§5 煤层气井增产机理与技术

煤层气井增产理论与技术张遂安教授

中国石油大学(北京)煤层气研究中心主任

煤层气产业技术创新战略联盟专家委员会主任

中国煤炭学会煤层气专业委员会副主任

13901129720 sazhang@http://www.77cn.com.cn

煤层气井增产技术

裸眼扩径穴完井水力压裂多分支水平井

洞穴完井技术

洞穴完井是20世纪80年代发展起来的一种完井技术，其最早的形式是裸眼完井。直到1977年阿莫科公司用裸眼技术完成了卡恩

(Cahn)1号井并发现较强的气产量后，才有意识地对裸眼井段进行下套管扩眼。

裸眼洞穴完井方法增产效果十分明显，如美国圣胡安盆地的

“FAIRWAY层”，采用洞穴完井就取得了较好的结果，其产量比水力压裂增加了3-20倍。从圣胡安盆地已钻的4000多口煤层气井来看，有三分之一是采用裸眼洞穴完井，这三分之一洞穴完井的井产气量占整个盆地产量的76%。

裸眼洞穴完井是煤层气井特有的、效果最佳的完井方法。

洞穴完井技术

洞穴完井的增产机理：

通过动力造穴工艺，在形

成一定规模的洞穴的基础上，

还会在洞穴的外围形成一些放

射状人造裂缝及诱导裂隙，人

工放射状裂缝切截天然裂隙，从而实现解堵和增产效果。

洞穴完井技术

洞穴完井的优点：

造穴完井工艺对煤层伤害小；

洞穴完井的增产效果更加明显；

施工作业费用较低。

洞穴完井的缺点：

事实上，煤层气洞穴完井开发技术仅仅在美国的圣胡安盆地取得了极大的成功，且主要集中在所谓的“Fairway”区带（高渗富集区带）显示出极好的增产效果，因此该方式具有较大的局限性。

洞穴完井技术

洞穴完井技术的适宜条件：

美国的实践表明，适宜洞穴完井的最主要的储层条件是高渗高压，其次还要求煤层厚度适中、煤层顶板稳定、煤的硬度适宜等。

之所以必须高渗高压，主要机理是：只有高渗高压才能注入雾化气体到煤层中，才能高效造穴和洞穴的外围的有效的放射状的人造裂缝。

否则，要么无法形成增产所必需的洞穴和放射状裂缝（如河北唐山煤矿因煤硬度较大而导致洞穴完井失败），要么洞穴坍塌严重，无法保持洞穴的有效性（如河南荥巩煤田因煤属典型构造煤而导致洞穴完井失败）。

洞穴完井技术

现场作业典型的井场布置示意图

现场作业洞穴完井技术

洞穴完井技术

水力压裂

水力压裂增产原理：

（1）降低井底附近地层渗流阻力;

（2）改变了流动形态，由径向流→双线性流（煤层线性流

向裂缝，裂缝内流体线性流入井筒）。

水力压裂

造缝机理：造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。

破裂压力

延伸压力

地层压力

压裂过程井底压力变化曲线

a—致密岩石b—微缝高渗岩石

水力压裂

影响压裂效果的地质、工艺因素分析

地质因素:

(1)煤层的孔渗类型与煤层气产出机理

(2)煤层的岩石力学性质对压裂效果的影响

(3)煤层渗透能力

(4)煤层滤失性的压力敏感特征

(5)水化膨胀敏感性

(6)吸附润湿特性

工艺因素:

(1)施工规模对压裂效果的影响

(2)施工排量对压裂效果的影响

(3)砂比对压裂效果的影响

水力压裂

煤层气储层特征及其对压裂工艺技术的要求

(1) 低压、低渗—必须压裂，且要有一定的规模、减少伤害

(2) 天然裂隙发育—要求大排量

(3) 低模量、低强度（脆、软，易破碎）、非弹性体特征显著

(4) 吸附能力极强—慎防有机添加剂，以免造成严重的吸附伤害

(5) 膨胀性、水化性—防膨胀

不仅要求压裂液应满足煤层的防膨、降滤、返排、降阻、携砂等技术要求，以降低伤害程度；而且还要满足大排量、大规模压裂施工，以达到形成较长裂缝，提高单井产量的目的。

水力压裂美国煤层气压裂技术发展概况( 1)美国煤层气井压裂技术发展概况一览表 1960 1970 1980 1990压裂技术炸药炸洞高压水力压裂大排量高压水力压裂液氮泡沫压裂液氮泡沫加砂压裂 CO2加砂压裂 (根据 Michael D. Zuber提供的资料整理 )

水力压裂

活性水:

线性胶:

交联冻胶: 压裂液配方清水＋2.0%氯化钾＋0.2%表面活性剂＋少量杀菌剂清水＋2.0%氯化钾＋0.2%表面活性剂＋0.4%稠化剂+0.01%氢氧化钠＋过硫酸铵+0.1%低温活化剂清水＋2.0%氯化钾＋0.2%表面活性剂＋0.4%稠化剂

+0.01%氢氧化钠＋过硫酸铵＋0.1%低温活化剂+硼砂

水力压裂

三种压裂液的性能特点

防膨性能: 活性水(强) > 线性胶> 交联冻胶> 清水(弱) 表面/界面张力: 线性胶最大> 活性水其次> 交联冻胶最小吸附速度: 活性水最快>线性胶> 交联冻胶最慢

7.773×10-6g2/s 3.721×10-6g2/s 1.787×10-6g2/s

携砂能力: 交联冻胶(强) > 线性胶> 活性水(弱)

滤失性能: 线性胶较交联冻胶大一个数量级

破胶后残渣: 线性胶(249mg/L) 低于交联冻胶(294mg/L)

大大低于石油标准(500mg/L)

伤害率: 交联冻胶(88.02%) 线性胶(57.18%) 活性水(11.88%)