2011.11.25,煤层气井压裂施工 分析及建议,汇报人：高占胜,中联煤层气晋城分公司,1,煤层特征和影响 多裂缝的影响 弯曲裂缝的影响 煤粉的影响 煤层井径扩大率的影响 固井质量的影响 结论及建议,内容：,2,5,1,3,4,6,7,中联煤层气晋城分公司,2,1、煤层结构特征和影响,1.1 煤岩的孔隙特征,煤是一种复杂的多孔介质，煤中孔隙是指媒体未被固体物（有 机物和矿物质)填充的空间，是煤的结构要素之一。煤的孔隙性质 包括空隙大小、形态、连通性、孔容、比表面积等）是研究煤层 气赋存状态、煤中气体（主要是甲烷）的吸附/解析性质及其在煤 层中运移的基础。 煤层是一种双孔隙的储层。它除含有基质孔隙系统外，还含有 割理裂隙网络系统。孔隙系统是煤层气的吸附储集结构单元，而裂隙网络系统往往是煤层气主要的运移通道。煤层裂隙比较发育， 按照肉眼的可见与否，将煤层裂隙分为外生裂隙和内生裂隙；从 宏观和围观两个层次上，又可将煤层裂隙划分为宏观裂隙和微观 裂隙两大类。,中联煤层气晋城分公司,3,1、煤层结构特征和影响,中联煤层气晋城分公司,4,1、煤层结构特征和影响,1.2、煤层天然裂缝对压裂施工的影响,通常认为人工裂缝裂缝的延伸总是垂直于现 今地应力场的最小 主应力3方向展布。Neslon认为如果岩石中地应力差值较小（ 200磅/英寸2），压裂缝方位主要受岩石力学非均质性控制。当 岩石中存在裂缝密度较大的开启裂缝时，在水力压裂过程中，压 裂液会压开和支撑已经 存在的天然裂缝系统，无论岩石应力状 态如何，都不会使岩石破裂。根据煤岩变形试验、光弹模拟实验 和来自野外露头区的证据，煤层人工压裂缝受现今地应力和天然 裂缝制约。如果天然裂缝方位与现今地应力1的夹角小于临界 角，人工裂缝沿天然裂缝扩展而不产生新缝；如果天然裂缝方位 与现今地应力的夹角大于临界角，人工裂缝近似于垂直于现今地 力的3方向扩展，但扩展部位与早期天然裂缝有关。1与早期 裂缝夹角和抗剪切强度之间的关系如图1和图2所示。此外，天然 裂缝发育的煤层在压裂施工时容易发生砂堵，究其原因，一方面 是压裂液的滤失量过大，工作效率降低，另一方面是，天然裂缝容易引起施工压力的瞬间大起大落，从而引起裂缝宽度的突变。,中联煤层气晋城分公司,5,1、煤层结构特征和影响,岩石的抗剪切强度随早期破 裂与受力方向夹角的变化图,中联煤层气晋城分公司,6,天然裂缝网络 的模拟示意图,人工裂缝的 模拟示意图,1、煤层结构特征和影响,典型施工曲线,中联煤层气晋城分公司,7,TS-149施工曲线，沁水盆地南部向北倾斜的斜坡上。煤层深度765.60-771.40，煤层结构4.40（0.60）0.80 煤层井径扩大率25.66%.,TS-674施工曲线，沁水盆地南部向北倾斜的斜坡上。煤层深度588.80-595.60，煤层厚度6.80m，煤层井径扩大率9.26%.,中联煤层气晋城分公司,8,2、多裂缝的影响,非平面裂缝几何形状如多条裂缝、T型缝和转向缝取决于井筒在地 应力场中的方向。当井筒方向与最大水平应力方向的夹角为050时， 将在井筒产生多条裂缝；当夹角为5070时，在井筒产生单条裂缝， 然后由于转向产生相互靠近的多条裂缝；当夹角为7090 时，产生 T型裂缝。,井斜的影响,研究表明，水平最大和最小主应力比值大于1.5时，在中间应 力方向产生1条平面裂缝；而当比值由1.5降至1.0时，随着比值的降低产 生逐渐增多的裂缝分支和多条裂缝，如图3所示.对于斜度较大的井压裂 时，即当井斜方向和最大主应力方向斜交时，由于射孔孔眼较多，在垂 直于井斜的平面上地应力大小和方向都相同，每个孔眼所在的位置都有裂缝产生的可能，此时往往会产生平行的多条裂缝如图4所示。,地应力的影响,2.1 多裂缝产生的原因,中联煤层气晋城分公司,9,2、多裂缝的影响,射孔相位角的影响,当水平地应力差别比较大时，螺旋射孔可能造成多个方位的 裂缝开启。实践证明，随着相位角的减小，多裂缝的条数呈增加 的趋势。,中联煤层气晋城分公司,10,2、多裂缝的影响,射孔高度对裂缝条数的影响,射孔段的长度必须足够短，由于射孔孔眼的沟通作用与作为起裂 点的作用，增加了射孔孔眼的数量，无疑增加了多裂缝形成的几率， 对天然裂缝发育煤层压裂是不利的。而缩短射孔段的长度后，有可 能避开天然裂缝发育的多发层段，尤其是低角度裂缝发育的层段， 让裂缝在射孔段以外的地方自由延伸，一般来说，此时裂缝裂缝的 延伸只有一个优势方向，因此减少了水力裂缝形成多裂缝的趋势,射孔段的长度必须保证在射孔段上有足够的射孔孔眼来保证较低 的射孔摩擦阻力，这要求有一定的射孔孔眼数量来参与流动。,中联煤层气晋城分公司,11,2、多裂缝的影响,2.2 多裂缝产生影响,1、产生裂缝弯曲；远离井筒处裂缝转向角度较大。 2、产生同方位的多裂缝后，裂缝狭窄，不利于提高砂比与加砂量，严重时导致加砂施工失败。 3、多条裂缝同时延伸时，每条裂缝延伸距离均达不到理想效果，从而影响压裂改造的效果。 4、多条裂缝相互争夺裂缝宽度，所以净压力更高。 5、由于净压力的增加，压裂裂缝不那么容易控制。,中联煤层气晋城分公司,12,单一裂缝和3条裂缝（数量随时间 的增加而增加）净压力曲线图,不管多裂缝重叠形态如何，将裂缝 的复杂延伸形态看作是等效多裂缝的 同时延伸。该模型的计算以理想三维 单裂缝的计算为基础。等效多裂缝通常有三个重要的参数：M：多裂缝数量；M：参与滤失的多裂缝数量；M：参与竞争宽度的多裂缝条数。假设三个参数M=M=M，单一裂 缝的模拟裂缝净压、半径、宽度分别 是n、R、，则多个裂缝净压、 半径、宽度的变化规律如下：nM=nM2/3RM=RM-2/9M=M-5/9,2、多裂缝的影响,中联煤层气晋城分公司,13,3、弯曲、扭曲裂缝的影响,当裂缝起裂方位与裂缝延伸方位不一致时，裂缝在延伸的中就比较复 杂，如出现裂缝转向和扭曲。转向裂缝又叫S型裂缝和重定向裂缝，一 般是从井筒起裂出来后延伸一段距离再转向另一个平面方向延伸。,产生弯曲、扭曲裂缝的原因,1、斜井容易产生裂缝弯曲； 2、小角度相位射孔容易产生裂缝弯曲； 3、近井筒附近天然煤层天然发育，容易引起裂缝弯曲；,裂缝弯曲、扭曲在近井筒地带 产生了额外的流体流动阻力，使 得缝宽变窄，影响高浓度支撑剂 的进入。,弯曲、扭转裂缝的影响,中联煤层气晋城分公司,14,4、煤粉的影响,煤岩是易破碎的，在压裂施工中由于压裂液的水力冲蚀作用及 与煤岩表面的剪切与磨损作用，煤岩破碎产生大量的煤粉及大小不 一的煤碎屑，由于比重较轻，多在压裂液的冲刷作用下，聚集起来 阻塞压裂裂缝的前缘，使得裂缝内压力瞬间增加迫使裂缝“改道”。 同时裂缝堵塞可使裂缝静压力（或地面泵压）增加。,1、煤粉及煤碎屑会堵塞裂缝，并聚集起来阻挡压裂液前缘，改变裂 缝的延伸方向； 2、形成弯曲裂缝； 3、形成多裂缝网络； 4、井眼附近孔隙压力上升； 5、井眼失稳或射孔产生碎屑，煤碎屑会阻碍裂缝的产生。,原因,导 致 煤 层 压 力 高 分 析,中联煤层气晋城分公司,15,4、煤粉的影响,中联煤层气晋城分公司,16,煤层井径扩大率过大，固井水泥环就比较厚，影响射孔质量，造成有 效孔眼少，或者形成的孔眼孔径较小，孔眼毛刺多，从而产生的孔眼摩 阻较大。,SX017-2 15#煤层第一次施工曲线,SX017-2 15#煤层补射后第二次施工曲线,5、煤层井径扩大率的影响,中联煤层气晋城分公司,17,5、煤层井径扩大率的影响,式中：Ppf：炮眼摩阻，10-1MPa；Q: 注入排量，m3/min；： 压裂液密度，kg/m3；： 有效射孔炮眼数量；： 炮眼平均直径；,从左式可以看出，在注入排量和 压裂液密度不变的条件下，有效射 孔炮眼数量越多，炮眼摩阻越小， 炮眼平均直径越大，炮眼摩阻也将 越小。孔径的大小不但会影响支撑剂的 尺寸和浓度，只有孔径足够大，以 避免支撑剂在通过孔眼时发生桥堵。 孔径的大小而且会造成孔眼摩阻大， 施工净压力（泵注压力）大，从而 对压裂施工操作控制带来困难。,中联煤层气晋城分公司,18,6、固井质量的影响,钻井过程中，钻遇煤层时，钻井液的入侵；固井过程中，水泥浆的入侵， 均会对煤层造成污染。从而对近井地带煤层的物性造成伤害。从而对压裂施 工带来困难。,当rw/rc=1时，S值为零，说明是完善的；S=Inrw/rc 当rw/rc1时，S值为正，说明是不完善的；当rw/rc1时，S值为正，说明是不完善的；当rw/rc1时，S值为负，说明是超完善的。S:表皮系数，由于钻井、固井作业，使井底附近地层渗透率变差或变好， 从而引起附加流动阻力的效应。rw：完井半径；rc： 井的折算半径。,中联煤层气晋城分公司,19,井口焊接质量的影响,井口环形钢板焊接质量不合格，在压裂施工时，在常压条件下，井身套 管就会发生上移或者跳动；高压条件下，甚至会发生井喷。导致压裂施工 无法继续进行。,TS-416井环形钢板焊接质量不 合格导致施工失败,TS-655井环形钢板焊接质量不 合格导致施工失败,6、固井质量的影响,7、结论及建议,中联煤层气晋城分公司,20,（1）、煤层天然裂隙比较发育，近井筒附近的天然裂隙会造成煤层 压裂施工压力的瞬间剧烈变化，从而会引起裂缝宽度的快速变化，容 易产生砂堵现象，对压裂施工操作带来很大的难度。对于该类煤层气 井建议通过观察施工压力的变化，及时通过调整排量来减小施工压力 的剧烈变化。,（2）、多裂缝、弯曲裂缝和裂缝扭曲会造成裂缝狭窄，裂缝长度不 够，裂缝与流体接触面积增大，流体流动阻力增大，施工压力高，不 利于提高砂比和加砂量，严重时会造成加砂施工失败。前置液加入砂 体段塞技术，一方面，能够堵塞微裂缝，有利于形成主裂缝，另一方 面，砂子在水流的作用下，能够对弯曲、扭曲裂缝起到水力切割，打 磨的作用，降低不平整压裂缝面的水力流通摩阻。另外，对于水平地 应力相差较大的煤层，定向射孔也能够减小裂缝弯曲和扭曲的程度， 降低它们所引起的摩阻增加量；另外，为了连接那些同时从每个射孔 孔眼处起始和扭曲的多条裂缝，在压裂裂缝起始期间里建议使用高的 排量和高的压裂液粘度。,中联煤层气晋城分公司,21,（3）、煤岩是易破碎的，在压裂施工中由于压裂液的水力冲蚀作用 及与煤岩表面的剪切与磨损作用，煤岩破碎产生大量的煤粉及大小不 一的煤碎屑，这些煤粉和碎屑容易聚集起来阻塞压裂裂缝的前缘，导 致施工压力过高。建议在前置液造缝初期，将分选性较好的短切活性 纤维就泵入地层，施工后在地层水的作用下纤维会形成网状结构，把 煤粉阻止在裂缝之外，保证裂缝的导流能力。,（4）、煤层井径扩大率过大，固井水泥环就比较厚，影响射孔质量， 造成有效孔眼少，或者形成的孔眼孔径较小，孔眼毛刺多，从而产生 的孔眼摩阻较大，导致施工压力过高，或者加砂困难。建议对于煤层 井径扩大率较大的井使用大孔径深穿透射孔弹。,7、结论及建议,