第 3 卷 第 1期 2006 年 1 月
中国煤层气 CHINA COALBED METHANE
Vo1 3 No 1 Jan. 2006
煤层气井水力压裂裂缝导流 能力实验评价
王春鹏 张士诚 王 雷 唐怀轶
102249)
崔伟香
( 中国石油大学 , 北京
摘
要: 本文主要围绕煤层气井压裂裂缝导流能力实验评价展开介绍 。煤层气井水压裂裂缝导流
1 实验仪器及实验条件
本次煤层导流能力试验所使用的仪器及相关实 验条件如表 1。
表1 项 目 实验条件及仪器 内 容
实验仪器 实验流体 实验温度 最大闭合压力 支撑剂类型
FCES- 100 导流仪 2% 的 KCL 溶液 50 50MPa 石英砂 ( 10/ 20、 20/ 40 目 )
2 实验方法
图 7 煤片发生0 MPa)
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Smith D M , Williams F L. Diffusional effects in the recov ery of methane from coalbeds. SPE, 1984: 529- 535 张 新 民 , 张 遂安 等 . 中 国的 煤 层甲 烷 . 陕 西西 安 : 陕西 科学技术出版社 , 1991: 29- 76 宋 景 远. 煤 层 气 井 压 裂 液 与 支 撑 剂. 探 矿 工 程, 1996 第 6 期 : 55- 57 罗山强等 . 影响煤 层井 产能 因素初 步研 究 . 断块 油 气田 , 1997 4 ( 1) : 42- 46 G S Penny and M W Conawy Laboratory T ests To Deter mine Parameters for Hydraulic Fracturing. SPE21812 郑秀华 , 夏柏如 . 压 裂液 对煤层 气井 导流能 力的 损 害与保护 . 西部探矿工程 , 2001 ( 1) 中国石油 天然气 总公司 . 压裂支 撑剂 充填层 短期 导 流能力评价 推荐 方法 . 中 华人民 共和 国石油 天然 气 行业标准 , 1997 年 12 月 31 日
图3
不同压裂液浓度导流能力对比图
较大 , 硬度较小 , 所以支撑剂颗粒在煤层的嵌入情况 比在砂岩中严重。此外, 在支撑剂发生嵌入的同时 还伴有支撑剂颗粒的破碎, 这两种情况都将导致裂 缝导流能力的降低。 ( 1) 破碎对导流能力的影响 图 4 是根据 API 标准 [ 7] 进行支撑剂导流能力评 价实验测得的 20/ 40 目石英砂的破碎率。从图中可 以看 出, 当 闭合 压力 小于 40 MPa 时, 铺砂 浓度 为 10 kg/ m2 与 5 kg/ m2 时的破碎率相差不大, 当闭合压 力大于 40 MPa 时, 铺砂浓度为 10 kg/ m 的破碎率明 显增大 , 而铺 砂浓度为 5 kg/ m 的曲线趋 于平缓。 由此可见, 当闭合压力大于 40 MPa 时, 单纯地增大 铺砂浓度并不能降低破碎率, 铺砂浓度越大破碎率 反而越大。当闭合压力大于 40 MPa 时 , 铺砂浓度为 5 kg/ m 的破碎率曲线趋于平缓 , 说明此时填充层的 压实程 度已 经 达到 最大 , 对 比 图 5 中 闭 合压 力 为
能力实验表明, 与砂岩地层不同, 煤层的硬度较小, 压裂中支撑剂嵌入情况较严重 , 导致导流能 力降低, 加大铺砂浓度能在很大程度上提高煤层裂缝的导流能力。实验中 , 煤层闭合压力是一个 重要的参数 , 实验对比了在不同闭合压力下 , 支撑剂颗粒的破碎与嵌入、 铺砂浓度 、石英砂支撑 剂粒径的选择等因素对煤层导流能力的影响 。本文所得出的结论对今后煤层气的研究工作及现场 施工具有一定的指导意义 。 关键词: 煤层气 水力压裂 导流能力
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图 5 嵌入对导流能 力影响示意图
( 2) 嵌入对导流能力的影响 在疏松的煤层中, 由于作为支撑剂的石英砂的 硬度大于煤层的硬度, 因此会发生支撑剂颗粒在煤 层的嵌入, 而嵌入现象的发生将会直接导致填砂裂 缝有效缝宽的降低 , 从而降低了裂缝的导流能力, 影响压裂效果。 图 6 是在进行煤层裂缝导流能力评价实验前煤 片的显微照片, 图 7 是在实验中发生支撑剂颗粒嵌 入后的显微照片 ( 闭合压力为 30 MPa) , 对比这两 张图可以明显的看到支撑剂颗粒发生嵌入后留下的 痕迹。 图 8 是 砂 岩在 闭 合 压 力 为 90MPa 时 使用 硬
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低 ( < 0 1 mD) 、孔隙度一般 小于 5% , 所以 砂岩地层中裂缝导流能力的许多评价结果不能应用 到煤层压裂中。
下导流能力的对比图, 如图所示铺砂浓度为 10 kg/ m2 时的导流能力明显大于 5 kg/ m2 时的导流能力, 可见加大铺砂浓度能在很大程度上提高裂缝的导流 能力。这与砂岩地层导流能力评价实验的结果是一 致的。 3 2 支撑剂粒径变化对导流能力的影响 图 2 是 20/ 40 目和 10/ 20 目两种粒径石英砂加 入 150ml 胍胶浓度为 0 4% 的压裂液以后得到的导 流能力对比图, 支撑剂的铺砂浓度为 5 kg/ m 2, 采 用煤片夹 持。从图中可 以看出, 当闭 合压力小于 20 MPa 时 , 粒径为 10/ 20 目的石英砂的导流能力明 显大于 20/ 40 目。闭合压力大于 20MPa 以后 , 两者 导流能力相差不大。因此 , 在闭合压力小于 20MPa 的时候选用较大粒径的石英砂作支撑剂可以得到较 大的导流能力。
图4
不同铺砂浓度下破碎率对比图 ( 20/ 40 目 )
图 6 煤片发生嵌 入前示意图
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度较大的陶粒支撑剂发生嵌入后的显微照片 , 对比 图 7 与图 8 我们可以发现, 实验中煤片的嵌入情况 比砂岩严重, 可见嵌入对煤层裂缝导流能力的影响 不容忽视。
响煤层裂缝导流能力的因 素, 分别考 查了铺砂浓 度、支撑剂粒径变化、压裂液残渣、支撑剂颗粒的 破碎与嵌入对导流能力的影响。 通过对以上实验结果的分析 , 得出以下几点结 论: ( 1) 加大铺砂浓度能在很大程度上提高煤层裂 缝的导流能力。每个铺砂浓度对应一个压力极限, 当闭合压力大于这个极限以后填充层的压实程度将 会达到最大 , 此时的导流能力曲线趋于平缓且数值 最小 , 因此地层闭合压 力增大应相应 加大铺砂浓 度; ( 2) 当煤层闭合压力小于 20 MPa 时, 选用较 大粒径的石英砂支撑剂可以获得较大的导流能力, 闭合压力大于 20 MPa 时 , 粒径的变化对导流能力 的影响不大 ; ( 3) 煤层压裂过程中石英砂的破碎率与铺砂浓 度关系不大 , 受闭合压力的影响较大。地层闭合压 力越大 , 支撑剂颗粒的破碎与嵌入这两种现象同时 存在情况越明显 , 当闭合压力大于 30 MPa 时这种 情况更明显 ; ( 4) 煤层的硬度较小, 支撑剂的嵌入情况较严 重 , 由于嵌入而导致的导流能力的降低比压裂液残 渣伤害的影响要大 , 而且闭合压力越大这种现象越 明显。 参 考 文 献
利用 FCES- 100 导流仪 , 在岩芯夹持器中夹持 煤片模拟煤层裂缝, 实验过程中将实验流体以稳定 的流速通过两片煤片之间的石英砂夹层 , 逐渐增大 闭合压力得到裂缝导流能力随 闭合压力变化 的曲 线 。通过改变铺砂浓度、支撑剂粒径、压裂液浓 度等实验条件得出不同情况下闭合压力与导流能力 关系的曲线, 然后将不同的曲线进行比较得出相应 的实验结论。
图 1 不同铺砂浓 度导流能力对比图
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3 4 支撑剂颗粒的破碎与嵌入对导流能力的影响 与砂岩地层相比, 煤层的弹性模量较小, 泊松比
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40 MPa 时的导流能力可以看出 , 此时导流能力已 经很低且趋于平稳 , 说明 5 kg/ m 2 的铺砂浓度只能 应用于闭合压力小于 40 MPa 的地层, 当煤层闭合 压力大于 40 MPa 时 石英砂 的铺砂 浓度 不应 小于 5 kg/ m2 。
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3 实验结果分析
3 1 铺砂浓度对导流能力的影响 分别选取 5 kg/ m2 和 10 kg/ m2 两种铺砂浓度进 行实验 , 图1 是两种铺砂浓度在不同地层闭 合压力
图 2 不同粒径石英砂 导流能力对比图
3 3 压裂液残渣对导流能力的影响 选用胍胶浓度为 0 4% 的压裂液以及清水作为 驱替流体进行实验 , 图 3 是这两种情况下导流能力 的对比图。如图所示加入压裂液以后 , 填充层的导 流能力明显降低, 但是当闭合压力大于 30 MPa 后, 两者差别减小, 导流能力相差不大, 由此可以推断 压裂液残渣伤害 对填充层的导流能力 有一定的影 响 , 但是这种影响随着闭合压力的增大变得越来越 小 , 在较大的闭合压力下 ( 大于 30 MPa) , 压裂液的 残渣伤害对煤 层裂缝导流能力的降低 不起主导作 用。
基金项目 本 文 受 国家 重 点 基 础 研究 发 展 计 划 ( 973 计划 ) 项目 中 国 煤 层 气 成藏 机 制 及 经 济 开 采 基础 研 究 ( 项 目 编 号: 2002CB11700) 资助。 作者简介 王春鹏 , 1978 年生 , 中国石油大学 ( 北京 ) 2003 级硕士研究生 , 主要从事煤层气成藏和开采方面的基础研究工作。
Experimental Evaluation on Conductivity of Hydraulic Fracturing in CBM Wells
Wang Chunpeng, Zhang Shicheng, Wang Lei, T ang Huaiyi and Cui weixiang ( China University of Petroleum, Beijing 102249) Abstract: An all round introduction is given mainly on experimental evaluations on the conductivity of hy draulic fracture in CBM wells Compared to sandstone, a coalbed features lower rigidity, leading to more seri ous proppant embedment in hydraulic fracturing and thus the descent of conductivity, which could be eased by increasing the consistence of sand filling Since the closure pressure of coalbed is a key parameter, the experi mental comparison of influence on coalbed conduct ivity is made under different closure pressures between the proppant crushing and embedment, consistence of sand filling and quartz sand proppant diameter The conclu sions drawn in this paper can be used to guide the future study of CBM and field performance Keywords: CBM; hydraulic fracturing; conduct ivity 煤层气是一种非常规的天然气 , 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[ 1] 。煤层气井一般较浅 , 因此压裂过程 中对支撑剂的强度要求不高, 所以煤层气井压裂通 常选择石英砂作为支撑剂。目前主要 使用粒径为 20/ 40 目 ( 0 4 ~ 0 8 mm ) 和 10/ 20 目 ( 0 8~ 1 2 mm) 的石英砂。与常规砂岩地 层相比, 煤层的节 理 发育 、 天然 裂缝 较多 、 埋藏 浅、 硬 度低 、 渗 透率