，有利于储层保护。

与常规水力加砂压裂相比，高能气体压裂能够减小对煤储层造成水敏性污染，而且裂缝的延伸方向不受地应力控制、可形成多裂缝体系，成本也低，不伤害煤层。因此，此项研究对探索适合我国煤层气有效开发的新技术具有重要的现实意义和应用前景。

高能气体压裂技术目前在油田上已经得到了较广泛的推广应用，产生了明显的经济效益和社会效益。但在煤层气开发上进行试验应用在我国尚属首次，针对煤层气开发特点，结合高能气体压裂技术的作用原理和在油田上的应用成果分析，此项技术应用煤层气开采的思想是可行的，但还需要通过进行大量的研究实验工作。根据EH-03井井深小于1000m、地层压力低、煤岩力学性质等特点，同时结合高能气体压裂技术现场应用效果，经研究本井拟采用复合射孔和多级脉冲加载压裂复合技术进行煤层压裂改造试验，以达到改善储层导流能力的目的。

2.1 作用机理

多级脉冲加载压裂复合技术作用机理是以

多种不同压裂药优化组合匹配，使其燃烧产生的大

量高温高压气体作为气动力，通过特殊控制技术，

逐级隔断燃烧，有序释放，形成多个高压脉冲波（多

个峰值压力）如图1，通过射孔层段的孔眼通道进

入地层，对地层实施多次连续高压脉冲波冲击加载

压裂，使地层产生和形成多条更长的裂缝体系，大大的提高沟通天然裂缝的几率，扩大了有效的渗流半径，以提高地层渗透性能，达到提高油气井产量的目的。

2.2 基本作用（过程）原理

多级脉冲加载压裂复合技术基本作用（过程）原理是首先在射孔层段实施第一级高压脉冲波，其压力大于地层破裂压力1.5~2.5倍，沿射孔通道进入地层，快速起裂压开层，形成3~8条裂缝；后续第二级、第三级等脉冲波连续补充能量，对地层再实施2~3次或多次高压冲击波加载压裂，继续促使裂缝快速延伸，以进一步延伸地层裂缝，从而在地层形成更长（裂缝长度可达到4~12米）

的多裂缝体系。

2.3可形成多裂缝的条件

2.3.1可形成多裂缝

HEGF为动态压裂过程，在适当加载速率下，图2 HEGF沟通天然裂缝和穿透污染带示可形成3～8条径向垂直裂缝，有穿透污染带和增加沟通天然微裂缝的可能性图2，为增产提供了新的手段。

表1是三种压裂方法主要参数的比较。意图

表1三种压裂方法主要参数

对比项压裂方法P

max/

MPa t/s г/MPa．S-1总过程时间/s

爆炸压裂>10410-7>10810-6

图1多脉冲加载压裂P—T曲线

HEGF 102 10-3 102~106 10-2

~10 水力压裂

10 102 <10-1 106 2.3.2成缝条件 裂缝是短时间内加载形成的，其本身是一个动力学问题。只要井内压力高于岩层最小主应力，岩石就会产生裂缝。如果井内升压速度很高，所产生的裂缝不足以宣泄井内压力，势必会产生第二条裂缝。如果第二条裂缝仍不能宣泄井内压力，则就要产生第三条缝……，但是，判断裂缝生长速度，对于岩石这样的非均质体是很困难的，直到最近才有人给出一个假设，即裂缝生长的最大速度为岩石内横波速度的一半。前苏联学者热尔托夫给出了一个弹性静力学的标准。高能气体压裂在井筒造成的压力高于水力压裂所生的压力，并有可能超过了岩石的弹性极限[24]。这就使得卸载时会产生永久性变形图3，于是在地层中产生一定缝宽的残留裂缝图4。

假设加载与卸载的波松比相同，起裂标准可以表示为：

1P E E E E P 1

212min f

-≥

-σ 式中：P ——井筒压力 P f ——地层压力 σmin ——地层最小主应力

E 1——加载时的弹性模量 E 2——卸载时的弹性模量

图3岩石应力—应变关系 图4 残留裂缝（实线）

这个模型的明显缺点是没有考虑到升压速度较高时，地层内产生的就不是一条缝。此外，要想获得有充分代表性的E 1和E 2数据是很不容易的。再者，高能气体压裂都是在

射孔后进行的，此时地层中已有许多微裂缝，这也是该模型所没有考虑的。

于是只能求助于现场实验。根据施工井试验铜柱测压的统计结果为

0.5σmax < P max < P r

式中：σmax ——岩石最大主应力 P r ≈0.025H(MPa ) H —— 井深（m ）

我们知道，地层的水平应力一般为上覆岩石压力的1/3左右，也有研究人员认为，