煤層氣井水力壓裂設計探究

王朝鳳

(河南省煤層氣開發利用有限公司,河南鄭州 450016)

煤層氣井水力壓裂設計探究

王朝鳳

(河南省煤層氣開發利用有限公司,河南鄭州 450016)

煤層氣處在煤巖中,主要成分是甲烷,吸附在煤基質顆粒表面,游離在空隙中或者溶解在水中。煤層氣是一種新型能源,具有高效、潔凈的特點。我國的煤層氣資源豐富,開采和使用煤層氣資源不僅可以減少燃煤帶來的污染,還可以彌補常規能源的不足。現階段對煤層儲層改造主要技術就是水力壓裂技術,本文立足于此,主要對水力壓裂技術進行介紹,并對水力壓裂設計過程中對裂縫的控制進行闡述,希望對煤層氣水力壓裂技術的實施有所幫助。

煤層氣井 水力壓裂 設計探究

煤層氣的存儲層處在低飽和、低滲和低壓的環境下,需要采取一定的措施使煤層氣達到開采的條件,其中常用的方法就是水力壓裂技術。通過水力壓裂,可以將遠端的高滲流通道與井眼連通,達到提高單井煤層氣產量的目的。其中壓裂工藝、施工參數、壓裂液的性能、配伍性、壓裂規模的選擇以及優化是否合理,都會對水力壓裂的結果產生影響。

1 煤層氣的開采優勢

煤層氣屬于清潔能源,煤層氣是一種優質的新型清潔能源,對煤層氣進行開采,可以彌補傳統能源的缺陷。并且我國煤層氣資源比較豐富,儲備量在世界排名第三,具有大量開采的經濟價值。工業和民用方面具有很大能源的需求,使用煤層氣這種清潔能源能夠緩解日益嚴重的環境問題。

具有減災意義,在煤炭的開采過程中,由于技術和管理等方面的原因,煤礦瓦斯爆炸事故頻發,對礦工的生命安全造成了嚴重的威脅,并且給國家和社會帶來了巨大的經濟損失。通過地面煤層氣抽采可以減少災害事故的發生。

改善地球大氣環境,瓦斯是主要的溫室氣體,它吸收紅外線的能力很強,帶來的溫室效應比二氧化碳高20多倍。因此,開采和使用煤層氣可以降低大氣中瓦斯氣體的含量,減少溫室效應,在一定程度上可以改善地球的大氣環境。

2 煤層氣井水力壓裂原理

煤層中游離狀態的氣體的含量很少,大部分空隙被水填充,剩余的大部分吸附在煤的表面,要想將氣體開采出來,就要降低空隙的壓力,當壓力降低到一定程度時,氣體開始從煤表面上脫離,形成游離狀態的氣體,游離狀態的氣體擴散到井筒中,從而被開采出來。氣體解吸量的多少直接決定著煤層氣的開采量,所以,要將煤層孔隙中的水排出來,使遠端孔隙壓力降低。但是由于煤層的連通性和滲透性比較差,使得遠端孔隙降壓工作比較難,而水力壓裂技術卻能夠很好的解決這個問題。煤層壓裂是利用水的動力,在井眼內形成高壓,當壓力達到一定程度后,煤層的裂縫開始擴展。由于受到圍巖的約束,裂縫在縱向上被限制住,裂縫在橫向上會沿著煤層的原有裂縫進行延伸,使得煤層中形成許多“T”型或者“I”型的裂縫,裂縫會改變煤層的滲透性,使煤層中的水排出來,從而達到降壓的目的。

3 煤層氣井水力壓裂設計

3.1 壓裂液的選擇

煤本身屬于有機物質,對于壓裂液的選擇具有較高的要求。目前,使用廣泛的壓裂液有活性水壓裂液和清潔壓裂液兩種類型。壓裂液會對煤層產生損害,導致煤層的滲透率降低。在選擇壓裂液時,要注意考慮以下問題:煤巖具有較大的面積,對于外來物質的吸附性較強,所以在選擇壓裂液時,要求注入的壓裂液與煤層中的流體配伍,否則會發生其他反應或者產生吸附現象,使壓裂液不能起到應有的作用;在使用壓裂液時,要保證壓裂液的破膠殘渣量較低,這樣才能夠防止壓裂液堵塞煤層縫隙。除此之外,還要對考慮煤層的結構特點和壓裂的工藝要求,對壓裂液中的添加劑、壓裂液的性能以及經濟成本進行綜合考慮,最終達到優化壓裂方案的目的。

3.2 煤層氣水力壓裂模型

在進行煤層壓裂時,壓裂工藝、施工參數和壓裂液的性能都會對壓裂的結果產生影響,所以在進行壓裂之前,要搜集相關資料,確定壓裂模型,保證裂縫的延伸能夠按照設計方案進行。壓裂過程中,裂縫會在長、寬、高三個方向發展,裂縫延伸模型是將壓裂液濾失、施工排量等參數與裂縫的幾何形態結合,對壓裂的方案進行設計。裂縫的幾何形態的計算有三種模型,分別為二維模型、擬三維模型和全三維模型。二維模型中,假設裂縫的高度不變,只在寬度和長度方向發生變化。擬三維模型在考慮裂縫三向延伸的同時,還考慮了裂縫中流體的流動問題。全三維模型是將裂縫的三維變形與流體的二維流動情況綜合起來,建立裂縫控制方程。全三維模型最真實的反映了水力壓裂時裂縫的變化情況,可以在實驗室中對設計方案進行演示,確認設計方案的效果。

3.3 裂縫控制技術

裂縫控制技術主要包括對裂縫寬度和裂縫高度的兩個方面。

裂縫的寬度控制技術主要為縫端脫砂壓裂,縫端脫砂壓裂就是在水力壓裂過程中,通過人工控制使得支撐劑在裂縫端部脫砂,阻止裂縫繼續延伸。在注入高濃度的壓裂液之后,裂縫內壓力增大,使裂縫加寬,形成具有較高導流功能的裂縫。縫端脫砂壓裂包括造縫到端部脫砂、裂縫膨脹變寬和支撐劑填充等三個階段,主要作用就是提高裂縫的導流能力。

裂縫的高度控制技術是比較難的問題,若煤層比較薄或者頂底板屬于弱應力巖石層時,裂縫有可能穿透煤層到達頂底板圍巖中。同時,裂縫高度過大,會對裂縫長度的延伸有影響,甚至使得裂縫喪失導流的功能或者壓開含水層,在井內出現突水的情況。所以對煤層高度進行有效控制,是保證壓裂成功的關鍵。在裂縫高度控制時,可以通過建立人工層控制裂縫的高度,這種方法是注入暫堵劑,對豎直方向的裂縫端部進行封堵,達到控制裂縫高度的目的。還可以注入非支撐劑液體段塞來控制裂縫的高度,這項技術是在前置液和攜砂液兩個階段中間注入,達到控制裂縫高度的目的。在進行裂縫高度控制時,也可以通過調節壓裂液的密度來控制裂縫的高度,要阻止裂縫向上面延伸,就要采用高密度的壓裂液,要阻止裂縫向下方延伸,就使用低濃度的壓裂液。

4 結語

煤層氣井壓裂的最終目的就是增加煤層氣的產量,而水力壓裂技術的設計對煤層氣的產量具有很大的影響,所以要做好煤層氣水力壓裂設計,以提高煤層氣的產量。在壓裂設計中,裂縫的導流能力是設計的重點和難點,要控制好裂縫的延伸過程,使煤層形成良好的導流通道,確保水力壓裂的成功。

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