煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究

CfD
=
Kfw Krf
（ 4）
式中 rf———裂缝延展半径，ft。
图 4 水平裂缝导流能力示意图 Fig. 4 Conductivity schematic of horizontal fractures
图 3 垂直裂缝导流能力示意图 Fig. 3 Conductivity schematic of vertical fractures
（ 1. Ｒesearch Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum （ Group） Co. ，Ltd. ，Xi'an，Shaanxi 710075，China； 2. Yingwang Oil Production Plant，Oil ＆ Gas Exploration Company，Shaanxi Yanchang Petroleum （ Group） Co. ，Ltd. ，Shaanxi 716299，China）
层特性 不 同 的 “表 皮” 区 （ 图 6） ，形 成 表 皮 效 应，使井周围 地 层 内 流 体 产 生 非 理 想 流 动［10］。 一 般情况下，使流线偏离井点方向或限制流量的任 何现象 （ 如部分射开、不合理射孔数目、近井地 带相变及湍流等） 都会导致正表皮因子，表示有 流阻或地层伤害存在，渗透率低于先前自然裂缝 的渗透率； 相反，如果通过改造储层渗透率高于 先前自然裂缝的渗透率，那么表皮系数就是负值。
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非常规油气·油气工程
Vol. 2 No. 5
改造技术是煤层气增产的首选方法，也是煤层气 开采的一种有效的增产方法。通过高压驱动水流 挤入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并 伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝 来降低压力损失并提高井口与自然裂缝系统的连 通性，形成多条具有高导流能力的渗流带，增加 煤层的渗透性。通过对煤层进行水力压裂，能够 消除钻井过程中钻井液对煤层的伤害，有效连通 井筒和煤层，改变煤层中气的渗流方式，增加渗 流面积，减少流动阻力，使煤层气井的产能得以 提高［7］。
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2. 2 表皮系数
表 皮 系 数 通 常 被 用 于 评 价 储 层 的 改 造 效 果。 因为我国煤层气井大多经过压裂，所以表皮系数 可以被用来反映增产改造对煤层气井产量的影响。
表皮系 数 的 大 小 反 映 出 钻 井、 完 井、 压 裂 增 产改造对油气井产能的影响情况。表皮系数可以 通过裂缝无量纲导流系数 CfD、裂缝半长 xf、表皮 系数 S 及井径 rw 的关系图版来表示。其相关性如 图 5 所示。当裂缝无量纲导流能力大于 300 时，假 设的径向表皮系数与裂缝导流系数无关，这时曲 线值稳定值为 0. 5［9］。
Abstract： More than 90% coalbed methane （ CBM） is absorbed at the interior surface of coal. CBM production is a complex process，different from conventional natural gas characteristic of “drainage －decompression － desorption － seepage” . CBM reservoir in China is characterized by low porosity，low permeability and strong heterogeneity. Normally，it is very difficult to exploit CBM with traditional methods. To increase single－well CBM output and promote commercial production， reservoir stimulation has to be carried out，to drain water away and drop pressure. So hydraulic fracturing is currently the first method to be selected for CBM stimulation，and it is also proved to be effective for CBM exploitation. We discussed the principles of seepage and the methods for effect evaluation，and made a case study. It was shown that hydraulic fracturing could improve bottom－hole seepage conditions and enhance seepage capacity. Coalbed permeability，skin coefficient，fracture conductivity and fracture half－length were found important for evaluating CBM stimulation effect with hydraulic fracturing. Key words： CBM； hydrofracture； reservoir stimulation； effect evaluation
第2卷 第5期 2015 年 10 月
非常规油气 UNCONVENTONAL OIL ＆ GAS
Vol. 2 No. 5 Oct. 2015
煤层气水力压裂增产机理及效果 评价方法研究
尹锦涛1，田杰苗2，孙建博1，刘 刚1
（ 1. 陕西延长石油 （ 集团） 有限责任公司研究院，陕西西安 710075； 2. 陕西延长石油 （ 集团） 有限责任公司油气勘探公司英旺采油厂，陕西延安 716299）
CfD
=
μ K
（ 5）
μ hxf
式中 μ——— 流体黏度，mPa·s； h——— 有效厚度，ft。
根据 Darcy 定律可知，上式的分子是单位压力 梯度下裂缝内流体流出的流量，而分母则是单位 压力梯度下地层内进入裂缝的流体流量［6］。
2015 年 10 月
尹锦涛 等： 煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究
xf—裂缝半长； wf— 裂缝宽度； h—有效厚度
它表示黏度系数为 1 的流体，在单位压力梯 度作用下通过单位高度裂缝截面的流量。无量纲 化后，相应形成无量纲导流系数为：
无量纲导流系数表示了裂缝传导能力与地层 供给能力的对比。以带有垂直裂缝的生产井为例， 将式 （ 4） 变形，可得到如下形式：
Kf hw
图 1 直井平面径向流流场投影图 Fig. 1 Projection of vertical plane radial flow field
1 水力压裂及其增产机理
1. 1 水力压裂
水力压裂是指向地下岩层泵入高压液体致使 岩层产生裂缝达到油气增产目的的一种技术，是 利用地面高压泵组，将高黏液体以大大超过地层 吸收能力的排量注入井中，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，便在井底附近地层产生裂缝； 继续注入带 有支撑剂的携砂液，使裂缝向前延伸并充填支撑 剂，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺 寸和高导流能力的填砂裂缝，使井恢复其自然产 能或使产能超过自然水平，同时改变地层中流体 渗流方式，达到增产增注、补救钻井过程中对储 层伤害的目的［5］。
压裂改造技术是当前煤层气增产的首选方法，也是已被证明的煤层气开采的一种有效的增产方法。论述了水力压裂增产渗流机
理及其效果评价方法，并进行了实例分析。表明通过对煤层进行水力压裂，能够改善井底渗流条件，提高储层的渗透能力； 煤
层渗透率、表皮系数及裂缝导流能力和裂缝半长是评价煤层气水力压裂增产效果的主要参数。
关键词： 煤层气； 水力压裂； 储层改造； 效果评价
中图分类号： TE377
文献标识码： A
Principle of Water Fracturing Stimulation for CBM and Its Effect Evaluation Methods
Yin Jintao1，Tian Jiemiao2，Sun Jianbo1，Liu Gang1
2 水力压裂效果评价方法
2. 1 裂缝导流能力
图 3 为垂直裂缝导流能力示意图，定量描述 水力裂缝导流能力的方法是定义水力裂缝的导流 系数，其公式为［8］：
Cf = Kfw
（ 1）
式中
C f ———水力裂缝导流系数，mD·ft； Kf———裂缝 （ 割理） 渗透率，mD； w———裂缝宽度，ft。
CfD
=
Kfw Kxf
（ 2）
式中 CfD———导流系数，无量纲； K———储层渗透率，mD； xf ———裂缝半长，ft。
对于垂 直 裂 缝 的 无 量 纲 导 流 能 力， P rats［8］ 最 初定义其与现今导流系数的关系为：
α = πKxf = π
（ 3）
2Kf w 2CfD
Prats 称 α 为相对导流系数。 水平裂缝导流能力示意图如图 4 所示。相应 形成无量纲导流系数为：
2015 年 10 月
尹锦涛 等： 煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究
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出是一个区别于常规天然气的 “排水—降压—解 吸—扩散—渗流” 的复杂过程。我国煤层气储层 条件 较 差，具 有 低 孔、低 渗、非 均 质 性 强 的 特 点［1－2］，普遍存 在 常 规 开 采 方 式 开 发 效 果 差 的 问 题，为了提高煤层气单井产量，实现商业化开采， 必须进行增产改造，改善井底渗流条件，提高煤 储层的渗透能力，促进排水降压，增加煤层气单 井产量。水力压裂改造技术是当前煤层气增产的 首选方法，也是被证明的煤层气开采的一种有效 的增产方法［3－4］。本文主要对煤层气水力压裂增产 机理及效果评价方法开展研究，并进行了实例分 析。
煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中， 充满了水，水的压力体现煤层气吸附压力，为了 在大多数煤层气储层中，煤岩裂隙或割理系统中 产气，首先要排水降压解吸，这决定煤层气的产
第一作者简介： 尹锦涛 （ 1983 年生） ，男，硕士，工程师，现主要从事非常规油气勘探开发研究工作。邮箱： ycyinjintao@ qq. com。
摘 要： 90%以上的煤层气以吸附状态附着在煤的内表面上，煤层气的产出是一个区别于常规天然气的 “排水—降压—解吸—
扩散—渗流” 的复杂过程。我国煤层气储层条件较差，具有低孔、低渗、非均质性强的特点，普遍存在常规开采方式开发效果
差的问题。为提高煤层气单井产量，实现商业化开采，必须对储层进行增产改造，促进排水降压，提高煤层气单井产量，水力
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图 2 具有垂直裂缝直井线性流流场图 Fig. 2 Linear flow field schematic of vertical well
with vertical fractures
1. 3 水力压裂在煤层气开采中的应用
我国多 数 地 区 煤 层 的 渗 透 率 低，通 常 小 于 1mD，按常规油气藏以渗透率划分储层的标准进行 分类，煤层属于特低渗透或致密储层，水力压裂
1. 2 水力压裂增产渗流机理
水力压裂能够增产增注的渗流力学机理是将 原来井中流体径向渗流模式改变为线性渗流模式。 图 1 为一口普通直井渗流场投影，其平面径向流 流场特点是平面上流线和等势线皆向井口高度聚 集，渗流阻力较大，不是油气开采中的有利渗流 模式。如果对生产井进行水力压裂，并能够产生 有一定传导能力的垂直裂缝，那么原来的平面径 向渗流模式将改变为平面线性流 （ 高导流能力裂 缝） 或双线性流模式 （ 低导流能力裂缝） 。
图 2 为具有垂直裂缝的直井流场投影，其线 性流或双线性流的流场特点是流线和等势线平行 分布，与平面径向流相比，线性流或双线性流模 式的渗流阻力要小得多，是油气开采中的有利渗 流模式。渗流模式的改变减小了近井地层的渗流 阻力，提高了地层能量的利用率，在相同生产压 差下井的产能或注入能力增加。图 2 还可以表示 一口具有水平裂缝井的流场剖面 （ 这时井筒剖面 是一个矩形） ，在近井地带水平裂缝范围内，流体 为线性流方式，而在加砂水平裂缝内则以径向流 方式流入井，其提高地层能量利用率的作用与垂 直裂缝类似［6］。