CN111042788A - 一种煤炭层的体积压裂处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤层气开采技术领域，具体而言，涉及一种煤炭层的体积压裂处理方法，该方法包括：获取目标区域的地质特征信息，基于目地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型，基于煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果，根据所述模拟结果，分析得出影响水力裂缝与天然节理的相互作用的因素，对各因素进行评价，得到评价结果，根据所述评价结果和所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化。如此，通过优化体积压裂工艺和施工参数以提高煤层气开发的效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开采技术领域，具体而言，涉及一种煤炭层的体积压裂处理方法。
背景技术
近些年来，我国的煤层气资源储量较为丰富，而煤层气又被称为瓦斯，指在煤层中以甲烷为主要成分，并且大部分煤层气是吸附在煤基质颗粒表面，少部分煤层气游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，另外煤层气还被称为非常规天然气，是一种烃类气体，是煤的伴生矿产资源，其开发利用可以获取很大的经济利益，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源与化工原料，对煤矿减灾、保护大气环境、改善能源消费结构有巨大的意义。
而煤储层中含有大量的节理以及天然微裂缝，需要运用压裂进行处理，但现有技术中在进行水力压裂的过程中施工压力差异较大，存在破裂压力较大的井加砂易堵，破裂压力较小的井投产后水量大且产生气量小的现象。其中部分井施工难度较大，破裂压力超过45MPa，经多次尝试仍未压裂成功，亦有个别井破裂压力小于20MPa，施工后涌水严重而无法投入生产。部分破裂压力较小的井设产后平均产水超过70m3/d,远高于同区块内其它井，排采1年后平均产量低于500m3/d，所以需要优化压裂参数，才能有效的开发煤层气。
发明内容
本发明提供了一种煤炭层的体积压裂处理方法，通过优化体积压裂工艺和施工参数以提高煤层气开发的效率。
本发明提供了一种煤炭层的体积压裂处理方法，包括:
S1，获取目标区域的地质特征信息；
S2，基于所述目标区域的地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型；
S3，基于所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果；
S4，根据所述模拟结果，分析得出影响水力裂缝与天然节理的相互作用的因素，所述因素包括水平应力差、压裂液粘度、天然节理倾角和天然节理强度，对各因素进行评价，得到评价结果；
S5，根据所述评价结果和所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化。
可选地，获取所述目标区域的地质特征信息，包括：
获取所述目标区域的气藏地质特征、气藏储层特征以及层系划分特征。
可选地，所述基于所述地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型的步骤，包括：
首先，通过ABAQUS/CAE平台建立耦合孔压-地应力的Cohesive单元；
其次，对软件进行二次开发，将天然节理的随机分布写入子程序，结合地质特征设置相应的材料属性和边界条件；
最后，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型。
可选地，所述基于所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果，包括：
确定粘聚单元模型；
根据所述粘聚单元模型确定最大周向应力准则、起裂准则和流体的流动方向；
根据所述最大周向应力准则、所述起裂准则、所述流动方向、预设的应力平衡方程和预设的连续性方程对所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型求解，得到模拟结果。
可选地，所述对各因素进行评价，得到评价结果，包括：
根据所述模拟结果，对水平应力差、压裂液粘度、施工排量和节理强度进行评价，得到储层处理效果的评价结果。
可选地，根据所述评价结果和所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化，包括：
根据所述储层处理效果的评价结果以及所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对所述施工现场的压裂液粘度和施工排量进行优化。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果为：
本发明提供的一种煤炭层的体积压裂处理方法，通过优化体积压裂工艺和施工参数以提高煤层气开发的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种煤炭层的体积压裂处理方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
实施例：
在本实施例主要以保德区煤层气为例进行说明，应当理解，在具体实施时,可以不限于保德区煤层气。
图1为本发明实施例所提供的一种煤炭层的体积压裂处理方法的流程图，下面将对图1所示的具体流程进行详细阐述：
S1，获取目标区域的地质特征信息。
S2，基于目标区域的地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型。
S3，基于煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果。
S4，根据模拟结果，分析得出影响水力裂缝与天然节理的相互作用的因素，因素包括水平应力差、压裂液粘度、天然节理倾角和天然节理强度，对各因素进行评价，得到评价结果。
S5，根据评价结果和煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化。
通过S1-S5，对体积压裂工艺和施工参数进行优化以提高煤层气开发的效率。
在具体实施例时，在步骤S1中，对所选定的目标区块进行地质特征描述，包括：煤层的孔渗特征，天然节理特征和煤层的力学特征等，以及煤层的压裂难点。
为了获取目标区域的地质特征信息，还包括以下内容：气藏地质特征，气藏储层特征以及层系划分特征，其中，对于气藏地质特征，保德煤层气田主要气源岩为山西组4+5号煤和太原组8+9号煤，有利的成煤环境为该区煤层气藏的形成提供了很好的物质基础，在本实施例中，山西组为陆表海三角洲沉积，以三角洲河口沙为主，地层厚40-80m，岩性以灰色、深灰色砂岩、粉砂岩为主夹泥岩、粉砂质泥岩和煤层。
对于气藏储层特征，保德煤层气田4+5号和8+9号煤层，厚度较大，其中，4+5号煤层厚度为5-14.6m，平均7.6m，8+9号煤层厚度为5-14.2m，平均10.2m。总体趋势为西北厚东南薄，两套主力煤层横向连续，分布稳定。其中，4+5号和8+9号煤层宏观煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤，其次为光亮煤和暗淡煤，似金属光泽，具条带状和均一状结构，贝壳状及眼球状断口，煤岩成为以亮煤和暗煤为主，其次为镜煤。4+5号煤也隙度为2.94％-5.03％，实际渗透率一般在(8-12)*10-3μm2之间，8+9号煤也隙度为2.84％-5.92％，实测渗透率一般在(3-11)*10-3μm2之间，盆地内4+5号煤层埋深介于300-1100之间，正常静水压力梯度为0.98MPa/100m。8+9号煤层埋深比4+5号煤层深约50-80m。在本实施例中，8+9号煤层厚度大，分布稳定、含气量高、储层的物性较好，地层水矿化度较低、天然气中不存在硫、探明储量高。
对于层系划分，保德区块地层剖面图为含煤地层为上石炭统太原组和山西组，主要由砂岩、泥岩和煤层组成，厚度为120-210m。区内发育煤层15-16层，总厚14-34m，山西组4+5号和太原组8+9号煤层为主要煤层。其中，4+5号煤层单层厚度为5-14.6m，平均7.6m；8+9号煤层单层厚度为5-14.2m，平均为10.2m。
保德区煤层具有镜质组含量高、灰分产率低的特征，镜质组含量一般大于70％，灰分产率一般低于25％。煤的镜质组最大反射率(R0)在0.6％-0.97％之间，平均0.8％左右，以气煤为主。4+5号煤层含气量为4-10m3/t,平均6m3/t左右；8+9号煤层含气量多为4-12m3/t，平均86m3/t左右。
在步骤S2中，为了建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型，还可以包括以下内容：首先，通过ABAQUS/CAE平台建立耦合孔压-地应力的Cohesive单元，其次，对软件进行二次开发，将天然节理的随机分布写入子程序，结合地质特征设置相应的材料属性和边界条件，最后，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型。
在步骤S3中，为了得到模拟结果，还要可以包括以下内容：确定粘聚单元模型，根据粘聚单元模型确定最大周向应力准则、起裂准则和流体的流动方向，根据最大周向应力准则、起裂准则、流动方向、预设的应力平衡方程和预设的连续性方程对煤储层水力压裂裂缝扩展模型求解，得到模拟结果。其中，
进一步地，流体的流动方向包括法向流和切向流，切向流动能够促使水力裂缝的延伸，法向流体表示流体向地层中的滤失作用。
进一步地，起裂准则包括最大应力准则、二次应力准则和最大应变准则，其中，最大应力准则认为当粘聚单元任意方向(即法向和两个切向)的应力值达到临界值时，可以认为粘聚单元开始发生破坏。二次应力准则表示当粘聚单元在三个方向上所受到流体的应力与对应力方向岩石抗张强度的比值的平方和为1时，粘聚单元开始发生破坏。最大应变准则表示当粘聚单元在三个方向上所产生的应变。
进一步地，在任意时刻下，岩石的应力平衡方程表达式如下：
进一步地，根据散度定力，流体渗流的连续性方程表达式如下：
综上所述，采用有限单元法对上述方程在求解区域中进行离散化，同时在岩石中可能发生破裂的单元之间插入厚度为0的粘聚单元，在体积压裂过程中，裂缝可以沿着所有的单元界面发生起裂和扩展。
在本实施例中，以逼近角为60°为例，模拟了不同水平应力差下的水力裂缝与节理的相互作用，其中压裂时间为200s。
当应力差为0MPa也就是水平主应力相等时，水力裂缝并未穿越节理，而是被节理所捕获，随着流体的不断注入，节理发生张开并扩展。当应力差为2MPa时，水力裂缝沿着节理的一段扩展，而节理的另一段未得到张开，原因在于未张开的节量段相对于张开的节理段，其所需要的裂缝净压力较大，相比于应力差为0的时候，此时的平均裂缝宽度均高于后者，主要是由于流体质量守恒的缘故，下半部分的节理未能张开，则压裂液用于制造缝宽。当应力差为4MPa时，水力裂缝并未沿着节理扩展，而是直接穿过节理，主要由于当水力裂缝与节理相交后，水力裂缝偏向节理扩展所需要的净压力大于沿着水力裂缝方向穿透关扩展所需要的净压力。
由此可见，在水力裂缝与节理的交点处，存在着应力集中现象，当应力强度因子大于储层的断裂韧性时，会形成新的裂缝。
进一步地，以应力差为2MPa为例，分别模拟逼近角为45°，90°的情况。
当逼近角为45°时，水力裂缝被储层中的节理捕获，沿着节理扩展，较为明显的是由于节理的上半部分的宽度明显大于下半部分的宽度，这是节理的下半部分要保持张开和扩展的状态，则需要更大的净压力。在具体实施例中，节理在捕获水力裂缝后，两端的剪切应力较大，因此在张开节理的尖端周围区域，特别是含有大量的微裂缝时，煤层容易发生剪切破坏，节理与天然裂缝的沟通易于形成规模较大的缝网，从而实现大规模的储层体积改造。
更进一步地，当水平应力差为2MPa时，水力裂缝并未被节理捕获，而是直接穿过。
若逼近角为90°，水平应力差为0时，水务裂缝直接被节理捕获，由于节理上下两部分的对称性，节理的上下部分同时扩展。
当压裂液注入97s时，由于节理的张开，压裂液进入节理，此时对于穿越节的情况，井底压力有一个短暂且较陡的压力上升阶段，当进入节理后，由于夺裂液向节理中的滤失作用，井底压力急剧下降，但是由于地应力的差异，导致裂缝沿着节理扩展的阻力大于穿透节理的阻力。然而对于被节理捕获，在水力裂缝遇到节理时，裂缝净压力的增加幅度较高，当打开节理后，节理发生扩张，导致压裂液的大量滤失，井底压力的下降幅度大于穿越的幅度，随着压裂液的不断注入，节理开始延伸，由于节理的闭合压力为最大不平主应力，因此节理延伸时所需要的净压力高于穿越后所需要的净压力。
由此可见，水力裂缝与节理的相互作用计算的结果为对应的逼近角度下，水力裂缝穿透节理所需要的最小的流体压力，当低于该压力时，水力裂缝被节理所捕获，当水力裂缝与节理的逼近角越大，其穿透节理所需要的流体压力越小，相反，逼近角越小，所需的流体压力越大。
在步骤S4中，根据模拟结果，分析得出影响水力裂缝与天然节理的相互作用的因素，还可以包括以下内容：当水平应力差为0时，由于相互作用的影响，水力裂缝沿着节理和天然微裂缝的影响，随着水平应力差的增加，水力裂缝的延伸路径回归到最大水平主应力方向上。当水平应力差为10MPa的剪应力值最大，并且影响区域也最大，以此表明水力裂缝周边区域的节理和天然微裂发生剪切破坏的概率较大，易于形成剪切裂缝。当应力差为5MPa时，水力裂缝明显发生分叉，有利于提高储层改造体积。当应力差为0MPa时，裂缝扩展轨迹较长。当应力差为10MPa时，裂缝扩展轨迹较短。由此，水平应力差为0MPa时，水力裂缝易于发生偏转，甚至偏离初始的压裂初始射孔段，若对多簇裂缝同步进行延伸时，有可能会与相邻的裂缝簇发生搭接，从而降低了压裂效率。
对压裂液粘度：水力裂缝穿透节理和天然微裂缝的数量增加，从而打开节理和天然微裂缝并被捕获的数量减少。由强降低压裂液的粘度能够提高体积压裂的效果，在具体实施中，也要考虑支撑剂的沉降和铺置效果，若压裂液的粘度太低，则其携砂性能会大大受到影响，在压裂过程中，当水力裂缝扩展时遇到节理或者天然微裂缝时，由于扩展路径的曲折变化较大，或者扩展路径中缝礼坏乐崩出现最窄处，支撑剂在运移过程中易于出现砂堵。
对于施工排量：相同的压裂时间内，增加泵注排量明显利于水力裂缝的扩展，当增加排量后，水力裂缝在节理与天然微裂缝的相互作用下，能够产生更多的分支，使更多的节理和天然裂缝发生破坏。在具体实施例中，若节理与最小水平主应力呈30°的夹角时，煤层的基质单元为不规则的四边形单元，若理与最小水平主应力方向平行，煤层的基质单元为规则的矩形单元，即基质间的粘聚单元相互正交，此时提高施工排量不利于提高体积压裂处理效果。
由此可见，含有较低强度节理的煤储层，能够形成分支缝、节理和微裂缝，如此，有利于对缝网处理。同时，沟通微裂缝后，会使煤层发生吸附气解吸，从而提高产量。
对水平应力差、压裂液粘度、天然节理倾角和天然节理强度进行评价后，得到评价结果为：储层改造面积随着节理强度的增加而降低，当节理强度帅10MPa·m上升至30MPa·m时，储层改造面积下降了近70％。
压裂液粘度的增加不利于储层改造面积的最大化，但并不意味着过低粘度的压裂液利于压裂改造，同时还应该考虑压裂液携砂性能，避免砂堵事件的发生。
水平应力差过高不利于增加储层改造面积，当水平应力差过低时，节理和天然裂缝容易干扰水力裂缝的扩展，使水力裂缝与其它簇的水力裂缝发生搭接和交汇，如此造成压裂效率的降低。
在步骤S5中，为了对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化，还包括对施工现场的压裂液粘度和施工排量进行优化。
进一步地，压裂液粘度直接影响缝能力和携砂能力，压裂液具有滤失小、携砂能力强、摩擦阻力小、稳定性高、与地层的配伍性好、压裂后低残渣及易返排等特点。
压裂液可以是但不限于胍胶压裂液、清洁压裂液、活性水压裂液和1.0％-2.0％的KCI活性水压裂液等，而本实施例为1.0％-2.0％的KCI活性水压裂液。
进一步地，为了避免裂缝高度过度适伸压穿底板造成砂堵或压穿水层，主要采用7-8m3/min左右的施工排量。
综上，本发明实施例提供了一种煤炭层的体积压裂处理方法，通过优化体积压裂工艺和施工参数以提高煤层气开发的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，包括:
S1，获取目标区域的地质特征信息；
S2，基于所述目标区域的地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型；
S3，基于所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果；
S4，根据所述模拟结果，分析得出影响水力裂缝与天然节理的相互作用的因素，所述因素包括水平应力差、压裂液粘度、天然节理倾角和天然节理强度，对各因素进行评价，得到评价结果；
S5，根据所述评价结果和所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，所述地质特征信息，包括：
气藏地质特征、气藏储层特征以及层系划分特征。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，所述基于所述地质特征信息，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型的步骤，包括：
首先，通过ABAQUS/CAE平台建立耦合孔压-地应力的Cohesive单元；
其次，对软件进行二次开发，将天然节理的随机分布写入子程序，结合地质特征设置相应的材料属性和边界条件；
最后，建立煤储层水力压裂裂缝扩展模型。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，所述基于所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型对水力裂缝和天然节理的相互作用进行模拟，得到模拟结果，包括：
确定粘聚单元模型；
根据所述粘聚单元模型确定最大周向应力准则、起裂准则和流体的流动方向；
根据所述最大周向应力准则、所述起裂准则、所述流动方向、预设的应力平衡方程和预设的连续性方程对所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型求解，得到模拟结果。
5.根据权利要求1所述的一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，所述对各因素进行评价，得到评价结果，包括：
根据所述模拟结果，对水平应力差、压裂液粘度、施工排量和节理强度进行评价，得到储层处理效果的评价结果。
6.根据权利要求5所述的一种煤炭层的体积压裂处理方法，其特征在于，根据所述评价结果和所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对施工现场的体积压裂工艺以及施工参数进行优化，包括：
根据所述储层处理效果的评价结果以及所述煤储层水力压裂裂缝扩展模型，对所述施工现场的压裂液粘度和施工排量进行优化。
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