低密度支撐劑在煤層氣壓裂中的使用

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用匯報(bào)人：侯風(fēng)崗北京奧陶科技有限公司2013年1月11日1匯報(bào)提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術(shù)特點(diǎn)五.針對(duì)韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟(jì)效益分析2

我國煤層氣研究起于上世紀(jì)八十年代；九十年代初，引進(jìn)美國的地面抽采技術(shù)和國內(nèi)天然氣開采技術(shù)獲得突破。九十年代中后期，以壓裂改造為核心技術(shù)的煤層氣勘探取得較快發(fā)展。煤層氣勘探開發(fā)研究取得一批重大科研成果。本世紀(jì)初，以晉煤集團(tuán)和中聯(lián)公司為代表的煤層氣開發(fā)在沁南地區(qū)獲得巨大成功，極大地推動(dòng)了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí)，多分支水平井技術(shù)也獲得了成功，更加促進(jìn)了該區(qū)煤層氣地面抽采的發(fā)展。目前，沁南地區(qū)累計(jì)完成各類煤層氣地面抽采井3000余口，煤層氣年產(chǎn)能力超過20億m3，實(shí)際產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到10億m3/年。繼沁南煤層氣地面抽采成功后，山西柳林、臨興、保德，寧武、陽泉、鄉(xiāng)寧，遼寧鐵法、阜新，安徽淮南、淮北，陜西韓城、銅川、吳堡，四川古藺等地區(qū)煤層氣勘探相繼獲得突破，部分地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)性開發(fā)。我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正迎來一個(gè)朝氣蓬勃的春天。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用前言1.1煤層氣產(chǎn)業(yè)——朝氣蓬勃3

80%產(chǎn)能不理想：自從美國在煤層氣、頁巖氣有所突破后，我國也積極響應(yīng)，煤層氣的勘探和開發(fā)研究也進(jìn)行了20年，打了將近上萬口井，表面看好像我們已完全掌握了煤層氣的開采技術(shù)，但80%的井產(chǎn)出的氣不具備工業(yè)產(chǎn)能，直接影響了我國煤層氣事業(yè)的發(fā)展。

存在技術(shù)瓶頸：一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的突破有可能直接會(huì)改變一個(gè)區(qū)塊能否具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值，甚至?xí)淖円粋€(gè)行業(yè)的發(fā)展前景。

壓裂是關(guān)鍵：從地質(zhì)勘探、儲(chǔ)量評(píng)價(jià)，以及鉆井、測(cè)井、錄井、完井等工藝借鑒石油行業(yè)的成果已基本掌握，但我們認(rèn)為在壓裂的認(rèn)識(shí)中仍存在問題。

攻堅(jiān)克難：

1.思想不夠開放；

2.低密度支撐劑技術(shù)沒有掌握，沒有得到大膽應(yīng)用，所以直接造成許多井產(chǎn)量低下甚至不出氣的情況。本文不對(duì)其他方面討論，只針對(duì)煤層氣的特點(diǎn)，如何應(yīng)用超低密度支撐劑進(jìn)行探討和研究。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用前言1.2煤層氣產(chǎn)能——存在瓶頸4匯報(bào)提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術(shù)特點(diǎn)五.針對(duì)韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟(jì)效益分析5

S1S2S3水力壓裂典型施工曲線a—致密巖石b—微裂縫高滲巖石pF—破裂壓力pE—延伸壓力pC—閉合壓力pS—地層壓力pH—停泵壓力超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.1壓裂

簡(jiǎn)介6

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.2煤層壓裂裂縫形成的控制因素1）煤巖本身的巖石力學(xué)性質(zhì)2）地應(yīng)力，不同構(gòu)造部位煤層與褶皺中和面的位置關(guān)系（局部構(gòu)造地應(yīng)力）3）割理、孔隙系統(tǒng)，先存裂隙4）煤層埋深5）溫度,在深井中也會(huì)對(duì)破裂

壓力造成影響6）壓裂施工作業(yè)參數(shù)，如施工

規(guī)模和施工排量等，也可以在一定程度上改變裂縫形狀。7）控縫高壓裂技術(shù)，通過上浮式和下沉式導(dǎo)向劑在裂縫的頂部和底部形成人工遮

擋層，阻止裂縫中的壓力向上下傳播，繼而達(dá)到控制裂縫在高度方向上進(jìn)一步

延伸的目的。人工裂縫方位：裂縫面垂直于最小主應(yīng)力方向δz

最小時(shí)→水平裂縫δy或δx﹥?chǔ)膠時(shí)→垂直裂縫7

裂縫形態(tài)主要包括裂縫的長度、寬度、高度及走向長度：隨著裂縫寬度的增加，裂縫長度將受到限制。寬度：壓裂裂縫的寬度與其彈性模量成反比。方位：同一盆地沒有明顯的方向性，但是存在著在某一方向裂縫出現(xiàn)機(jī)率相對(duì)較大的現(xiàn)象。裂縫形態(tài)4種類型：水平縫、垂直縫、先水平縫后垂直縫、兩翼不對(duì)稱縫(一翼為垂直縫，一冀為水平縫)。形態(tài)復(fù)雜的例如“T”、“工”，‘爪’型裂縫。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.3.1煤層裂縫形態(tài)及擴(kuò)展規(guī)律8一般首先在井筒附近產(chǎn)生不規(guī)則水平縫，然后隨著裂縫的進(jìn)一步延伸，有的井產(chǎn)生水平縫，有的井產(chǎn)生垂直縫。裂縫的高度超過壓裂層厚度的4倍，最高達(dá)到6倍，一般在2~4倍。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.3.2煤層裂縫形態(tài)及擴(kuò)展規(guī)律9

壓裂用支撐劑可大致分為天然的與人造的兩大類。前者以石英砂為代表，后者則是通常稱之為陶粒的支撐劑。

在油氣增產(chǎn)市場(chǎng)上廣泛使用六種價(jià)格不同的標(biāo)準(zhǔn)支撐劑，它們是天然石英砂、人造的中等強(qiáng)度低密度的硅酸鋁支撐劑（陶粒砂）、人造的中等強(qiáng)度高密度的氧化鋁和硅酸鹽支撐劑、高強(qiáng)度的鋁礬土和高強(qiáng)度的硅酸鋯支撐劑、以及涂敷預(yù)固化涂層、可固化涂層樹脂的天然砂或人造支撐劑和超低密度支撐劑。目前在煤層氣壓裂中主要是使用石英砂。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.4支撐劑的分類10

優(yōu)點(diǎn)a）適用于低閉合壓力的各類儲(chǔ)層；b）相對(duì)密度低，便于施工泵送。施工中減少泵和設(shè)備以及施工管線、管柱在井口內(nèi)和井口部位磨蝕；c）圓、球度較好的石英砂破碎后成少小碎塊狀，但仍可保持一定的導(dǎo)流能力；d）價(jià)格便宜，資源豐富。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.5石英砂的優(yōu)缺點(diǎn)

缺點(diǎn)a）石英砂抗壓強(qiáng)度低，開始破碎壓力約為20MPa，不適合在中、高閉合壓力的壓裂層中使用；b）石英砂抗壓強(qiáng)度低，破碎后的碎屑造成微粒運(yùn)移、堵塞、嵌入、壓裂液的傷害（濾餅和殘?jiān)┘胺沁_(dá)西流動(dòng)、時(shí)間等因素的影響，大大降低導(dǎo)流能力，甚至降低到原來的1/10或更低一些。111）煤層的楊氏模量低，波松比大，壓裂時(shí)形成短、寬裂縫，影響壓裂效果。且井眼的坍塌和大量煤粉的產(chǎn)生都給壓裂和排采造成不利的影響。2）煤層氣儲(chǔ)層一般呈低壓、低溫狀態(tài)，會(huì)給壓裂液的破膠和返排造成特殊困難。3)

煤層氣賦存機(jī)理不同于天然氣，其中90%吸附在煤層中，開采前需要降壓解吸過程。4)

因煤層比較軟，容易發(fā)生支撐劑嵌入現(xiàn)象，以及近井地帶出現(xiàn)嚴(yán)重的脫砂。5)

煤層中有天然裂縫存在，且壓裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生多裂縫和復(fù)合裂縫，易造成壓裂液嚴(yán)重濾失，引起煤層空隙的堵塞和基質(zhì)的膨脹進(jìn)而降低煤層的滲透率，影響造縫效果。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用2.6煤層氣井壓裂的難點(diǎn)12匯報(bào)提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術(shù)特點(diǎn)五.針對(duì)韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟(jì)效益分析13不管壓裂液的缺陷還是石英砂在煤層氣壓裂中的不足，如果用超低密度支撐劑，所有問題都迎刃而解?？墒牵瓉硭械难芯慷技性趬毫岩汉蛪毫压に嚨母倪M(jìn)上，但都沒有真正意義上的突破，很少針對(duì)煤層氣的壓裂支撐劑進(jìn)行深入研究。一方面是大家一致有個(gè)慣性思維，認(rèn)為超低密度支撐劑生產(chǎn)工藝復(fù)雜，難以在技術(shù)上有所突破，（國內(nèi)生產(chǎn)密度低于1.25的基本上沒有）。另一方面，認(rèn)為價(jià)格太高（殼牌在中國煤層氣行業(yè)用過，每噸18000元），不適合煤層氣低成本戰(zhàn)略。鑒于此，我們聯(lián)合西南石油大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、北京能源科技股份有限公司進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，針對(duì)煤層氣的特點(diǎn)和壓裂出現(xiàn)的問題，吸收國外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了OT-1和OT-2型超低密度支撐劑，為中國煤層氣的開發(fā)技術(shù)產(chǎn)生了革命性的突破。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用三

研究超低密度壓裂支撐劑對(duì)煤層氣壓裂的意義14匯報(bào)提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術(shù)特點(diǎn)五.針對(duì)韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟(jì)效益分析15

超低密度壓裂支撐劑在國內(nèi)外都處于發(fā)展階段，BJServices公司已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道和商業(yè)產(chǎn)品，但是其應(yīng)用還處于推廣階段，國內(nèi)無商業(yè)產(chǎn)品且相關(guān)研究極少。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.1超低密度壓裂支撐劑的研究方向和方法研究方向：超低密度支撐劑的研制首先在骨料選擇，一定要有一定的強(qiáng)度且比重較輕。研究方法：我們?cè)诖罅康膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)煤層儲(chǔ)層的特點(diǎn)，以及壓裂裂縫不同的充填部位，選用了兩種骨料：

多孔陶粒：選用特殊的鋁礬土添加一些添加劑，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)增加它的強(qiáng)度而成。

堅(jiān)果殼顆粒：選用優(yōu)質(zhì)堅(jiān)果，經(jīng)過粉磨、篩選而成。

16多孔陶粒測(cè)試參數(shù)超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制17

堅(jiān)果殼具有較高的強(qiáng)度：堅(jiān)果殼顆粒因?yàn)槎嗫资杷衫w維材料,而利用硬度較高的高分子材料填充其疏松纖維孔隙，能增加材料的密實(shí)性并賦予材料較高的強(qiáng)度。堅(jiān)果殼的主要化學(xué)組分：纖維素，多戊糖，木素等，這些組分中的酚型單元、醛基結(jié)構(gòu)以及醇羥基均可以與醛類、酚類、異氰酸酯類等發(fā)生縮合反應(yīng)。酚醛樹脂在受熱或酸性條件下，羥甲基之間、羥甲基與苯酚或取代苯酚的鄰位、對(duì)位可發(fā)生縮聚，交聯(lián)成硬度高的體型高聚物。

堅(jiān)果殼與樹脂的相容性：酚醛樹脂又能與堅(jiān)果殼中存在的反應(yīng)型基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使堅(jiān)果殼與樹脂間的相容性變好，且樹脂內(nèi)的苯環(huán)又賦予復(fù)合材料更高的剛度。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制18

處理過的多空陶粒和堅(jiān)果殼顆粒參數(shù)：OT-1型（堅(jiān)果殼顆粒）超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制19處理過的多空陶粒和堅(jiān)果殼顆粒參數(shù)：OT-2型（多孔陶粒）超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制20

從以上測(cè)試結(jié)果看，在滿足煤層氣壓裂條件下，密度大大降低。新型支撐劑有“低密高強(qiáng)高滲透

防砂防嵌防返吐”的特點(diǎn)，具體如下：

1.表面的高韌高強(qiáng)材料，可將原來顆粒點(diǎn)與點(diǎn)接觸，變成小面積的接觸，分散了作用于顆粒上的負(fù)荷，從而使顆?？蛊扑槟芰μ岣摺?/p>

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點(diǎn)21

2.堅(jiān)果殼可以因其含有大量的親水基團(tuán)，如羥基、醚鍵，極易吸水而膨脹，且易水解。包敷環(huán)氧樹脂后，減少了空隙和低分子物質(zhì)，使其耐水性大大增強(qiáng)。浸漬酚醛樹脂的堅(jiān)果殼48小時(shí)后吸水能力由包敷前的30.45%降到6,58%。

3.由于在支撐劑表面包敷了一層高強(qiáng)度樹脂，這樣即使壓碎了包敷在內(nèi)的支撐劑，外邊的樹脂層仍可以將碎塊、顆粒包裹在一起，而不遷移堵塞支撐帶的空隙，使裂縫有較高的導(dǎo)流能力。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點(diǎn)22

4.根據(jù)地層溫度，可有選擇性匹配調(diào)整覆膜的樹脂性能參數(shù)，這個(gè)樹脂膜比較薄，以至于在裂縫中的接觸壓力下就能使它粘合在一起，形成一個(gè)寬度較大的充填層。這種支撐劑可以說是唯一不嵌入地層的支撐劑。

加上一定的施工工藝，同時(shí)可以有效地防止壓裂液的濾失，也可以解決煤層氣排采時(shí)最頭疼的煤粉問題，有效阻止煤粉進(jìn)入裂縫，在近井地帶，同樣可以防止支撐劑的返吐。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點(diǎn)23

5.超低密度壓裂支撐劑因是真正的低密度，在活性水的輸送下幾乎是全部懸浮的。輸送距離遠(yuǎn)：能夠到達(dá)裂縫的最遠(yuǎn)端；充填縫隙多：裂縫的上半部分可以全部充填，避免了石英砂只沉淀到裂縫下部的缺陷，增大了裂縫支撐體積；支撐裂縫長：根據(jù)Stoke定律，尺寸大小同樣為20/40目條件下，密度為1.25g/cm3的支撐劑在液體中的最終沉降速度比石英砂低4倍,計(jì)算機(jī)模擬和應(yīng)用實(shí)例都說明,低密度支撐劑產(chǎn)層覆蓋性好,使用低密度支撐劑進(jìn)行水力壓裂的支撐裂縫更長。

生產(chǎn)周期長：因裂縫的最遠(yuǎn)端得到支撐劑的支撐，使煤層氣井的生產(chǎn)周期得到延長，使原來的3-5年提高到5-10年,最終獲得幾倍的效益。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點(diǎn)246.超低密度壓裂支撐劑外面包敷的樹脂膜耐酸、耐堿，適合所有煤層氣層。7.由于覆膜后，該支撐劑憎水，煤粉不粘結(jié)，對(duì)煤層氣、設(shè)備摩阻降低，自然提高支撐劑的導(dǎo)流能力。

一口煤層氣井投資200多萬，如果這口井因?yàn)閴毫研Ч患炎兂傻彤a(chǎn)井，那將造成巨大的損失；進(jìn)一步對(duì)這個(gè)區(qū)塊的評(píng)價(jià)造成負(fù)面因素，直至放棄。

如果對(duì)這些低產(chǎn)井進(jìn)行改造，使用超低密度支撐劑重復(fù)壓裂，救活低產(chǎn)井，使它具有工業(yè)氣流，那么對(duì)煤層氣行業(yè)的發(fā)展將起到不可估量的作用。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點(diǎn)25匯報(bào)提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術(shù)特點(diǎn)五.針對(duì)韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟(jì)效益分析265.1韓城區(qū)塊的特點(diǎn)

5.1.1孔隙度低

韓城地區(qū)煤層氣吸附量大但孔隙度低，普遍<7%，區(qū)塊煤孔隙度介于0.4-0.67%，孔隙度演化未能隨構(gòu)造變形程度增加而加大，韓城地區(qū)因低空隙因素，不利于煤層氣的解吸與開采，因此，必須在壓