试验研究
煤层气井水力压裂伴注氮气提高采收率的研究
倪小明
1，2a
，贾
炳1，曹运兴
2b
（1．山西晋城无烟煤矿业集团公司，山西晋城048006；
2．河南理工大学a．能源科学与工程学院；b．安全科学与工程学院，河南焦作454000）
摘要：最大限度地提高CH 4气体初始解吸压力是提高其采收率的重要途径之一。针对我国“低压”
煤储层的临储压力比小、初始解吸压力低、活性水压裂效果不甚理想的现状，系统分析了水力压裂伴注N 2增能压裂提高采收率的机理，结合施工现场情况，设计了水力压裂伴注N 2增能压裂煤储层工艺参数。屯留井田水力压裂伴注N 2增能压裂与常规活性水压裂的临界解吸压力对比表明：水力压裂伴注N 2能提高煤层气井排采初期的临界解吸压力，在其他条件相同的情况下，一定程度上能提高煤层气井的采收率。
关键词：N 2增能；水力压裂；煤层气；采收率中图分类号：TD82；P618文献标志码：A
文章编号：1008－4495（2012）01－0001－03收稿日期：2011－05－26；2011－09－25修订
基金项目：国家自然科学基金项目（40902044）；中国博士后科学基金项目（20100480848）；河南理工大学博士基金项目（B2009－51）
作者简介：倪小明（1979—），男，山西临汾人，副教授，博士后，主要从事煤层气抽采方面的研究工作。E －mail ：nxm1979@126．com 。
对煤储层压裂改造是提高煤层气井产能的关键
技术之一。为达到良好的压裂效果，国内外研究者从煤储层特性、压裂液性能、支撑剂性能、煤储层伤害、压裂过程裂缝展布、压裂效果的影响因素等方面
进行了卓有成效的研究
［1－3］
。清洁压裂液携砂能力较强，但对煤储层的污染较严重［4］
；冻胶压裂液携砂
能力较强，
但煤储层温度低，低温破胶是其需要攻克的难题；CO 2泡沫压裂理论上能提高煤层气井采收率，但目前许多煤储层温度低，低温状态如何转化是
其主要瓶颈［5－7］
；活性水压裂液因其价格低廉、来源广、
对煤储层的污染较少而成为目前储层改造的主要方式，但活性水压裂液携砂能力较差。为了更好地研究活性水压裂液伴注N 2压裂效果，笔者以屯留井田低压煤储层为研究对象，根据煤吸附CH 4和N 2的原理，对水力压裂伴注N 2提高采收率的工艺技术进行研究。
1
水力压裂伴注N 2提高采收率的机理
N 2泡沫压裂就是利用地面的泵注设备将N 2和
泡沫液形成的稳定泡沫以高于地层吸收的速率连续
不断地注入煤层，当达到煤的破裂压力时，破裂、裂缝延伸，强化地层裂缝连通，以提高煤层的导流能力。
煤储层中未注入液氮时，设煤储层压力为p ，含气量为V c ，CH 4气体的兰氏体积为V L1，兰氏压力为p L1，根据langumuir 等温吸附曲线，临界解吸压力如下：
p 临1=
V c p L1
（V L1－V c ）
（1）
式中p 临1为CH 4临界解吸压力，
MPa 。此时，设排采时的枯竭压力为p 枯，则可计算出理论采收率：
η1=1－
p 枯（p L1+p 临1）
p 临1（p L1+p 枯）
（2）
式中η1为理论采收率。
向煤储层注入液氮后，
N 2通过煤裂隙系统进入到煤孔隙中，此时的吸附可应用多组分气体吸附理论进行分析。N 2进入煤孔隙后，
当储层压力、温度、煤变质程度一定时，煤体对CH 4、N 2的最大吸附能力是一定的。此时，可近似认为单一气体和多组分
气体的兰氏体积不变。也就是单一CH 4与N 2混合后兰氏体积不变。注入N 2后，气体未产出时，煤储层中气体的压力增加，因在同样压力下煤储层对CH 4的吸附能力大于对N 2的吸附能力，排采时可把注入N 2的量换算为CH 4体积的当量，此时CH 4的临界解吸压力可表示为
p 临2=
（V c +V cd ）p L1
（V L1－V c －V cd ）
（3）
式中：p
临2为注入N
2
后CH
4
的临界解吸压力，MPa；V
cd
为
注入N
2后换算成吸附CH
4
的体积当量增量，m3/t。
在其他条件不变的情况下，N
2
注入后，临界解吸压力的增量为
Δp
临=
V
cd
p
L1
V
L1
（V
L1
－V
c
－V
cd
）（V
L1
－V
c
）
（4）
式中Δp
临为注入N
2
后与注入N
2
前CH
4
的临界解
吸压力的差值，MPa。
从式（4）可看出，注入N
2
后引起煤吸附气体量
发生改变时，会改变CH
4临界解吸压力，煤吸附N
2
量从某种程度上决定了临界解吸压力的增量。
注入N
2后，2种气体混合，气体压力主要由CH
4
和N
2压力共同组成。设注入N
2
后N
2
的分压为p
2
，
若枯竭压力小于N
2的分压p
2
，则注入后CH
4
的采
收率几乎可达到100%；若枯竭压力大于N
2
的分压
p 2，则注入后CH
4
的采收率可近似表示为
η2=1－
（p
枯
－p
2
）（p
L1
+p
临2
）
p
临2
（p
L1
+p
枯
－p
2
）
（5）
式中η
2为注入N
2
后的采收率。
注入N
2后煤层CH
4
采收率的增量可表示为
Δη=V
L1
［V
c
p
2
p
L1
+V
cd
p2
枯
+V
cd
p
枯
（p
L1
－p
2
）］
V
c
（V
c
+V
cd
）（p
L1
+p
枯
－p
2
）（p
L1
+p
枯
）
（6）
由式（6）可知，注入N
2后由于N
2
的分压及气体
压力的增加，从一定程度上提高了排采时煤层CH
4的采收率。
2水力压裂伴注N
2
提高采收率的影响因素
水力压裂伴注N
2
能否提高采收率，关键在于注
入的N
2能否进入煤孔隙中与CH
4
气体共同占据孔
隙空间，以及占据的空间大小。
2.1煤储层特征对CH
4
采收率的影响
煤储层特征对CH
4
采收率的影响因素主要包括煤储层的吸附能力、原始孔裂隙的发育程度、压力和含气饱和度等。
1）煤储层对CH
4的吸附能力与对N
2
的吸附能
力的差值决定N
2注入过程中N
2
的吸附量，进而决
定了孔隙内部气体压力增量的大小及排采初期临界
解吸量的大小。在其他条件相同的情况下，二者吸附能力差值越小，越有利于煤对N
2
的吸附，越有利于提高采收率。
2）煤储层原始孔裂隙越发育，在其他条件相同
的情况下，N
2
容易通过裂隙系统进入到孔隙系统，
与原来煤孔隙中的CH
4共同占据孔隙空间，提高了
煤储层的气体压力及含气饱和度，排采时使临界解
吸压力和采收率提高。
3）煤储层压力越大，在其他条件相同的情况下，
导致注入N
2
时难度加大，进入煤孔裂隙相对困难，
进而影响CH
4
的采收率。煤储层的含气饱和度越
高，在其他条件相同的情况下，也会导致注入N
2
时
难度加大，影响CH
4
的采收率。
2.2施工参数及泵注程序对CH
4
采收率的影响
N
2
泡沫压裂液本身具有良好的防滤失作用，这
是由泡沫的气相和液相之间的界面张力造成的。伴
注N
2
从某种程度上弥补了活性水压裂液黏度低、携
砂能力差的不足，同时，泡沫压裂液的摩阻比水要低
40% 66%，泡沫含量越高，支撑剂携带越远，裂缝
支撑效果越好。
注入量越多，施工压力也越大，在其他条件相同
的情况下，进入煤孔隙中的N
2
量会越多，排采过程
中CH
4
的采收率提高也越多。但注入量受到施工设
备、经济因素等条件的制约。当裂缝能延伸足够远
时，在其他条件相同的情况下，注入的N
2
量越多，进
入煤孔隙中的N
2
量也越多，但注入的N
2
量受到煤
储层原始含气饱和度、CH
4
气体压力、裂缝延伸长
度、裂缝与孔隙的沟通状况、经济等条件的制约。
对特定的煤层气井而言，煤储层原始状态下的
含气饱和度、孔裂隙发育特征、压力等是基本固定
的。因此，要提高其采收率，需要根据煤储层特征，
对施工参数及泵注程序进行优化，才能使产气效果
达到最佳。
3水力压裂伴注N
2
工艺技术及现场应用
3．1水力压裂伴注N
2
工艺技术
要尽可能地提高水力压裂伴注N
2
采收率，必须
对其泵注参数进行优化。因此，在刚开始造缝时，就
泵注液氮，直到顶替液时，停止加液氮。液氮量主要
受控于水力压裂的前置液量和携砂液量、液氮的排
量及水力压裂的排量。
目前，一般6m厚的煤层，受到现场设备、采场
等条件的制约，压裂液量在600 650m3。因此，压
裂液量与煤层厚度的关系可表示为
Q
1
=100αH（7）
式中：Q
1
为水力压裂注入液量，m3；α为系数，一般
取0．9 1．2；H为煤层厚度，m。
水力压裂携砂能力弱，因此在施工时，应尽可能
地增加施工排量来弥补携砂能力的不足。目前，在施
工压力允许的前提下，排量一般为8．0 9．0m3/min，
以8．0m 3
/min 为最小排量，则可计算出水力压裂时
的注入时间：
t =100αH /8
（8）
式中t 为水力压裂泵注时间，
min 。受采场、液氮车等条件的限制，目前一般泵注N 2为100 120m 3/min ，因此可得出准备N 2量：
Q 2=1500αH
（9）
水力压裂伴注N 2施工工序包括把各种设备移至采场，连接设备并试压，水力压裂伴注N 2及测压降等工序，根据现场煤层厚度，即可设计出N 2量、水力压裂液量等。3．2
现场应用
为了验证水力压裂伴注N 2压裂效果，在此通过
对屯留井田仅使用活性水压裂液的3口井和使用活性水压裂伴注N 2的3口井的临界解吸压力和产气效果进行对比。3．2．1
屯留井田概况
屯留井田位于潞安矿区西部，总体构造形态为走向NNE —SN 向西缓倾的单斜及宽缓褶皱，同时有少量断层发育。井田内的煤层主要为山西组3#
煤层
和太原组15#煤层。其中3#
煤层平均厚度6．04m ，含气量一般为5．84 17．04m 3/t ，平均为10．52m 3
/t 。
目前开发的煤层气井的深度在500 700m 。3．2．2
煤储层和压裂基本参数
屯留井田3口井活性水压裂及3口井活性水伴注N 2的基本参数见表1。
表1
煤储层基本参数及压裂参数
井号目标煤层
煤层埋深/m 压裂厚度/m 含气量/（m 3/t ）p g /
（kPa /hm ）S g /%p tl /MPa p al /MPa 压裂液量/m 3支撑剂量/
m 3N 2量/m 315875．4812．344．1667．51．150．5355340活性水压裂25835．3514．644．1079．01．481．0654140活性水压裂3590 5.5813．438．7657．81．361．2355040活性水压裂43#6027．1513．967．3760．41．361．6254040659056005．4214．214．2075．91．431．585344069506
602
4．93
13．46
3．99
74．9
1．35
1．49
537
40
7250
注：p g 为煤储层压力梯度；S g 为含气饱和度；p tl 为理论临界解吸压力；p al 为实际临界解吸压力。
3．2．3压裂效果评价
1）两种工艺临界解吸压力对比
由表1可知，伴注N 2后，煤储层的实际临界解吸压力与理论值相比，
均有不同程度提高，说明伴注N 2压裂可以提高煤储层的临界解吸压力。
2）产气效果对比
选取活性水产气效果最好的2号井和活性水伴注N 2的5号井进行对比分析，其日产气量、动液面曲线见图1、
图2
。图1
5号井日产气量、
动液面变化曲线
图2
2号井日产气量、动液面变化曲线
由表1可知，
2号井和5号井煤储层基本参数相差不大，其中活性水压裂的2号井的含气饱和度及含气量好于5号井。从日产气量、动液面变化曲线可知，虽然2号井是单一活性水压裂中效果最好的，但其日产气量仍低于伴注N 2活性水压裂的5号井。2号井在排采103d 后开始产气，此时动液面为
477m ，排采时平均日产气量423m 3
/d 。5号井在排采40d 后开始产气，此时动液面为440m ，排采时平
均日产气量为834m 3
/d 。5号井与2号井相比，
在其（下转第7页）
使煤体发生收缩变形，一方面可以增大煤体强度，另一方面进一步增加煤层透气性，从而降低煤壁内瓦斯压力梯度，可有效防止煤与瓦斯突出。并且随着采煤工作面的不断推进，工作面前方一定范围内，总是存在卸压煤体，回采工作面超前卸压带的确定，是合理布置瓦斯抽放钻孔，加强卸压带内瓦斯抽放措施及管理的基础。通过加强预抽钻孔的管理，合理布置抽放钻孔，优化抽放参数，实现对采掘工作面前方煤体、采空区等部位的综合抽放，可以实现降低工作面瓦斯涌出量，达到安全开采的目的。
4结语
1）煤层透气性系数是决定钻孔瓦斯抽采效果的主要因素。针对单一低透气性高瓦斯突出煤层采煤工作面瓦斯抽放难题，通过分析工作面煤层区域应力分布状况及特点，认为科学合理地确定卸压带位置及宽度是实现瓦斯有效抽采和治理的关键。
2）以采场矿山压力分布规律、不同应力带钻孔瓦斯流量变化规律为主要考察内容，确定了焦作矿区目前开采条件下工作面超前卸压带宽度为15 20m，为合理布置抽采钻孔，提高瓦斯抽采效果提供了依据。
3）通过卸压带瓦斯抽采技术分析，探讨了卸压带瓦斯抽采基本原理，对下一步确定卸压带抽采钻孔布置方式、优化瓦斯抽采参数、提高封孔质量，以及有针对性的防治煤与瓦斯突出，具有较强的实践指导作用。
参考文献：
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［5］国家煤矿安全监察局．瓦斯治理经验五十条［M］．北京：煤炭工业出版社，2005．
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公司科研所，2006．
（责任编辑：熊云威
檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭
）
（上接第3页）
他储层条件相同的情况下，5号井的临界解吸压力
高于2号井，且较早开始产气，平均日产气量明显
增加。
4结论
1）水力压裂伴注N
2
增加了煤储层能量，进入
煤孔裂隙系统的N
2与CH
4
气体共同占据孔隙空间，
气体压力增高，CH
4
气体的临界解吸压力增加，同
时，在一定程度上提高了储层的导流能力。对储层能量低、含气量低、临界解吸压力低的煤层气井具有较好的增产效果。
2）伴注N
2
时气体能否进入煤孔隙是能否提高采收率的关键。受现场条件及实验条件的制约，伴
注N
2
压裂的适用性有待进一步研究及现场试验。参考文献：
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（责任编辑：卫蓉）
Vol．39No．12012MINING SAFETY&ENVIRONMENTAL PROTECTION Feb.2012
English Abstracts of This Issue
Study on Improving Coal-bed Gas Recovery Rate by Hydraulic Fracturing and Nitrogen Injection of Borehole（1）－The maximum increase of the initial desorption pressure of CH4 is one of the important ways for improving its recovery rate.To counter the present states of the lower pressure of the“low-pressure”coal reservoirs,the low initial desorption pressure and the worse hydraulic fracturing effect in our coal mines,systematic analysis was made on the mechanism of improving coal-bed gas recovery rate by hydraulic fracturing with nitrogen injection for energy accumulation,and the technological parameters of the hydraulic fracturing and nitrogen injection for energy accumulation were designed by the combination with the actual site conditions.The contrast of the hydraulic fracturing with nitrogen injection for energy accumulation with the critical desorption pressure of conventional hydraulic fracturing showed that the hydraulic fracturing and nitrogen injection for energy accumulation can improve the critical desorption pressure of the coal-bed gas boreholes at the early extraction stage and the gas extraction rate of the coal-bed gas boreholes to a certain extent under other same conditions.
Fundamental Study on Gas Drainage and Extraction from Pressure-relieved Zone of a Single Seam with Low Gas Permeability（4）－With the continuous increase of mining intensity in recent years,only depending on gas pre-drainage from the working face before mining can’t already meet the needs of safe production in a single high-gassy seam with low gas permeability and not having the condition for extraction as a protective seam.For this reason,on the basis of researching the mining impact conditions of the seam and the stress re-distribution in coal body in front of the working face and through the investigation on the rock pressure distribution regularity in stope and the varying law of hole gas flow in different stress zone, analysis and study were made on the location and width of the pressure-relieved zone by taking the coal mines of Jiaozuo Coal Mining Company as the test sites.The test results showed that the width of the advance pressure-relieved zone of the working face was15—20m,which can provide the basis for the reasonable layout of gas drainage and extraction holes and the improvement of gas drainage and extraction effect.
Numerical Simulation Research on Influence of Faults with Different Dip Angle upon Seam Floor Water Inrush（14）－This paper revealed the formation of floor water inrush channels caused by the fault structure during mining and the influence regularity of the dip angle upon the fault activation and floor water inrush by using FLAC3D numerical simulation software and simulating the influence process of the normal fault with different dip angle upon the seam floor water inrush during mining.The simulated results showed that the normal fault with smaller dip angle can more easily cause dangerous water inrush than that with larger one,so wider safety pillar against water should be remained in the actual safety design.This research result provided important reference basis for the guidance of safety work in coal mines. Experimental Study on Mineralogy Characteristics and Flotation of Limonite Ore in Western Australia（17）－Based on the study of the technological mineralogy of limonite ore and through the reverse-flotation experiments,the optimum processing flow and indices for the limonite ore in western Australia were determined,this result provided scientific basis for the exploitation and utilization of limonite deposit.The research results of the technological mineralogy showed that the Fe grade of the ore was55.91%and the magnetic susceptibility was0.4%. Fe was mainly distributed in limonite ore,with a distribution rate of98.8%.The results of flotation experiments showed that reverse-flotation technology using dodecyl amine can achieved good separation effects.When ore was ground to64.88%grinding fineness-0.074mm,pulp density was17%at23℃,the pH value of pulp was7,the dosage of dodecyl amine was600g/t and the dosage of caustic starch was1500g/t,the reverse flotation concentrate with58.01%Fe grade,83.83%Fe recovery and 2.78%SiO2content can be obtained by process of one-stage roughing reverse flotation.
Characteristics of Coal Pillar’s Loading in a Mining Induced Roadway and Its Influence upon Surrounding Rock Stress（20）－Coal pillar is an important component of roadway’s surrounding rock structure,and the width of coal pillar determines the stability of the roadway’s surrounding rock to a certain extent.The stress distribution and it’s variation laws of the coal pillars with different widths were investigated according to the geological and mining technological conditions of No.12501fully mechanized face in Cuijiazhai Mine and through the computer numerical simulation and in-situ observation,and the coal pillar’stress distribution and evolution laws were obtained.The results showed that the change of coal pillar’s width had significant influence on the surrounding rock’s stress distribution and the fracture characteristics,the maintenance of a roadway was the result of the common action the coal seam and the stress field in the coal pillar.So this research result provided basis for reasonably retaining sectional coal pillar,choosing reasonable place for mining roadway and controlling the stability of surrounding rock. Research on Froth De-dust Technology and Its Application in Heading Face（27）－The technological process of froth dedust and the installation technology of the dedust system were designed by studying the dust generation mechanism and process in the heading face and comparing the forth dedust technology with other conventional dust suppression technologies.The measured data obtained in the application of the forth dedust technology in the heading face of Xin’an Coal Mine indicated that when forth dedust technology was applied,the total-dust removal efficiency reached84.43%and the respirable dust removal efficiency reached68.85%,2.11and1.72times of the dust suppression technology by water spray respectively,so remarked dust removal effect can ensure miners’health and work safety of the mine. Using Interval Estimation to Determine Groundwater Inrush Warning Value of a Mine（30）－Based on the measurement of water discharge in a mine during2002—2007,χ2fitting examination was employed and the result showing that the mine water discharge approximately obeyed the normal distribution of x i—N （817.75,1970.92）was obtained.A confidence interval with95% confidence level for the mean value of mine water discharge was obtained though interval estimation.Then the upper limit value of this confidence interval was defined as the warning value of water inrush according to the little probability event principle.By taking the actual measurement of water discharge at a point at-500m level during1999—2000as the sample,the mean value of the mine water discharge at this measuring point was（345.033, 394.807）in the confidence interval with95%confidence level in a period of time in the case of stable geological condition and without any artificial impact,394.807m3/h was chosen as the warning value of groundwater inrush and used for judging water inrush in the working face during coal winning.This result was consistent with the actual situation.
Analysis on Gas Emission Regularity from First-mining Face in North Zhangji Mine（49）－This paper analyzed the gas source in11418first-mining working face in ZhangJi Mine, determined the coal seam gas content,the face advance speed, the gas drainage and extraction amount,the coal thickness and the coal buried depth and analyzed the relation between them and the gas emission according to relevant parameters such as the coal seam occurrence conditions in this face.The results showed that the gas emission in the fully mechanized face should include the gas emission from the coal wall,the gas emission from the gob and the gas emission in coal breaking.The gas emission in11418 first-mining face was directly proportional to the coal seam gas content,the face advance speed,the coal thickness and the coal buried depth,the gas emission assumed wave change with the increase of gas drainage and extraction amount,it increased in general,but the increasing range was not big.
Research on Coal Mine Gas Explosion Control System Based on New Cannikin Law（83）－The core idea of traditional Cannikin Law is that the shortest slab determines the capacity of a wooden tub,but this theory is not perfect.In this paper,a new Cannikin Law was proposed through the deep analysis of the loopholes in current safety management.In this new Cannikin Law,the capacity of a wooden tub was determined by the short slab,the barrel bottom and the barrel hoop.In revision process of the traditional Cannikin Law,the linkage between the tub capacity and the mine gas management was discovered by analogical thinking.The hazard source of the coal mine gas explosion was analyzed according to the principle of the safety system engineering and the theory of accident causation.Based on the new Cannikin Law,a new control system for mine gas explosion was established.
中国煤层气开采技术现状及趋势 随着经济持续发展对能源需求的日益增加和常规油气资源的日益短缺，世界各国都在积极寻找开发新的能源，以弥补常规油气资源的缺口。合理地开发煤层气资源，不仅可以大幅减少矿难事故，而且有助于减少国民经济对常规油气资源的依赖。根据最新资源评估结果，俄罗斯、加拿大、中国、美国及澳大利亚等国都跻身于煤层气大国行列，许多国家都进行了煤层气开发的有关研究，且逐渐实现了商业化开采。 煤层气是自生自储的非常规天然气，主要成分为甲烷，以吸附和游离状态赋存于煤层和围岩中，其热值与天然气相当。由于煤基质中发育有大量的微孔隙，孔径可小至0.5～1.0nm，其比表面积极大，对甲烷分子具有很强的吸附能力，而使水分子难以进入，通常煤层气只存在于地层的割理中。 当煤层气经割理流动至井底时，常常伴有大量的水产出，因而需要专门的排采设备来降低井底压力，促进煤层气解吸。煤层气在储层物性、开发机理、开发方式等方面与常规天然气有很大的不同，为提高煤层气开发的经济效益，国外对其开发技术进行了多年的研究探索，取得了显著的成就。 20 世纪80 年代，美国开始进行煤层气的勘探和开发，目前已形成世界上最成熟、最完备的煤层气开发技术体系。自此以后，加拿大、澳大利亚及我国也相继开展了煤层气的勘探开发试验研究，在借鉴美国开发煤层气成功经验的基础上，各国针对具体的煤层特点，开发了一系列新技术，如加拿大的连续油管压裂技术和水平井分段压裂技术、澳大利亚的U 型井技术及多层扩孔技术。 由于我国煤储层条件复杂，勘探开发又相对较晚，目前尚未形成规模化、商业化开采。为加快我国煤层气商业化、产业化，本文专门就煤层气井钻井技术、压裂增产技术、排水采气技术、提高采收率技术及煤层气开发数值模拟技术现状进行了介绍，对煤层气开发技术的发展趋势进行了探讨，以为业内人士参考。 1 煤层气开发技术现状 1.1 钻井技术 由于煤层气储层一般都具有低孔、低渗的特点，如果采用常规的直井开采，即使后续进行压裂作业，其单井产能依然十分有限。因此，针对煤层气储层的特点，逐渐研发形成了多分支水平井钻井技术、欠平衡钻井技术、超短半径水平井钻井技术、U 型井钻井技术及电磁波导向钻井技术等，以增加气井与煤层的接触面积，提高煤层气井的单井产能。 1.2 压裂增产技术 开发煤层气应用最为广泛的增产技术是水力压裂技术。压裂增产技术主要包括压裂液技术、压裂工艺技术、裂缝监测技术。目前，煤层气水力压裂单翼缝长可达60～150m，增产效果比较显著。 1.2.1 压裂液技术
低渗透油藏注气提高采收率评价 【摘要】随着油气田勘察工作的不断深入，低渗透难采储量在原油中所占的比重越来越大。因为渗透率较低，使得注水提高采收率受到一定的限制，由于发现了大量的气源，这就为注气提高采收率的方式提供了便利的物质基础，并且能够充分显示出注气技术的优势。本文将针对低渗透油藏的基本特点进行详细的分析，并结合我国的具体情况，提出合理的建议。 【关键词】低渗透油藏；注气；采收率 近年来，我国发现的大部分油藏，都属于低渗透的油藏。这种油藏在开采的时候非常困难，现在基本上采用注水以及衰竭式的开采方式，但是对于低渗透油藏来说，在注水方面，存在着一定的困难，对于低渗透油藏如何进行合理的开发已经成为社会越来越关注的问题。随着科技的发展和时代的进步，注气技术逐渐的被研发出来，利用注气技术可以降低低渗透油藏的开发难度，提升开采率。 1.低渗透油藏的基本特点和注气机理 1.1基本特点 （1）低孔、低渗、自然产能较低，注水困难，无法进行常规投产。 （2）原有的密度小，粘度较低，基本性质好。 （3）储层的物理性质较差，拥有大量的胶结物，分选差、颗粒较小，后生作用强。 （4）油层内混合着一定的砂泥岩，且砂层的厚度不够稳定，砂层间的非均质性较强。 （5）油层受到岩性的控制，与水动力缺乏较强的联系，边底水也非常不活跃。流体流动的时候包含非达西流动的特点。 1.2注气机理 虽然注气机理存在着诸多的论述，但是大体上基本分为三种，即非混相驱、多次接触混相和以此接触混相。多次接触混相又可以分为凝析气驱混相和蒸发气驱混相。总体来说，注气开采可以降低界面的张力，从而在驱油的时候能够达到更高的效率，最终提高整体的经济效益。 2.低渗透油藏注气方面的问题 2.1注气压力高，能力低
1注烟道气、二氧化碳驱油机理 1.1注烟道气提高采收率 由于烟道气驱的成本较氮气驱高，因此发展缓慢。近年来随着人们对环境治理力度的加大以及原油价格的上涨，烟道气驱油技术又有了发展的空间。因为如果考虑环境效益，烟道气驱要比氮气驱经济划算。所以烟道气近年来也得到了较好的发展。 1.1.1烟道气驱提高采收率机理 烟道气通常含有80%～85%的氮气和15%～20%的二氧化碳以及少量杂质，也称排出气体，处理过的烟道气，可用作驱油剂。烟道气的化学成分不固定，其性质主要取决于氮气和二氧化碳在烟道气中所占的比例。烟道气具有可压缩性、溶解性、可混相性及腐蚀性。根据烟道气中所含气体的组成，提高采收率机理主要是二氧化碳驱和氮气驱机理。 1.1.1.1二氧化碳机理 由于烟道气中二氧化碳的浓度不高，所以不容易达到混相驱的要求，主要是利用二氧化碳的非混相驱机理。即降低原油黏度、使原油膨胀、降低界面张力、溶解气驱、乳化作用及降压开采。由于二氧化碳在油中的溶解度大，在一定的温度及压力下，当原油与CO2接触时，原油体积增加，黏度降低。CO2在原油中的溶解还可以降低界面张力及形成酸性乳化液。CO2在油中的溶解度随压力的增加而增加，当压力降低时，饱和了CO2的原油中的CO2就会溢出，形成溶解气驱。与CO2驱相关的另一个开采机理是由CO2形成的自由气饱和度可以部分代替油藏中的残余油[18]。 1.2.1.2氮气驱机理 注氮气提高采收率机理主要有：(1)氮气具有比较好的膨胀性，使其具有良好的驱替、气举和助排等作用；可以保持油气藏流体的压力；(2)氮气可以进入
水不能进入的低渗透层段，可降低渗透带处于束缚状态的原油驱替成为可流动的原油；(3)氮气被注入油层后,可在油层中形成束缚气饱和度，从而使含水饱和度及水相渗透率降低，在一定程度上提高后续水驱的波及体积；(4)氮气不溶于水，微溶于油,能够形成微气泡，与油水形成乳状液，降低原油黏度，提高采收率。 氮气与地层油接触产生的溶解及抽提效应，一方面溶解效应使原油黏度、密度下降，改善原油性质，使处于驱替前缘被富化的气体黏度、密度等性质接近于地层原油，气—油两相间的界面张力则不断降低，在合适的油层压力下甚至降到零而产生混相状态，在这种状态下，注氮气驱油效率将明显提高；另一方面，抽提效应使原油性质变差，这种抽提作用在油井近井地带表现更明显、更强烈。 烟道气驱更适用于稠油油藏、低深透油藏、凝析气藏和陡构造油藏。 1.2注CO2提高采收率 在各种注气方式中，注二氧化碳提高原油采收率的研究已经进行了几十年，特别是近年来，随着技术进步和环境要求的需要，二氧化碳驱显得越来越重要，包括我国在内的很多国家都开展了注二氧化碳驱的现场实验。 1.2.1 CO2驱油机理 将CO2作为油藏提高采收率的驱油剂已研究多年，在油田开发后期，注入CO2，能使原油膨胀，降低原油粘度，减少残余油饱和度，从而提高原油采收率，增加原油产量。CO2能够提高原油采收率的原因有： （1）CO2溶于原油能使原油体积膨胀，从而促使充满油的空隙体积也增大，这为油在空隙介质中提供了条件。若随后底层注水，还可使油藏中的残余油量减少。 （2）CO2溶于原油可使原油粘度降低，促使原油流动性提高，其结果是用少量的驱油剂就可达到一定的驱油效率。 （3）CO2溶于原油能使毛细管的吸渗作用得到改善，从而使油层扫油范围扩大，使水、油的流动性保持平衡。 （4）CO2溶于水使水的粘度有所增加，当注入粘度较高的水时，由于水的流动性降低，从而使水油粘度比例随着油的流动性增大而减少。 （5）CO2水溶液能与岩石的碳酸岩成分发生反应，并使其溶解，从而提高
目录 1、泡沫压裂的基本概念 (3) 2、泡沫压裂的发展及应用 (3) 3、影响泡沫压裂的因素 (4) 3.1 选择合适的起泡剂 (4) 3.2 添加适当的稳定剂 (4) 3.3 提高液相的粘度 (4) 3.4 使气相与液相均匀混合 (4) 3.5 温度与起泡剂浓度 (4) 4、泡沫压裂液体系的性能评价 (5) 4.1 流变性能 (5) 4.2 滤失性 (5) 4.3 携砂性 (5) 5、泡沫压裂的特点 (6) 6、山西沁水盆地煤层气井设计思路 (6) 6.1 TS41-02井压裂施工设计（低密+co2） (7) 6.1.1 压裂液和支撑剂选择 (7)
6.1.2 施工参数及泵注程序 (7) 6.2 TS41-03井压裂施工设计 (9) 6.2.1 压裂液和支撑剂选择 (9) 6.2.2 施工参数及泵注程序 (10) 6.3 TS41-05井压裂施工设计 (11) 6.3.1 压裂液和支撑剂选择 (11) 6.3.2 施工参数及泵注程序 (12) 6.4 TS52-07井压裂施工设计 (14) 6.4.1 压裂液和支撑剂选择 (14) 6.4.2 施工参数及泵注程序 (14) 6.5 TS52-08井压裂施工设计 (16) 6.5.1 压裂液和支撑剂选择 (16) 6.5.2 施工参数及泵注程序 (17)
1、泡沫压裂的基本概念 泡沫压裂是指在常规压裂液的基础上加入起泡剂，氮气或者二氧化碳气体，形成泡沫从而组成以气相为内相、液相为外相的低伤害压裂液体系的压裂过程。泡沫压裂液属于较为复杂的非牛顿液体，它的性质，流动行为和特征受到许多可变因素所控制。气体泡沫质量(在给定温度和压力下，气体体积占泡沫体积百分比)多为50%～70%，泡沫质量小于52%时为增能体系，一般用作常规压裂后的尾追液，以帮助压后残液的返排;气泡质量大于52%时，内相气泡颗粒小，稳定性好，半衰期(从泡沫中分离出一半液体所需要的时间)长，分布均匀，流动时气泡与气泡相互接触，相互干扰，使其黏度大，携砂能力强，可以用于压裂液。 2、泡沫压裂的发展及应用 泡沫压裂液早在20世纪70年代就在美国率先得到应用，1982年以后就有了较大发展。泡沫压裂液研究大致可以分为四个阶段:70年代所用的第一代泡沫压裂液，主要由盐水、酸类、甲醇、原油、氮气和起泡剂配制而成，由于泡沫稳定性差并且寿命短，而且携砂浓度只有120～240 kg/m3，所有仅适用于浅井小规模施工；80年代所使用的第二代泡沫压裂液由盐水、起泡剂、聚合物(植物胶)、稳泡剂和氮气或二氧化碳组成，它的泡沫稳定性好并且半衰期长、黏度大，携砂浓度可达480～600 kg/m3，适用于各类油井压裂施工；90年代的第三代泡沫压裂液由盐水、起泡剂、聚合物、交联剂、氮气或二氧化碳组成，由于它是用交联冻胶体作为稳泡剂，所以气泡分散得更均匀、稳定性更强、粘度更大，携砂浓度大于600 kg/m3，因此适用于高温深井压裂施工；90年代后的第四代泡沫压裂液在组成上与第三代比较类似，但更强调内相气泡的分布和体积的控制，具有更好的抗温耐剪切性、半衰期更长、粘度更大、携砂能力更强的特性，携砂浓度可以达到1440kg/m3以上，加砂规模可达到150吨以上，能够满足大型加砂压裂施工的要求。我国对泡沫压裂液的研究与应用开始于20世纪80年代后期。在1988年辽河油田进行了氮气泡沫压裂液施工后，1997年吉林油田也引进二氧化碳泡沫压裂液设备进行了油层吞吐以及二氧化碳助排压裂的应用，由此拉开了我国泡沫压裂液研究及应用的序幕。1999年长庆靖安油田对陕28、陕11和陕156等油气井进行二氧化碳泡沫压裂液施工，获得油气无阻流量7.7×104m3/d、56.6×104m3/d和15.4×104m3/d，增产效果比较明显；2000年江苏油田对GX1、W2-3、SN20三口油井进行二氧化碳泡沫压裂液施工，GX1井和W2-3井自喷返排率高达78.78%和86.97%，而
浅析煤层气与常规天然气储层强化方式异同 目前我国的煤层气资源相对十分丰富，完全可以与常规天然气相媲美，煤层气的用途很广泛，可以作为工业、发电等燃料。本文主要分析了煤层气与常规天然气的储层特点，根据其储层特点的异同，深入探究了煤层气与常规天然气储层强化方式的异同。 标签：煤层气；常规天然气；储层特征；储层强化方式 煤层气是近十几年来在国际上兴起的新兴能源，我国目前对于煤层气的开发十分重视，常规天然气的开发已经有了很成熟的科学技术，我国正在积极将开采常规天然气的完善的技术应用到开采煤层气的过程中，煤层气和常规天然气都是优质的能源，需要我们人类合理地开发利用。 1 煤层气与常规天然气储层的异同点 煤层气是常在煤层中出现的吸附在煤粒上或者在煤之间游离的烃类气体，是随着煤出现的矿产资源，属于优质能源，被划分为非常规天然气。常规天然气是勘探人员通过勘测后发现的，由传统的常规油气开发出来的天然气，因此被称为常规天然气。 1.1 煤层气与常规天然气储层的相同点 煤层气与常规天然气的气体主要成分大体相同，煤层气中甲烷的含量高达百分之九十五，而常规天然气的成分也以甲烷为主。它们的主要用途也是相同的，两种气体都是优质的能源和化工原料，供人类使用。 1.2 煤层气与常规天然气储层的不同点 1.2.1 成藏过程与富集机制不同 煤层气的来源是煤层，其活动范围也在煤层，不依附于其他因素进行移动；常规天然气的来源是烃源岩，且大部分会通过其他因素转移到储集岩中。影响煤层气聚集的主要因素是水势，煤层气会随着水势流向产生向心流动机制，所以一般煤层气聚集的地方在地下水中，同时地下水上层存在着地层压力系统，对煤层气的储藏有很大的作用。 1.2.2 储集特征不同 煤层气的储集形式是以分子团的状态吸附于煤的空隙内，所以其依附的煤层决定着煤层气储集的密度，常规天然气的储集形式主要是以游离的气体状态聚集在储层的间隙中，储层的间隙大小决定着常规天然气储集的密度。
煤层气井钻井完井技术浅议 蒋作焰 【摘要】：煤层在储层物性、机械力学性质及储集方式等方面具有与常规油气储层不同的特征；这些特征决定了煤层气井钻井、取心、完井及储层保护诸技术的特殊性。据此，我们从钻井完井工程的角度分析了现有技术存在的问题和制约煤层气开发效果的主要因素。研究并形成了一整套煤层气井的取心技术、储层保护技术和完井技术。这套技术应用于中国多个煤层气试验开发区，不仅满足了地质评价的需要，也为实现煤层气工业性开采起到了积极推动作用。 【关键词】：煤层气钻井技术完井技术 【作者】：蒋作焰2006年毕业于长江大学石油工程专业，中原石油勘探局钻井一公司工程师。
前言 煤层气又称煤层甲烷,是一种优质高效清洁能源。凭借良好的安全效益、环保效益和经济效益，煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛的关注。我国煤层气资源十分丰富,但是目前我国的天然气勘探开发还处于起步阶段。中原钻井通过多年的攻关研究和试验，形成并掌握了一整套适合煤层气的钻井完井工艺技术，其内容包括：煤层造穴技术、连通技术、煤层井眼轨迹控制技术、水平分支井技术、充气欠平衡钻井技术、煤层绳索取心技术、煤层气完井技术、煤储层保护技术、煤层气井完井技术等。 一、煤层气井钻井完井的特殊性 煤层气钻井完井技术是建立在煤层地质力学性质及开采要求基础之上的。煤层具有不同于其他储层的特殊地质特性表现在以下几个方面： 1、井壁稳定性差，容易发生井下复杂故障。 煤层机械强度低，裂缝和割理发育，均质性差，存在较高剪切应力作用。因而煤层段井壁极不稳定，在钻井完井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻甚至埋掉井眼等井下复杂。 2、煤层易受污染，实施煤层保护措施难度大。 煤层段孔隙压力低且孔隙和割理发育，极易受钻井液、完井液和固井水泥浆中固相颗粒及滤液的污染；但在钻井完井过程中，为安全钻穿煤层，防止井壁坍塌，又要适当提高钻井液完井液的密度，保持一定的压力平衡。这就必然会增加其固相含量和滤失量，加重煤层的污染。因此，存在着防止煤层污染和保证安全钻进的矛盾，从而使实施煤层保护较油气层更为困难。 3、煤层破碎含游离气多，取心困难。
压裂液的特点与适用范围 一、水基压裂液 水基压裂液是以水作为分散介质（溶剂），再添加多种添加剂配制而成的一种压裂液。按稠化方式和稠化程度不同分为水基冻胶压裂液、线性胶压裂液和活性水压裂液。 1、水基压冻胶裂液 主要由水、稠化剂、交联剂和破胶剂配制而成。 特点：粘度高，可调性好，易于控制，造缝性能好，携砂能力强；摩阻低，滤失量小，耐温、耐剪切能力好，能在指定的时间内破胶排液，配制材料货源广。 适用范围：除少数低压、油润湿，强水敏地层外，适用于大多数油气层和不同规模的压裂改造，可以完成高温、高压、深井、超深井、高砂比、大砂量等高难度压裂作业。 2、线性胶压裂液（稠化水压裂液） 以稠化剂和表面活性剂配置而成的粘稠性水溶液。 特点：粘度较低，携砂性能差，降滤失性能略好，有一定造缝能力。 适用范围：主要用于压裂防砂、砾石充填、低温（小于60℃）、浅（小于1000）井的压裂改造；或用于低砂量、低砂比的煤层气或不携砂注水井压裂。 3、活性水压裂液 加有表面活性剂的低粘水溶液。
特点：粘度几乎为零，滤失量大，依靠大排量可以携带较少支撑剂。 适用范围：适用于浅井低砂量、低砂比的小型解堵压裂和煤层气井压裂。 二、油基压裂液 以就地原油或柴油作为分散介质与各种添加剂配制而成的压裂液称为油基压裂液。 稠化剂：磷酸酯 交联剂：铝酸盐 特点：粘度较高、耐温性能较好、携砂能力较强、对储集层伤害较小。 缺点：价格昂贵、施工困难、易燃。 三、泡沫压裂液 泡沫压裂液是指在水力压裂过程中，以水、线性胶、水基冻胶、酸液、醇或油作为分散介质，以气体作为作为分散相（不连续相），与各种添加剂配制而成的压裂液。 按分散相类型不同，泡沫压裂液体系可以分为氮气泡沫压裂液、二氧化碳泡沫压裂液和空气泡沫压裂液。 优点：粘度高，携砂和悬砂性能好，摩阻损失小、滤失量小，液体效率高、在相同液量下裂缝穿透深度大；含水量小，密度低，气体膨胀能力强，易于压后返排，对油层污染小。 缺点：温度稳定性差，使用范围受到限制，由于井筒气—液
晋城职业技术学院矿业工程系 毕业设计 煤层气的钻井 系别矿业工程系 指导老师梁逸群 学生姓名王珂 专业班级12煤1班 答辩时间 成绩
晋城职业技术学院矿业工程系学生毕业论文 摘要 煤层气又称煤层甲烷或煤矿瓦斯，是一种以吸附状态赋存于每层中的非常规天然气，甲烷含量大于90%，凭借良好的环保效益、经济效益和社会效益，是天然气最现实的接替能源。因此，煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛关注。我国煤层气资源储备十分丰富，但目前我国煤层气的勘探开发尚处于起步阶段。通过多年的攻关研究和实验，我国煤层气开采企业已经形成并掌握了一整套适合煤层气的钻井工艺技术。本文就国内外煤层气勘探与开发的现状，系统地分析了目前我国用于煤层气开发的钻井设备与钻井技术，介绍了部分钻井工艺。 关键词：：煤层气，钻井，钻井技术，完井技术。
晋城职业技术学院矿业工程系学生毕业论文 目录 1.世界煤层气资源分布 (1) 2.国外煤层气开发利用现状及技术理论 (1) 2.1国外煤层气开发利用现状 (1) 2.1.1美国 (1) 2.1.2加拿大 (2) 2.1.3澳大利亚 (2) 2.1.4俄罗斯 (3) 2.2国外煤层气勘探开发、利用的理论与技术 (4) 2.2.1勘探开发理论 (4) 2.2.2煤层气开发技术 (5) 3.国内煤层气开发利用现状及主要技术分类 (6) 3.1国内煤层气资源分布情况 (6) 3.2国内煤层气开发利用现状 (7) 4.煤层气钻井完井技术浅谈 (8) 4.1煤层气井钻井完井的特殊性 (8) 4.2煤层气井钻井技术 (9) 4.2.1煤层造穴技术 (9) 4.2.2井眼轨迹控制技术 (10) 4.2.3水平井与洞穴井连通技术 (11) 4.2.4多分支水平井技术 (11) 4.2.5充气欠平衡钻井技术 (11) 4.2.6煤层绳索取心技术 (12) 4.2.7煤层气防塌技术 (12) 4.2.8煤储层保护技术 (12) 4.3煤层气井完井技术 (13) 4.3.1煤层气固井储层保护技术 (13) 4.3.2防腐蚀固井技术 (14) 结论 (15) 参考文献 (16)
注二氧化碳与氮气提高石油采收率技术的对比研究与应用 本文描述了我国提高采收率的发展现状，以及适合注CO2与N2的筛选标准。讨论了注CO2提高油气藏采收率的机理，并对注CO2与注N2提高采收率两者做了比较。评价了不同注入CO2与N2的驱替效果，结果表明：中轻质油藏适合注CO2驱油，而埋藏较深的，重力驱气顶油藏和凝析气藏适合注N2。 标签：采收率发展现状CO2驱N2驱混相驱非混相驱 1 我国提高采收率的发展现状 针对我国大多数油田是陆相沉积的特点，在石油行业大力发展提高石油采收率技术，特别是目前比较成熟的化学驱取得了飞速发展。如聚合物驱油已形成完整的配套技术，并已在大庆、胜利等大油田工业性推广；复合驱油技术获得重大突破，先导性试验获得成功。同时也暴露出一些生产实际问题，为今后技术的发展提出了新的研究课题。 在微生物采油技术方面，开展了多项工作：微生物地下发酵提高采收率研究，生物表面活性剂的研究，生物聚合物提高采收率的研究。注水油层微生物活动规律及其控制的研究。目前辽河油田、胜利油田、新疆油田等油田均在开展室内研究与应用。 气体混相驱研究相对较晚，与国外相比还有很大差距。随着西部油田的开发，安塞世界级气田的发现，长庆注气混相驱和非混相驱被列入国家重点攻关项目。吐哈油区的葡北油田注烃混相驱矿场试验得以启动，大大推动了我国混相驱提高采收率技术的快速发展。 总体上来看，世界范围内的EOR工程在20世纪80年代处于高峰期，而后略有下降，90年代末又稍有回升。进入21世纪，EOR工程的数量仍大幅度减少。但随着勘探费用上涨、勘探难度加大以及目前高油价的形势， 终将再一次刺激EOR工程数量的增加和技术研究的热潮。 2 适合注CO2与N2的筛选标准 很多文献中已经给出了CO2和N2的筛选标准见表（1）、表（2）。 表1，表2的适用性虽然很广泛，但是仅仅表明了油气藏是否适合注CO2进行驱替，没有考虑适合CO2混相驱的油藏必须尽快达到混相压力。CO2所需最小混相压力要比N2，烟道气，天然气的混相压力小，由于这种压力限制，所以CO2混相驱对浅层有较好的开发效果。混相压力随着油藏深增大而增大，当原油密度大于0.9218g/m3时则不适用于CO2混相驱，从表中还可以看出当原油密度小于0.8251g/m3，埋藏深度小于762m时也不适合CO2混相驱。除此之外
煤层气井出水 截至2010年底，全国累计完成煤层气（煤矿瓦斯）抽采量为88亿立方米，但利用量仅为36亿立方米（地面14.5亿立方米和井下73.5亿立方米），抽采和利用率均较"十一五"规划目标差距较大。而按照规划，到2010年底，全国煤层气抽采量应达100亿立方米，利用量达80亿立方米。 2011年，煤层气（煤矿瓦斯）抽采量115亿立方米，利用量53亿立方米，同比分别增加36.7%和51.4%。其中，井下瓦斯抽采量92亿立方米，利用量35亿立方米，同比增加22.7%和52.2%；地面煤层气产量23亿立方米，利用量18亿立方米，同比增加54.7%和47.5%。2012年全国煤层气产量125亿立方米，利用总量52亿立方米，不足国内天然气利用量的4%，且未完成产量155亿、利用量80亿的年度目标. 1根据国外煤层气长期开发的成功经验，煤层气的排采生产过程一般分为3 个阶段a. 排水降压阶段生产初期阶段，需进行大量排水，使煤储层压力下降。当储层压力下降到临界解吸压力以下，气体才能开始产出。这一阶段所需的时间，取决于煤层气地质条件和储层特征等因，当地质储层条件相同时，则取决于排水速度。 b. 稳产阶段随着排水的继续，气产量逐渐上升并趋于稳定，出现产气高峰，水产量则逐渐下降。该阶段持续时间长短取决于煤层气资源丰度和储层的渗透性特征。 c. 产量递减阶段当大量气体已经产出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，尽管排水作业仍在继续，气产量和水产量都在不断下降，该阶段延长的时间较长，可达10 a 之久。 2.压裂工程对地下含水层的影响 煤层气井增产强化工程主要包括射孔和水力压裂两部分，压裂作业是最有可能对地下水造成影响的环节。由煤层气产出机理和开发工程分析可知，压裂在近井地带形成一条高导流能力的裂缝，为煤层水和煤层气提供一条顺畅的通道，加速排水降压及煤层气的产出。煤层气压裂主要是使裂缝沿煤层延伸，以保证最大泄流面积及最大产气效果。垂向上，煤层气井压裂缝在目标煤层附近的区域产生一定的高度，从而造成煤层顶板含水层的破坏；横向上，由于煤层气井的服务年限一般较长，长期排采会导致目标煤层中的水大量产出。在构造或水文地质条件较复杂的地区，压裂作业可能会以各种方式影响目标煤层附近的地层，导致煤层气井排采时对邻近地层的含水性造成一定程度的影响。 3 山西沁水盆地南部太原组煤储层产出水氢氧同位素特征 所采集的地表水15号煤层顶板灰岩水、煤层气井排出水和15号煤层水的氢氧同位素数据均分布在我国大气降水线附近, 氢氧同位素组成也均在我国大气降水的氢氧同位素组成范围内。说明地表水、煤层顶板灰岩水、煤层气井排出水和15号煤层水的原始来源均为大气降水, 受大气降水补给。排采15号煤的煤层气井排出水是煤层水和煤层顶板灰岩水的混合水。15号煤储层和顶板灰岩之间存在较强的水力联系,煤层在排水过程中接受灰岩水的大量补给。
潞安屯留区块煤层气酸化泡沫压裂技术研究 王黎，陈 波，李伟慧 （中原石油工程有限公司井下特种作业公司，河南濮阳476100） 摘要：针对潞安屯留区块煤层储层改造存在的问题，通过对本区块煤层特征进行分析研究，对压裂液及支撑剂进行优选、对压裂设计进行优化，并采取加入预前置酸和氮气泡沫压裂的措施，从而解决了煤层压裂施工中存在的渗流通道堵塞、压裂液难返排、压裂效果不理想的一些问题，在保证了煤层压裂施工成功的同时也提高了煤层气的产量，不仅为本区煤层气开发提供帮助，更对全国的同类煤层储层的改造开发具有借鉴意义。关键词：煤层；预前置酸；氮气泡沫压裂doi:10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.010中图分类号：TE357.2 文献标识码：A 文章编号：1673-5285（2015）04-0033-04 *收稿日期：2015－03-05 山西潞安屯留区块山西组3#煤层，本区裂隙较为发育，煤层气资源丰富，但煤层压力低、渗透率低、临储比低、机械强度低、储层温度低、吸附能力强，显微裂隙发育程度比同煤级好、 扩散系数比同煤级大，为典型的过渡孔为主低渗低压储藏。因此，追求高煤层气产量有着相当大的难度。 在压裂施工中，因煤层相对砂岩储层杨氏模量较低、 泊松比较高、裂隙发育、大量煤粉、煤屑的存在加之地层污染和套管限压的因素，给压裂施工造成一定的困难。为此，针对本区块煤层特征进行分析研究，通过加入预前置酸，溶解了充填物，沟通了渗流通道，降低了施工压力。同时泡沫还具有很好的降滤失作用，可减少入井液量，返排快，伤害低，携砂浓度高，导流能力高，为以后煤层气的研究开发提供了有力的技术支持。 1压裂液优选与评价 1.1各压裂液体系对煤岩的伤害对比 压裂液性能的好坏直接关系到压裂施工的成败及 压后增产效果，压裂液性能不好,容易造成脱砂，形成“砂丘”，导致压裂施工失败。若进入煤层的压裂液与煤层的主体不配伍，对煤层造成伤害，势必减少煤层气的产量。因此，必须对煤层压裂液进行研究和评价，尤其 是评价各压裂液体系对煤层的伤害程度与其携砂性能，并最终优选出适合本区煤层压裂改造的压裂液体系。通过试验得出各压裂液体系对煤岩的伤害结果汇总表（见表1 ）。表1各液体体系对煤岩的伤害结果对比表 由表1可知：胍胶压裂液和清洁压裂液对煤岩的伤害率很大，不能作为本区煤层压裂改造的压裂液，氮气泡沫压裂液和活性水压裂液对煤岩的伤害率较小，可选用其作为本区煤层压裂改造的压裂液，故从伤害率上看，可以选用氮气泡沫压裂液和活性水压裂液。1.2各压裂液体系携砂性能对比 活性水压裂液和氮气泡沫压裂液对石英砂的携砂性能在实验室进行了试验测定，具体情况（见表2 ）。对不同粒径的支撑剂在28℃活性水压裂液和泡沫压裂液中的沉降实验表明，在活性水中的沉降速度远大于在泡沫压裂液中的沉降速度，且在泡沫压裂液中的沉降速度均小于0.5cm/s ，说明泡沫压裂液对支撑剂具有良好的悬浮作用和携带能力，可将支撑剂带至裂缝远端，提高了有效支撑缝长度，同时使裂缝铺砂剖 液体类型活性水压裂液氮气泡沫压裂液清洁压裂液胍胶压裂液对煤岩的伤害率 3.2% 8% 26% 81% 石油化工应用 PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION 第34卷第4期2015年4月 Vol.34No.4Apr.2015
江汉油田注氮气提高采收率研究 张书平何建华 摘要本文从氮气性质、氮气注入对原油性质的影响等方面着手，探讨了注氮气提高采收率机 理；总结了氮气非混相驱筛选标准；通过注氮气提高采收率室内实验，进行注氮气影响因素及配套工艺技术研究；最后介绍了黄场油田黄16 井区注氮提高采收率研究及水气交替注氮现场试验情况。 关键词氮气；提高采收率；非混相驱；水气交替 一注氮气提高采收率机理 1氮气性质 在常温常压下，N2 为无色无味的气体。N2 的临界温度为-146.80 ℃，熔点为-209.89 ℃，沸点为-195.78 ℃，临界压力为3.398MPa。当压力为0.1MPa，温度为0℃时，N2的密度为1.25kg/m 3，动力粘度为0.0169mPa.s。N2化学性质极不活泼，在常态下表现出很大的惰性。它不易燃烧、干燥、无爆炸性、无毒、无腐蚀性。 氮气的密度随压力升高而增加，随温度的升高而降低。氮气粘度总的趋势是随压力升高而升高；氮气的粘度受温度的影响较小。 氮气在水中的溶解性很微弱；含盐量越高，溶解度越小；压力增加，氮气的溶解度提高。氮气在原油中的溶解性也较弱，且对轻质原油的溶性比对重质原油好。 氮气与二氧化碳、烟道气等气体相比，具有以下特点：①、在相同压力、温度条件下，氮气的压缩系数比二氧化碳、烟道气大。②、氮气对大多数液体的溶解性差，对原油的降粘作用比二氧化碳效果差。③、氮气是惰性气体，而二氧化碳、烟道气具有腐蚀性；④、氮气气源充足且价廉，且氮气无需特殊处理，注入流程简单，副作用少，易于实施。因此注氮气开采油气技术越来越受到重视并得到迅速发展。 2注氮气对原油性质的影响 当氮气注入油层时，它与地层油接触，产生溶解- 抽提传质过程，氮气被富化，导致气- 油两相间的界面张力则会不断降低；而地层原油性质因溶解氮气或逐渐失去轻烃和中间组分而发生变化。 通过对黄35-1 井潜43原油体系进行注入氮气对原油性质的影响实验研究，得出以下结论：①、随着氮气注入比例的增加，重质组分比例越来越少，原油越来越轻。②、在饱和压力下地层原油粘度、密度明显下降。③、地层原油体积膨胀能
煤层气高能气体压裂技术简介 目录 1．前言 (1) 2．煤层气高能气体压裂原理 (2) 3．煤层气多级脉冲加载压裂技术 .................................... 1..0 4．工艺设计研究. (11) 5. 现场试验...................................................... 1..2. 6．技术服务费（基本费用） ........................................ 1..3
/ 、八 1．前言 我国是世界上煤炭生产和消费大国 ,煤层气资源储量非常丰富。但煤气层为低渗透率、低压力、低含水饱和度，富含煤层气的煤田大都具有构造复杂、煤体破坏严重、软煤发育、高塑性和煤层渗透率极低等特点，开发难度较大。目前提高煤层渗透率主要有洞穴法和水力压裂法，主要包括：垂直井套管射孔完井、清水加砂压裂、活性水加砂压裂、洞穴完井等工艺；应用空气钻井,氮气泡沫压裂 ,清洁压裂液、胶加砂压裂 ,注入二氧化碳，以及欠平衡钻井、欠平衡水平钻井和多分支水平井钻井完井技术等技术[1-5]，以提高煤层气井产量和采收率，积累了很多经验。但从煤层气改造看，至目前还缺少适合我国煤层气有效开发的较成熟的技术。针对煤气层的地质特点及开发现状，在分析了高能气体压裂技术研究的基础上，提出并开展了煤层气多级脉冲加载压裂开发技术的试验研究与应用。 高能气体压裂技术是利用固态、液态火药或推进剂在油层目的层快速燃烧产生的大量高温高压气体，对地层脉冲加载压裂，使地层产生并形成多裂缝体系，同时产生较强的脉冲震荡作用地层基质，综合改善和提高地层渗透导流能力，扩大有效采油（气）范围，以达到提高产量的目的。其特点是 :能在地层产生不受地应力约束的多裂缝体系，有利于沟通天然裂缝，扩大泄流面积，同时产生较强的脉冲震荡传播作用有利于改变地层岩性基质微错动变化，沟通基质通道，延伸地层深处，提高了地层渗透性，提高了油气井产量。目前主要应用油层改造，而且对地层无污染，有利于储层保护。 与常规水力加砂压裂相比，高能气体压裂能够减小对煤储层造成水敏性污染，而且裂缝的延伸方向不受地应力控制、可形成多裂缝体系，成本也低，不伤害煤层。因此，此项研究对探索适合我国煤层气有效开发的新技术具有重要的现实意义和应用前景。 高能气体压裂技术目前在油田上已经得到了较广泛的推广应用，产生了明显的经
试验研究 煤层气井水力压裂伴注氮气提高采收率的研究 倪小明 1，2a ，贾 炳1，曹运兴 2b （1．山西晋城无烟煤矿业集团公司，山西晋城048006； 2．河南理工大学a．能源科学与工程学院；b．安全科学与工程学院，河南焦作454000） 摘要：最大限度地提高CH 4气体初始解吸压力是提高其采收率的重要途径之一。针对我国“低压” 煤储层的临储压力比小、初始解吸压力低、活性水压裂效果不甚理想的现状，系统分析了水力压裂伴注N 2增能压裂提高采收率的机理，结合施工现场情况，设计了水力压裂伴注N 2增能压裂煤储层工艺参数。屯留井田水力压裂伴注N 2增能压裂与常规活性水压裂的临界解吸压力对比表明：水力压裂伴注N 2能提高煤层气井排采初期的临界解吸压力，在其他条件相同的情况下，一定程度上能提高煤层气井的采收率。 关键词：N 2增能；水力压裂；煤层气；采收率中图分类号：TD82；P618文献标志码：A 文章编号：1008－4495（2012）01－0001－03收稿日期：2011－05－26；2011－09－25修订 基金项目：国家自然科学基金项目（40902044）；中国博士后科学基金项目（20100480848）；河南理工大学博士基金项目（B2009－51） 作者简介：倪小明（1979—），男，山西临汾人，副教授，博士后，主要从事煤层气抽采方面的研究工作。E －mail ：nxm1979@126．com 。 对煤储层压裂改造是提高煤层气井产能的关键 技术之一。为达到良好的压裂效果，国内外研究者从煤储层特性、压裂液性能、支撑剂性能、煤储层伤害、压裂过程裂缝展布、压裂效果的影响因素等方面 进行了卓有成效的研究 ［1－3］ 。清洁压裂液携砂能力较强，但对煤储层的污染较严重［4］ ；冻胶压裂液携砂 能力较强， 但煤储层温度低，低温破胶是其需要攻克的难题；CO 2泡沫压裂理论上能提高煤层气井采收率，但目前许多煤储层温度低，低温状态如何转化是 其主要瓶颈［5－7］ ；活性水压裂液因其价格低廉、来源广、 对煤储层的污染较少而成为目前储层改造的主要方式，但活性水压裂液携砂能力较差。为了更好地研究活性水压裂液伴注N 2压裂效果，笔者以屯留井田低压煤储层为研究对象，根据煤吸附CH 4和N 2的原理，对水力压裂伴注N 2提高采收率的工艺技术进行研究。 1 水力压裂伴注N 2提高采收率的机理 N 2泡沫压裂就是利用地面的泵注设备将N 2和 泡沫液形成的稳定泡沫以高于地层吸收的速率连续 不断地注入煤层，当达到煤的破裂压力时，破裂、裂缝延伸，强化地层裂缝连通，以提高煤层的导流能力。 煤储层中未注入液氮时，设煤储层压力为p ，含气量为V c ，CH 4气体的兰氏体积为V L1，兰氏压力为p L1，根据langumuir 等温吸附曲线，临界解吸压力如下： p 临1= V c p L1 （V L1－V c ） （1） 式中p 临1为CH 4临界解吸压力， MPa 。此时，设排采时的枯竭压力为p 枯，则可计算出理论采收率： η1=1－ p 枯（p L1+p 临1） p 临1（p L1+p 枯） （2） 式中η1为理论采收率。 向煤储层注入液氮后， N 2通过煤裂隙系统进入到煤孔隙中，此时的吸附可应用多组分气体吸附理论进行分析。N 2进入煤孔隙后， 当储层压力、温度、煤变质程度一定时，煤体对CH 4、N 2的最大吸附能力是一定的。此时，可近似认为单一气体和多组分 气体的兰氏体积不变。也就是单一CH 4与N 2混合后兰氏体积不变。注入N 2后，气体未产出时，煤储层中气体的压力增加，因在同样压力下煤储层对CH 4的吸附能力大于对N 2的吸附能力，排采时可把注入N 2的量换算为CH 4体积的当量，此时CH 4的临界解吸压力可表示为 p 临2= （V c +V cd ）p L1 （V L1－V c －V cd ） （3）
doi:10 3969/j issn 1006 6896 2010 07 011 氮气泡沫调驱技术研究与实践 由艳群 大庆油田采油工程研究院 摘要:针对大庆油田老区注入水无效循 环问题,开展了氮气泡沫调驱技术研究。首 先进行氮气泡沫层内封堵机理研究,针对不 同渗透率储层,筛选了3套配方体系,讨论 了影响氮气泡沫质量的因素;并利用H QY -3型多功能物理模拟装置测定了氮气泡沫 调剖的各参数。非均质岩心实验表明,氮气 泡沫驱能提高油田采收率,在改善大庆油田 聚驱后油藏的开发效果方面效果明显。 关键词:泡沫;控制水窜;稳定性;阻 力因子 大庆油田老区已进入到特高含水期开采阶段, 注入水窜流严重。依靠化学深、浅调剖改善注水井 吸水剖面,提高采收率的效果逐年变差。为控制产 水,降低含水上升速度,提高油井产油量,开展了 注泡沫控制水窜技术研究[1-2]。泡沫不仅具有显著 的选择性封堵的特点,而且具有明显的提高驱油效 率的作用,能明显控制水窜。 1 泡沫剂体系及封堵机理 氮气泡沫驱替液主要由发泡剂、稳泡剂和水组 成,本文研制了3种氮气泡沫驱替液。从表1中可 以看出,氮气泡沫驱替液的表界面张力要比纯水低 得多,这主要是因为氮气泡沫驱替液含有大量的表 面活性剂分子[3]。根据Gibbs原理,系统总是趋向 较低表面能的状态,低表面张力可使泡沫系统能量 降低,有利于泡沫的稳定。 表1 泡沫驱替液的组成和性质 名称发泡剂 浓度/ % 稳泡剂 浓度/ m g L-1 发泡 体积/ mL 半衰期/ h 表面 张力/ m N m-1 界面 张力/ mN m-1 SW-10 33048028 625 30 27 SW-20 370047551 725 60 30 SW-30 5150047515925 70 32 泡沫剂注入地层后,在氮气驱替作用下形成泡沫,该泡沫体系能有效封堵高渗透层,迫使后续液体转向含油饱和度高的部位驱替原油,从而提高波及系数[4]。 泡沫剂是一种表面活性剂,能降低油水界面张力,提高驱油效率;在含油饱和度高的油层部位,泡沫剂易溶于油,不起泡,也不堵塞孔隙孔道,能提高洗油效率。 2 物理模拟实验 评价泡沫在岩心中的封堵能力实验装置采用一维单管模型,实验时单管模型水平置于恒温箱内,单管模型长30cm,直径2 5cm。 (1)最佳气液比优选。气液比对氮气泡沫的质量影响明显,从气液比对封堵性能影响实验表明, 3种泡沫剂体系的最佳气液比都在11~21之间(见表2)。 表2 不同体系的最佳气液比优选 气液比 阻力因子 WT-1W T-2W T-3 实验条件1266 672 2109 6 11100 0123 4154 8 32100 8128 6151 3 2199 6123 2146 4 3172 886 189 6 T=45! P=1 0M Pa K=1 05 m2 V=4m L/min (2)注入方式确定。氮气泡沫调剖的注入方式有两种,一是气和泡沫剂交替注入,二是气和泡沫剂同时注入。室内实验表明,气液混注效果明显好于气液交替注入,在气液交替注入中,交替的频率越高,交替段塞越小,阻力因子越大,泡沫封堵效果越好(见表3)。 表3 注入方式筛选实验 注入方式 基础 压差/ M Pa 工作 压差/ M Pa 阻力 因子 实验条件气、液混注0 066 42107 气、液交 替注入 0 5PV液1PV气0 064 7579 16 1PV液2PV气 0 064 2270 33 气液比21,加 1M Pa回压,注入速 度2mL/min (3)注入速度确定。从不同注入速度产生的阻力因子看,在低注入速度下,随注入速度的增加,泡沫产生的阻力因子增大(见表4)。在现场应用时,为扩大油层纵向波及体积,应在低于地层破裂压力下,尽量提高注入速度。 表4 氮气泡沫调剖注入速度对封堵效果的影响注入速度/ mL min-1 基础压差/ M Pa 工作压差/ M Pa 阻力 因子 实验条件 0 50 02251 54668 7 1 00 026 2 2787 3 1 50 0295 2 90898 6 3 00 0403 9498 5 4 00 0424 18299 6 浓度:0 5% T=45! P=1 0M Pa 气液比=11 K=1 02 m2 21 油气田地面工程第29卷第7期(2010 7)
2.4 煤层水力压裂技术 2.4.1 水力压裂技术的机理 水力压裂是在石油天然气工业中成熟的，用以提高油、气井生产能力的技术。在美国已经把它应用到好几个煤田的瓦斯排放工作中（杜尔，1989）。它的基本原理是：选定压裂的煤层后在地面上用泵产生高压水流，从钻孔进入煤层，把煤层中原有的裂缝撑开，继续压入水流，使煤层中被撑开的裂缝向四周发展，与此同时，在水中加入筛过的沙子，把它当作支撑剂，送进煤层中被撑开的裂缝里，当压裂结束，压裂用水返排后沙子仍然留在煤层中支撑开的裂缝中。水力压裂造成瓦斯流动的通道从钻孔底部向四周延伸到一百多米远的地方。使煤层的钻孔排放瓦斯范围扩大，因而瓦斯涌出量也增加。 煤层内天然裂缝对水力压裂是有影响的。主要的天然裂缝是垂直于煤层层面的。井下实际观察资料表明，水力压裂所造成的裂缝多数是垂直于煤层层面，其方向与重要的天然裂缝平行，偏差不过10°。它们常常与次裂缝的方向垂直。但是在335.28m深的钻井内，压裂的压力超过地层的垂直覆盖的压力时，也可以在，煤层内造成平行于煤层层面的水平裂缝。 煤层与顶、底板岩层的接触面对压裂的裂缝也会有影响，对压裂孔作井下实地观测表明压裂形成的裂缝通常是在煤层内，或者是沿煤层与顶、底板接触面而发展，也不垂直进入岩层，这可能是因为接触面的机械强度比较弱，阻力比较小。 在美国依州六号煤层内，为了增加压裂液携带沙子的能力，使用轻型胶液作为压裂液在煤层形成的压裂裂缝最长达126.8m。压裂使用泡沫做压裂液，携带沙子，也能得到比较长的压裂裂缝。相距152m、305m的钻孔在压裂中沟通，证明泡沫压裂能造成比较长的裂缝。 压裂压力与煤层所受地压力之差值影响压裂裂缝的宽度，差值越大，宽度越大，反之则相反。压裂液的流量与它的黏度对裂缝的宽度也有影响，用黏性较大的胶液，压裂流量为1.59m3/min时产生的裂缝有63.5mm宽；用黏性小的压裂液时，同样的压裂流量，产生的裂缝宽度只有3.2~9.5mm。用黏性大的胶液再加一些防止流失的附加剂作为压裂液时，虽然压裂流量只有1.23m3/min，也能造成127mm宽的裂缝。显然，压裂液的黏度比压裂液注入的速度对裂缝宽度的影响更为重要。 压裂中使用的沙子是用以支撑压裂所造成的裂缝。10~40目的沙子是标准支撑材料。在煤层内沙子的理想分布应是均匀地分布在裂缝中各个部分。但当压裂结束后，压裂用水返回时，会将部分沙子携带到钻孔底部，形成回流现象。压裂刚完时，煤层内压力大，压裂液回流速度大，携带沙子的能力强，回流的沙子也多。 水、胶状水及泡沫式常用的几种压裂液，它们各有优缺点。胶状水已经在21次压裂中使用过。它是水与植物胶的混合物，用它携带沙子及减少水分流失。泡沫压裂液是水、氮气、泡沫剂及沙子的混合物。它比胶状水有好些有点，它可以减少压裂液在煤层