不同压裂液类型对煤岩水力压裂的影响研究文档格式.docx

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②压力系数低，压裂液返排动力有限。

③煤岩吸附能力强，一旦压裂液或破胶液中高分子物质被煤岩表面

吸附，则对煤岩体的渗透性产生很大伤害。

实验研究

表明，冻胶破胶液对煤层的伤害很高，一般可达８０％

甚至更高，活性水对煤岩渗透率的伤害相对较低，一

般在２０％以内。

典型的实验曲线见图１和图２。

６００５００

４００口

蛊３００

配

２００

１００

Ｏ０

５０

１５０２００２５０３００

ｆ（ｍｉｎ）

图ｌ冻胶破胶液对煤岩渗透率的伤害曲线（伤害率８１％）

１４０

１２０

苫８０

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６０４０２０

０Ｏ

２０

４０６０。

８０１００１２０

，（ｍｍ）

图２活性水对煤岩渗透率的伤害曲线（伤害率１１．５％）

煤层割理一般都很发育，可达到２００～５００条，

ｍ，这个特点一方面引起煤层水力裂缝延伸规律异常复杂，多条裂缝同时发育；

另一方面会引起压裂过

［作者简介］王欣，女，１９７１年出生，高级工程师，１９９３年毕业于中国石油大学（华东）采油工程专业，获学士学位，２００６年毕业于中国

石油大学（北京）油气田开发工程专业，或工学硕士学位。

现从事油气井压裂工艺研究及油气藏数值模拟工作。

万方数据

２

油气井测试

２００９年４月

程中压裂液的严重滤失。

煤岩中的割理裂隙有一部分是张开的，一部分在原始应力条件下是闭合的。

压裂时，在外力的作用下，更多的裂缝张开影响水力裂缝在煤层中的扩展、延伸与施工过程中压裂液的滤失。

如果压裂改造的目标储层相同，就活性水和冻胶施工而言，则水力裂缝的延伸状况与施工排量和压裂液的粘度直接相关。

活性水粘度低，为ｌｃｐ

左右；

而交联冻胶的粘度一般在１００ｃＤ以上。

为克服滤失，煤层活性水施工排量一般达到冻胶施工排量的１．５倍以上。

室内物理模拟实验表明，当水力

裂缝的扩展前沿到达与裂缝延伸方向相交的天然裂缝时，由于冻胶体系粘度高，造缝能力强，配合一定的排量，水力裂缝可以穿过天然裂缝继续延伸，最终容易形成以一条主裂缝联结而成的复杂裂缝系统。

而活性水施工尽管排量较大，但由于其粘度低，造缝能力差，裂缝的扩展往往是被天然裂缝的改变，裂缝

的宽度被更多条裂缝分享，更容易形成多裂缝网络。

鉴于上述原因，活性水压裂虽然对煤岩、裂缝内导流能力的伤害小，同时基本不形成裂缝壁面表皮，但由于其比冻胶更为复杂的多裂缝系统使得支撑剂

被分配到更多条裂缝，而最终导致有效导流能力低，

有效支撑缝长短，难以实现目的煤层对压裂缝长和导流的需求，从而影响煤层气井的产量。

冻胶施工形成的裂缝相对较宽，有效缝长也较长，但由于煤层

低温、破胶困难，不破胶的冻胶（残胶）对裂缝导流能

力伤害大，也会引起有效裂缝长度的降低。

综上所述，不同压裂液体系对煤层压裂施工的

影响可归结为：

对滤失区域煤岩渗透率的伤害、对裂缝导流能力的伤害、对支撑裂缝长度的伤害（从广义

上说，缝长和导流能力无法达到目的层的需求也是

一种伤害）、裂缝壁面表皮引起的伤害等。

伤害因素对煤层气产量的影响

１．研究方法

通过数值模拟的方法研究不同的伤害因素对产量的影响程度。

煤层是一个较为复杂的体系，在数值

模拟模型建立时要考虑三个系统，即煤基质、煤岩割

理裂缝系统、水力压裂裂缝。

这里应用较为成熟的数值模拟软件ＥｃＬＩＰｓＥ中的煤层气模块实现煤层建

模。

水力压裂裂缝是通过模型中局部网格加密和“等效导流能力”的方法实现。

利用“等效导流能力”的方

法处理裂缝，即裂缝宽度一般只有几个毫米，而缝长

和井距是几百米的量级，如果按实际的数值划分计算网格，则网格数量非常多，使模拟计算工作非常耗时甚至无法进行，所谓等效导流能力是指适当地扩大缝宽而同时等比例缩小裂缝渗透率，保持裂缝导流能力

即缝宽与缝中渗透率乘积不变的做法处理裂缝。

该

方法已经过证实，误差在３％以内。

２．裂缝导流能力伤害对产量的影响

模拟分析将以山西沁水盆地的煤层为例，基本

储层参数为：

深度５２０ｍ，厚度５．５ｍ，孔隙度２．９％，

渗透率０．５ｍＤ，压力系数０．９ＭＰ“１００ｍ，含气量

２６

ｍ３／ｔ，含气饱和度９２％，模拟时间６０００

ｄ。

由于煤岩杨氏模量较低，不考虑其他因素情况下，裂缝宽度相对较宽，这里模拟了裂缝导流能力从原始的６０ｄｃ・ｃｍ，由于残胶、多裂缝等伤害因素，分另Ⅱ降低到５０

ｄｃ・ｃｍ、４０ｄｃ・ｃｍ、３０ｄｃ・ｃｍ、２０ｄｃ・ｃｍ

和ｌｏｄｃ・ｃｍ时对产气量和产水量的影响情况。

导

流能力伤害对产气量和累计产气量的影响见图３和

图４，对产水量和累计产水量的影响见图５和图６。

令》

吕

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１２００

ｌＯｏｏ

８００

１）６００

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４００

ＯＯ１０００２０００３０００４０００５０００６０００

ｆ（ｄ）

图３导流能力伤害对产气量的影响

１０００２０００３０００４０００５０００

６０００

，（ｄ）

图４导流能力伤害对累计产气量的影响

上述模拟结果表明，在导流能力可能的伤害范围内，最终产量降低达到１５．１％。

这里，产量降低

第１８卷第２期王欣等：

３

Ｏ１０００２０００３０００４０００５０００６０００

图５导流能力伤害对产水量的影响

１０００

２０００

３０００４０００５０００６０００

图６导流能力伤害对累计产水量的影响

的百分数＝（无伤害产量一伤害后产量）×

ｌｏｏ／无伤

害产量，以下相同。

同时模拟表明，伤害对产水量的

影响趋势与产气的影响趋势相同。

因此，其他伤害

因素分析时不再给出产水的模拟结果图。

３．裂缝长度伤害对产量的影响

这里模拟了裂缝半长从原始的１２０ｍ，由于残胶、多裂缝等伤害因素，分别降低到１００

ｍ、８０ｍ、６０

ｍ、４０

ｍ和２０ｍ时对产气量的影响情况，裂缝长度

伤害对产气量和累计产气量的影响见图７和图８。

≮

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０

Ｏ１０００

２０００３０００４０００５０００６０００

图７裂缝长度伤害对产气量的影响

１０００２０００３０００４０００５０００６０００

图８裂缝长度伤害对累计产气量的影响

模拟结果表明，在裂缝长度可能的伤害范围内，

最终产量降低达到３６．４％。

对于裂缝长度的伤害，还模拟研究了另一种情

况，即假设冻胶压裂时达到了预期的缝长，但由于低

温和破胶技术问题，冻胶无法彻底破胶，在主裂缝长度中形成断断续续的导流能力分布。

分别模拟了受伤害段的裂缝导流能力从６０ｄｃ．ｃｍ降低到４０

ｄｃ．

ｃｍ、３０ｄｃ．ｃｍ、２０ｄｃ．ｃｍ、１０

ｄｃ．ｃｍ，以及极端的情况

（即残胶段的裂缝导流能力被完全伤害到Ｏ。

对产

量的影响模拟结果见图９和图１０）。

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吕９

吉６００

心４００

ＯｌｏｏＯ２０００３０００４０００５０００６０００

图９裂缝长度不连续对产气量的影晌

ｌ０００２０００３０００４０００５０００

图ｌＯ裂缝长度不连续对累计产气量的影响

模拟结果表明，在裂缝长度不连续伤害最大伤

害程度（即残胶段的裂缝导流能力被完全伤害到０

瑚

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咖伽枷

。

一｜ｔｏｌ西

４

８

６

一日＼，吕一毒舢删姗㈣舢绷舢撇

一￡Ⅲ莹一６

的情况）可达４６．３％，但残胶段的裂缝只要保持一

定的导流能力，如１０ｄｃ・ｃｍ，则对最终产量的影响

仅７．Ｏ％。

４．滤失区渗透率的伤害

由于煤岩天然裂缝系统发育，压裂施工过程中压裂液的滤失量大，滤失影响区域大。

根据以往施

工的分析结果，煤层施工压裂液效率一般１５％一

３０％，根据压裂液体系和天然裂缝的发育情况而不同。

本文考虑沁水盆地的煤层情况，取压裂液效率

平均值为２２．５％，裂缝半长１００ｍ，则计算滤失深度

为４．８ｍ左右（滤失深度是指压裂液滤失的最远端距裂缝壁面的垂直距离）。

分别模拟了滤失区域内

渗透率比原始煤层渗透率降低１０％。

１００％对产量

的影响，模拟结果见图１ｌ和图１２。

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图ｌｌ滤失区渗透率伤害对产气量的影响

图１２滤失区渗透率伤害对累计产气量的影响

模拟结果表明，在可能的滤失区渗透率伤害范

围（５％一９０％）内，最终产量降低达到２８．８％，并且主要发生在伤害率超过６０％以后。

５．裂缝壁面表皮引起的伤害

裂缝壁面表皮主要是冻胶体系施工过程中，随着

压裂液的滤失在裂缝壁面沉积形成一层滤饼，活性水施工不存在该伤害。

滤饼的渗透性很差，由滤饼引起

的伤害称为裂缝壁面表皮。

这里分别模拟了滤饼区域渗透率为０、０．１

ｍＤ、０．２ｍＤ、Ｏ．３ｍＤ、０．４ｍＤ、Ｏ．５

ｍＤ的几种情况。

可以发现，由于滤饼较薄，一般仅ｌｍｍ左右。

从渗流的角度而言，只要滤饼区渗透率不

为０，则对产量没有影响；

渗透率大于０的曲线全部重

合，只有滤饼完全没有渗透性才会引起产量的降低，

此时最终产量降低达到３６．４％，但出现此情况的可能性极低。

因此，基本可以忽略滤饼的影响。

结论

本文主要研究了冻胶与活性水压裂液体系对煤层水力压裂的影响，包括对裂缝延伸与有效支撑的

影响和直接的伤害影响两个方面。

由于裂缝的复杂

性引起的裂缝长度延伸不足或多裂缝的共同发育而带来的裂缝内支撑剂铺置不足即导流能力低，均可

认为是无法完全实现目标煤层对水力裂缝的需求，

从广义的角度也可认为是一种伤害。

最终通过数值模拟的方法研究了四个方面的伤害，包括裂缝长度、

裂缝导流能力、滤失区渗透率、裂缝壁面表皮等对煤层气井压后产量的影响。

模拟研究的结果表明，四种伤害因素对在其可

能的伤害范围内，对最终产量的影响由低到高排序

分别是：

裂缝壁面表皮的影响最低，为０；

导流影响

次之，为１５．１％；

滤失区渗透率伤害影响居第三，为

２８．８％；

裂缝长度影响最高，为３６．４％～４６．３％。

上述结果表明，由于目标煤层的渗透率低（在我

国的煤层气储量中具有很强的代表性，据资料统计，

我国煤层气资源的７０％渗透率均小于１ｍＤ），最关键

的影响因素还是裂缝长度，换言之，低渗煤层的压裂改造重点需要追求一定的裂缝延伸长度（或主裂缝延伸长度），同时降低对煤岩渗透率的伤害（滤失区）。

此研究给我们的启示是，煤层气井压裂施工，尤

其是低渗透煤层气井，压裂液体系的选择应充分考虑

这两方面的需求，既要充分利用活性水体系的低伤

害，又要利用冻胶压裂液体系较好的造缝与携砂能

力。

因此，活性水与冻胶复合压裂技术和超低温高效破胶冻胶体是低渗煤层压裂的两个重要发展方向。

参考文献

１汪永利，等．煤层气井用压裂液技术研究．煤田地质与勘

探，２００２，１２（１）：

２７—３０

本文收稿日期：

２００９一０２—２４编辑：

王军

作者：

王欣，丁云宏，李志龙，段瑶瑶，WANGXin，DINGYun-hong，LIZhi-long，DUANYao-yao

作者单位：

王欣,丁云宏,段瑶瑶,WANGXin,DINGYun-hong,DUANYao-yao（中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊,065007，李志龙,LIZhi-long（中国石油长城钻探工程有限公司,辽宁盘锦,124000刊名：

油气井测试英文刊名：

WELLTESTING年，卷（期：

2009，18（2被引用次数：

0次

参考文献（1条

1.汪永利煤层气井用压裂液技术研究[期刊论文]-煤田地质与勘探2002（01

相似文献（4条

1.期刊论文崔会杰.王国强.冯三利.吴刚飞清洁压裂液在煤层气井压裂中的应用-钻井液与完井液2006,23（4

陕西省韩城市地区煤层气井的主要目的煤层底界与奥灰系含水层的距离不足10m,为了提高单井增产改造的效果,并最大程度地降低对煤层的伤害,选用清洁压裂液进行该地区煤层压裂.针对该地区煤层特点,室内试验对清洁压裂液配方及破胶剂进行了优选,对优选配方的流变性、携砂能力、滤失控制能力、对煤层的伤害性进行了评价,介绍了其现场应用情况.使用清洁压裂液在该地区压裂3口井8层,施工成功率为100%,其摩阻仅为活性水摩阻的38%,压裂井的日产气量是活性水压裂井的一倍以上.室内试验及应用结果表明,清洁压裂液对煤层中的粘土有良好的防膨效果,能够降低粘土膨胀对煤层的伤害;

抗剪切能力强,在较低粘度下就具有良好的携砂能力,压裂时排量的选择空间较大,能够形成长的支撑裂缝;

摩阻较低,可以降低施工时的水马力;

配制简单,用液量少,便于缺水地区使用.

2.期刊论文李文魁.LIWen-kui多裂缝压裂改造技术在煤层气井压裂中的应用-西安石油学院学报（自然科学版）2000,15（5

由于煤层没有空化作用,而且大部分煤储集层的渗透性很差,所以需要采用压裂措施从煤层中经济地开采天然气产品.然而有效的煤层水力压裂增产措施由于下述诸多原因而面临严峻的挑战:

煤力学性质的复杂性,普遍存在的天然裂缝,煤层对压裂液伤害的高度敏感性,对压力敏感的煤层渗透性等.采取新的压裂改造措施,在煤层中造多条裂缝,以更好地沟通天然裂缝,是煤层压裂改造的有益尝试.

3.期刊论文王国强.冯三利.崔会杰.WangGuoqiang.FengSanli.CuiHuijie清洁压裂液在煤层气井压裂中的应用

-天然气工业2006,26（11

清洁压裂液自1997年首次被斯伦贝谢公司研制出以来,已经在国内外油气井的压裂改造中取得了良好的效果.由于清洁压裂液易于彻底破胶、流变性好、携砂能力强,可以提高压裂规模且对地层伤害较小,中联煤层气有限责任公司在陕西省韩城地区选用清洁压裂液对煤层进行了压裂试验,共压裂3口井、8层煤层,施工成功率100%,并取得了良好的压裂效果,压完后的火把高度2～4m,平均砂比均在30%以上,最高单层加砂68m3,压后放喷液显示完全破胶（未添加任何破胶剂,放喷初期黏度一般低于10mPa·

s,放喷4h后黏度均低于5mPa·

s.此次清洁压裂液成功应用于煤层压裂改造在国内外尚属首次,为大规模改造煤层同时尽量降低煤层伤害提供了一条新的途径,文章对清洁压裂液及煤层特点所做的室内研究情况及现场应用情况进行了详细的介绍.

4.学位论文乌日娜煤层气抽采水力压裂技术的强化研究2009

据文献统计，2008年的煤矿瓦斯事故发生182起，死亡778人，分别占煤矿事故总起数的9.3％、24.2％。

为提高煤矿安全状况，必须积极开展区域性瓦斯治理措施，对煤层进行采前预抽，降低煤层瓦斯含量。

煤层中一般都伴有煤层气，通过煤层水力压裂可以将煤层气释放出来，一方面是为了提高煤田的安全开采，另一方面能够获得清洁能源。

压裂的目的是在煤层中形成具有足够导流能力的裂缝，支撑剂的作用即是支撑裂缝使之不闭合。

因此支撑剂的优选以及合理使用是获得水力压裂成功的关键所在，是强化水力压裂技术的基本要素。

目前现场主要用的支撑剂是石英砂和陶粒，因为其自身的物理化学缺陷使煤岩性质和压裂增产效果受到影响。

本文研究的主要内容是以核桃砂作为一种新型压裂支撑剂，首先对其物理化学性能和力学指标进行测定，在符合煤层水力压裂工艺参数要求的基础上，再用导流仪测试其在不同影响因素作用下的模拟煤岩裂缝短期导流能力值并对其参数进行优化，达到强化煤层水力压裂技术的目的。

试验中，以煤岩层闭合压力为一个重要的参数，试验对比分析了在不同闭合压力下，支撑剂粒径、铺砂浓度、支撑剂组合配比的选择、支撑剂颗粒的破碎与嵌入、支撑剂与煤岩层微粒的配伍性等因素对煤岩层短期导流能力的影响。

本文的试验结论为：

（1因为核桃砂不会增加煤的灰分，且具有密度低、强度适中、来源广、价格便宜等优点，所以在相同条件下，核桃砂比陶粒和石英砂更适合作为煤层压裂支撑剂。

（2从各因素的试验数据对比分析得出，核桃砂支撑剂比石英砂支撑剂有着更强的综合导流能力。

对于支撑剂过早沉降和嵌入伤害问题，使用核桃砂支撑剂的优势更加明显。

选择与煤岩微粒匹配的核桃砂粒径以及配比、加大铺砂浓度等能在一定程度上提高煤层裂缝的导流能力，但影响程度随闭合压力的增加而逐渐降低。

本文所得出的结论对煤层水力压裂技术的强化及压裂设计施工参数有一定的指导意义，同时也是支撑剂优选和煤岩裂缝导流能力优化的新尝试。

关键词：

煤层气，水力压裂，核桃砂支撑剂，短期导流能力

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2010年9月20日