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煤层气井水力压裂多裂缝理论与酸化改造探索

魏宏超  
【摘要】:煤层气俗称瓦斯,在煤矿开采中一直被看作一种有害气体,大多在井下被排放,利用的较少。而随着科学技术的进步与世界能源结构的调整,世界各国逐渐意识到煤层气是一种宝贵的洁净能源。因此,煤层气作为一种重要的非常规天然气,越来越受到各界的重视。煤层气垂直井水力压裂技术是煤层气开采的主要增产措施之一,而华北油田公司在沁水盆地的多口煤层气垂直井在压裂后未达到预计产气量和在同区同层相邻井压裂后产气量相差较大等事实,说明采用油气井水力压裂理论与施工技术并不能满足煤层气井水力压裂增产的需要。在总结前人研究工作的基础上,本文通过对煤岩物理力学性质和结构特征的分析,认为在以天然裂隙发育、力学性质特殊、区域性差异大为特征的煤层中实施水力压裂,产生的并不一定是单一的一条对称水力裂缝,而可能是多条形态复杂的水力裂缝。此外,煤岩中的部分原有天然裂隙被方解石、白云石等矿物填充也在一定程度上降低了煤层气井的产气量。 多裂缝理论是水力压裂理论的前沿理论,特别是对多裂隙发育、物理力学性质有别于均质砂岩的煤岩,研究难度较大,面临问题很多。本文在前人基础理论研究之上,形成一套研究多裂缝问题与酸化改善煤层产气能力的思路。根据弹性力学、岩石力学、断裂力学和流体力学等学科基本理论,以二维PKN模型为基础,首先在恒定流量的条件下,采用差分取代微分的方法对理论方程进行合理的分析与转化后,讨论了施工条件(压裂时间、流量和压裂液性能等)和客观地层条件对水力压裂裂缝发育延伸及转向的影响。煤岩地层渗透性的提高、主应力差的增加会导致水力裂缝裂缝宽度、长度和转向半径减小;压裂液流性指数和稠度系数的减小、流量的增大能够增加裂缝的宽度,有利于加砂压裂的实施。本文提出的模型计算方法,以时间为基本步长,较原有的计算方法直观简单,而且考虑了初始滤失和压裂过程中的滤失变化,是对原有PKN模型算法的改进。 通过对水力裂缝附近煤层应力场分析,发现在煤层压裂过程中,水力裂缝在近井筒区域容易形成张性次级水力裂缝,在远井筒区域容易形成剪切型次级水力裂缝。 在理论分析得出了多裂缝理论的前提下,本文对在天然裂隙发育的煤层中多条裂缝形态进行了探讨。在改进PKN模型算法的基础上,同时考虑闭合应力、滤失变化、裂缝转向、流量动态分配等,建立了计算多条二维裂缝同时延伸的模型,对多条裂缝同时延伸转向模型进行了计算,得出了多条裂缝同时延伸时,裂缝缝口宽度、裂缝长度及裂缝内流体的变化规律,及多裂缝近井筒区域转向汇合连接的影响因素。多条起裂角度不同的裂缝,由于流量分配的不同,随着转向半径的变化使得两条裂缝在延伸转向过程中会出现汇合相连的现象。该模型适用于天然裂隙发育的煤层同层不同方位起裂的水力压裂情况。通过与模拟技术方法的合理结合,呈现出在天然裂隙发育的煤层中,天然裂隙和井底压力对多条裂缝形成的影响。此外,本文提出了适合垂直煤层气井水力压裂裂缝形态研究的近井筒优势观点,给出了影响煤岩水力压裂裂缝形态的天然裂隙因素和近井筒优势观点的裂缝形态。最后系统分析并总结了多条裂缝产生对水力压裂施工效果的影响。 本文在对煤样的矿物成分进行分析后,得知在煤层中煤岩部分天然裂隙被方解石、白云石等非煤物质填充,结合油气井的酸化经验,提出煤层气井水力酸化改造方案,并对煤样进行了酸化试验。从试验结果可以看出,酸液可很好清除煤样天然裂隙中的填充物质,使其渗透率大大提高,甚至可达40倍之多。这一结论为煤层气井酸化提供了有利的室内理论基础。 水力压裂多裂缝研究是一个系统的研究,特别是对于煤层这种性质特殊的储层,本文只在二维的基础上讨论了其形态及可能影响因素的分析与室内煤层酸化改造试验研究,尚有许多不足,有待进一步的探索研究。


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