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
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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
内的流失,也使“砂堵”减少。操作也很干净,一天之内压裂液都会大部分从煤层流出来,它使用水量要比胶状水压裂少60%~80%。美国还曾使用过氮气作为压裂液体,在玛丽李煤层从一个335.28m钻孔进行过实验,效果也不好,瓦斯出得很少。
2.4.2 水力压裂的试验效果
在美国,60多次的水力压裂中,有12次已经在井下看到它的效果。
1、波卡洪达斯三号煤层
在西弗吉尼亚州的这个煤层打了5个φ22.86cm直径的钻孔,其中一个孔采用水力压裂,压裂前瓦斯量为23.5m3/d,压裂后14个月期间,瓦斯量达到152.63m3/d的平均值。由于波卡洪达斯三号煤层的透气性很小,即使进行压裂以后瓦斯量仍不大。
2、匹兹堡煤层
在四个地区向这个煤层打了21个垂直钻孔,四个钻孔都用胶状水加沙子作水力压裂。压裂前,4个孔的瓦斯量在300~192.6m3/d之间,压裂后瓦斯量上升到0.012~0.0175km3/d之间。在考察期间4个钻孔总共排出瓦斯1.2Mm3左右。为考察压裂效果,在这个矿打了另外一个182m深的钻孔,压入27.6m3胶状水及1589kg沙子。在井下生产见到沙子填充的裂隙:沿主裂缝方向发展的压裂裂缝的宽度是 3.2~12.7mm,长度是6.1m,沿此裂缝方向,它们宽12.7~63.5mm,长10.7m。
3、哈山煤层
在阿州豪也煤矿有50个垂直抽放钻孔打进这个煤层,五个钻孔中有三个出瓦斯,平均瓦斯量在23.22~169.9m3/d之间。一个孔作了水力压裂,用胶状水作为压裂液,压裂后钻孔瓦斯量最高达232.2m3/d,平均为62.30m3/d。在37个月期间,共排出瓦斯0.29Mm3。
4、城门三号煤层
犹他州有4个垂直钻孔打进这个煤层,钻孔瓦斯平均在2.83m3 /d以下,有一个钻孔用胶状水进行加砂压裂,压裂后瓦斯量上升到36.8m3/d,七个月时间平均瓦斯量为24.07m3/d。在11个月中,4个钻孔共排出瓦斯0.007Mm3。抽出瓦斯量少是因为煤层瓦斯含量小,透气性低和地下水的综合缘故。
在煤层开采过程中,通过对压裂情况进行实地考察发现,大部分压裂所造成的裂缝是垂直的,在煤层之内,垂直的裂缝深入到顶板岩层及煤层顶板接触处的水平裂缝,也都是可以见到的,但是到目前为止还没有发现它们对于顶板的稳定性有什么明显的影响。
通过美国所进行的大量试验来看,水力压裂技术对于埋藏深、瓦斯大的煤层能够取得较好的结果。在美国的匹兹堡及玛丽里煤层,压裂钻孔的瓦斯流量能超过2.83Mm3/d。但对于瓦斯含量少,透气性低的煤层,这项技术的应用就很不成功。操作中的错误也会使瓦斯流量减小,要想油井一样的施工和维护,才能从这些钻孔获得较高的瓦斯流出量
(余申翰,1990)。
由于中国的绝大多数煤层属于低渗透煤层,采用水力压裂技术提高煤层气开采的效果不明显。1998~1999年间,美国德士古公司在桃园矿、祁南矿、和孙磕矿施工了三口煤层气评价井,在三口井的评价基础上,选择在桃园矿南部气田施工5口煤气先导试验生产井组,后又追加2口井进行压裂排采。因单井产量低,不具有商业开采价值,美国德士古公司于2002年终止了合同。压裂井未能商业开发的主要原因是由于淮北矿区构造运动剧烈,煤层原生结构破坏严重,抽采目标煤层渗透性较差。因此,尽管淮北地区煤层气资源丰富,具有良好的煤层气开发前景,但必须在解决低渗透煤层的煤层气开采技术后,才具有开采价值(吴建国,2005)。
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