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非常规天然气储层改造技术调研报告

第一节煤层气垂直井压裂系统的设计与实现

煤层气俗称煤层瓦斯气，以游离自由态、吸附态和溶解态三种状态赋存于煤层中，主要以吸附态吸附在煤的微孔隙壁表面上。近年来由于资源问题的日益严重，开发煤层气的速度明显加快，但同时也暴露出一些问题必须加以重视，以期能在短时间内加以解决，为下一步的开发提供思路与方向。

一、系统总体结构设计

1、煤层气与常规天然气的差异

煤层气与常规天然气有很大的差异，主要表现为下面几点：

(1)储气机理不同。煤层气以吸附态吸附在煤的微孔隙壁表面上，而天然气是以游离态储集在其他岩石的孔隙中。

(2)产气机理不同。如图4-1-1所示，煤层气的产气机理是排水降压，当地层压力下降到解吸压力以下后形成解吸压降漏斗，在解吸压降漏斗内解吸-扩散-渗流-产气，煤层气几乎是在一个大气压力或以下生产的，因此只有解吸以后才能产气。天然气一开井就形成生产压差。只要生产压差大于启动压差就可以产气，因此天然气不解吸就可以生产。

图4-1-1煤层气降压解吸示意图

(3)储集岩石物性不同。煤层气储集在煤系岩石的微孔隙壁面上，天然气储集在煤系岩石以外的沉积岩石的空隙中。

(4)开采的流体性质不同。煤层气是在低温低压条件下开采。浅层的天然气也是在低温低压条件下开采，其压力和温度都比煤层气高，而深层的天然气则是在高温高压条件下开采。

(5)驱替机理不同。煤层气的驱替机理是气驱水；天然气的驱替机理是水驱气。

(6)煤层割理中含有水。如果煤层气没有达到饱和或储层中压力在临界压力之上，就必须使其开始产水，即脱水，使压力降到临界压力下使其开始解吸。

由于煤层气的以上特性，所以想要达到理想的施工效果必须进行压裂施工。

2、煤层气压裂的目的

煤层气进行压裂主要目的有以下几点：

(1)更有效地将煤储层的天然裂缝系统与井筒连通起来：

(2)避免井筒附近的地层伤害；

(3)广泛分配井筒附近的压降，从而减少煤粉的生成：

(4)增加产能及加速脱水。

煤层气压裂的机理是通过高压驱动液流，将液流挤入煤层原有和压裂后出现的裂缝内，使这些裂缝变宽、变长，进而在煤中产生更多的次生裂缝和裂隙，以增加煤层的渗透率。

3、煤层气施工特性

由于煤层与其他地层存在差异．因此在压裂施工时会与一般施工不同，主要表现如下：

(1)同一井孔揭露多煤层，各煤层间的距离可能极小，也可能极大。压裂时可将距离近的煤层合并处理，较远的分别单独处理。因此，在同一井孔要实施多次压裂。

(2)煤层微裂隙和割理十分发育，压裂液滤失严重，易出现砂堵，因此施工难度大。

(3)煤层井下模拟结果表明，压裂产生的裂缝比预料的更为复杂，可能出现水平裂缝与垂直裂缝构成的组合裂缝即T形裂缝，这给施工带来困难。

(4)凝胶对储层的伤害较严重。由于煤层气存在压力系数低、温度低、孔隙度低、渗透率低等特性，且储层具有特殊的组成、润湿吸附性和多孔介质体系，对压裂液的伤害敏感性反应较大。

(5)煤层的杨氏模量较常规的砂岩杨氏模量小，易形成较宽的水力裂缝，而煤层的闭合压力一般较低，近井筒处的支撑剂易返出。

(6)与天然气在常规地层中的储集不同，煤层甲烷在煤层中的储集主要依赖于吸附作用，而不依赖于是否有储集天然气的圈闭存在。要准确预测煤层气井产量并对压裂施工效果进行经济评价，必须进一步研究和改进现有的方法。

4、煤层气压裂的高压力

煤层压裂所需压力比其他常规储层所需压力高出许多，特别是压裂早期出现高压，最大处理压力梯度相当高。产生高处理压力的根源是：压裂漏失严重，使孔隙压力恢复；多级裂缝的产生；煤屑；煤的活化作用使得压裂液粘度提高。由于煤屑超前于压裂液，使得裂缝端部堵塞。因此，煤屑是压裂效果不好的主要原因。因此在对煤层气储层进行压裂施工的过程中应注意以上差异。

5、系统总体结构设计

煤层气垂直井压裂优化系统主要由压裂液选择系统、支撑剂选择系统、泵注参数优化系统和辅助系统4部分组成。压裂液优选模块包括添加剂优选、稠化剂优选、黏土稳定剂优选、表面活性剂优选和压裂液配方。通过这些配方的性能比较，进而对其进行优选。在对各种配方优选的基础上，得出各种压裂液的配方。支撑剂优选模块包括性能评价和支撑剂优选，在评价各种支撑剂性能的基础上，对支撑剂进行优选。压裂泵注参数优化模块包括加砂程序选择模块和施工排量液量选择模块，通过对不同储层渗透率选择基础上，得出不同砂比、液量及排量等参数。辅助系统的设置能更好地了解该系统的操作及煤层气垂直井压裂的一般常识，便于操作。系统基本结构框架如图4-1-2所示。

图4-1-2煤层气垂直井压裂优化系统

二、系统实现的关键技术

1、压裂液优选系统

压裂液优选主要是通过对添加剂、稠化剂、黏土稳定剂、表面活性剂的性能评价因素分析的基础上，建立各自的评价指标，以C#开发语言，根据模糊综合评价原理，分