碎软低渗煤层高强度压裂和精细排采研究——以淮北矿区为例

摘要

碎软低渗煤层的煤层气地面开发，由于单井产量低、衰减快、效果不好，多年来一直是制约我国煤矿区煤层气地面开发、煤矿瓦斯防治工作的重大难题。突破碎软低渗煤层的煤层气地面开发技术，是当今亟待研究的重大科学技术命题。本文以淮北矿区芦岭煤矿碎软低渗煤层为研究对象，依托油气国家科技重大专项“煤层气与煤炭协调开发关键技术”项目（2008ZX05040）和“两淮矿区煤层群开采条件下煤层气抽采示范工程”项目（2008ZX05064），应用煤地质学、石油天然气地质学、渗流力学、油气田开发、岩石力学等理论和方法，通过理论研究、模拟分析和工程试验，开展了碎软低渗煤层的水力压裂机理、高强度压裂增产和精细排采等理论和技术工艺研究，并将研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿碎软低渗煤层的5口地面煤层气井开发工程试验，取得了以下主要研究成果和认识。
　　（1）揭示了水力压裂能够压开碎软煤层并形成压裂缝的机理。研究认为，碎软煤层压裂时能够形成压裂缝，主要是因为在碎软煤层中有较硬煤分层，压裂时这些较硬煤分层首先被压开形成裂缝并延伸到软分层；其次是在高水压作用下，碎软煤层也能够破裂形成压裂缝并延伸。
　　（2）提出了适合于碎软煤层高强度压裂的工艺参数，推导出加砂强度和压裂液注入排量的理论定量计算公式。理论计算、模拟分析和工程试验结果表明，碎软煤层高强度压裂的最佳参数是：加砂强度为8-11m3/m，注入排量为7-8m3/min左右，携砂液平均砂比为15％左右，支撑剂粒度在0.5-1.2mm之间；氮气伴注能够有效提高压裂液的携砂能力和裂缝的支撑效果。
　　（3）形成了适用于近邻煤层合层压裂的投球分压高效压裂技术工艺。不同碎软煤层存在力学性质差异，为使合层压裂时各个煤层都能最大程度地压开，达到预期压裂效果，必须实施投球压裂技术。碎软煤层的力学性质很难测定，需要通过测井曲线定性判断出不同煤层的软硬及其压裂难易程度，找出首先压开层段，据此计算投球的数量。
　　（4）开发出了适用于碎软煤层的煤层气井精细排采技术，推导了放喷强度和排水降压阶段排采强度的计算公式。针对碎软煤层排采过程中极容易出现吐砂吐煤粉等问题，建立了井底流压实时智能监控系统和慢、控、稳的分段精细排采制度，按照井底流压监控数据，及时调整排水强度，严格控制井底流压、套压、产气速度，防止煤层吐砂吐煤粉，确保煤层气井处于最佳工作状态，产气效果最好。
　　（5）本文研究成果在淮北矿区芦岭煤矿碎软煤层的煤层气地面井组开发工程中得到应用和验证，有效地指导了井组的压裂和排采工作，取得了良好效果，该井组在连续6个月排采期间，单井最高日产气量高达3352m3、井组稳定日产气量4555m3，受到业界的广泛关注和赞誉。
　　我国华北、华南和西南地区晚古生代煤田的碎软低渗煤层分布广泛，高瓦斯突出煤矿区众多。本论文研究成果对于这些煤矿区的碎软低渗煤层的煤层气地面开发具有一定的指导和示范作用，具有良好的推广应用前景。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 前言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容与方法

2 淮北矿区煤层气地质背景和煤储层特征

2.1 地质背景

2.2 主要煤层的储层特征

3 碎软煤层压裂机理和高强度压裂技术

3.1 碎软低渗煤层力学性质分析

3.2 碎软煤层压裂机理研究

3.3 碎软煤层高强度压裂工艺及参数

3.4 近邻碎软煤层压裂工艺

4 碎软煤层的煤层气井精细排采技术研究

4.1 碎软低渗煤层在排采过程中的储层伤害的特点

4.2 储层伤害的工程因素及精细排采技术

4.3 碎软低渗煤层中煤层气井产气特点

4.4 碎软煤层精细排采实现方法

5 芦岭煤矿煤层气地面井组开发的应用研究

5.1 示范区位置与井组布置

5.2 钻井和地层发育情况

5.3 主要煤层的储层特征

5.4 压裂设计

5.5 压裂施工情况及效果分析

5.6 排采设计

5.7 井组排采情况及效果分析

6 结束语

6.1 取得的主要成果

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读学位期间发表的论文论著

攻读博士期间参加的主要科研项目和获奖情况

符号说明