玲珑金月
颜志丰1 琚宜文1 侯泉林1 唐书恒2
(1.中国科学院研究生院地球科学学院 北京 100049 2.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)
摘要:为模拟研究煤储层水力压裂效果，对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试。对结果进行分析表明:在常规单轴压缩条件下，煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。煤样在垂直面割理方向弹性模量E随着单轴极限抗压强度σc的增加而增加，相关性较高，平行面割理方向弹性模量E随着抗压强度的增高而增高，但离散性较大。在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型。
关键词:单轴压缩试验 力学性质 各向异性 饱和含水率 割理
基金项目: 国家自然科学基金项目 ( No. 41030422; 40972131) ; 国家重点基础研究发展规划 ( 973) 课题( No. 2009CB219601) ; 国家科技重大专项课题 ( 2009ZX05039 － 003) ; 中国科学院战略性先导科技专项课题( XDA05030100) ; 河北工程大学博士基金课题。
作者简介: 颜志丰，1969 年生，男，河北邯郸人，博士后，长期从事能源地质和构造地质研究。Email: yanzf@ gucas. ac. cn。
Uniaxial Mechanical Test of Water-saturated Coal Samples in Order to Simulate Coal Seam Fracturing
YAN Zhifeng1JU Yiwen1HOU Quanlin1TANG Shuheng2
( 1. College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 2. School of Energy Resources，China University of Geosciences ( Beijing) ，Beijing 100083 China)
Abstract: In order to simulate effect of hydraulic fracturing in coal reservoir，conventional uniaxial compres- sion test and acoustic emission test on the water-saturated coal samples were hold. The results showed that the me- chanical properties in parallel to the level of coal have directional difference. Under the conditions of conventional uniaxial compression. The uniaxial limit compressive strength in direction parallel to the face cleat is much larger than it in the vertical，so is the elastic modulus. The elastic modulus of coal increased with the increasing of com- pressive strength，however it is higher correlation in the direction of vertical face cleat，but a larger dispersion in parallel. The complete stress-strain curve shape showed by deformation of coal samples under uniaxial compression can be roughly summarized as 3 types.
Keyword: uniaxial compression test; mechanical properties; Anisotropy; saturated water content; cleat
1 前言
煤层气是储存于煤层内的一种非常规天然气，其中CH4含量多数大于90%，是一种优质洁净的气体能源(单学军，2005)。我国煤层气资源十分丰富，根据新一轮全国煤层气资源评价结果，在全国19个主要含煤盆地，适合煤层气勘探的埋深300～2000m范围内，预测煤层气远景资源量为万亿m3。煤层气主要是以吸附状态存在于煤层内，也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中(SmithDM，1984)。就孔隙结构而言，煤的孔隙结构可分为裂缝性孔隙和基岩孔隙。人们又习惯地把煤岩中的内生裂缝系统称为割理。其中面割理连续性较好，是煤中的主要裂隙，端割理是基本上垂直于面割理的裂缝，只发育在两条面割理之间，把基岩分割成一些长斜方形的岩块体(李安启，2004)。
渗透率高的煤层产气量往往较高，而低渗透率的煤层产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。而我国的煤层气储层普遍属于低渗透煤储层，研究表明:我国煤层渗透率大多小于50×10－3μm2(张群，2001)。因此，目前国内的煤层气井采用最广泛的完井方法是压裂完井，煤层和砂岩的岩性特征有很大的区别，压裂施工中裂缝在煤层中的扩展规律与在砂岩中的扩展规律也不相同，为了解煤层的压裂特征和压裂效果就需要对煤层压裂进行模拟研究，要进行模拟研究就需要研究煤岩的力学性质。
通过试验研究煤岩的力学性质，发现煤岩具有尺寸效应———即煤岩的尺寸对试验结果具有影响，Daniel和Moor在1907年就指出(DanielsJ，1907):小立方体的屈服强度高于大立方体，而且当底面积保持常数时，随着试块高度的增加，其屈服强度降低。研究过煤岩尺寸效应的还有Bunting(Bunting )。Hirt和Shakoor(Hirt A M，1992)，Med-hurst和Brown(MedhurstT P，，1998)，吴立新(1997)，刘宝琛(1998)，靳钟铭(1999)等。
由于单轴力学性质试验结果受尺寸、形状等因素制约，因此进行单轴岩石压缩试验时，对试验样品的加工有一定的要求，通常试件做成圆柱体，一般要求圆柱体直径48～54mm，高径比宜为～，试件端面光洁平整，两端面平行且垂直于轴线。
2 试验方法说明
在单轴压缩应力下，煤块产生纵向压缩和横向扩张，当应力达到某一量级时，岩块体积开始膨胀出现初裂，然后裂隙继续发展，最后导致破坏(闫立宏，2001)。为避免其他因素的影响，采用同一试样，粘贴应变片，在测试强度过程中同时用电阻应变仪测定变形值。
煤样制备和试验方法
实验煤样采自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3#煤层。煤样制备和试验方法参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264－2001)》(中华人民共和国水利部.2001)，以及国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天，1981)进行的。沿层面方向在大煤块上钻取直径为50mm，高为100mm的圆柱样，煤样轴向均平行煤岩层面。为研究平行面割理和垂直面割理方向煤岩力学性质的差异，制备了两组煤样。一组煤样平行面割理方向，样品数10个，编号DP1DP10;另一组煤样垂直面割理方向，样品数10个，编号DC1DC10。试验前对煤样进行了饱水处理(48h以上)。单轴实验设备为WEP600微机控制屏显万能试验机。记录设备为30吨压力传感器，7V14程序控制记录仪。数据处理设备为联想杨天E4800计算机及相应的绘图机、打印机。试验工作进行前测试了煤样的物理性质，对试件进行了饱水处理。进行单轴压缩试验的煤样条件见表1。
表1 煤样条件
计算公式
单轴抗压强度计算公式:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:σc为煤岩单轴抗压强度，MPa;Pmax为煤岩试件最大破坏载荷，N;A为试件受压面积，mm2。
弹性模量E、泊松比μ计算公式:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:E为试件弹性模量，GPa;σc(50)为试件单轴抗压强度的50%，MPa;εh(50)为σc(50)处对应的轴向压缩应变;εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变;μ为泊松比。
3 试验结果与分析
加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响。
试验结果数据见表2。从表中可以看出，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多，抗拉强度平均值高出2/3，而弹性模量更是高出一倍。这说明即使在平行煤的层面上其力学性质也具有方向性，不同方向上其值大小有显著差异。
表2 煤样单轴抗压强度试验结果
注:DP9沿裂隙面破裂，没有参与力学性质分析。
煤是沉积岩，小范围内同一煤分层在形成环境、形成时代上都是相同的，可以认为小范围内在平行煤的层面上，煤的组分、煤质等是均匀的，变化非常小，所以沿平面上力学性质的差异与煤质、组分等关系不大。推测其原因是由于在地史上受到构造应力的影响，构造应力具有方向性，在不同的方向上其大小不同，使煤在不同的方向上受到地应力作用的大小程度也不同，导致煤在不同方向上结构有所不同，从而表现出来在不同方向上力学性质的差异，在受力较大的方向上可能会表现出较大的强度。由于在构造力作用下沿最大主应力方向裂隙最容易发育，发育程度也应该较好，沿最小主应力方向上裂隙发育程度要差些。发育好的裂隙往往形成面割理，因而在平行面割理的方向上抗压强度和弹性模量都高，而在垂直面割理的方向上其值相对就会小些。
煤岩单轴极限抗压强度与其他性质之间的关系
由表2可知煤样的抗压强度离散性较大，影响因素是什么?煤的密度与含水状态对单轴抗压强度有什么影响?现分析如下:
图1a表示了极限抗压强度σc与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出，无论是C组、P组还是全部样品，随着饱和密度的增加，煤块的极限抗压强度都有增加的趋势，说明随着饱和密度的增加，抗压强度有增加的趋势。
图1 σc与其他性质之间的关系
图1b表示极限抗压强度σc与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出，C组样品随饱和吸水率的增加抗压强度有减少的趋势，而P组样品单轴抗压强度和饱和吸水率的相关性非常低，可以认为饱和吸水率对P组样品没有影响。由此可见，饱和吸水率的增高使垂直面割理方向的抗压强度降低，而对平行面割理方向的单轴极限抗压强度影响很小。
图1c表示单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间具有明显的正相关性，即垂直于面割理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增加而增加，P组样品具有不明显的线性正相关，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与弹性模量E的增加而增加，但离散性较大。
图1d表示单轴极限抗压强度σc与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴抗压强度与泊松比之间具有较明显的负相关关系，也就是说垂直于面割理的单轴抗压强度随着泊松比的增高而降低;但是P组样品的相关性很低，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。
弹性模量和其他性质之间的关系
图2a表示弹性模量E与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品、P组样品及全部样品相关性均不明显。说明弹性模量与泊松比之间的变化互不影响。
图2 弹性模量E与其他性质之间的关系
图2b表示弹性模量E与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出无论C组还是P组，样品弹性模量与饱和密度相关性非常弱，可以认为不相关。由此可见弹性模量不受饱和密度变化的影响。
图2c表示弹性模量E与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出C组样品弹性模量与饱和吸水率相关性较高，呈明显的负相关关系;但是P组样品的相关性却很低，几乎不相关。由于C组样品以垂直轴向的裂隙为主，在压力作用下煤样的变形等于煤岩本身的变形再加上水的变形，水是液体，在压力作用下很容易变形，在压力不变的情况下随着水含量的增加变形随之增大，而产生较大的轴向变形，导致C组的煤样随着含水量的增加弹性模量变小。而P组样品裂隙以平行轴向为主，尽管在饱水的情况下裂隙中完全充填了水，但由于水含量很少，承载压力的主要是煤岩本身，变形量也是由煤岩本身决定的，因此它与含水量关系不明显。
泊松比和其他性质之间的关系
由图3a中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和密度之间散点图均比较离散，相关性很低，也可以说它们不相关。
由图3b中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和吸水率之间相关性很低，可以认为它们不相关。
煤岩单轴压缩全应力—应变曲线类型
岩石试件从开始受压一直到完全丧失其强度的整个应力应变曲线称为岩石的全应力应变曲线(重庆建筑工程学院，1979)。大量岩石单轴压缩实验表明，岩石在破坏以前的应力应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。
煤是一种固体可燃有机岩石，由于成煤物质的不同及聚煤环境的多样化，煤的岩石组分、结构特征比较复杂。因此，在单轴压缩条件下煤样变形破坏机制及表现出的全应力—应变曲线形态多种多样，大体可以概括为3种类型。
图3 泊松比μ与饱和吸水率ωs之间的关系
迸裂型
应力—应变曲线压密阶段不明显，加速非弹性变形阶段很短，曲线主要呈现表观线弹性变形阶段直线，直到发生破坏，见图4a。具有迸裂型全应力—应变曲线特征的煤样，通常均质性较好、强度较大、脆性较强，其抗压强度通常很高。煤样在整个压缩变形过程中，积聚了大量弹性应变能，而由于发生塑性变形而耗散的永久变形能相对较小。因此，当外部应力接近其极限强度而将要发生破坏时，煤岩内积聚的大量弹性应变能突然、猛烈地释放出来并发出较大声响，形成一个很高的声发射峰值。
图4 煤岩样品应力—应变关系曲线图
破裂型
应力较低时，出现曲折的压密阶段，当应力增加到一定值时，应力—应变曲线逐渐过渡为表观线弹性变形阶段;最后变为加速非弹性变形阶段，直到发生破坏，见图4b。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，但整体仍保持完整，并在变形过程中也积聚了一定的弹性应变能。当外部应力接近其抗压强度，即煤岩发生加速变形时，煤岩中积聚的弹性应变能就突然释放，产生较高的声发射值，破坏时声发射强度又变得非常低。
稳定型
应力—应变曲线压密阶段不明显，表观线弹性变形阶段呈略微上凸的直线，加速非弹性变形阶段较长，见图4c。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，并在变形过程积聚的弹性应变能释放，形成振铃计数率峰值，随后振铃计数率迅速降低，并在加速非弹性变形阶段开始时出现新的振铃计数率峰值，接近破坏时又出现一次振铃计数率峰值。破坏时声发射强度又变得非常低。
4 结论
通过上面对沁水盆地寺河煤矿3号煤力学试验，可以得出如下结论:
(1)煤岩单轴抗压强度和弹性模量等力学性质在平行煤层的平面上具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。
(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加;极限抗压强度σc在垂直于面割理方向上随饱和吸水率ωs的增加而减少，而在平行面割理方向上与饱和吸水率无关;单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增加而增加，在垂直面割理方向上相关程度较高，在平行面割理方向上离散性较大。单轴极限抗压强度σc在垂直面割理方向上随着泊松比μ增加而减小，而在平行面割方向上与泊松比无关。
(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响，同时也不受饱和密度的影响;垂直面割理方向弹性模量随着饱和吸水率ωs的增加而减小，而平行面割理方向弹性模量与饱和吸水率无关。
(4)泊松比μ的变化既不受饱和密度变化的影响，也不受饱和吸水率ωs变化的影响。
(5)在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型:①迸裂型;②破裂型;③稳定型。
参考文献
单学军，张士诚，李安启等.2005.煤层气井压裂裂缝扩展规律分析.天然气工业，25(1)，130～132
靳钟铭，宋选民，薛亚东等.1999.顶煤压裂的实验研究.煤炭学报，24(l)，29～33
李安启，姜海，陈彩虹.2004.我国煤层气井水力压裂的实践及煤层裂缝模型选择分析.天然气工业，24(5)，91～94
刘宝琛，张家生，杜奇中等.1998.岩石抗压强度的尺寸效应.岩石力学与工程学报，17(6)，611～614
吴立新.1997.煤岩强度机制及矿压红外探测基础实验研究.北京:中国矿业大学.
闫立宏，吴基文.2001.煤岩单轴压缩试验研究.矿业安全与环保，28(2)，14～16
张群，冯三利，杨锡禄.2001.试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略.煤炭学报，26(3)，230～235
郑雨天等译.1981.国际岩石力学学会实验室和现场标准化委员会:岩石力学试验建议方法.北京:煤炭工业出版社
中华人民共和国水利部.2001.水利水电工程岩石试验规程(SL264～2001).北京:地质出版社
重庆建筑工程学院，同济大学编.1979.岩体力学.北京:中国建筑工业出版社
Bunting D. 1911. Pillars in Deep Anthracite Mine. Trams. AIME，( 42) ，236 ～ 245
Daniels J，Moore L D. 1907. The Ultimate Strength of Coal. The Eng. and Mining，( 10) ，263 ～ 268
Hirt A M，Shakoor A. 1992. Determination of Unconfined Compressive strength of Coal for pillar Design. Mining Engineer- ing，( 8) ，1037 ～ 1041
Medhurst T P，Brown E T. 1998. A study of the Mechanical Behavior of Coal for Pillar Design. Int. J. Rock. Min. Sci. 35 ( 8) ，1087 ～ 1104
Smith D M，Williams F L. Diffusional effects in the recovery of methane from coalbeds. SPE，1984: 529 ～ 535
枫月絮影
油井压裂的风险分析与安全对策论文
摘要：对油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，梳理了安全管理的重点环节，提出了相应的安全管理对策措施。
关键词：油井压裂；风险分析安全对策
引言
油井压裂作业设备多、环节多，具有技术含量高、施工难度大、作业环境恶劣、救援及逃生困难的特点，安全管理工作难度大，极易酿成重大的人员伤亡和财产损失事故。笔者就油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，并提出了相应的安全管理对策措施。
1、压裂施工风险分析
人员与设备高度集中压裂作业井场占地一般1600m2左右；压裂设备包括压裂车、混砂车、仪表车、管汇车、砂罐车及立式砂罐、大罐等。在特殊情况下，如压力高或需要更大排量施工的井，还要增加压裂车和仪表车。井场人员和设备密集，管理难度大。
井场布置易存在隐患由于受井场场地的限制，施工车辆距离井口过近，压裂仪表车、其他辅助车辆和仪器距离高压区的距离较近，存在安全隐患。
施工过程危险性高压裂作业施工，尤其是老井、重复压裂井、大型酸化压裂，工序复杂，地面压力在30MPa-60MPa之间，极易造成井身结构破坏、管线爆裂，发生卡钻、砂堵油管、管柱断脱、井口设备刺漏等工程事故，极易引发井喷事故和物体打击事故。
救援及逃生困难由于井场摆放着各种车辆和压裂罐，视野较窄，一旦发生事故，很难迅速逃生和得到救援，极易升级为不良事件。
环境保护要求高如果压裂失控、压裂管柱破裂或者高压井口、管线泄漏，极易发生压裂液、有毒有害气体和原油的泄露，污染大气层和地表层，造成重大地面污染事故。
2、安全管理的重点环节
作业人员的管理应对设计人员进行井控培训，施工人员需穿戴好劳保用品并持证上岗，非本岗位工作人员要限入高压区。
生产设备的管理使用压裂设备前，必须对设备的气控系统、液压系统、吸入排出系统、仪表及执行机构系统、设备故障诊断系统等十个系统进行认真检查，并对仪表进行校正。
井场布置的管理压裂施工的井场布置应严格按高压区、低压区、井口区和辅助区划分，设立好警戒线，非工作人员严禁入内。油井压裂的所有生产设备，必须停放在上风方向，并与井口保持30m距离。
试压工序的管理井口要用钢丝绳固定牢固，高压管汇要安装泄压阀及安全阀。排空试压并保持15min，仔细检查无刺漏后再放空。要确定最高限压压力，现场施工中严禁超压操作，超压时应紧急停车。
施工过程的管理施工过程主要包括：循环、试压、试挤、压裂、支撑剂、替挤、反洗或活动管柱等环节，压裂施工期间应统一现场的操作指挥，必须对施工的设计要求、井下情况、地面设备及各个岗位的技术情况清楚，落实各项安全防范措施。在生产过程中，要保存安全生产的相关资料，主要包括作业人员名册、工作日志、培训记录、事故和险情记录、安全设备维修记录情况等。
安全管理的法规标准油井压裂作业安全管理须遵守SY6443-2000《压裂酸化作业安全规定》等有关的安全管理规定。
3、安全对策
规范人的安全行为
①压裂前召开安全会议，以保证所有的`现场人员都知道压裂施工程序，现场人员都应清楚自己在压裂施工中的职责和在应急情况下的处理措施。对施工现场人数进行统计，在应急情况下的人员逃生路线明确，在实施压裂过程中，暂无施工任务的人员应到指定位置待命。
②员工是油井压裂作业的主体，要从关爱员工生命及保护生产力的角度出发，严格压裂作业从业人员的选择任用。规范安全行为，加强安全教育及操作技能的培训，使其能够按规程、标准上岗操作，减少人为操作失误，降低因不安全行为引起的事故。
③压裂施工过程中，要严格按照操作规程的要求进行，不满足安全要求的井场坚决不能作业。高、低压管汇吊装、压裂车并入管汇、砂罐车倒车等重点工序，必须由专人指挥方能进行，提高操作的准确性及可靠性，有效避免人员伤亡事故的发生。
④要消除工作环境中的有害因素，创造适合人的工作环境，从而减少人失误的可能性。
控制设备设施的不安全状态
①压裂作业生产设施，要根据施工耐压等级，确定油井压裂生产设施和专业设备的选型，抓好设备的运行检查、定期校验、日常维护保养、维修改造、报废处理等环节的管理，杜绝设备带病运行，是确保油井压裂作业安全的重要途径。
②安全检查是监测单位生产作业情况与国家、地方及企业标准不符合程度的过程，是发现危害因素的方法，是安全管理工作的重要内容。通过安全检查，掌握油井压裂生产设备的安全运行状况，确保生产安全。
③严格按标准布置井场压裂设备，配备齐全的消防设施，消除压裂现场的机械设备、化学药剂的潜在危险。
④设备的安全附件要定期校验，不符合安全标准的安全附件要及时更换或修复，以消除作业中的安全隐患。
⑤安全管理部门要依据安全检查及隐患排查结果、隐患评价及隐患分级情况，提出隐患治理计划并组织实施。
抓好安全管理和应急救援工作
①油井压裂作业单位要依据国家有关安全生产的各项法律、法规和标准，结合单位的生产经营实际，制定单位安全生产管理的各项规章制度，要及时修订或完善，并组织员工对新制度进行学习培训。
②压裂作业单位要建立与单位生产和发展相适应的安全生产管理模式，建立健全安全管理网络，并配备好安全工程师，对于改善单位的安全管理、提高单位安全生产保障能力具有良好的作用。
③抓好应急救援工作。事故应急救援能有效降低事故发生后的人员伤亡和财产损失。油井压裂作业单位应建立并不断完善油井压裂作业配套的应急救援预案，强化应急演练，提高处理事故的应急技术，储备充足的应急物资和装备设施。同时，应建立可靠的通信联络与警报系统，加强与兄弟应急救援机构的信息沟通和交流，确保在应急状况下，及时得到救助，避免大的人员伤亡和财产损失。
白羊座小叔
彭少涛 刘川庆 朱卫平 孙斌 刘学鹏
作者简介:彭少涛,男,1970年11月生,2007年获西南石油大学硕士学位,现为高级工程师、煤层气开发利用国家工程研究中心储层改造所所长,长期从事石油、天然气、煤层气勘探开发技术研究与管理工作,通信地址:北京市海淀区中关村环保科技园地锦路7号1幢,邮编:100095,E-mail:
(煤层气开发利用国家工程研究中心,北京 100095)
摘要:鄂尔多斯盆地东缘保德区块以中低阶煤为主,分布十分广阔,虽然其含气量不高,但其煤岩厚度大,渗透性好,机械强度高,具有高产潜质。目前,保德区块压裂施工中面临压裂液滤失极大,造缝不充分,加砂困难的问题,易导致施工失败,影响压裂效果。本文针对2010年压裂施工中所遇到的难题,开展了煤层气井地质与压裂施工资料的统计与分析,总结了问题的原因,提出了从优选压裂液体系、优化支撑剂组合、调整施工工艺入手的技术对策;该研究成果可为今后保德区块中低阶高渗煤层的压裂工作提供可参考的依据,从而为储量目标的完成与产能建设提供技术保障。
关键词:保德区块中低阶煤压裂技术对策
The Problems and the Corresponding Technical Strategies of Low Rank Coal Fracture in Baode Block
PENG Shaotao LIU Chuanqing ZHU Weiping SUN Bin
(China United CoalBed Methane National Engineering Research Center, Beijing 100095, China)
Abstract: Low rank coal is the main kind of coal in Baode block of Ordos Basin, which is very broadly dis- the gas content is not high, it has a high yield potential for big coal thickness, good permeability and high mechanical , it easily leads to fracturing failure for enormous filtration and insufficient fracture extension, which affect the gas production this article, aiming at the fracturing problems in 2010, we started statistics and analysis of geological and fracturing summarizing the reasons, we pres- ented some technical strategies, which include preferring fracturing fluid, proppant portfolio optimization and process research fruit in this article will provide a basis for reference of low rank coal fracture, and also offer technical support for production capacity building.
Keywords: Baode block; low rank coal; fracturing strategy
1 前言
煤层气是一种非常规的天然气资源,是成煤过程中生成的以甲烷为主要成分的各种烃类气体,经运移、散失后,仍保留在煤层和顶底板岩石中的部分。煤层中游离气很少,煤层甲烷主要以吸附状态(70%~90%)附在煤层微孔隙内表面上。煤层吸附甲烷的能力随着压力升高而增大,饱和后以游离态存在,少量溶于水中[1]。煤层的裂隙系统是煤层甲烷运移的主要通道,但其连通性差、渗透率低,难以形成具有高导流能力的通道。为了开采这种气体,必须采出大量的水,降低裂隙系统的压力,气体从煤层表面上解吸进入裂隙系统。为了使气体从裂隙系统流入井筒,必须在煤层的天然裂隙与井筒之间建立起有效的连通孔道,而产生这种连通孔道的最有效的方式是对煤层进行压裂。
2 保德区块中低阶煤特性
保德区块位于鄂尔多斯盆地东北缘,晋西挠褶带的北端;总体形态为向西缓倾的大型单斜构造,地层倾角较为平缓;构造简单,走向近北东。区内煤岩Ro介于,平均,煤阶较低,以气煤为主,次为肥煤,属于中低阶煤。虽然煤阶较低,含气量不高,但其埋藏较浅,渗透性好,具有高产潜质。
通常情况下,中低阶煤具有割理发育,渗透率较高,机械强度相对高,含气量低的特点。通过查阅相关资料,证实:
(1)保德区块煤岩割理较为发育,面割理密度在5~13条/5cm,渗透率较高,介于,一般在;
(2)根据煤芯岩石力学参数实验,弹性模量为,泊松比为;对比韩城、吉县区块(弹性模量在1355~9755,泊松比在)来说,保德区块机械强度相对高;
(3)区内发育两套主力煤层,从含气量来看:X1#煤层平均含气量为煤层平均含气量为;相比于韩城区块(约15m3/t)和大宁—吉县区块(约)来说,保德区块含气量较低。
此外,保德区块煤岩还具有其他一些特点,如:
(1)厚度大、夹矸多;保德区块主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组,煤层厚度大、分布稳定。X1#煤层平均厚,含夹矸1~5套,平均套;X2#煤层平均厚,含夹矸0~3套,平均2套;
(2)部分煤层段具有软煤岩特征;通过对保德区块测井资料统计分析发现,大部分井X1#煤层上部、X2#煤层下部呈现低密度、低电阻、高声波时差,为软煤特征。
3 保德区块中低阶煤压裂存在的问题
根据保德区块煤岩特征,结合压裂液评价实验结果,2010年优选了活性水作为保德区块主要采用的压裂液体系,并提出了大排量、大液量、射孔避开软煤层等压裂思路。
从施工情况来看,成功率仅为80%。说明2010年采用的压裂工艺不能完全满足保德区块煤层改造的需要。因此,有必要开展影响保德区块活性水压裂成功率的原因分析,并提出针对性强的技术对策,提高压裂施工成功率;同时,也为今后其他区块中低阶煤开发提供技术储备。
为了找到影响压裂成败的因素,提高施工成功率,我们对2010年压裂失败层的原因进行了分类统计(见图1)。
图1 2010年保德区块压裂失败原因分类统计
从图1可以看出,煤层因素占,主要表现为加砂困难,是影响保德区块压裂一次成功率低的主因。煤层因素涉及的面比较广,只有对其进行更为细化的分析,找到影响一次成功率的关键性因素,才能提出针对性强的压裂工艺改进措施。
渗透率高造成压裂液滤失大
保德区块渗透率较高,一般在,远高于其他区块的煤层渗透率。因此,施工成功率较低的原因很可能是压裂液滤失大,造缝效率低,引起缝内脱砂,导致砂堵失败。为了验证是否由于滤失过大造成砂堵的原因,我们引入了压后压降分析技术,通过G函数曲线计算压裂液滤失效率。
G函数压降分析法最早由Nolte[2]提出,20世纪80年代中期在国内外油田得到了广泛的应用。压后关井裂缝闭合期,压力动态在很大程度上有压裂液滤失特征以及裂缝形态所决定,所以可用来确定裂缝几何参数,压裂液滤失系数以及液体效率。图2是我们根据A井X2#煤层压后压力实时数据绘制的G函数曲线图,然后根据压力曲线的斜率可计算出排量的活性水滤失系数为×10-3m/;同理,对其他一些层的压降数据进行计算,得到其滤失系数在()×10-3m/。由此说明,保德区块采用活性水压裂滤失非常大,是造成成功率低的一个重要原因。
割理发育、煤层非均质性强造成压裂时产生多裂缝
保德区块割理发育,面割理密度为5~8条/5cm。割理发育,就会影响并局部改变煤层气藏中的地应力分布格局,水力裂缝不再是沿最大地应力方向扩展的单一裂缝,而是形成复杂的多裂缝(俗称菊花缝),难以形成主裂缝,造成地层加砂困难,易砂堵。
这是因为,煤层割理发育,割理处表现出的是一种弱面胶结,依据水力压裂人工裂缝的启裂机理是弱面破裂的理论,煤层压裂过程中将产生大量的分支裂缝,同时由于保德地区X1#夹矸较多,射孔时人为将X1#分为多段,这同时加剧了多裂缝产生的几率。
多裂缝的产生一方面消耗了驱动裂缝扩展的部分能量,另一方面将严重影响人工裂缝的宽度,造成支撑剂难以进入人工裂缝,形成砂堵。因此对于易于产生多裂缝的井,选择合适的支撑剂是压裂成功的关键。为了进一步了解保德区块压裂过程中多裂缝形成的情况,对B井和C井进行了压后净压力分析,见图4,图5。
图2 A井X2#煤层压后压降G函数曲线
图3 多裂缝形态示意图
图4 B井净压力分析
图5 C井净压力分析
通过净压力分析得到B井和C井压裂过程中多裂缝的形成趋势:
B井开缝因子:3~5条(48min~98min)
C井开缝因子:5~7条(90min~140min)
开缝因子:指有多少条平行裂缝在争夺同一开启的裂缝空间。
因此,从以上两口井的开缝因子分析,保德区块煤层气井压裂过程中多裂缝产生严重,由于多裂缝的影响,裂缝宽度较小,往往造成压裂加砂过程中砂堵。从这一点出发尝试较小粒径支撑剂,以提高压裂一次成功率。
其他因素对压裂成败影响的分析
通过对压裂煤层数据的统计发现,扩径率是影响保德煤层压裂成败的突出因素,因为出现了支撑剂堵塞的煤层平均扩径率超过20%,而未出现砂堵的煤层平均扩径率不到12%。进一步分析认为:扩径率大,反映煤质较软,压裂时容易产生大量煤粉,堵塞在裂缝前端,影响裂缝的延伸与扩展。
另外,根据压裂工艺因素(如:液量、砂比、排量等)对煤层压裂成败影响的分析,发现:施工排量的大小及其变化也是影响煤层压裂成败的重要因素。2010年,保德区块压裂的核心理念是“低伤害、大排量、大液量”,其施工排量为左右。从统计结果看,排量在以上的,施工成功率约;排量在以下的,施工成功率约,由此证明,适当增加排量可提高成功率。此外,排量的稳定性也是不容忽视的重要因素,因为在压裂过程中出现了支撑剂堵塞的压裂中,施工排量不稳定的占60%,稳定不变的占40%;而在压裂施工过程中未出现支撑剂堵塞的施工中,排量波动较大的占,排量有较小起伏的占25%,稳定不变的占。从这个情况来看,施工排量稳定也有利于减少支撑剂堵塞。
综上所述,影响保德区块煤层压裂施工成败因素如下:
(1)保德区块渗透性较好,导致低粘压裂液滤失大,造缝效率低;
(2)保德区块割理发育,煤层压裂过程中多裂缝产生严重,人工裂缝宽度狭小,“吃”砂能力弱,易产生砂堵;
(3)扩径率大,反映煤岩软,压裂时产生的大量煤粉堵塞在裂缝前端,影响裂缝的扩展与延伸;
(4)排量()偏小,导致活性水有效利用率低,携砂能力差,易引起砂堵;
(5)排量不稳定,尤其是中途停泵,必然导致沉砂,引起支撑剂堵塞。
4 保德区块中低阶煤压裂技术对策
针对上面分析的几个影响保德区块煤层压裂施工成败的因素,通过反复认真的思考,提出了相应的技术对策。
压裂液的优选
2011年采用的活性水作为保德区块煤层压裂的主体压裂液是基本可行的。但是,基于中低阶煤层具有渗透性好、滤失大以及其他方面的需求(例如,利于造缝和携砂,加大砂量,提高前置液百分数和砂比,降低滤失等),可考虑引入低伤害且具有较高携砂能力的TD-1清洁压裂液[3]。根据压裂液评价实验来看,TD-1清洁压裂液对保德区块煤芯的平均伤害率约为,可完全满足保德区块煤层压裂改造的需要。
另外,对于扩径率大的煤层,其煤岩软,压裂时产生的大量煤粉堵塞在裂缝前端,影响裂缝的扩展与延伸。针对这种类型的煤层,可在压裂液中加入煤粉分散剂,使煤粉在压裂液中均匀分布,避免其在裂缝前端聚集。从前期在韩城区块的试验情况来看,使用煤粉分散剂活性水压裂液,可有效降低施工压力,提高施工成功率。
支撑剂的优化组合
考虑到中低阶煤压裂时易形成扭曲的缝宽较窄的多裂缝形态,造成加砂困难,建议2011年保德区块煤层压裂时,加大40/70目中细砂的用量,以保证支撑剂更易被携带到裂缝的深部。同时开展小粒径支撑剂压裂试验,将目前常规的20~40目和16~20目支撑剂均缩小一个粒径等级,即用30~50目替代20~40目支撑剂,以20~40目替代16~20目支撑剂进行施工。从2010年底所做的裂缝内的支撑剂优化组合实验来看,适当降低支撑剂粒径,不会造成裂缝导流能力的明显下降。
提高施工排量,保证排量稳定性
通过排量的提升来降低相对滤失量,提高活性水携砂能力;同时,考虑到设备承受能力及井场实际情况,施工排量从提升至;此外,要求泵车在40MPa的压力下,排量能够稳定在,正常工作2小时以上。
5 现场应用
概况
截止到2011年6月20日,中石油煤层气公司综合应用上述几项压裂技术对策,在保德区块施工29井次,成功率。相比2010年的施工成功率(80%)来说,有了明显提高。从压后产气效果来看,虽然投产井数少(8口)且时间较短(不足70天),但已有4口井见气,2口井见套压,显示了良好的潜力。
应用实例
A井钻井井深750m,煤层埋深610~680m,X1#煤层厚度煤层,含气量。2011年3月,先用102枪127弹射开X1#,X2#煤层,然后以排量注入煤粉分散剂活性水879m3,加石英砂(40/70目8m3,30/50目30m3,20/40目)。压后投产55天,执行连续、稳定、缓慢、长期的排采原则,目前产气量610m3/d,且呈现出良好的上升势头。
6 认识与结论
(1)保德区块煤层渗透性好,压裂液滤失大是影响压裂成败的重要因素;
(2)保德区块割理发育,非均质性强,这些特征改变了煤层气藏地应力分布形态,使压裂时裂缝扩展呈现多裂缝形态;多裂缝的产生严重影响了人工裂缝的宽度,造成支撑剂难以进入人工裂缝,形成砂堵;
(3)优选压裂液体系,优化支撑剂组合,选择合适稳定的排量是解决保德区块煤层压裂成功率低的有效途径。
参考文献
[1]王红霞,戴凤春,钟寿鹤.2003.煤层气井压裂工艺技术研究与应用.油气井测试.12(1):51~52
[2]Economides M J,Nolte K .油藏增产技术(第三版).张保平等译.北京:石油工业出版社
[3]李曙光,李晓明等.2008.新型煤层气藏压裂液研究.2008年煤层气学术研讨会论文集.317~334
高中作文压力篇一：关于压力的作文 关于压力的作文一 几周前，我们分了提优班（A班）和培优班（B班），分到A班的，当然皆大欢喜，而分到B班的不禁黯然神伤。 几周后
眼角落下的泪 3人参与回答 2023-12-09 电力已成为现代化工业国家的基础性产业。尽管中国经济正处在工业化进程之中，中国电力行业的发展自建国以来一直受到政府的高度重视。下文是我为大家搜集整理的关于电力工技
虫虫殿下 3人参与回答 2023-12-06 证券市场是我国资本市场的重要构件，为众多的企业和投资者创造了良好的的投资和融资机会。下文是我为大家蒐集整理的关于的内容，欢迎大家阅读参考! 浅议网际网路金融对证
海天浪涛 3人参与回答 2023-12-08 选择格瑞德挖掘机厂家实习，如果您有能力，要针对要点，重点了解，去描写
光吃光吃。 3人参与回答 2023-12-09 莎士比亚以前说过：“压力是一柄双刃剑。”正确地对待压力，能够使人进步，反之，它则会成为你失败的根源。下面是我为大家精心整理的文章，希望对大家有所帮助。 【篇一】
超超越越92 2人参与回答 2023-12-12 