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純乾貨!煤層氣的結構特徵與壓裂技術初認識


Release Time:2021-09-23

一、煤層氣問題井原因分析


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1、煤層的結構特徵和影響



A:煤層的結構特徵


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煤是一種複雜的多孔介質,煤中孔隙是指煤體未被固體物(有機物和礦物質)充填的空間,是煤的結構要素之一。

 

煤的孔隙性質(包括孔隙大小、形態、連通性、孔容、比表面積等)是研究煤層氣賦存狀態、煤中氣體(主要是甲烷)的吸附/解析性質及其在煤層中運移的基礎。

 

煤層是一種雙孔隙的儲層。它除含有基質孔隙系統外,還含有割理裂隙網路系統。

 

孔隙系統是煤層氣的吸附儲集結構單元,而裂隙網路系統往往是煤層氣的主要運移通道。

 

煤層裂隙比較發育


  • 按照肉眼的可見與否,將煤層裂隙分為外生裂隙和內生裂隙

  • 從宏觀和微觀兩個層次上,又可將煤層裂隙劃分為宏觀裂隙和微觀裂隙兩大類


B、煤層天然裂縫對壓裂施工的影響


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通常認為人工裂縫裂縫的延伸總是垂直於現今地應力場的最小主應力σ₃方向展布。

 

Neslon認為如果岩石中地應力差值較小(200/英寸2),壓裂縫方位主要受岩石力學非均質性控制。

 

當岩石中存在裂縫密度較大的開啟裂縫時,在水力壓裂過程中,壓裂液會壓開和支撐已經存在的天然裂縫系統,無論岩石應力狀態如何,都不會使岩石破裂。

 

根據煤岩變形試驗、光彈模擬實驗和來自野外露頭區的證據,煤層人工壓裂縫受現今地應力和天然裂縫制約。

 

如果天然裂縫方位與現今地應力σ₁的夾角小於臨界角,人工裂縫沿天然裂縫擴展而不產生新縫;如果天然裂縫方位與現今地應力的夾角大於臨界角,人工裂縫近似於垂直於現今地應力的σ₃方向擴展,但擴展部位與早期天然裂縫有關。

 

此外,天然裂縫發育的煤層在壓裂施工時容易發生砂堵,究其原因,一方面是壓裂液的濾失量過大,工作效率降低,另一方面是,天然裂縫容易引起施工壓力的瞬間大起大落,從而引起裂縫寬度的突變。


二、多裂縫的影響



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非平面裂縫幾何形狀諸如多條裂縫、T型縫和轉向縫取決於井筒在地應力場中的方向。


  • 當井筒方向與最大水平應力方向的夾角為50°時,將在井筒產生多條裂縫;

  • 當夾角為50°7 0 °時,在井筒產生單條裂縫,然後由於轉向產生相互靠近的多條裂縫;

  • 當夾角為70°90°時,產生T型裂縫。

研究表明,水準最大和最小主應力比值大於1.5時,在中間應力方向產生1條平面裂縫;而當比值由1.5降至1.0時,隨著比值的降低產生逐漸增多的裂縫分支和多條裂縫。

 

對於斜度較大的井壓裂時,即當井斜方向和最大主應力方向斜交時,由於射孔孔眼較多,在垂直於井斜的平面上地應力大小和方向都相同,每個孔眼所在的位置都有裂縫產生的可能,此時往往會產生平行的多條裂縫。


三、彎曲裂縫的影響



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裂縫從射孔孔眼或者是從與最小水準主應力垂直的方向起裂,裂縫起裂取決於射孔方向與最大水平主應力面的夾角。

 

另外,所有裂縫開始轉向最大水平主應力方向的位置在距井相當於井筒直徑的範圍內,而且,儘管裂縫延伸的初始階段有很多條裂縫,卻只有一條單裂縫延伸超過井筒直徑的範圍。

 

通過對射孔方向與最大水平應力角度的研究發現:當射孔方向大於45°時縫寬急劇減小,裂縫彎曲現象明顯,而角度在3 0°時裂縫與孔眼連同良好。所以,射孔方向應在最大水平應力方向或與其夾角小於30°

 

因此,對於直井而言,水力壓裂所形成的人工裂縫與地層的最小主應力方向垂直;對於斜井而言,井筒通常與地層最大主應力方向不一致,這樣裂縫從射孔孔眼處的情況就變的較為複雜,在這種情況下,裂縫不可能是一個簡單的、單一的平面裂縫,會形成彎曲裂縫。井斜方位與遠井地帶裂縫延伸方向的不一致性是彎曲裂縫產生的直接原因。

 

隨著裂縫縫高的增長,在起裂點的上下都將出現裂縫的拐彎,從而使近井筒地帶壓裂通道產生額外的裂縫彎曲摩阻,限制壓裂液流動,且寬度較窄,影高濃度支撐劑的進入,造成壓裂近井筒地帶脫砂。

 

多裂縫的產生,使得每條裂縫縫寬都狹窄,裂縫變短,不能形成主裂縫,井口靜壓力上升,提高了壓裂的施工難壓力,同時狹窄的微裂縫寬度達不到支撐劑順利進入地層的最低要求,造成只進液不進砂的情況,形成縫端脫砂。


金禧視點


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