煤层气储层多脉冲压裂开发机理及工艺研究

摘要

煤层气已成为世界上继煤炭、石油及天然气后新的接替能源之一，美国、加拿大等已实现商业化的开发和利用。我国的煤层气资源总量居世界前列，合理的利用和开发煤层气资源对我国的能源发展具有重要的战略意义。然而，由于我国煤储层的“三低”特性及地层结构的复杂性，煤层气的开发工艺和技术还处于试验阶段。目前，以水力压裂为主的储层改造工艺还不能完全满足开发需求，迫切需要新技术的探索与研究。为此，本论文开展了煤层气储层多脉冲压裂开发机理及工艺的研究。
　　本论文基于高能气体压裂在煤层气中的先导性试验以及对煤岩储层分析，以山西沁水郑庄区块为研究对象，开展了对煤层气多脉冲压裂裂缝长度、压裂药的能量利用率、煤岩的岩石力学参数以及煤层气储层多脉冲压裂的工艺研究。通过对多脉冲压裂裂缝长度计算模型的建立及分析得出，在合理的峰值压力范围内，总装药量越大，气体能量作用于地层的时间越长，裂缝长度越长;通过对压裂药能量利用率计算模型的研究和分析得出，在浅层煤层气中，采用全封闭式压裂井口装置以及多级装药结构，可以有效的减少压挡液做功损失的能量，从而提高了压裂药的能量利用率，使地层产生更长的多裂缝体系。
　　根据煤岩横波时差和纵波时差的实测数据，用线性经验公式法，待定系数经验公式法，Critensen预测法建立了煤岩横波时差模型，并用对比分析法和误差分析法对横波时差的模型进行优选。利用优选的横波时差模型，对煤岩的岩石力学参数公式进行了修正，并通过水力压裂法求取了煤岩的地应力。以上的研究分析为煤层气多脉冲压裂选层及压裂施工参数的确定奠定了基础。
　　本文以研究的煤层气多脉冲压裂机理为理论依据，对多级控制装置、延时点火控制装置以及装药结构等进行了研究，设计出了煤层气储层全封闭式多脉冲压裂工艺，并将此工艺应用到现场施工中，对其效果进行了评价。该技术为我国煤层气的开发提供了新的途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的目的及意义

1．2 国内外煤层气的开发现状

1．2．1 国外现状

1．2．2 国内现状

1．2．3 我国煤层气的开发难点

1．3 HEGF的研究状况

1．3．1 高能气体压裂的作用原理

1．3．2 HEGF的主要工艺技术及优缺点

1．4 研究的内容与技术路线

1．4．1 研究的主要内容

1．4．2 研究的技术路线

第二章 低渗煤层多脉冲压裂裂缝机理研究

2．1 多脉冲压裂起裂机理的概述

2．1．1 低渗煤层多脉冲压裂裂缝的造缝过程

2．1．2 裂缝自行支撑理论

2．1．3 煤岩压裂的主要影响因素

2．2 煤层气多脉冲压裂裂缝长度理论计算

2．2．1 煤层气多脉冲压裂裂缝系统物理模型

2．2．2 利用井下实测P-t曲线计算裂缝长度

2．3 多脉冲气体压裂压裂药能量利用率的计算

2．4 本章小结

第三章 煤层地应力研究分析

3．1 地应力及其相关理论

3．1．1 地应力影响因素分析

3．1．2 地应力求解方法

3．2 煤岩横波时差模型的建立

3．3 煤岩岩石力学参数模型的建立

3．3．1 煤岩泊松比模型的建立

3．3．2 煤岩弹性模量模型的建立

3．3．3 煤岩体积模量模型的建立

3．3．4 煤岩剪切模量模型的建立

3．4 煤岩最大水平地应力计算模型的建立

3．5 本章小结

第四章 煤层气储层全封闭式多脉冲压裂开发工艺

4．1 全封闭式多脉冲压裂的设计思路

4．2 多脉冲压裂的作用原理及特点

4．2．1 多脉冲压裂的作用原理

4．2．2 多脉冲压裂作用特点对比分析

4．3 全封闭式多脉冲压裂的结构设计

4．3．1 多脉冲压裂装置的设计方法及原理

4．3．2 全封闭式多脉冲压裂装置的结构示意图

4．4 多脉冲气体压裂的工艺设计

4．4．1 泄气管的强度设计

4．4．2 多脉冲压裂压力峰值及装药量的计算

4．5 煤层气储层多脉冲压裂的适用条件及应用前景

4．5．1 多脉冲压裂适用的煤层性质

4．5．2 煤层气储层多脉冲压裂的选井选层条件

4．6 本章小结

第五章 煤层气储层多脉冲压裂实例计算

5．1 Z4-049井的压裂施工设计及效果评价

5．1．1 Z4-049井施工设计的目的及依据

5．1．2 Z4-049煤层气井的基本参数

5．1．3 Z4-049煤层气井全封闭式多脉冲压裂施工设计

5．1．4 Z4-049井全封闭式多脉冲压裂施工效果评价

5．2 Z4-049井裂缝长度的实例计算

5．2．1 工艺参数及施工设计

5．2．2 裂缝延伸速度的确定

5．2．3 多脉冲压裂缝长的计算

5．2．4 结果分析

5．3 多脉冲压裂能量利用率实例计算

5．3．1 Z4-049井的基本数据

5．3．2 Z4-049井多脉冲气体压裂施工参数的计算

5．4 煤层气多脉冲压裂软件的编制

5．5 煤层气储层多脉冲压裂的应用前景

5．6 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文