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        合層水力壓裂煤層投球數(shù)的確定

        2012-09-15 06:51:30倪小明賈炳王延斌
        天然氣工業(yè) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:孔眼投球水力

        倪小明賈 炳王延斌

        1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)公司 3.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院

        合層水力壓裂煤層投球數(shù)的確定

        倪小明1,2賈 炳1王延斌3

        1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)公司 3.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院

        倪小明等.合層水力壓裂煤層投球數(shù)的確定.天然氣工業(yè),2012,32(7):33-37.

        在單層較薄、煤層間距較小的多煤層發(fā)育地區(qū)進(jìn)行合層水力壓裂時(shí),合理的投球數(shù)是保障合層水力壓裂施工過程順利進(jìn)行、被改造的各煤層總體效果最佳的重要條件之一。煤儲(chǔ)層與砂巖儲(chǔ)層在力學(xué)性質(zhì)等方面存在一定的差異性,若參照砂巖儲(chǔ)層的投球數(shù)對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行改造,可能導(dǎo)致施工壓力上升、煤層段壓裂效果欠佳等問題。因此,準(zhǔn)確得出不同地質(zhì)情況下的合理投球數(shù),可以解決以往投球數(shù)確定難、施工效果無法保證的問題?;诤蠈油肚蛩毫言恚到y(tǒng)分析了合層投球水力壓裂的影響因素,在此基礎(chǔ)上,分別構(gòu)建了軟、硬煤交互和不同硬煤的合層水力壓裂地質(zhì)模型及投球數(shù)數(shù)理模型。應(yīng)用該模型,對(duì)淮北蘆嶺礦8#+9#合層水力壓裂的投球數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),現(xiàn)場施工結(jié)果表明,該方法能對(duì)不同煤層組合下的合層水力壓裂的投球數(shù)確定提供理論依據(jù)。

        煤層氣 合層 水力壓裂 投球數(shù) 確定 數(shù)學(xué)模型

        封堵球合層壓裂技術(shù)最初是基于多個(gè)層間距小、不能用分隔器分卡的多個(gè)已射孔的油氣層進(jìn)行分層壓裂。為了保證水力壓裂過程的順利進(jìn)行,同時(shí)又能使各個(gè)油氣層的裂隙通道得到充分的改善,國內(nèi)外研究者或從巖石力學(xué)角度進(jìn)行理論分析計(jì)算、或從實(shí)驗(yàn)室角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、或根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方面進(jìn)行了研究。李勇明、王興文[1-2]等通過對(duì)堵塞球受力分析,建立了破裂壓力計(jì)算模型、投球最小排量方程,對(duì)射孔孔數(shù)和直徑進(jìn)行了設(shè)計(jì),取得較好效果;Webster等[3]以及Stipp和 Williford[4]曾介紹了采用封堵球進(jìn)行多級(jí)壓裂,但可能導(dǎo)致某些層段壓裂滿足不了要求;馮明生等[5]根據(jù)限流壓裂曲線對(duì)壓開層位進(jìn)行了分析計(jì)算,對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)意義。蔣延學(xué)等[6]提出合理確定投球時(shí)機(jī)以及多次投球?qū)崿F(xiàn)多層合層壓裂。倪小明等[7]基于虛擬儲(chǔ)層提出了確定投球數(shù)的合層壓裂。肖暉等[8]研究了施工參數(shù)對(duì)堵塞球運(yùn)動(dòng)的影響。與油氣層相比,煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性更強(qiáng),若以油氣層的判定依據(jù)或方法對(duì)煤儲(chǔ)層實(shí)施投球,可能導(dǎo)致工程方面的失敗。關(guān)于煤儲(chǔ)層合層壓裂投球數(shù)的判定鮮有報(bào)道。筆者根據(jù)多煤層發(fā)育特點(diǎn),結(jié)合投球工藝技術(shù)和施工條件,對(duì)不同煤儲(chǔ)層組合下投球數(shù)進(jìn)行確定,以期為多煤層合層壓裂的投球工藝提供理論指導(dǎo)。

        1 合層投球水力壓裂原理及影響因素

        多煤層發(fā)育區(qū)的合層壓裂投球技術(shù)主要是針對(duì)非均質(zhì)性差異性大的儲(chǔ)層進(jìn)行的。投球的目的一方面是限制某些孔的流量,另一方面是使施工壓力上升,使儲(chǔ)層的改造相對(duì)均一。為了確定合層水力壓裂的投球數(shù),首先需對(duì)合層投球水力壓裂的裂縫形態(tài)的影響因素進(jìn)行分析。

        1.1 合層投球水力壓裂原理

        合層投球水力壓裂是基于間距較小、非均質(zhì)性差異相對(duì)比較大的兩層或多層煤為前提,把井筒作為一個(gè)密閉系統(tǒng),通過地面高壓泵把液體注入井筒,當(dāng)達(dá)到煤層某些地方的破裂壓力時(shí),首先破裂進(jìn)行延伸,為防止裂隙閉合,并進(jìn)行加支撐劑操作來支撐裂縫。因煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),巖石力學(xué)性質(zhì)差異性大,勢必造成在煤層某些段裂縫延伸較遠(yuǎn),某些煤層段裂縫延伸較近,

        為了限制這些裂縫延伸遠(yuǎn)的繼續(xù)延伸,同時(shí)使裂縫延伸近的能夠進(jìn)一步延伸擴(kuò)展,此時(shí)投入一定數(shù)量的尼龍球(也可以是其他材料制作的球),把裂縫容易延伸的那部分孔眼堵塞,迫使施工壓力和有效排量發(fā)生改變,達(dá)到改造初始裂縫延伸距離近的那部分層段的目的。因此,能否使初始裂縫延伸近的層段進(jìn)一步得到改造,合理的投球數(shù)是決定因素。其壓裂原理如圖1所示。

        圖1 合層投球水力壓裂原理示意圖

        1.2 合層投球水力壓裂裂縫形態(tài)的影響因素

        合層投球水力壓裂是在三維空間地質(zhì)體中進(jìn)行的,壓裂時(shí)裂縫形態(tài)的影響很多,主要影響因素有煤巖力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力特征、圍巖特征、構(gòu)造地質(zhì)條件、施工泵注參數(shù)等。

        1.2.1 煤巖力學(xué)性質(zhì)及煤層段非均質(zhì)性對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

        合層投球水力壓裂作用的對(duì)象主要是煤層段,水力壓裂主要是靠擠聚力在煤層的弱面首先開裂。煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性較強(qiáng),當(dāng)煤層段巖石力學(xué)性質(zhì)差別不大時(shí),水力壓裂時(shí),煤層段的弱面不明顯,無效孔眼很少,幾乎沒有,這種情況下,儲(chǔ)層的改造相對(duì)比較均一,幾乎不需要使用投球。當(dāng)煤層段巖石力學(xué)性質(zhì)差異較明顯時(shí),水流主要在弱面中進(jìn)行流動(dòng),起不到煤層段整體改造的效果,此時(shí),當(dāng)壓裂一段時(shí)間后,則需要使用投球技術(shù)封堵住一部分孔眼,即那些流量相對(duì)比較大的孔眼,因前段時(shí)間的壓裂已經(jīng)在弱面中加入了一定量的支撐劑,通過封堵,則可能在巖石力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較大的煤層段進(jìn)行儲(chǔ)層改造,進(jìn)而達(dá)到均一改造的目的。

        1.2.2 地應(yīng)力特征性對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

        原始狀態(tài)下,煤巖體受到垂直方向和水平方向三軸應(yīng)力的作用。水力壓裂時(shí),裂縫形態(tài)不僅受到煤巖本身力學(xué)性質(zhì)等方面的影響,還與三軸應(yīng)力的大小和方向有關(guān)。當(dāng)煤層段裂隙不發(fā)育時(shí),可把其近似看作一均質(zhì)體,壓裂時(shí),首先將在與最小應(yīng)力垂直的方向上發(fā)生張裂,然后在平行于最大應(yīng)力方向上進(jìn)行延伸;當(dāng)煤層段裂隙發(fā)育時(shí),裂縫延伸受控于裂隙方向、煤巖強(qiáng)度、應(yīng)力大小等的共同作用,即看裂隙的正應(yīng)力與應(yīng)力的大小關(guān)系,正應(yīng)力若為最小應(yīng)力,則將沿著裂縫延伸,正應(yīng)力若不是最小應(yīng)力,則將沿著原始裂隙與最大應(yīng)力之間進(jìn)行延伸。

        1.2.3 圍巖特征性對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

        圍巖力學(xué)性質(zhì)與煤層力學(xué)性質(zhì)的差異性及應(yīng)力剖面在一定程度上也影響著裂縫形態(tài)。當(dāng)圍巖力學(xué)性質(zhì)明顯高于煤層段時(shí),壓裂時(shí)很難突破頂、底板限制,壓裂裂縫僅在煤層段進(jìn)行延伸;當(dāng)圍巖力學(xué)性質(zhì)與煤層段力學(xué)性質(zhì)差別不大時(shí),壓裂時(shí)裂縫可能突破頂、底板的界限,在圍巖中進(jìn)行延伸。

        1.2.4 構(gòu)造地質(zhì)條件對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

        褶皺構(gòu)造發(fā)育的地區(qū),一方面改變了煤巖體的裂隙發(fā)育、煤巖力學(xué)性質(zhì);另一方面可能造成應(yīng)力的集中和分散,進(jìn)而對(duì)壓裂時(shí)裂縫產(chǎn)生影響。斷層構(gòu)造發(fā)育的地區(qū),使斷層附近的應(yīng)力發(fā)生改變,煤體結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生改變,這些都影響著壓裂時(shí)裂縫延伸形態(tài)。

        1.2.5 施工泵注參數(shù)對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

        施工泵注參數(shù)主要包括壓裂規(guī)模、施工排量、砂比等。壓裂規(guī)模越大,裂縫在長度、寬度及高度三維方向均有不同程度的擴(kuò)展;施工排量不僅影響施工過程中的攜砂能力,施工排量的增加引起凈壓力的增加;在一定程度上,提高砂比就意味著降低支撐劑裂縫的寬度。這些都影響著壓裂時(shí)裂縫的形態(tài)。

        2 合層投球水力壓裂地質(zhì)模型

        通過合層投球水力壓裂裂縫形態(tài)的影響因素可知,應(yīng)力狀態(tài)、煤巖本身、泵注參數(shù)等對(duì)壓裂裂縫形態(tài)影響最大,筆者也主要基于這幾方面建立合層投球水力壓裂的地質(zhì)模型。

        成煤環(huán)境的復(fù)雜性、多期性以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致煤層段的煤巖力學(xué)性質(zhì)具有一定的差異性。當(dāng)成煤過程及成煤后煤層段遭受的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈時(shí),煤層段的變形不太強(qiáng)烈,即煤層段主要以硬煤為主,但由于受到了構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層段巖石力學(xué)性質(zhì)有一定的差異,導(dǎo)致一次壓裂時(shí)有部分煤層段可能壓不開,為了讓整個(gè)煤層段幾乎能全部壓開,則可實(shí)施投球技術(shù)進(jìn)行壓裂,地質(zhì)概念模型如圖2所示。

        圖2 硬煤互層地質(zhì)概念模型圖

        當(dāng)煤層段形成過程、形成后遭受的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度不同時(shí),導(dǎo)致煤層段巖石力學(xué)性質(zhì)差異性較大時(shí),即軟煤(碎粒煤和糜棱煤)和硬煤共存,第一次壓裂時(shí),大部分壓裂液進(jìn)入軟煤,壓裂效果不甚理想,為了在硬煤中進(jìn)行壓裂,則需要使用投球技術(shù),此類情況的地質(zhì)概念模型如圖3所示。

        圖3 軟硬煤結(jié)合地質(zhì)概念模型圖

        水力壓裂時(shí),裂縫可能突破頂、底板進(jìn)入圍巖,裂縫延伸比較復(fù)雜,筆者所建模型主要基于裂縫,僅在煤層中延伸。

        3 合層水力壓裂投球數(shù)的確定

        煤巖力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力特征等的差異性,導(dǎo)致水力壓裂時(shí)有效孔數(shù)不同,這些決定了在合層投球水力壓裂時(shí)投球數(shù)的不同。

        3.1 投球數(shù)數(shù)理模型計(jì)算思路

        不管是軟、硬煤巖互層還是力學(xué)性質(zhì)差異的硬煤互層,投球數(shù)計(jì)算思路可表述為:

        1)根據(jù)測井資料對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分,得出硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤)和軟煤(碎粒煤和糜棱煤)或不同硬煤厚度及應(yīng)力剖面。

        2)根據(jù)地應(yīng)力、煤巖力學(xué)特征、煤層特征、泵注參數(shù)等確定水力壓裂時(shí)有效孔數(shù)量。

        3)同樣泵注井口壓力下,要使其能在硬煤中裂縫開啟并延伸,同時(shí)又不能造成壓裂時(shí)壓力過大,無法施工,在96型射孔彈射孔條件下,根據(jù)孔眼摩阻線解圖,結(jié)合水力壓裂的最大排量,得出不同投球數(shù)下的施工壓力。

        4)根據(jù)硬煤巖石力學(xué)性質(zhì)、破裂壓力、軟煤巖石力學(xué)性質(zhì)及泵注壓力,確定出投球數(shù)與硬煤破裂延伸的關(guān)系。

        5)根據(jù)軟、硬煤厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)、泵注參數(shù)等,最終確定出能在軟、硬煤中都得到延伸的投球數(shù),其計(jì)算思路如圖4所示。

        3.2 投球數(shù)數(shù)理模型

        投球數(shù)建?;谝韵录僭O(shè):

        1)煤層是連續(xù)、穩(wěn)定、水平的。

        2)水力壓裂時(shí)無法突破頂、底板圍巖。

        3)忽略壓裂液在儲(chǔ)層中流動(dòng)過程時(shí)煤體顆粒對(duì)其的阻礙作用。

        4)忽略頂?shù)装宓挠绊憽?/p>

        5)忽略壓裂段上下之間的液柱壓差及液體的濾失。

        6)軟硬煤層劃分以后為相對(duì)均質(zhì)的。

        7)壓裂液在各個(gè)有效孔眼中的流量相同。

        當(dāng)硬、軟煤層共存時(shí),含有多層軟硬層和只有兩層軟硬煤層的確定原理相同。在此,以兩層進(jìn)行論述。根據(jù)測井曲線,設(shè)煤厚度分別為m1、m2,孔密為16孔/m。

        則孔的數(shù)量為:

        式中n表示射孔數(shù),個(gè);[ ]表示取整。

        一般情況下,煤層中的天然裂隙幾乎不可能是完全聯(lián)通的,要使裂縫延伸比較遠(yuǎn),施工壓力必須達(dá)到無裂縫時(shí),新裂縫形成的極限條件,施工壓力達(dá)到即

        圖4 合層投球水力壓裂投球數(shù)計(jì)算流程圖

        式中pE為形成新裂縫的極限施工壓力,MPa;St為煤巖抗張強(qiáng)度,MPa;σh為最小主應(yīng)力,MPa;Δppf為射孔孔眼摩阻,MPa;Δpf為井筒摩阻(參考臨近井),MPa;pw為井筒靜液柱壓力,MPa;pp為儲(chǔ)層壓力,MPa。

        射孔孔眼摩阻一般采用下式[10]求得:

        式中ΔpRf為孔眼摩阻,MPa;ρ為壓裂液密度,kg/m3;Q為施工排量,m3/min;n為射孔有效孔數(shù);d為射孔孔眼直徑,m;c為孔眼流量系數(shù),取0.80~0.85。

        結(jié)合式(2)、式(3)可以求出此時(shí)有效孔數(shù)n1為:

        為了確定投球數(shù),假定堵上n0個(gè)孔以后,全煤層均被壓開,此時(shí)有效孔眼數(shù)n2為:

        根據(jù)式(3)得出此時(shí)總孔眼摩阻為Δppf1,結(jié)合式(2)、(3)、(5)求出此時(shí)在硬煤中形成新裂縫的臨界施工壓力pE1為:

        假設(shè)堵上n0個(gè)孔以后,硬煤層剛好沒有被壓開,此時(shí)有效孔眼數(shù)n3為:

        根據(jù)式(3)得出此時(shí)總孔眼摩阻為Δppf2,結(jié)合式(2)、(3)、(7)求出此時(shí)施工壓力pE2為:

        當(dāng)施工壓力pE2大于或等于pE1時(shí),則在硬煤中可以形成新的裂縫;當(dāng)兩者相等時(shí),則剛好可以形成新的裂縫。此時(shí)的投球數(shù)即為允許的最少投球數(shù)n0,即

        式中ΔSt為兩層煤抗張強(qiáng)度的差值,MPa。

        根據(jù)式(9)計(jì)算出此時(shí)的投球數(shù)n0。

        同時(shí)投球數(shù)不能過多,當(dāng)投球數(shù)過多時(shí),有效孔數(shù)減少,施工壓力過大。為了確定最大封堵球數(shù),則設(shè)堵上n4孔以后,全層段均被壓開,同時(shí)施工壓力達(dá)到允許的極限壓力,此時(shí)有效孔數(shù)為:

        根據(jù)式(3)求出此時(shí)總孔眼摩阻Δppf3,結(jié)合式(2)、(3)、(10),得出此時(shí)施工壓力pE3為:此時(shí)達(dá)到了極限施工壓力,所以允許的最大投球數(shù)為n4,即

        式中pmax為井口最大允許施工壓力,MPa。

        最終得出投球數(shù)N為:

        對(duì)于含有軟煤層時(shí),在N滿足式(13)的同時(shí),應(yīng)盡量將軟煤層完全封堵。

        4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

        4.1 煤儲(chǔ)層及地質(zhì)概況

        筆者以淮北礦區(qū)蘆嶺礦某煤層氣垂直井8#+9#煤層合層投球水力壓裂來檢驗(yàn)理論的適用性。

        蘆嶺礦位于皖北宿州市東南約20 km處,本區(qū)煤儲(chǔ)層及主力可采煤層有8#、9#和10#煤層。8#和9#因距離較近可進(jìn)行合層壓裂。蘆嶺礦某煤層氣垂直井8#和9#煤儲(chǔ)層基本參數(shù)如表1所示。

        4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

        首先根據(jù)測井曲線得出8#+9#煤層軟煤厚度為3.5 m,硬煤厚度分別為4 m和4.45 m;第一次壓裂時(shí)施工壓力為14.2 MPa,結(jié)合該區(qū)地應(yīng)力資料和表1數(shù)據(jù),利用投球數(shù)計(jì)算模型,得出壓裂時(shí)壓裂液主要進(jìn)入了軟煤層以及抗張強(qiáng)度較小的煤層;為了把硬煤層壓開,進(jìn)行了理論計(jì)算,同時(shí)考慮施工極限壓力35 MPa,當(dāng)施工壓力達(dá)到極限壓力時(shí),投球數(shù)為158個(gè),當(dāng)剛好將硬煤層壓開時(shí),投球數(shù)為45個(gè)。根據(jù)軟煤層厚度,當(dāng)將軟煤層全部封堵時(shí),投球數(shù)為56個(gè)。所以,投球數(shù)介于45~158個(gè)之間,并且盡可能接近56個(gè)。實(shí)際中投球數(shù)為53個(gè),現(xiàn)場合層施工壓力曲線如圖5所示。合層壓裂后進(jìn)行了試采氣,排采半年多時(shí)間,該井產(chǎn)氣量能維持在800 m3/d左右,在含氣量不到10 m3/t的情況下能維持這樣的產(chǎn)氣量,在一定程度上說明了合層投球壓裂具有一定的效果。

        表1 蘆嶺礦某煤層氣垂直井8#、9#煤儲(chǔ)層及第一次施工基本參數(shù)一覽表

        圖5 8#+9#合層壓裂施工曲線圖

        5 結(jié)論

        通過合層投球水力壓裂投球數(shù)研究,得出以下結(jié)論:

        1)合層煤層段煤巖力學(xué)性質(zhì)的差異大小在一定程度上決定了合層水力壓裂時(shí)有效孔眼數(shù)。在一定程度上,軟煤層厚度越大,第一次壓裂時(shí)有效孔眼數(shù)越多。

        2)投球數(shù)既受煤巖力學(xué)性質(zhì)影響,同時(shí)又受現(xiàn)場施工極限壓力的影響。在一定程度上,投球數(shù)越多,全目的層段壓開的可能性越大,但同時(shí)又要考慮施工過程中的極限壓力。蘆嶺礦合層投球壓裂后的產(chǎn)氣效果在一定程度上驗(yàn)證了這一壓裂工藝的可行性。

        3)投球技術(shù)不是一劑“萬靈丹”,同時(shí)受到現(xiàn)場條件的制約,與其他工藝技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行施工也許效果會(huì)更佳。

        [1]李勇明,翟銳,王文耀,等.堵塞球分層壓裂的投球設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程,2009,23(3):125-127.

        [2]王興文,楊建英,任山,等.堵塞球選擇性分層壓裂排量控制技術(shù)研究[J].鉆采工藝,2007,30(1):75-76.

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        (修改回稿日期 2012-04-27 編輯 韓曉渝)

        10.3787/j.issn.1000-0976.2012.07.008

        國家科技重大專項(xiàng)課題“煤層氣開發(fā)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型與軟件系統(tǒng)”(編號(hào):2011ZX05034-005)、國家自然科學(xué)基金(編號(hào):40902044)、中國博士后科學(xué)基金(編號(hào):20100480848)。

        倪小明,1979年生,副教授,博士;主要從事瓦斯地質(zhì)及煤層氣勘探開發(fā)方面的研究工作。地址:(454000)河南省焦作市高新區(qū)世紀(jì)路2001號(hào)。電話:13598539437。E-mail:nxm1979@126.com

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