当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践_姚团琪_图文

DOI:10.14029/j.cnki.issn1004-0935.2015.12.016 网络出版时间:2015-12-28 10:44:41 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1200.TQ.20151228.1044.032.html

第 44 卷第 12 期 2015 年 12 月

辽 宁 化 工 Liaoning Chemical Industry

Vol.44,No. 12 December,2015

针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践
姚团琪,王


晶,许耀波,乔



(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054)

要:针对碎软煤层如何实现高强度、快速地面煤层气抽采,综合治理煤与瓦斯突出问题展开论

述。首先,应用 FracproPT 压裂数值模拟软件模拟了不同加砂量、排量下,裂缝的几何形态,优选了压 裂施工参数,从理论上验证了压裂裂缝能够将水平井筒与裂缝沟通。其次,在现场压裂施工过程中, 应用嵌入式微地震监测压裂施工过程中水力压裂产生了北东向主裂缝,其主裂缝产状均为垂直。最后, 按照“连续、稳定、缓慢”的原则对该井组进行排采,目前已经取得阶段性成果,日产气量达到了 7 672 m?/d。 关 键 词:碎软煤层;煤层气;水平井;分段压裂 文献标识码: A 文章编号: 1004-0935(2015)12-1466-05 中图分类号:TE 357

据煤炭科学研究总院西安研究院计算, 我国具有 4 3 丰富的煤层气资源,资源总量约为 36.8×10 亿 m , 位居世界第三位, 具备了煤层气工业化开发的先决性 条件。针对我国“富煤,贫油,少气”的能源结构特 征,开发煤层气具有以下三点优势。首先,煤层气是 一种优质清洁的新型能源。 它的开采和利用可以弥补 其他能源开发的不足, 并且丰富而广泛的资源储量以 及广阔的市场是煤层气开釆与利用的前提。 其次, 提 前预抽煤层瓦斯可以从根本上解决因煤与瓦斯突出 造成的井下瓦斯灾害。 最后, 煤层气资源的工业化开 发为改变我国能源结构提供新途径。 淮北矿业集团下属的芦岭煤矿为该区的主力生 产矿井。位于安徽省宿州市东南 20 km 处,淮北煤 田的东南缘, 2014 年生产 220 万 t 煤, 绝对瓦斯涌出 3 量 117.24 m /min,井田瓦斯压力梯度为 70~96 m/MPa, 属于高瓦斯突出矿井, 煤层气资源饱和度高。 近年来, 在淮北矿业集团的指导下, 由中煤科工集团 西安研究院实施的 “一井三用” 地面煤层气压裂直井, 取得了突破,首次在实现了单井日产气量突破 2 000 m?/d。 截止 2012 年五口井日均产气量保持在 1 500 m ? , 受到业界广泛关注。 从实践上证明了该区良好的 煤层气开发地质条件, 为下一步煤层气开发及矿区安 [1-3] 全生产提供了有利的借鉴意义 。 然而单纯依靠地面煤层气直井预抽煤层中瓦斯 又存在抽采速度慢、单井产量低、抽采范围小,难 以实现该区煤层气的工业化开发利用。由于芦岭煤 矿发生过多次地壳运动,其中以燕山早期的构造运

动最为强烈,导致该区煤体机构破坏严重,煤质松 软。因此,在煤层中进行水平井钻进实现高效、快 [4-8] 速的煤层气抽采方式是难以实现的 。本文针对两 淮矿区松软煤质条件下,实现煤层气开发利用,并 解决快速、高效井下煤与瓦斯突出问题,从理论和 实践两方面对一种新方法、新工艺进行阐述。

1 芦岭井田煤层气开发地质特征
煤层气开发方式的合理选择是煤层气开发需要 重点考虑的内容, 也是煤层气勘探开发成功的关键。 煤层气开发方式受开发目的、所在地区的地形地质 条件以及工艺技术、投资成本等方面影响,其中地 [9-12] 质条件是决定煤层气开发方式的主要因素 。 1.1 目标区构造地质特征 芦岭井田位于安徽省淮北煤田东南部的宿州矿 区, 宿东向斜西南翼的东南段。 宿东向斜走向北西, 长约 18 km,宽度变化在 1.5~5.8 km 之间。井田 西段,发育各种中小型断层,有松林王背斜,王格 庄向斜两个二级褶曲分布。井田中段,地质构造简 单。井田东南段,分布有小史家背斜,同时发育大 量断层,导致煤层倾角变化很大,局部出现倒转现 [13] 象 ,构造纲要图如下图 1 所示。 煤田勘探资料证实, 井田断层有两个显著特征: 一是大部分断层都出现二次改造现象,表现为扭性 应力性质;二是断层两侧牵引褶曲发育。 1.2 目标煤层特征 为了保障煤矿安全生产,结合矿区的生产接替

收稿日期: 2015-09-09 作者简介: 姚团琪(1986-) ,男,助理工程师,硕士,陕西西安人,2013 年毕业于中国地质大学(北京)油气田开发工程专业,主要从事煤层 气钻井及压裂方面的技术工作。

第 44 卷第 12 期

姚团琪,等:针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践
VL — Langmuir 体积; PL — Langmuir 压力。

1467

和之前 5 口直井的成功经验,选择 8 煤为此次探索 试验的目标煤层。
F5
仙 朱

F 21 F 22



F D13矿 煤
F5-1





FD10
F D7 FD4东

F42

F 14 F 4-1
8
西部 井

F4-3
F 4-4

F11
宿

10 F7

F 6-3F 6-2 F6
F7

F7

主井

F 7-1

F8

K1

图 例

F32 F 29 F 14 F3-1 F 36 ① 小史家背斜

F3

F14-1

10 1F4 101F3 8
10

井眼

正断层 8

逆断层

向斜

② 王格庄向斜 ③ 松井王背斜

背斜

煤层露头

地层分界线

矿界

图 1 芦岭井田构造纲要图

1.2.1 渗透率及储层压力 通过对 X01-V 井的注入/压降试井测得 8 煤渗 透率 0.08~0.10 mD,储层压力 5.44 MPa,储层压力 梯度为 0.734 MPa/100 m,稍低于正常压力,有利于 [14] 煤层气排采 。 1.2.2 岩芯描述 X01-V 井的取芯资料分析可知,在井深 729 m 钻遇 8 煤, 8 煤的直接顶板是厚约 0.8 m 结构不完整 的炭质泥岩,炭质泥岩上覆岩性坚硬呈块状结构的 泥岩 5.3 m,其上分布了 2 m 的细砂岩。 从取芯照片可以看出:8 煤黑色,油脂光泽~ 弱玻璃光泽,粉末状及碎块状,内生裂隙较发育, 污手,条痕黑褐色,半光亮型构造软煤。值得注意 的一点是, 8 煤岩心上部有一段约 0.2 m 厚, 分布稳 定、 煤体结构完整的块状煤层。 8 煤层井段进尺 10.90 m,煤芯长 6.38 m,取芯率为 58.53%,煤质松软, 取芯率低。 1.2.3 室内实验分析 (1)气含量:采用直接法获取其气含量,测得 3 8 煤空气干燥基含气量 3.66~10.25 cm /g,平均为 3 6.12 cm /g,含气量较高。 (2)临界解析压力:对 8 煤岩芯干燥无灰基 3 Langmuir 体积 20.31~21.39 cm /g,平均为 20.85 3 cm /g;Langmuir 压力 2.72~2.93 MPa,平均为 2.82 MPa。 Pcd = (V×PL) / (VL-V)
式中:Pcd — 临界解析压力; V — 实测气含量;

N


F14



F4 F 35 F 33

经计算可知,8 煤的平均临界解吸压力为 1.57 MPa。 (3)临储比 临界解吸压力与储层压力之间的关系往往决定 了排采降压的难度,故临储压力比是开采地质条件 评价中需重点考虑的参数。临储比是指目标煤层的 临界解吸压力与原始储层压力之间的比值。临储比 越接近于 1, 越有利于地面煤层气的开发。 8 煤临储 比为 0.29。 1.3 小 结 注入/压降试井结果显示在目标区 8 煤渗透率 为 0.08~0.10 mD,储层渗透率属于中等。但是含气 3 饱和度达到了 6.12 cm /g,含气量较高。较低的储压 力导致该区产气所需的排采时间较长。8 煤呈粉末 状及碎块状,内生裂隙较发育,属于半光亮型构造 软煤,58.53%的取芯率,表明 8 煤层可钻性差,在 煤层中进行水平井钻进风险大。

岭 煤 矿

2 新方法新工艺探索
2013 年以来,在重庆涪陵地区应用水平井分段 压裂技术, 对页岩气的成功开发, 为实现了松软煤层 快速、高强度的煤层气抽采起到了重要的借鉴意义。 页岩气开发和煤层气开发具有以下共同点: ①自生自 储的储层特征,即页岩和煤层既是生气层也是储气 层;②天然气以游离气和吸附气的形式赋存于储层 中, 都需要通过排水降压来促进吸附气的解析; ③页 岩和煤层的渗透率都很低, 都需要进行储层改造措施 [15] 来增加流体的渗流通道,提高水平井单井产能 。 基于此, 提出应用地面分段压裂水平井组技术, 实现碎软煤层快速、高强度的煤层气抽采目标。通 过综合地质导向技术精确控制水平井段,沿着 8 煤 顶板 0.5~1.5 m 距离的泥岩中精确钻进。 套管完井之 后,采用垂直向下定向射孔技术射开拟压裂层段, 井身结构示意图如图 2 所示。 与常规页岩气开发不同的是,针对碎软煤层的 水平井是在煤层顶板稳定的泥岩中钻进的,那么随 之而来的问题就是分段压裂裂缝能否垂直向下延伸 形成有足够导流能力的有效裂缝?首先从理论上, 应用 PT 数值模拟软件对不同加砂规模下裂缝的几 何尺寸进行分析,从数模上的角度研究裂缝能否与 煤层顶板的水平井筒沟通,从而实现对碎软煤层快

1468








[17]

2015 年 12 月

速、高效煤层气抽采。

成一系列垂直于水平井筒的压裂裂缝 。 通过对此次研究水平井组邻近井的基础参数分 析来建立裂缝延伸模型,考虑钻井在钻水平段时处 于岩性为细砂岩和砂质泥岩中,保证压裂层段固井 质量,假设水平井水平段井眼轨迹在 8 煤层以上 1 3 米,当加砂规模 50 m 时,利用 FracproPT 压裂软件 模拟 8、9、10、11 m?/min 排量下裂缝的延伸。结 果如图 3 所示。
表 1 模拟参数表
项目 层位 施工层位/m 储层类型 储层岩性 地层孔隙度,% 闭合应力/MPa 地层渗透率/mD 原始地层压力/MPa 顶板岩性 底板岩性 顶板弹性模量/10 MPa 底板弹性模量/10 MPa 破裂压力/MPa
5 5

取值 二叠系 725~729 煤层气 泥岩 1.9% 14 1 7.0 砂质泥岩 20 000 20 000 26

项目 顶板围岩的泊松比/? 底板围岩的泊松比/? 煤层弹性模量/10 MPa 煤层泊松比/? 储层流体粘度/mPa?s 流体压缩系数/1/MPa 综合滤失/10 m?min 地层温度/℃ 造壁滤失/10 m?min 支撑剂粒径/mm 生产套管尺寸/mm 注入方式
-4 0.5 -3 -4 0.5 5

取值 0.2 0.2 5 400 0.5 0.5 0.000 6 1.5 40 0 1.60
0.425~0.850

图2

X01 井组井身结构示意图

2.1 煤层气水平井分段压裂数值模拟 FracproPT 压裂软件是一款重要的石油工程软 件,该软件是由美国卡博陶粒公司研发的一款专业 的压裂设计、分析模拟软件。2012 款软件新增了水 平井分段压裂的模块,该模块集成了水平井压裂数 值模拟模块,能够分析在不同施工参数下,裂缝的 [16] 几何尺寸,实现对施工压裂参数的优化 。 依据人工裂缝方向与地层最小主应力方向垂 直,与地层最大主应力平行的这一原理,将水平井 筒方位布置在该区最小主应力方向上,那么就会形
缝宽剖面 ...
0 TVD(m) 10 20 30

砂质泥岩 支撑剂视密度/(g?cm )

外径 139.7 光套管

裂缝中支撑剂浓度 (kg/m2)
40 50 60 70 80 90 100 110

缝宽剖面...
0 TVD(m) 10 20 30 40

裂缝中支撑剂浓度 (kg/m2)
50 60 70 80 90 100 110 120

825
825

850

850

支撑剂浓度 (kg/m2)

支撑剂浓度 (kg/m2)

875

875

0

0.80

1.6

2.4

3.2

4.0

4.8

5.6

6.4

7.2

8.0

0

0.80

1.6

2.4

3.2

4.0

4.8

5.6

6.4

7.2

8.0

(a)
缝宽剖面...
0 TVD(m) 800 10 20 30 40

(b)
缝宽剖面...
80 90 100 110 120
0 TVD(m) 800 10 20 30 40

裂缝中支撑剂浓度 (kg/m2)
50 60 70

裂缝中支撑剂浓度 (kg/m2)
50 60 70 80 90 100 110 120

825

825

850

850

支撑剂浓度 (kg/m2)

支撑剂浓度 (kg/m2)

875 0 0.80 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0

875 0 0.80 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0

(c)

(d)

图 3 压裂模拟图(a,b,c,d 分别是加砂规模在 50 m?,排量分别为 8 m?/min、9 m?/min、10 m?/min、11 m?/min)

第 44 卷第 12 期

姚团琪,等:针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践

1469

压裂规模为 50 m?的裂缝几何形态优良,首先 支撑缝长总体较长,其次缝高控制得也更好。因此 优选加砂规模在 50 m?,施工排量相对较低,而支 撑缝长又相对较长的 10 m?/min 为此次压裂施工的

优选排量。8 煤层段和 9 煤层段分别在 842.96 ~849.04 m、850.80 ~852.96 m,由上表 2 可以看出, 经过模拟后裂缝缝高在 819.8~858.6 m,8 煤层可以 被压开,形成有效的支撑裂缝。

表 2 不同排量下裂缝几何尺寸对比
排量/(m ?min ) 8 9 10 11
3 -1

模拟缝长/m 水力缝长/m 110.4 119.3 121.6 122.3 支撑缝长/m 90.6 92.5 98.6 98.8 水力缝高/m 36.2 38.4 38.3 38.8 支撑缝高/m 30.7 31.4 31.2 32.0

模拟缝高/m 缝高顶界/m 819.8 819.7 819.9 819.8 缝高底界/m 856.0 858.0 858.1 858.6

2.2 嵌入式微地震裂缝监测 嵌入式微地震裂缝监测是指水力压裂时,在射 孔位置,当迅速升高的井筒压力超过煤岩强度,煤 岩遭到破坏,形成裂缝,裂缝扩展时,必将产生一 系列向四周传播的微震波。微震波被布置在被监测 井周围的 A、B、C、D……等监测分站接收到,根 据各分站微震波的到时差, 会形成一系列的方程组, 反解这一系列方程组,就可确定微震震源位置,由 微震震源的空间分布可以描述裂缝实时轮廓,进而

给出裂缝的方位、长度、高度、产状及地应力方向 等地层参数。嵌入式微地震裂缝监测是用静力触探 设备将拾震器置入数米到数十米深的地下,这样不 仅避免了由车辆、电磁波、风、人走动等引起的震 动干扰和电磁干扰,而且避免了地表疏松地层对微 震波的衰减,提高了有用信号的采集数量和质量, 做到微震信号的高耦合度、高保真,监测裂缝几何 [18] 尺寸精度较高 。监测信号解释如图 4 所示。

724.8 m 20.5 m 745.3 m

图 4(1)

X01-H 井裂缝方位、长度图

图 4(2)

X01-H 井裂缝高度图

注:该图为俯视图,表示裂缝的方位、长度,是微震点在 X、Y 平面的投影。图中每格代表 50 m。

从图 4 可以看出,水力压裂产生了北东向主裂 缝,其主裂缝产状均为垂直。表明压裂主裂缝具有 一定的影响宽度,周围形成了裂缝带。水平井井眼 轨迹平行最小主地应力方位,主裂缝方位与井轨迹 方向近乎垂直。与井眼垂直的裂缝可以大大改善低 渗透储层的渗流状况,有利于增加储层泄油面积。 多条横向裂缝能大大提高排采速度,有利于提高采

收率,提高排采的强度。 2.3 现场应用效果 通过 LWD 技术及钻时录井、岩屑录井和气测 录井等资料,将水平段轨迹控制在垂直距离 8 煤层 顶板泥岩中,实现了水平段钻进 586 m。采用可钻 式机械桥塞分段压裂技术共压裂 7 段, 2014 年 9 月 5 日压裂施工结束。9 月 15 日开始放喷,井口压力

1470









2015 年 12 月

3.6 MPa。至 11 月 9 日井口压力降低到 0 MPa,历 时 55 天。 但是一直存在井涌现象, 井口涌出液量约 9 m?/d。到 11 月 17 日,井涌现象结束,历时 9 天。 X01-V 井于 2015 年 1 月 19 日开始排采,该井排采 工况平稳。2015 年 4 月 16 日排采直井开始有气显 示,之后气量持续稳定增长,控制套压在 0.3 MPa, 截止 2015 年 6 月 15 日,最高日产气量 3 201 m?, 井筒液注高度 382 m,表明该井还有很高的产气潜 力,累计产水 4 557.63 m?,累计产气 121 519.4 m?, 阶段性排采情况如下图 5 所示。

砂规模为 50 m?,排量为 8 m?/min 的施工参数。裂 缝的长度足以实现水平井筒与 8 煤沟通。 (4) 目前的排采情况表明, 该井还有很高的产 气潜力。通过该井组的成功实施,从理论和实践上 证明了:在碎软煤层顶板进行水平井精确钻进,结 合分段压裂技术,对实现碎软煤质条件下煤层气开 发利用,并解决快速、高效井下煤与瓦斯突出问题 是可行的,具有颇高的理论意义和实践意义。
参考文献:
[1] 安徽省煤田地质局第三勘探队.宿县煤田宿东矿区芦岭井田最终 报告(补充精查) ,1965. [2]安徽省煤田地质局物探测量队.芦岭煤矿Ⅲ2、Ⅲ4 采区三维地震 勘探报告,2010. [3] 陈作, 王振铎, 曾华国. 水平井分段压裂工艺技术现状及展望[J]. 天 然气工业,2007,27(9) :78-80. [4]董建辉,王先国,乔磊,等.煤层气多分支水平井钻井技术在樊 庄区块的应用[J].煤田地质与勘探,2008,36(4):21-24. [5]葛春贵,陈家祥.淮北松软煤层群开采条件下地面煤层气开发研 究分析[J].中国煤炭地质,2010,23(3):81-85. [6]樊明珠,王树华.影响煤层气可采性的主要地质参数[J] .天然 气工业,1996,16(6):53-5. [7]淮北矿业集团.安徽省淮北煤田杨庄、石台、临涣、芦岭、许疃、 涡北煤矿矿产资源储量核实报告,2002. [8]康园园,邵先杰,石磊,等.煤层气开发技术综述[J].中国煤炭 地质,2010,22(增刊):43-46. [9]刘贻军,娄建青.中国煤层气储层特征及开发技术探讨[J].天然 气工程,2004. [10]芦岭煤矿.芦岭煤矿矿井地质报告,2005. [11]孙茂远.中国煤层气勘探开发现状问题与建议[M].北京:中国 能源,2002. [12]张群.煤层气储层数值模拟模型及应用的研究[D].煤炭科学研究 总院西安分院,陕西 西安:2003. [13]安徽省煤田地质局第三勘探队.安徽省淮北煤田芦岭煤矿资源储 量复核报告,2006. [14]中煤科工集团西安研究院有限公司.芦岭矿地面一井三用抽采瓦 斯试验研究总结研究报告,2011. [15]邹才能,董大忠,杨桦.中国页岩气形成条件及勘探实践[J].天 然气工业,2011,12(9) :26-39. [16] 吴奇. 水平井体积压裂改造技术. 北京: 石油工业出版社, 2013. [17] 赵全胜. 交叉偶极子声波成像测井技术及应用 [J] . 2008, 27 (4) . [18]刘伟.微地震压裂裂缝监测与应用[D].成都理工大学,2012.

图5

X01 水平井组排采数据曲线图

3 结 论
(1)芦岭井田构造地质条件较复杂;目标煤层 发育层数多, 厚度大, 煤层埋藏较深, 且分布较稳定; 煤层主要为碎粒-糜棱煤,可钻性差,煤层中水平井 钻进风险过大;煤层渗透性较差;气含量较高。 (2)通过对 X01-V 井取芯资料分析,在 8 煤 顶板有一层分布稳定的泥岩,有较好的可钻性。 (3)应用 FracproPT 压裂软件模拟加砂规模在 40 m?和 50 m?,排量为 6、7、8、9 m?/min 时,压裂 裂缝的延伸方向。通过分析模拟压裂裂缝的几何参 数,优选支撑缝长更长、裂缝高度控制更好的,加

Enhanced Recovery of Broken Soft Coal Seam CBM by Horizontal Well Staged Fracturing
YAO Tuan-qi,WANG Jing,XV Yao-bo,QIAO Kang
( CCTEG Xi’an Research Institute, Shaanxi Xi’an 710054,China) Abstract: How to realize the high strength, rapid ground CBM extraction was discussed as well as the problem of comprehensive control of coal and gas outburst. FracproPT fracturing simulation software was used to simulate the crack geometry under different sand content and displacement, and the fracturing operation parameters were optimized, and it was theoretically verified that fractured fracture can communicate cracks with the horizontal wellbore. In the process of fracturing operation, the process of fracturing operation caused a north to east main hydraulic fracturing crack; the main fracture occurrence was vertical. According to the principle of "continuous, stable and slow”, the well group was ranked. Good results have been achieved, capacity of 7 672 m?/d. Key words: broken soft coal seam; CBM; horizontal well; staged fracturing


相关文章:
针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践_姚团琪_图文.pdf
12 December,2015 针对碎软煤层水平井分段压裂强化抽采方法实践姚团琪,王摘 晶,许耀波,乔 康 (中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054) 要:针对碎软...
2017年度中国煤炭工业协会科学技术奖拟获奖项目.pdf
碎软低渗煤层顶板岩层 公司 23 水平井分段压裂煤层...高效抽采技术 限公司 中国平煤神马能源化工集团 ...姚团琪 赵龙 吕有厂 张海庆 刘庆军 孙矩正 陈学习...