一、煤层气问题井原因分析

1、煤层的结构特征和影响

A：煤层的结构特征

煤是一种复杂的多孔介质，煤中孔隙是指煤体未被固体物（有机物和矿物质）充填的空间，是煤的结构要素之一。

煤的孔隙性质（包括孔隙大小、形态、连通性、孔容、比表面积等）是研究煤层气赋存状态、煤中气体（主要是甲烷）的吸附/解析性质及其在煤层中运移的基础。

煤层是一种双孔隙的储层。它除含有基质孔隙系统外，还含有割理裂隙网络系统。

孔隙系统是煤层气的吸附储集结构单元，而裂隙网络系统往往是煤层气的主要运移通道。

煤层裂隙比较发育

• 按照肉眼的可见与否，将煤层裂隙分为外生裂隙和内生裂隙；

• 从宏观和微观两个层次上，又可将煤层裂隙划分为宏观裂隙和微观裂隙两大类。

B、煤层天然裂缝对压裂施工的影响

通常认为人工裂缝裂缝的延伸总是垂直于现今地应力场的最小主应力σ₃方向展布。

Neslon认为如果岩石中地应力差值较小（200磅/英寸2），压裂缝方位主要受岩石力学非均质性控制。

当岩石中存在裂缝密度较大的开启裂缝时，在水力压裂过程中，压裂液会压开和支撑已经存在的天然裂缝系统，无论岩石应力状态如何，都不会使岩石破裂。

根据煤岩变形试验、光弹模拟实验和来自野外露头区的证据，煤层人工压裂缝受现今地应力和天然裂缝制约。

如果天然裂缝方位与现今地应力σ₁的夹角小于临界角，人工裂缝沿天然裂缝扩展而不产生新缝；如果天然裂缝方位与现今地应力的夹角大于临界角，人工裂缝近似于垂直于现今地应力的σ₃方向扩展，但扩展部位与早期天然裂缝有关。

此外，天然裂缝发育的煤层在压裂施工时容易发生砂堵，究其原因，一方面是压裂液的滤失量过大，工作效率降低，另一方面是，天然裂缝容易引起施工压力的瞬间大起大落，从而引起裂缝宽度的突变。

二、多裂缝的影响

非平面裂缝几何形状诸如多条裂缝、T型缝和转向缝取决于井筒在地应力场中的方向。

• 当井筒方向与最大水平应力方向的夹角为0°～50°时，将在井筒产生多条裂缝；

• 当夹角为50°～7 0 °时，在井筒产生单条裂缝，然后由于转向产生相互靠近的多条裂缝；

• 当夹角为70°～90°时，产生T型裂缝。

研究表明，水平最大和最小主应力比值大于1.5时，在中间应力方向产生1条平面裂缝；而当比值由1.5降至1.0时，随着比值的降低产生逐渐增多的裂缝分支和多条裂缝。

对于斜度较大的井压裂时，即当井斜方向和最大主应力方向斜交时，由于射孔孔眼较多，在垂直于井斜的平面上地应力大小和方向都相同，每个孔眼所在的位置都有裂缝产生的可能，此时往往会产生平行的多条裂缝。

三、弯曲裂缝的影响

裂缝从射孔孔眼或者是从与最小水平主应力垂直的方向起裂，裂缝起裂取决于射孔方向与最大水平主应力面的夹角。

另外，所有裂缝开始转向最大水平主应力方向的位置在距井相当于井筒直径的范围内，而且，尽管裂缝延伸的初始阶段有很多条裂缝，却只有一条单裂缝延伸超过井筒直径的范围。

通过对射孔方向与最大水平应力角度的研究发现：当射孔方向大于45°时缝宽急剧减小，裂缝弯曲现象明显，而角度在0°～3 0°时裂缝与孔眼连同良好。所以，射孔方向应在最大水平应力方向或与其夹角小于30°。

因此，对于直井而言，水力压裂所形成的人工裂缝与地层的最小主应力方向垂直；对于斜井而言，井筒通常与地层最大主应力方向不一致，这样裂缝从射孔孔眼处的情况就变的较为复杂，在这种情况下，裂缝不可能是一个简单的、单一的平面裂缝，会形成弯曲裂缝。井斜方位与远井地带裂缝延伸方向的不一致性是弯曲裂缝产生的直接原因。

随着裂缝缝高的增长，在起裂点的上下都将出现裂缝的拐弯，从而使近井筒地带压裂通道产生额外的裂缝弯曲摩阻，限制压裂液流动，且宽度较窄，影高浓度支撑剂的进入，造成压裂近井筒地带脱砂。

多裂缝的产生，使得每条裂缝缝宽都狭窄，裂缝变短，不能形成主裂缝，井口静压力上升，提高了压裂的施工难压力，同时狭窄的微裂缝宽度达不到支撑剂顺利进入地层的最低要求，造成只进液不进砂的情况，形成缝端脱砂。

金禧视点

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