煤層氣井水力壓裂設(shè)計(jì)探究

王朝鳳

(河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南鄭州 450016)

煤層氣井水力壓裂設(shè)計(jì)探究

王朝鳳

(河南省煤層氣開發(fā)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(zhì)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(diǎn)。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(bǔ)常規(guī)能源的不足?，F(xiàn)階段對煤層儲(chǔ)層改造主要技術(shù)就是水力壓裂技術(shù),本文立足于此,主要對水力壓裂技術(shù)進(jìn)行介紹,并對水力壓裂設(shè)計(jì)過程中對裂縫的控制進(jìn)行闡述,希望對煤層氣水力壓裂技術(shù)的實(shí)施有所幫助。

煤層氣井 水力壓裂 設(shè)計(jì)探究

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

1 煤層氣的開采優(yōu)勢

煤層氣屬于清潔能源,煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)的新型清潔能源,對煤層氣進(jìn)行開采,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)能源的缺陷。并且我國煤層氣資源比較豐富,儲(chǔ)備量在世界排名第三,具有大量開采的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。工業(yè)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(yán)重的環(huán)境問題。

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

改善地球大氣環(huán)境,瓦斯是主要的溫室氣體,它吸收紅外線的能力很強(qiáng),帶來的溫室效應(yīng)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(yīng),在一定程度上可以改善地球的大氣環(huán)境。

2 煤層氣井水力壓裂原理

煤層中游離狀態(tài)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(dāng)壓力降低到一定程度時(shí),氣體開始從煤表面上脫離,形成游離狀態(tài)的氣體,游離狀態(tài)的氣體擴(kuò)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(yuǎn)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(yuǎn)端孔隙降壓工作比較難,而水力壓裂技術(shù)卻能夠很好的解決這個(gè)問題。煤層壓裂是利用水的動(dòng)力,在井眼內(nèi)形成高壓,當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后,煤層的裂縫開始擴(kuò)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(huì)沿著煤層的原有裂縫進(jìn)行延伸,使得煤層中形成許多“T”型或者“I”型的裂縫,裂縫會(huì)改變煤層的滲透性,使煤層中的水排出來,從而達(dá)到降壓的目的。

3 煤層氣井水力壓裂設(shè)計(jì)

3.1 壓裂液的選擇

煤本身屬于有機(jī)物質(zhì),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(huì)對煤層產(chǎn)生損害,導(dǎo)致煤層的滲透率降低。在選擇壓裂液時(shí),要注意考慮以下問題:煤巖具有較大的面積,對于外來物質(zhì)的吸附性較強(qiáng),所以在選擇壓裂液時(shí),要求注入的壓裂液與煤層中的流體配伍,否則會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)或者產(chǎn)生吸附現(xiàn)象,使壓裂液不能起到應(yīng)有的作用;在使用壓裂液時(shí),要保證壓裂液的破膠殘?jiān)枯^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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合考慮,最終達(dá)到優(yōu)化壓裂方案的目的。

3.2 煤層氣水力壓裂模型

在進(jìn)行煤層壓裂時(shí),壓裂工藝、施工參數(shù)和壓裂液的性能都會(huì)對壓裂的結(jié)果產(chǎn)生影響,所以在進(jìn)行壓裂之前,要搜集相關(guān)資料,確定壓裂模型,保證裂縫的延伸能夠按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。壓裂過程中,裂縫會(huì)在長、寬、高三個(gè)方向發(fā)展,裂縫延伸模型是將壓裂液濾失、施工排量等參數(shù)與裂縫的幾何形態(tài)結(jié)合,對壓裂的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。裂縫的幾何形態(tài)的計(jì)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(shè)裂縫的高度不變,只在寬度和長度方向發(fā)生變化。擬三維模型在考慮裂縫三向延伸的同時(shí),還考慮了裂縫中流體的流動(dòng)問題。全三維模型是將裂縫的三維變形與流體的二維流動(dòng)情況綜合起來,建立裂縫控制方程。全三維模型最真實(shí)的反映了水力壓裂時(shí)裂縫的變化情況,可以在實(shí)驗(yàn)室中對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行演示,確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的效果。

3.3 裂縫控制技術(shù)

裂縫控制技術(shù)主要包括對裂縫寬度和裂縫高度的兩個(gè)方面。

裂縫的寬度控制技術(shù)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(xù)延伸。在注入高濃度的壓裂液之后,裂縫內(nèi)壓力增大,使裂縫加寬,形成具有較高導(dǎo)流功能的裂縫?？p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(gè)階段,主要作用就是提高裂縫的導(dǎo)流能力。

裂縫的高度控制技術(shù)是比較難的問題,若煤層比較薄或者頂?shù)装鍖儆谌鯌?yīng)力巖石層時(shí),裂縫有可能穿透煤層到達(dá)頂?shù)装鍑鷰r中。同時(shí),裂縫高度過大,會(huì)對裂縫長度的延伸有影響,甚至使得裂縫喪失導(dǎo)流的功能或者壓開含水層,在井內(nèi)出現(xiàn)突水的情況。所以對煤層高度進(jìn)行有效控制,是保證壓裂成功的關(guān)鍵。在裂縫高度控制時(shí),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(jìn)行封堵,達(dá)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(xiàng)技術(shù)是在前置液和攜砂液兩個(gè)階段中間注入,達(dá)到控制裂縫高度的目的。在進(jìn)行裂縫高度控制時(shí),也可以通過調(diào)節(jié)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(jié)語

煤層氣井壓裂的最終目的就是增加煤層氣的產(chǎn)量,而水力壓裂技術(shù)的設(shè)計(jì)對煤層氣的產(chǎn)量具有很大的影響,所以要做好煤層氣水力壓裂設(shè)計(jì),以提高煤層氣的產(chǎn)量。在壓裂設(shè)計(jì)中,裂縫的導(dǎo)流能力是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),要控制好裂縫的延伸過程,使煤層形成良好的導(dǎo)流通道,確保水力壓裂的成功。

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