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煤层气井液氮压裂技术研究

张云鹏  
【摘要】:水力压裂是煤层气储层增产改造的重要措施。我国的煤层气增产改造技术是建立在中、低阶煤层气开发理论、经验基础之上,对高阶煤层气储层的适应性较差,导致开发过程常面临单井产量低的难题。高阶煤层气储层孔渗性差,增产改造过程需增加煤层破碎程度,提高煤层气解吸和渗流能力,才能大幅提高单井产量。基于提高煤层破碎程度的理念,本文提出了煤层气井液氮压裂技术。在前人关于液氮压裂增产机理和工艺研究的基础上,通过实验、模拟、理论计算等手段对液氮压裂过程中温度场,液氮注入对煤层岩石渗透率、岩石力学性质、地应力及应力敏感性等方面的影响进行了研究,主要得到以下成果: (1)调研分析了沁水盆地南部高阶煤层气储层特征、液氮压裂技术优势及液氮作为压裂液的经济适用性,得出液氮压裂技术具有可行性,并提出了液氮压裂的工艺流程及液氮注入导致煤层破坏的五种模式。 (2)建立了油管注液氮、油套环空注氮气的井筒温度场计算模型,通过编制Matlab程序计算了不同条件下井筒内液氮的温度分布。采用COMSOL Multiphysics软件建立了考虑近井多裂缝、割理及地层流体相变的流热耦合温度场模型,计算得到了不同条件下近井和近缝地带储层的温度分布。 (3)实验得到了不同冻融温度范围条件下,干燥与饱和水煤岩样冻融前后渗透率的变化规律。冻结时间不变的条件下,冻融温度范围越大,煤岩样渗透率升高幅度越大;饱和水煤岩样渗透率升高幅度高于干燥煤岩样。 (4)实验得到了饱和水煤岩样在不同冻结温度下的抗拉强度及不同冻融温度范围下冻融前后抗拉强度;还得到了不同冻融温度范围下饱和水煤岩样冻融前后的杨氏模量、泊松比。冻结导致饱和水煤岩样抗拉强度升高,温度越低,抗拉强度越高;冻融导致煤岩样杨氏模量降低、泊松比升高,抗拉强度降低,且冻融温度范围越大,抗拉强度降低越多。 (5)基于现有地应力计算模式,建立了考虑温度和一次冻融影响的地应力计算模式,计算得到了不同冻结温度和不同冻融温度范围条件下煤层水平地应力的大小。温度降低,煤层最大水平主应力先减小后增大,最小水平主应力减小,水平应力差增大;低温引起的水平地应力变化能够使煤层割理发生剪切破坏。冻融导致煤层最大、最小水平主应力升高,最小水平主应力升高幅度更大。冻融导致煤岩应力敏感性增强,且应力敏感性随冻融温度范围增大而增强。 (6)针对目前缺乏液氮压裂现场试验的问题,根据论文的研究成果对现有的煤层气井液氮压裂增产工艺提出了改进建议。


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