低渗煤层压裂机理及应用_韩保山.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-08-13 基金项目 国家科技重大专项项目（2011ZX05040） Foundation itemNational Science and Technology Major Project（2011ZX05040） 作者简介 韩保山（1973），男，河南安阳人，副研究员，博士，从事煤层气评价及开发研究. E-mailhanbaoshan 引用格式 韩保山. 低渗煤层压裂机理及地面煤层气抽采应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）25-29. HAN Baoshan. Research on fracturing mechanism of low permeability coal seam and application of surface CBM drainage［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（3）25-29. 文章编号 1001-1986（2016）03-0025-05 低渗煤层压裂机理及应用 韩保山 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 构造煤由于煤层渗透性低，地面煤层气开发进程迟缓。通过研究低渗煤层的地质模型，结合 以往工程实践经验分析，探讨了低渗煤层中采用水力压裂技术进行储层改造增产的机理，并在淮北 矿区芦岭煤矿地面煤层气井中进行了应用。研究表明，采用高强度水力压裂技术工艺可在低渗煤层 中产生比较长的裂缝，取得比较理想的产气效果。研究结果对我国碎软低渗煤层开展地面煤层气开 发具有一定的推动作用。 关 键 词煤层气；低渗；压裂 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.005 Research on fracturing mechanism of low permeability coal seam and application of surface CBM drainage HAN Baoshan （Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xian 710077， China） Abstract Due to the low permeability of coal seam， surface CBM development process is slow. In this paper， the geological model of low permeability coal seam is studied， and the mechanism of using hydraulic fracturing tech- nology to trans the reservoir and to enhance gas production in low permeability coal seam is discussed， and hydraulic fracturing was applied in surface CBM wells in Luling mine in North Anhui Province. The research shows that the technology of high strength hydraulic fracturing technology can produce relatively long cracks in low permeability coal seam and result in ideal gas production effect. The results of the research have certain action to promot surface CBM development of the broken soft and low permeability coal seams in China. Key words coal bed methane（CBM）；low permeability；fracturing 我国煤层气资源丰富，通过地面抽采利用，可实 现资源高效利用，也可为煤炭开采提供安全保障［1-2］。 目前，地面煤层气抽采主要采用煤层气井排水降压方 式，利用压力降低气体从煤基质表面解吸，扩散、渗 流至煤层气井筒，直至产出地面；如果煤储层渗透性 好， 则扩散渗流通道顺畅， 地面煤层气井产气量即高［3］。 相对于美国来说，我国煤层渗透率较低，地面煤层气 开发须进行储层改造。目前，水力压裂改造技术是国 内地面煤层气开发中广泛使用的方式，即通过地面高 压泵将液体注入煤层，当高压水泵的注入速度大于地 层的吸收速度时，产生的巨大压力就会使地层破裂； 再用压裂支撑剂填充并支撑这些裂缝，当压裂液回流， 支撑剂会停留在裂缝中形成一个通道，从而使煤层气 流向井筒［4-5］。多年来，水力压裂改造技术主要用于渗 透性相对较好的硬煤中，取得了比较理想的产气效果， 但至今在低渗煤层中应用较少。 我国煤矿区碎软低渗煤层比例高达 82％，渗透率 低，煤层气含量大，煤层气资源量丰富。实现低渗煤 层地面煤层气开发的突破，不仅对我国能源供给具有 巨大作用，也可为煤矿高效安全生产提供强有力的保 障。为此，以低渗煤层为研究对象，探索水力压裂改 造技术的适应性和工艺，并进行现场试验应用，旨在 为我国低渗煤层的地面煤层气开发提供参考价值。 1 低渗煤层地质模型 在构造应力的作用下，由原生结构煤演变为构 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 44 卷 造煤，煤体通常经历了脆性变形、脆韧性变形和 韧性变形三个阶段。煤体由脆性变形开始，逐渐过 渡为脆韧性变形和韧性变形。脆性变形初始阶段 为张性裂隙发育阶段，之后宏观裂隙发育阶段以剪 性裂隙形成为主。由脆性变形向韧性变形的转换分 两条途径以剪切应力为主导的煤体变形，致使煤 体破坏为鳞片状；以挤压应力为主导的煤体变形， 致使煤体破坏为粉状。无论从宏观还是微观的角度 不同的变形阶段表现出不同的变形特点［6-8］。 一般认为原生结构煤层是典型的双重孔隙介 质，既有数量众多但总体积小、且不具渗透性的基 质内孔隙，又有总孔隙体积大但数量较少的裂隙系 统，其地质模型简化为如图 1a 所示［9］。实际上，煤 体结构完整的煤因其裂隙系统被矿物充填堵塞，渗 透性很差。但当受到一定强度的构造破坏后，基质 块相互错动，形成具有一定范围内的连通性裂隙网 络，渗透性可能变好（图 1b）。 图 1 简化的煤层孔隙结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the simplified pore structure of coal seam 构造煤颗粒内部的微观特征主要表现为条 带状结构和层理构造已不显现，宏观煤岩成分已 难以辨别，光泽暗淡，裂隙发育没有方向性，裂 隙两侧可能出现位移（微小断层），还可能显现揉 皱的形迹（微小褶曲）。分析认为构造煤形成了另 一种双孔隙系统基质块间孔隙和基质块内孔隙。 基质块间孔隙较大，具有一定的渗透性，但由于 煤基质块的软塑性特征，渗透性很差。碎软煤层 可以简化为均匀分布的颗粒岩层，类似于碎屑岩 （图 1c），与煤体相对较硬的其它分层相间成层分 布，其各项物性指标是分层的，而软分层在一定 程度上可能是各向同性的。 2 压裂机理分析 2.1 低渗煤层地面压裂曲线分析 为研究碎软低渗煤层的压裂机理，收集淮南、 平顶山矿区数十层次低渗煤层压裂施工曲线（图 2）。 可以看出，压裂曲线均出现不同程度的砂堵现象， 并且可以通过降低砂比解堵。由此表明，这些煤层 的压裂试验，都在煤层中产生了压裂缝，并且压裂 缝有所延伸。压裂理论及实践表明，只有在产生流 动通道的情况下， 压裂施工中才会出现砂堵的情况。 此外， 为进一步研究裂缝在碎软煤层中的延伸行为， 分析了数条压裂施工曲线的前置液注入阶段的压力 响应特征，发现所有煤层的施工曲线都比较稳定， 也表明多数煤层产生了简单裂缝。 图 2 不同地区碎软低渗煤层压裂施工曲线 Fig.2 Fracturing curves for broken soft and low permeability coal seam in different areas 2.2 压裂机理及裂缝延展分析 碎软煤层由于其煤体结构破碎，大部分原生裂 隙被破坏，塑性增加，在压力作用下破裂的难度增 加。但由于其中夹有较硬分层，当塑性变形到一定 阶段时也会发生破裂。煤层压裂，首先是压裂液进 入煤层原生裂隙，使其张开；当压裂液压力增大到 一定程度时，原生裂隙不断张开，形成压裂缝［10-12］。 碎软煤层在受到外力作用后，首先会被塑性压缩， 表现为煤中裂隙闭合，煤颗粒间距变小；很快进入 弹性压缩阶段，这一阶段时间也不长，尤其是软分 层；接着开始塑性变形，塑性变形阶段的长短与应 力作用快慢有关，由于软分层的存在，如果应力增 加缓慢，塑性变形阶段会变得很长；最后由于应力 作用持续增加，超过了煤层的破坏极限，煤体开始 发生破裂［10］。 碎软煤层的裂缝形成虽与其中硬分层的存在密 ChaoXing 第 3 期 韩保山 低渗煤层压裂机理及应用 27 不可分，但也存在软煤分层被“压开”的原因。碎 软煤层虽然曾经被破碎成粉状，但在各种应力作用 下，还是呈现为一种岩层，具有一定的强度和形状， 在煤矿井下观察可以发现这一点。同时在煤矿井下 采样过程中发现，碎软煤层可以取出块样，只不过 这种块状碎软煤层在受到振动冲击时极易破碎成粉 状。因此碎软煤层的“压裂”机理应该与其他岩层 是不一样的［13-18］。从碎软煤层的力学响应特征可以 看出，当应力快速增加时，应力增加速度超过了应 变反应速度，煤体会发生破裂，尤其是在单轴应力 情况下。这一特征为碎软煤分层的“压裂缝”开启提 供了有效支撑。因此碎软煤分层“压裂缝”形成的本 质是在压裂液能量的作用下，煤体发生溶胀式破坏， 出现穿刺现象，产生类似于压裂缝的渗流通道。 裂缝从煤层薄弱面开启， 并沿薄弱面向前延伸。 对于有原生裂隙存在的煤体而言其薄弱面就是垂直 或斜交于最小主应力方向的原生裂隙，而对于没有 原生裂隙的软煤而言，其薄弱面就是垂直于最小主 应力方向的颗粒结合面。可以认为，碎软煤层中压 裂缝的延伸机理分两种一是硬煤分层中的裂缝延 伸，一定程度上受到原生裂隙影响而出现小范围的 复杂轨迹；二是在软煤分层中由于没有原生裂隙诱 导，而软煤黏聚力低，其裂缝延伸表现为沿裂缝尖 端，垂直于最小主应力方向简单延伸。 3 高强度压裂工艺研究 对于碎软低渗煤层，要在煤层中形成尽可能长 而宽的压裂缝，增加煤层气井的影响范围，应采取 高强度压裂工艺。总结分析前人在非碎软煤层压裂 中的研究成果，认为提高压裂液注入排量、增大加 砂强度、增加携砂液砂比是实现高强度压裂的主要 途径。 3.1 压裂液用量 大量工程实践证明，以大液量、大砂量为标准 的大规模压裂可以获得很好的压裂效果。但对于碎 软低渗煤层，大砂量无疑是需要的，而大液量却值 得商榷。初步分析认为碎软煤层的滤失性差，而且 其裂缝延伸机理与其它岩层不同，首先前置液量不 应过大，过多的前置液量对碎软煤层中支撑缝长和 缝宽的增加没有明显意义；其次应尽量提高砂比， 在加砂强度一定的情况下，减少携砂液用量。 为考察前置液对压裂缝最终支撑效果的影响， 设计了先注入携砂液量 10％、 20％、 30％、 40％、 50％、 60％、70％、80％、90％、100％的前置液，再注入携 砂液的泵注程序。模拟结果显示（图 3），前置液量为 携砂液量的 40％（总液量的 30％）左右时效果最好， 再增加更多的前置液，压裂效果增加并不明显。 图 3 不同前置液比模拟的支撑裂缝半长和平均支撑缝宽 Fig.3 Surpporting half-length and averaged width simulated with different prepad liquid ratio 携砂液排量对于裂缝的支撑效果影响很大，因 为排量越大，携砂液的携砂能力越强，一方面可以 携带更多的支撑剂进入煤层，产生较大的铺砂浓度 和较宽的支撑裂缝，克服因嵌入造成的支撑效果不 好的问题；另一方面有利于支撑剂的远距离输送， 产生长支撑裂缝。为研究携砂液排量对支撑缝长和 支撑缝宽的影响，模拟了注入 400 m3含 5％的 20 目 和 40 目的石英砂支撑剂的携砂液的压裂缝支撑效 果（图 4），可以看出，随着携砂液排量的增加，支撑 缝越长， 压裂后的煤层气井有效影响半径大大增加， 解决了碎软煤层易形成短裂缝的问题。但由于固定 了砂比，支撑剂总用量减少，整体上降低了支撑缝 宽和裂缝的导流能力。 图 4 固定砂比变排量模拟的支撑裂缝半长和平均支撑 缝宽 Fig.4 Surpporting half-length and averaged width simulated with constant proppant and different displacement 考虑到排量增加后，压裂液的携砂能力增加，因 此再次使用不同携砂液排量所能达到的最大砂比进行 模拟（图 5）。 随着携砂液的排量增加，携砂液携砂性能 和支撑缝长不断增加，但增加幅度逐渐减小；支撑缝 宽和平均导流能力在携砂液注入排量为 7 m3/min 左 右时达到最大。 ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 5 最大砂比时不同排量模拟的支撑裂缝半长和平均 支撑缝宽 Fig.5 Surpporting half-length and averaged width simulated with the maximum propant and different displacement 综合认为，大排量注入是实现高强度压裂的关 键。排量增加，使得携砂液的携砂能力提高，形成 长而宽的支撑缝，也为提高砂比创造了条件，进一 步增加缝宽；同时也加大了支撑剂的加入速度，为 高强度加砂提供了条件。考虑当前经济技术条件， 认为注入排量的最佳取值范围应为 7～8 m3/min。 3.2 高强度加砂 加砂强度为每米煤层的加砂量。 模拟了 6 m3/m、 8 m3/m、10 m3/m、12 m3/m、14 m3/m 的加砂强度， 压裂液注入排量为 7 m3/min、砂比为 30％时，泵注 净液总量、缝长、缝宽和裂缝平均导流能力的变化 情况（图 6）。随加砂强度增加，尽管支撑裂缝半长有 所缩短，但裂缝平均宽度和平均导流能力大幅度增 加，这对于压裂效果的影响意义重大。 从另一个角度分析，加大加砂强度虽可以大大 提高压裂效果，但随着砂量增加，携砂液量也成比 例增加， 对于随后的压裂液返排将造成很大的压力。 通过提高砂比可以改善这种不利影响。 图 6 不同加砂强度的压裂效果 Fig.6 Effect of fracturing with different sand proportion 3.3 提高砂比 一般认为， 增加携砂液砂比可以减少压裂液用 量，同时提高支撑裂缝半长和支撑缝宽。模拟了使 用 10％、15％、25％、30％砂比，压裂液注入排量 为 7 m3/min、加砂强度为 10 m3/m 时，液量、缝长、 缝宽和裂缝平均导流能力的变化情况（图 7）。携砂 液砂比越高，裂缝支撑长度减少；平均支撑缝宽越 宽，平均导流能力越大。最重要的是砂比提高后总 液量减少了， 这对于后期压裂液的快速返排具有重 要意义。 图 7 不同砂比的压裂效果模拟对比图 Fig.7 Comparison of fracturing effect with different sand proportion 一般情况下，为了使支撑剂能够运移更远，加 砂浓度采用台阶式逐步上升方式，即先以小砂比注 入，使支撑剂向裂缝深处运移，然后加大砂比提高 铺砂浓度。 4 应用实例 采用高强度压裂工艺在淮北矿区芦岭煤矿 4 口 地面煤层气井中进行了试验，目标煤层为芦岭煤矿 主采煤层（89）号煤、 10 号煤， 为典型碎软低渗煤层。 设计压裂工艺为施工最佳注入排量为 7 m3/min 左 右；砂比逐步增加方式，平均 15％左右；支撑剂粒 度 0.5～1.2 mm。4 口井的压裂施工曲线见图 8。 在对 3 号井（89）号煤层段进行压裂时，使用微 地震法对产生裂缝时的微震波进行了监测（图 9）， 显 示压裂产生的主裂缝为 N41.3E， 裂缝总长 166.2 m。 表明本次压裂工艺合理，取得了比较好的效果。 表 1 为 4 口井的产气曲线，单井最高日产气量 达 3 352 m3，平均单井稳定日产气量 1 152 m3，产 气效果理想，甚至超过了相同煤阶下原生结构煤的 抽采效果。 5 结 论 我国构造煤发育较为广泛，但由于煤层渗透性 较差，采用常规工艺难以取得产气突破。通过研究 原生结构煤与低渗煤层的地质特点，结合以往工程 实践，分析了采用水力压裂技术进行低渗煤层地面 煤层气增产的可能性。 ChaoXing 第 3 期 韩保山 低渗煤层压裂机理及应用 29 图 8 淮北矿区芦岭煤矿（8＋9）号煤层压裂施工曲线 Fig.8 Fracturing curves of coal seam8 9 in Huaibei mining area a. 低渗煤层中采用水力压裂技术产生压裂缝 的机理分两种硬分层中产生压裂缝并不断延伸， 带动软分层产生裂缝并随之延伸；软分层由于溶胀 穿刺形成“裂缝” ，并在不断的穿刺情况下实现“裂 缝”的延伸，表现为沿垂直于最小主应力方向简单 的延伸。 图 9 3 号井裂缝微地震监测结果 Fig.9 Results of microseismic monitoring in well 3 表 1 气井产量统计表 Tabel 1 Statistical table of production of CBM well 井号试采时间/d 最高产气量 /（m3d-1） 稳定产气量 /（m3d-1） 累计产气量 /104m3 1 195 1 191.96 1 004.2 9.03 2 201 461.88 295.14 4.54 3 201 3 351.89 909.31 17.8 4 192 3 145.20 2 400.75 25.12 b. 高强度水力压裂技术工艺可在低渗煤层中 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