大宁–吉县区块深部煤层气多轮次转向压裂技术及应用

鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深部煤层气资源丰度高,煤储层天然裂缝与煤自身割理裂隙发育、煤体结构好、机械强度高、顶底板封盖能力强,为大规模体积压裂缝网的形成提供了有利条件。超大规模压裂改造工艺使深部煤层气单井产量获得重大突破,但示踪剂监测结果显示,水平井各压裂段产气效果贡献不均一、资源动用存在盲区、综合效益未达预期。指出深部煤储层形成超大规模有效缝网面临两类主要挑战:(1)深部煤层裂缝扩展规律认识不清;(2)现有压裂技术存在过度改造及改造不充分区域。基于此问题,提出适合深部煤储层改造的多轮次转向缝网弥合压裂技术。首先,分析深部煤层超大规模缝网形成的可行性;其次结合现场压裂数据与微地震监测结果,分析地层曲率、倾角等对压裂裂缝扩展的影响;最后建立应力场计算方法,以此为依据,进行多轮次转向工艺优化及现场试验。在大宁-吉县区块现场进行试验验证,井周微应力场非均匀区域水力裂缝实现了较为均匀的扩展,增大了裂缝整体改造体积,单井产气效果较周边井有明显提升,其中DJ55井5轮次压裂,储层改造体积达到243.6×10^(4)m^(3),生产340 d累产气量970.5×10^(4)m^(3),平均日产气量2.85×10^(4)m^(3),日产量和压力均保持稳定,改造效果较好,预计采收储量(EUR)大于3000×10^(4)m^(3),产气潜力较大;JS8-6P05井第1-7段采用2~3轮次压裂,压后日产气量8.59×10^(4)m^(3),相比各段均采用单轮次压裂的JS8-6P04井加砂规模降低41.9%、压裂费用降低21%,但2口井水平段千米日产气量相当。试验效果表明,多轮次压裂工艺在一定程度上解决了水平井两侧应力差异而导致的裂缝单侧扩展问题,促进井筒两侧压裂裂缝趋于均匀扩展,极大程度上保障了深部煤储层资源动用程度和压后产量,是深部煤层气压裂工艺降本增效的主要技术途径。

韩城区块西北部三维地应力场反演分析

为改善当前地应力场研究对经验公式的依赖现状,以韩城区块地质条件为背景,提出了通过有限元反演回归计算地应力的方法,根据韩城区块的地质概况建立起较为精确的三维地质模型,以现场水压致裂法所测得的地应力实测资料为基础,采用三维有限元回归分析法拟合实测数据,得到研究区的地应力场分布规律。研究结果表明:煤层三向应力从大到小依次为垂向应力、水平最大主应力、水平最小主应力;煤层的整体应力差处于2~4 MPa之间,在北西部存在较大应力差;煤层整体的应力方向趋势呈北偏东45°;误差大小不超过20%,能够满足工程实际的要求。

鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策

我国深部(层)(以下均指埋深大于2 000 m)煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大。2019年以来,鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)大宁–吉县区块逐步进入深部(层)煤层气“规模勘探+先导试验”阶段,直井日产气量突破2×104m3,水平井日产气量突破10×104m3,这一标志性成果既突破传统意义上煤层气勘探开发领域的深度禁区,使得煤层气总资源量有望在30.05×1012m3基础上大幅度增加,又将成为“十四五”乃至长远煤层气产业实现规模发展的重点勘探开发方向。面对以地面传统钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输和数智化等为主体技术及开发方式的迫切需求,鄂东缘深部(层)煤层气面临许多基础理论和技术难点,包括:成藏机理和赋存规律,有利区优选方法;高产主控因素及控制机理,解吸–渗流机理与开发规律,“地质–工程一体化”开发甜点分类评价标准,关键开发指标确定方法和依据;低成本优快高效钻完井技术,水平井水泥环高效密封控制技术;煤岩缝网形成机理,低成本、高效、环保压裂入井材料,改造后缝网孔渗特征、流动规律;高盐、高水气比、出砂等工况下排采及举升控制技术;高效节能集输、规模开发所需复杂集输管网稳定运行理论与实践体系;数智气田建设和人工智能应用研究。在系统梳理上述难点基础上,针对性地提出勘探地质、开发地质、钻完井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输与数智化等理论与技术的研究方向和具体对策,这一成果不仅对加快鄂东缘深部(层)煤层气规模上产具有重要的指导意义,而且对国内外深部(层)煤层气规模开发具有很强的引领和示范作用,也可有力推动煤层气产业高质量发展、支撑实现国家碳达峰碳中和目标与保障清洁能源安全。

大宁-吉县区块深层煤层气井酸化压裂产气效果影响因素分析

大宁-吉县区块深层8号煤层面积大、厚度大、分布广、煤层气资源富集,体积酸压后试采获得突破,但试采井产能差异大,产能主控因素不明确,严重制约煤层气开发进程。针对大宁-吉县区块2 000 m以深的上石炭统本溪组8号煤层试采井,从地质条件、酸压施工和排采制度中选取28个典型评价指标,运用灰色关联方法对煤层气井酸压后产能进行敏感性分析并提出相应技术对策。结果表明:酸压施工因素对产能的影响高于地质因素和排采因素;砂量、酸量、见气前产水指数、泥质含量和阵列感应电阻率是影响该区块气井产能的主控因素,可将阵列感应电阻率和泥质含量作为筛选有利区的重要指标;提出采用低密度、低粒径支撑剂提高支撑剂运移距离与支撑裂缝长度;控制排采速度不超过200 m^(3)/d,以保证深层煤层气平稳连续产出。该研究可为深层煤层气有利区筛选、施工参数优化以及排采制度调整提供参考。

砂砾岩人造裂缝导流能力物理模拟

由于砂砾岩储集层结构复杂、孔隙度低、非均质性和各向异性强,导致油藏开发具有一定的难度。为了实现砂砾岩油藏的高效开采,进行砂砾岩裂缝导流能力研究。通过分析影响砂砾岩裂缝导流能力的各个因素,从支撑剂含量和砾石含量两方面进行实验,在此基础上研究纤维和支撑剂粒径变化对导流能力的影响。支撑剂在裂缝中的分布方式有3种:与砾石接触、与基质和砾石接触、与基质接触。低闭合压力时,砂砾岩裂缝导流能力与砾石含量呈正相关,此时纤维对导流能力影响不大;随着闭合压力增大,导流能力随砾石含量增加出现下降趋势,纤维的存在也使导流能力下降。导流能力与支撑剂含量呈正相关,闭合压力越大,导流能力越弱,在一定砾石含量时,支撑剂粒径越大,导流能力越强。综上分析,在一定闭合压力下,砂砾岩裂缝导流能力与砾石含量和支撑剂含量呈正相关,增大闭合压力,导流能力出现下降趋势。

鄂尔多斯盆地韩城区块煤岩力学特征及可压性评价

为评价鄂尔多斯盆地韩城区生气潜力和产能,完井后需要对该地区优质煤层进行可压裂性评价,为后期压裂改造和试气提供依据。采用客观的定性和定量方法,采用组合权重法和欧氏关联度建立可定量评价目标区煤岩储层可压裂性的数学模型。结果表明:储层具有多孔低渗、杨氏模量较高、泊松比中等、地应力差小、泥质与灰分含量中等、水分含量较低等特征,具备一定的煤层气勘探潜力和压裂改造条件。

煤层水力压裂影响因素数值模拟研究

水力压裂技术是目前煤层气增产的主要措施之一,它可有效地造成裂缝网络,增大气体渗流通道面积,减少煤粉的生成。为研究煤层压裂裂缝扩展的影响因素,针对目前现场对煤层压裂效果认识不清晰的问题,本文基于线弹性traction-separation准则,利用黏聚力单元模拟裂缝起裂和地层损伤,建立了水平井煤层水力裂缝计算模型;运用单因素控制方法利用该模型研究了射孔相位角、地应力差值以及弹性模量对水力裂缝的影响。计算结果表明射孔相位角越小,地层起裂压力越大,随着相位角的变化,地层起裂压力增幅可达32.5%;弹性模量为6 GPa时,地层起裂压力最低为23.77 MPa,高弹模地层容易形成长窄缝,低弹模地层容易形成短宽缝。最终利用该模型优化了煤层水平井水力压裂施工参数,为水力压裂方案的设计提供了参考和指导。

致密气藏用乳液清洁压裂液的研究与应用

针对致密气藏常用胍胶压裂液摩阻高、残渣含量多、对地层损害率大,而大部分聚合物类稠化剂溶解时间较长,无法满足在线混配对稠化剂溶解时间的要求,研发出一种乳液型清洁压裂液体系.该压裂液由乳液稠化剂组成,是一种以改性聚丙烯酰胺与多组分有机溶剂复合而成的材料,是一种可在线成胶的稠化剂.实验表明,该乳液稠化剂在水中溶解速度快,满足在线配液的需要,且具有一定的抗温抗剪切能力.利用2.0%乳液稠化剂配制清洁压裂液,该压裂液在60℃下具有良好的携砂性、降阻性、易返排及配伍性能,并且压裂液破胶彻底、无残渣、伤害小.乳液清洁压裂液成功应用于宜川3口致密气井,最高砂比为25%,平均砂比为18%,返排液黏度小于5 mPa·s,获得了良好改造效果.

基于动态权函数的煤层可压性综合评价

煤层可压性直接影响着煤层气井的产量和企业的生产成本。为科学地对煤层可压性进行评价,以煤层地质参数为切入点,利用动态权函数综合评价煤层可压性。首先,针对煤层地质参数进行初选,利用数理统计的方法优选出主控影响参数;其次,通过分析主观赋权法和客观赋权法,对比其优势与不足,引入动态加权函数对煤层可压性参数进行赋值;再次,利用动态权函数的加权冒泡排序法对影响参数进行综合评价,拟合得到动态加权和与生产能力之间的关系;最后,对X区块的26口井进行了评价,利用综合评价结果与实际生产能力进行了对比,可压性评价结果正确率达到88.64%,验证了综合评价模型的准确性。

天然与饱水状态下煤样动静力学特性

为了研究煤层中水含量对冲击震动波衰减及冲击能量的散射影响,采用霍普金森杆(SHPB)和伺服液压试验系统对自然状态和7 d饱水状态下煤样进行了力学特性试验。在静态单轴压缩和无围压SHPB试验下,7 d饱水煤样与天然状态煤样的强度软化系数最大值分别为0.69和0.59;在围压SHPB试验施加5 MPa的围压和8 MPa的轴压下,7 d饱水状态下煤样的动载强度比天然煤样高7.85%~18.44%;在三轴围压加载试验施加围压分别为3、6和9 MPa下,7d饱水状态下煤样的动强度比天然状态下动强度高7.85%~18.44%。天然状态下煤体试件从开始破坏到完全破坏的时间较长,破坏的颗粒较大,饱水状态下煤体破坏的时间较短,煤样破坏颗粒较小,三轴加载和动载围压作用加载前后煤样粒径没有明显差异。

煤层气复杂渗流机制下水平井压裂参数优化研究

为了优化不同煤层条件下的水平井压裂参数,考虑气体解吸和气水两相流动特征建立了渗流模型,采用PEBI网格和有限体积法进行求解.根据煤层的渗透率和厚度特征,划分了4种煤储层类型,建立了相应的机理模型,进而模拟计算了不同水平井压裂参数下的累计产气量和压力场.研究发现:煤层性质极大影响了多段压裂水平井的产能,通过分析不同煤层性质条件下水平井压裂参数与累计产气量的关系曲线,得到了模拟条件下水平段长度、裂缝半长和裂缝间距的最优值.对于厚度大的煤层建议水平段长度控制在1300m,裂缝间距为75~100m,裂缝半长为60m;对于厚度小、渗透率高的煤层建议水平段长度控制在1500m以上,裂缝间距为75m,裂缝半长则是越大越好;对于性质很差的煤层不建议采用多段压裂水平井开发.

径向低渗非Darcy渗流动边界半解析模型

低渗油藏渗流过程中普遍存在启动压力梯度(TPG).考虑低渗渗流特征,建立了平面径向低渗非Darcy渗流动边界数学模型,给出了计算动边界移动速度的公式,通过Laplace变换结合无穷级数方法求得了模型的半解析解,并进行了Stehfest数值反演.详细讨论与分析了动边界问题特性、动边界变化和传播情况,解释了启动压力梯度导致动边界不断向外扩展的现象.计算了启动压力梯度对井底压力、压力导数的影响,并给出不同条件下的地层压力分布曲线和Gringarten-Bourdet图版,同时给出了实例分析.研究发现:低渗渗流模型与常规渗流模型有着显著不同,低渗非Darcy渗流压力降是随时间扩展的,在动边界外的地层压力降为零,压力分布曲线呈现紧支性.针对具有动边界的低渗透问题,需充分考虑启动压力梯度与动边界的影响,该模型为低渗油藏渗流机理和开采动态、解释与数值模拟提供了一定的理论基础.

提高金刚石复合片抗冲击性能的试验研究

针对聚晶金刚石复合片脱钴处理后,金刚石层出现微观空隙结构,抗冲击性能减弱的问题,利用微观粒子充填的方法,选取类金刚石作为充填剂,对金刚石层进行充填处理,利用扫描电子显微镜和PDC抗动载性能测试仪,对充填和未充填的复合片进行对比试验分析。试验表明,充填的复合片其金刚石层表面形成类金刚石薄膜,有利于分散冲击过程中形成的瞬间应力集中;充填的复合片其抗冲击性能得到显著提高,能承受30 J的冲击功4~5次,承受的总冲击功高达450 J;未充填的复合片能承受100 J的总冲击功,再经过1次20 J的冲击后,金刚石层会出现裂纹或脱落的现象。进一步分析试验条件对充填金刚石复合片的抗冲击性能影响,结果显示,射频功率越大,氩气、甲烷和氢气的流量比为5∶10∶30,沉积时间为180 min时,充填的金刚石复合片的抗冲击性能最佳。

鄂尔多斯盆地东缘本溪组8#煤层方解石脉体成因

针对鄂尔多斯盆地东缘本溪组8#煤层方解石脉体成因不清的问题,综合运用显微岩相学、同位素地球化学和流体包裹体等方法,开展方解石脉发育期次分析以明确成脉流体来源和形成时间。研究结果表明,研究区8#煤层中发育2期方解石脉体(C1和C2),C1方解石脉的成岩流体主要为源于围岩母岩的地层卤水和富生物气有机流体,C2方解石脉的流体来源主要与有机质脱羧作用形成的液态烃类流体有关,同时C1和C2方解石脉的形成均受到早白垩世构造热事件导致的深部热液流体影响。结合研究区烃类成藏史和埋藏史分析,明确C1方解石脉的形成时间在晚三叠世-早侏罗世期间,C2脉体形成时间为晚侏罗世-早白垩世。结合研究区8#煤层勘探生产实践,方解石脉发育区域煤层气富集程度较高,具有良好的勘探开发前景。研究成果对于煤层气富集区域的勘探具有重要的参考意义。

基于CatBoost-Adam结合的煤层气产量通用预测与优化方法研究

在石油与天然气开采领域,压裂改造是必不可少的增加产量的方法,也是成本极高的工作。被压裂后的井的产量预测是衡量这口井压裂价值的重要指标,该指标受地质参数,测井参数和操作参数的综合影响,全部影响因素多达数十个,且数据方差大,处理难度高。针对这种情况,该研究首次用CatBoost对鄂尔多斯盆地临汾区块的5号和8号煤层进行特征筛选与产气量预测,并用适应性矩估计算法(Adam)对操作变量进行寻优。结果表明:1,CatBoost对低产井的预测精度为94%,对中产井的预测精度为86%,对高产井的预测精度为79%。经CatBoost初次训练得到煤层气显著影响因子为总液量、施工排量、电阻率、射孔深度、含气饱和度、孔隙度、全烃峰值、声波时差、射孔井段长、煤层厚度。运用Adam算法对该变量优化发现,最优排量为3.5 m3/min。保持排量不变的前提下提升总液量,有利于模型输出的提升。

大宁–吉县区块深层煤层气井酸压工艺及现场试验

我国深层煤层气资源储量丰富,但煤储层改造工艺技术与深层地质条件匹配耦合性问题亟需解决。为探究深层地质条件下煤储层改造技术,以大宁–吉县区块为地质背景,从该区块深层8号煤层岩石力学参数角度对体积压裂可行性进行评价,并采用室内三轴酸压物模实验进行验证。基于室内实验的基础上,针对此区块8号煤层特征,提出采用“高排量、低酸量、适中砂比”体积酸压工艺技术,并配合“交替注酸、分段加砂、变排量注入”复合工艺。基于此工艺原理开展复合盐酸、氨基磺酸体积压裂现场试验。结果表明:现场11口产气井日产气量累计达20469 m^(3),其中10口生产直井最高产气量可达5791 m^(3)/d;1口生产水平井投产后日产气最高1.1万m^(3),同时体积酸压工程因素(排量、加液强度)与裂缝监测破裂面积存在较好相关性。提出应进一步提升压裂液排量且应优选在11~15 m^(3)/min;应减小整体用酸量,同时进一步优选酸液浓度;优选低密度支撑剂并优化加砂工艺以提升加砂规模;清洁压裂液加液强度优选在150~250 m^(3)/m;同时应提升配套设备质量,例如提升套管钢级,优化压裂设备等。研究从体积酸化压裂工程角度为该区块及类似地质条件下深层煤层气的勘探开发提供了技术借鉴。

碎软煤层夹矸间接压裂开发煤层气技术研究

目前间接压裂技术已成为低渗碎软煤层高效开发技术。文章以大宁—吉县区块5号煤层为研究对象,提出利用夹矸间接压裂技术提高煤层气开发效果,通过开展煤层夹矸可压性评价、水力压裂数值模拟、现场试验等研究,建立了低渗碎软煤层夹矸水平井分段压裂的工艺流程,揭示了该技术下水力裂缝的扩展规律。研究结果表明:与煤分层相比,夹矸的脆性和可浸泡性较好,可压性更高;在夹矸中进行压裂能够沟通上下部煤层,大幅降低施工压力与裂缝延伸压力,减少煤粉产出,裂缝延伸好,增产效果显著。射孔点距夹矸顶面0.5 m时,对夹矸上下煤层改造效果最优;夹矸煤层最小主应力差异系数为1.1时,水力裂缝在夹矸段少量扩展后,迅速向夹矸与煤层间的弱面延伸,进而撕裂夹矸上下部煤层,建立渗流通道。研究成果为低渗碎软煤层气开发提供了新的技术思路,同时可为射孔段优选以及压裂设计提供参考。

煤层气压裂水平井渗流规律研究进展

国内外对煤层气压裂水平井产能分析尚未达成共识。为此,在综述国内外煤层气压裂水平井渗流规律研究状况的基础上,系统地回顾了压裂水平井渗流理论发展历程。国外对于压裂水平井的研究趋向于建立数学模型及求解方法,模型包括双线性流模型、三线性流模型等;国内对压裂水平井的研究重点在于分析压裂水平井的产能特征和裂缝参数的优化。首先对压裂水平井不同裂缝形态下有限导流垂直裂缝双线性流模型和三线性流模型进行了分析;其次对水平井中多条横向人工裂缝的瞬态压力特性、多条裂缝之间的干扰,裂缝条数对水平井产能的影响进行了阐述;最后,提出了目前压裂水平井渗流理论研究中存在的各种问题,并指出了压裂水平井渗流理论的发展趋势。

韩城区块煤层气井二次改造工艺优化及现场试验

韩城区块煤层气井产能尚未完全释放,无法支撑长期稳产和高产。为进一步优化煤储层二次改造工艺,改造低产能煤层气井,提高煤层气单井产量,在剖析该区块地质特征的基础上,分析了常规二次压裂工艺试验井的低产原因。针对二次改造施工过程中的工艺缺陷及技术难题,以解决“煤粉堵塞裂缝+新裂缝延伸距离有限”为主要目标,形成了“酸化+暂堵”复合二次改造工艺,并在3口井进行了现场试验。采用复合二次改造新工艺后,试验井J4井平均产气量为3 765.6 m^(3)/d,产量提升明显,裂缝改造体积较为理想;J5井、J6井恢复生产能力,且上产潜力较大。研究结果表明,复合二次改造新工艺在低产能煤层气井应用效果较好,可为相同地质背景条件下的煤层气老井改造提供技术借鉴。

大宁—吉县区块深部8号煤储层特征及可压裂性评价

通过大宁—吉县区块深部8号煤层煤层气地质资料分析,基于脆性指数、围岩与煤层弹性模量差异、断裂韧性及地应力特征等定量评价了深部8号煤储层可压裂性。研究结果显示:研究区8号煤层埋藏深(埋深大于1350m)、厚度大、含气量高,裂隙虽发育,但为低孔-低渗储层。煤层脆性指数BI适中,为35%~67%;围岩与煤层弹性模量的差异明显,平均5.93倍;断裂韧性为3.017~3.885MPa×m^(0.5),平均3.519MPa×m^(0.5);可压指数大于0.6的高值区主要分布在交口乡、太古乡东北部,可压指数越高,煤层可压裂性越好,产气效果相对较好。研究成果为下步工程甜点选区和实施深部煤层气勘探开发提供技术支撑。