王朝凤
(河南省煤层气开发利用有限公司,河南郑州 450016)
煤层气井水力压裂设计探究
王朝凤
(河南省煤层气开发利用有限公司,河南郑州 450016)
煤层气处在煤岩中,主要成分是甲烷,吸附在煤基质颗粒表面,游离在空隙中或者溶解在水中。煤层气是一种新型能源,具有高效、洁净的特点。我国的煤层气资源丰富,开采和使用煤层气资源不仅可以减少燃煤带来的污染,还可以弥补常规能源的不足。现阶段对煤层储层改造主要技术就是水力压裂技术,本文立足于此,主要对水力压裂技术进行介绍,并对水力压裂设计过程中对裂缝的控制进行阐述,希望对煤层气水力压裂技术的实施有所帮助。
煤层气井 水力压裂 设计探究
煤层气的存储层处在低饱和、低渗和低压的环境下,需要采取一定的措施使煤层气达到开采的条件,其中常用的方法就是水力压裂技术。通过水力压裂,可以将远端的高渗流通道与井眼连通,达到提高单井煤层气产量的目的。其中压裂工艺、施工参数、压裂液的性能、配伍性、压裂规模的选择以及优化是否合理,都会对水力压裂的结果产生影响。
1 煤层气的开采优势
煤层气属于清洁能源,煤层气是一种优质的新型清洁能源,对煤层气进行开采,可以弥补传统能源的缺陷。并且我国煤层气资源比较丰富,储备量在世界排名第三,具有大量开采的经济价值。工业和民用方面具有很大能源的需求,使用煤层气这种清洁能源能够缓解日益严重的环境问题。
具有减灾意义,在煤炭的开采过程中,由于技术和管理等方面的原因,煤矿瓦斯爆炸事故频发,对矿工的生命安全造成了严重的威胁,并且给国家和社会带来了巨大的经济损失。通过地面煤层气抽采可以减少灾害事故的发生。
改善地球大气环境,瓦斯是主要的温室气体,它吸收红外线的能力很强,带来的温室效应比二氧化碳高20多倍。因此,开采和使用煤层气可以降低大气中瓦斯气体的含量,减少温室效应,在一定程度上可以改善地球的大气环境。
2 煤层气井水力压裂原理
煤层中游离状态的气体的含量很少,大部分空隙被水填充,剩余的大部分吸附在煤的表面,要想将气体开采出来,就要降低空隙的压力,当压力降低到一定程度时,气体开始从煤表面上脱离,形成游离状态的气体,游离状态的气体扩散到井筒中,从而被开采出来。气体解吸量的多少直接决定着煤层气的开采量,所以,要将煤层孔隙中的水排出来,使远端孔隙压力降低。但是由于煤层的连通性和渗透性比较差,使得远端孔隙降压工作比较难,而水力压裂技术却能够很好的解决这个问题。煤层压裂是利用水的动力,在井眼内形成高压,当压力达到一定程度后,煤层的裂缝开始扩展。由于受到围岩的约束,裂缝在纵向上被限制住,裂缝在横向上会沿着煤层的原有裂缝进行延伸,使得煤层中形成许多“T”型或者“I”型的裂缝,裂缝会改变煤层的渗透性,使煤层中的水排出来,从而达到降压的目的。
3 煤层气井水力压裂设计
3.1 压裂液的选择
煤本身属于有机物质,对于压裂液的选择具有较高的要求。目前,使用广泛的压裂液有活性水压裂液和清洁压裂液两种类型。压裂液会对煤层产生损害,导致煤层的渗透率降低。在选择压裂液时,要注意考虑以下问题:煤岩具有较大的面积,对于外来物质的吸附性较强,所以在选择压裂液时,要求注入的压裂液与煤层中的流体配伍,否则会发生其他反应或者产生吸附现象,使压裂液不能起到应有的作用;在使用压裂液时,要保证压裂液的破胶残渣量较低,这样才能够防止压裂液堵塞煤层缝隙。除此之外,还要对考虑煤层的结构特点和压裂的工艺要求,对压裂液中的添加剂、压裂液的性能以及经济成本进行综合考虑,最终达到优化压裂方案的目的。
3.2 煤层气水力压裂模型
在进行煤层压裂时,压裂工艺、施工参数和压裂液的性能都会对压裂的结果产生影响,所以在进行压裂之前,要搜集相关资料,确定压裂模型,保证裂缝的延伸能够按照设计方案进行。压裂过程中,裂缝会在长、宽、高三个方向发展,裂缝延伸模型是将压裂液滤失、施工排量等参数与裂缝的几何形态结合,对压裂的方案进行设计。裂缝的几何形态的计算有三种模型,分别为二维模型、拟三维模型和全三维模型。二维模型中,假设裂缝的高度不变,只在宽度和长度方向发生变化。拟三维模型在考虑裂缝三向延伸的同时,还考虑了裂缝中流体的流动问题。全三维模型是将裂缝的三维变形与流体的二维流动情况综合起来,建立裂缝控制方程。全三维模型最真实的反映了水力压裂时裂缝的变化情况,可以在实验室中对设计方案进行演示,确认设计方案的效果。
3.3 裂缝控制技术
裂缝控制技术主要包括对裂缝宽度和裂缝高度的两个方面。
裂缝的宽度控制技术主要为缝端脱砂压裂,缝端脱砂压裂就是在水力压裂过程中,通过人工控制使得支撑剂在裂缝端部脱砂,阻止裂缝继续延伸。在注入高浓度的压裂液之后,裂缝内压力增大,使裂缝加宽,形成具有较高导流功能的裂缝。缝端脱砂压裂包括造缝到端部脱砂、裂缝膨胀变宽和支撑剂填充等三个阶段,主要作用就是提高裂缝的导流能力。
裂缝的高度控制技术是比较难的问题,若煤层比较薄或者顶底板属于弱应力岩石层时,裂缝有可能穿透煤层到达顶底板围岩中。同时,裂缝高度过大,会对裂缝长度的延伸有影响,甚至使得裂缝丧失导流的功能或者压开含水层,在井内出现突水的情况。所以对煤层高度进行有效控制,是保证压裂成功的关键。在裂缝高度控制时,可以通过建立人工层控制裂缝的高度,这种方法是注入暂堵剂,对竖直方向的裂缝端部进行封堵,达到控制裂缝高度的目的。还可以注入非支撑剂液体段塞来控制裂缝的高度,这项技术是在前置液和携砂液两个阶段中间注入,达到控制裂缝高度的目的。在进行裂缝高度控制时,也可以通过调节压裂液的密度来控制裂缝的高度,要阻止裂缝向上面延伸,就要采用高密度的压裂液,要阻止裂缝向下方延伸,就使用低浓度的压裂液。
4 结语
煤层气井压裂的最终目的就是增加煤层气的产量,而水力压裂技术的设计对煤层气的产量具有很大的影响,所以要做好煤层气水力压裂设计,以提高煤层气的产量。在压裂设计中,裂缝的导流能力是设计的重点和难点,要控制好裂缝的延伸过程,使煤层形成良好的导流通道,确保水力压裂的成功。
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