低密度支撑剂在煤层气压裂中的使用.ppt

超低密度压裂支撑剂在煤层气井压裂中的应用 汇报人 侯风岗 北京奥陶科技有限公司 2013年1月11日 1 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 2 我国煤层气研究起于上世纪八十年代 九十年代初 引进美国的地面抽采技术和国内天然气开采技术获得突破 九十年代中后期 以压裂改造为核心技术的煤层气勘探取得较快发展 煤层气勘探开发研究取得一批重大科研成果 本世纪初 以晋煤集团和中联公司为代表的煤层气开发在沁南地区获得巨大成功 极大地推动了我国煤层气产业的快速发展 同时 多分支水平井技术也获得了成功 更加促进了该区煤层气地面抽采的发展 目前 沁南地区累计完成各类煤层气地面抽采井3000余口 煤层气年产能力超过20亿m 实际产量已经达到10亿m 年 继沁南煤层气地面抽采成功后 山西柳林 临兴 保德 宁武 阳泉 乡宁 辽宁铁法 阜新 安徽淮南 淮北 陕西韩城 铜川 吴堡 四川古蔺等地区煤层气勘探相继获得突破 部分地区已经进入商业性开发 我国煤层气产业的发展正迎来一个朝气蓬勃的春天 3 80 产能不理想 自从美国在煤层气 页岩气有所突破后 我国也积极响应 煤层气的勘探和开发研究也进行了20年 打了将近上万口井 表面看好像我们已完全掌握了煤层气的开采技术 但80 的井产出的气不具备工业产能 直接影响了我国煤层气事业的发展 存在技术瓶颈 一个关键技术的突破有可能直接会改变一个区块能否具有经济开发价值 甚至会改变一个行业的发展前景 压裂是关键 从地质勘探 储量评价 以及钻井 测井 录井 完井等工艺借鉴石油行业的成果已基本掌握 但我们认为在压裂的认识中仍存在问题 攻坚克难 1 思想不够开放 2 低密度支撑剂技术没有掌握 没有得到大胆应用 所以直接造成许多井产量低下甚至不出气的情况 本文不对其他方面讨论 只针对煤层气的特点 如何应用超低密度支撑剂进行探讨和研究 4 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 5 水力压裂典型施工曲线 a 致密岩石b 微裂缝高渗岩石pF 破裂压力pE 延伸压力pC 闭合压力pS 地层压力pH 停泵压力 6 7 裂缝形态主要包括裂缝的长度 宽度 高度及走向长度 随着裂缝宽度的增加 裂缝长度将受到限制 宽度 压裂裂缝的宽度与其弹性模量成反比 方位 同一盆地没有明显的方向性 但是存在着在某一方向裂缝出现机率相对较大的现象 裂缝形态4种类型 水平缝 垂直缝 先水平缝后垂直缝 两翼不对称缝 一翼为垂直缝 一冀为水平缝 形态复杂的例如 T 工 爪 型裂缝 8 一般首先在井筒附近产生不规则水平缝 然后随着裂缝的进一步延伸 有的井产生水平缝 有的井产生垂直缝 裂缝的高度超过压裂层厚度的4倍 最高达到6倍 一般在2 4倍 9 压裂用支撑剂可大致分为天然的与人造的两大类 前者以石英砂为代表 后者则是通常称之为陶粒的支撑剂 在油气增产市场上广泛使用六种价格不同的标准支撑剂 它们是天然石英砂 人造的中等强度低密度的硅酸铝支撑剂 陶粒砂 人造的中等强度高密度的氧化铝和硅酸盐支撑剂 高强度的铝矾土和高强度的硅酸锆支撑剂 以及涂敷预固化涂层 可固化涂层树脂的天然砂或人造支撑剂和超低密度支撑剂 目前在煤层气压裂中主要是使用石英砂 10 优点a 适用于低闭合压力的各类储层 b 相对密度低 便于施工泵送 施工中减少泵和设备以及施工管线 管柱在井口内和井口部位磨蚀 c 圆 球度较好的石英砂破碎后成少小碎块状 但仍可保持一定的导流能力 d 价格便宜 资源丰富 缺点a 石英砂抗压强度低 开始破碎压力约为20MPa 不适合在中 高闭合压力的压裂层中使用 b 石英砂抗压强度低 破碎后的碎屑造成微粒运移 堵塞 嵌入 压裂液的伤害 滤饼和残渣 及非达西流动 时间等因素的影响 大大降低导流能力 甚至降低到原来的1 10或更低一些 11 1 煤层的杨氏模量低 波松比大 压裂时形成短 宽裂缝 影响压裂效果 且井眼的坍塌和大量煤粉的产生都给压裂和排采造成不利的影响 2 煤层气储层一般呈低压 低温状态 会给压裂液的破胶和返排造成特殊困难 3 煤层气赋存机理不同于天然气 其中90 吸附在煤层中 开采前需要降压解吸过程 4 因煤层比较软 容易发生支撑剂嵌入现象 以及近井地带出现严重的脱砂 5 煤层中有天然裂缝存在 且压裂时会产生多裂缝和复合裂缝 易造成压裂液严重滤失 引起煤层空隙的堵塞和基质的膨胀进而降低煤层的渗透率 影响造缝效果 12 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 13 不管压裂液的缺陷还是石英砂在煤层气压裂中的不足 如果用超低密度支撑剂 所有问题都迎刃而解 可是 原来所有的研究都集中在压裂液和压裂工艺的改进上 但都没有真正意义上的突破 很少针对煤层气的压裂支撑剂进行深入研究 一方面是大家一致有个惯性思维 认为超低密度支撑剂生产工艺复杂 难以在技术上有所突破 国内生产密度低于1 25的基本上没有 另一方面 认为价格太高 壳牌在中国煤层气行业用过 每吨18000元 不适合煤层气低成本战略 鉴于此 我们联合西南石油大学 中国矿业大学 北京能源科技股份有限公司进行联合攻关 针对煤层气的特点和压裂出现的问题 吸收国外的技术和经验 开发了OT 1和OT 2型超低密度支撑剂 为中国煤层气的开发技术产生了革命性的突破 14 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 15 超低密度压裂支撑剂在国内外都处于发展阶段 BJServices公司已经有相关报道和商业产品 但是其应用还处于推广阶段 国内无商业产品且相关研究极少 研究方向 超低密度支撑剂的研制首先在骨料选择 一定要有一定的强度且比重较轻 研究方法 我们在大量的实验基础上 针对煤层储层的特点 以及压裂裂缝不同的充填部位 选用了两种骨料 多孔陶粒 选用特殊的铝矾土添加一些添加剂 经过高温烧结增加它的强度而成 坚果壳颗粒 选用优质坚果 经过粉磨 筛选而成 16 多孔陶粒测试参数 17 坚果壳具有较高的强度 坚果壳颗粒因为多孔疏松纤维材料 而利用硬度较高的高分子材料填充其疏松纤维孔隙 能增加材料的密实性并赋予材料较高的强度 坚果壳的主要化学组分 纤维素 多戊糖 木素等 这些组分中的酚型单元 醛基结构以及醇羟基均可以与醛类 酚类 异氰酸酯类等发生缩合反应 酚醛树脂在受热或酸性条件下 羟甲基之间 羟甲基与苯酚或取代苯酚的邻位 对位可发生缩聚 交联成硬度高的体型高聚物 坚果壳与树脂的相容性 酚醛树脂又能与坚果壳中存在的反应型基团发生反应 使坚果壳与树脂间的相容性变好 且树脂内的苯环又赋予复合材料更高的刚度 18 处理过的多空陶粒和坚果壳颗粒参数 OT 1型 坚果壳颗粒 19 处理过的多空陶粒和坚果壳颗粒参数 OT 2型 多孔陶粒 20 从以上测试结果看 在满足煤层气压裂条件下 密度大大降低 新型支撑剂有 低密高强高渗透防砂防嵌防返吐 的特点 具体如下 1 表面的高韧高强材料 可将原来颗粒点与点接触 变成小面积的接触 分散了作用于颗粒上的负荷 从而使颗粒抗破碎能力提高 21 2 坚果壳可以因其含有大量的亲水基团 如羟基 醚键 极易吸水而膨胀 且易水解 包敷环氧树脂后 减少了空隙和低分子物质 使其耐水性大大增强 浸渍酚醛树脂的坚果壳48小时后吸水能力由包敷前的30 45 降到6 58 3 由于在支撑剂表面包敷了一层高强度树脂 这样即使压碎了包敷在内的支撑剂 外边的树脂层仍可以将碎块 颗粒包裹在一起 而不迁移堵塞支撑带的空隙 使裂缝有较高的导流能力 22 4 根据地层温度 可有选择性匹配调整覆膜的树脂性能参数 这个树脂膜比较薄 以至于在裂缝中的接触压力下就能使它粘合在一起 形成一个宽度较大的充填层 这种支撑剂可以说是唯一不嵌入地层的支撑剂 加上一定的施工工艺 同时可以有效地防止压裂液的滤失 也可以解决煤层气排采时最头疼的煤粉问题 有效阻止煤粉进入裂缝 在近井地带 同样可以防止支撑剂的返吐 23 5 超低密度压裂支撑剂因是真正的低密度 在活性水的输送下几乎是全部悬浮的 输送距离远 能够到达裂缝的最远端 充填缝隙多 裂缝的上半部分可以全部充填 避免了石英砂只沉淀到裂缝下部的缺陷 增大了裂缝支撑体积 支撑裂缝长 根据Stoke定律 尺寸大小同样为20 40目条件下 密度为1 25g cm3的支撑剂在液体中的最终沉降速度比石英砂低4倍 计算机模拟和应用实例都说明 低密度支撑剂产层覆盖性好 使用低密度支撑剂进行水力压裂的支撑裂缝更长 生产周期长 因裂缝的最远端得到支撑剂的支撑 使煤层气井的生产周期得到延长 使原来的3 5年提高到5 10年 最终获得几倍的效益 24 6 超低密度压裂支撑剂外面包敷的树脂膜耐酸 耐碱 适合所有煤层气层 7 由于覆膜后 该支撑剂憎水 煤粉不粘结 对煤层气 设备摩阻降低 自然提高支撑剂的导流能力 一口煤层气井投资200多万 如果这口井因为压裂效果不佳变成低产井 那将造成巨大的损失 进一步对这个区块的评价造成负面因素 直至放弃 如果对这些低产井进行改造 使用超低密度支撑剂重复压裂 救活低产井 使它具有工业气流 那么对煤层气行业的发展将起到不可估量的作用 25 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 26 5 1韩城区块的特点5 1 1孔隙度低韩城地区煤层气吸附量大但孔隙度低 普遍 7 区块煤孔隙度介于0 4 0 67 孔隙度演化未能随构造变形程度增加而加大 韩城地区因低空隙因素 不利于煤层气的解吸与开采 因此 必须在压裂技术上选择有针对性的技术和工艺方案 5 1 2渗透率高韩城地区煤储层渗透率介于0 05 0 5 10 15um2之间 平均渗透率 2 0 10 15um2 据韩试1 井的试井资料 3 11 煤层的渗透率分别为1 876md 3 054md 略高于国内其他煤层气田的渗透率 27 5 1 3储层压力高韩城地区煤层气的赋存条件与国内其他地区相比较 最明显的差异是煤层的储层压力 储层压力时影响韩城地区煤层气产率的分析关键是对储层压力的分析 储层压力越高 储层流体流动潜势越强 相对于国内其他地区而言 韩城地区煤储层呈现出高压异常状态 5 1 4储层温度合适韩城地区的温度梯度为2 89 100m 属正常地温系统 11 煤层的储层温度为32 78 5 号煤层储层温度平均为29 85 实验证明 当煤层温度在23 到39 之间时 温度每增加3 煤层气解吸率将增加4 5 因此韩城地区各煤储层温度均达到以上标准 因此有助于提高煤层气的解吸速度 28 29 30 5 2建议针对韩城地区煤层气的特点 建议在条件具备的情况下 选择有代表性的一些井压裂使用超低密度支撑剂 并不断完善优化压裂方案 具体建议如下 5 2 1低产井重复压裂 对没有形成工业气流的煤层气井进行重复压裂 使用超低密度支撑剂 当然 这口井的地质条件必须达到出气 高产的条件 5 2 2新投井对比压裂 最好是选择两口地质条件基本相似的煤层气井 一口按常规压裂 选择石英砂作为支撑剂 一口选择超低密度支撑剂 以便压裂后进行效果分析 31 5 2 3在支撑剂压裂组合上优化对比方案一 前置液可以先打10 20 的OT 1型超低密度支撑剂 携沙液打70 80 的OT 2型超低密度支撑剂 方案二 全部打OT 1型超低密度支撑剂 方案三 前置液可以先打10 20 的OT 1型超低密度支撑剂 携砂液全部打OT 0型超低密度支撑剂 方案四 前置液先打10 20 的OT 2型超低密度支撑剂 携沙液全部打OT 0型超低密度支撑剂 方案五 前置液可以先打10 20 的OT 1型超低密度支撑剂 中间打50 的OT 2型超低密度支撑剂 最后打40 左右的石英砂 32 汇报提纲 一 前言二 煤层气水力压裂的裂缝及支撑剂分析三 研究超低密度压裂支撑剂的意义四 研究方法和技术特点五 针对韩城区块的使用建议六 经济效益分析 33 6 1美国使用超低密度压裂支撑剂的案例美国本纳特煤层气田 130口井使用超低密度支撑剂后 产量是不使用超低密度支撑剂的3 5倍 单井产量从300 2500m3提高到1500 8500m3 个别井甚至超过10000m3 美国在煤层气压裂中使用超低密度支撑剂的比例是25 随着对超低密度支撑剂的不断认识和实施工艺的不断优化 在煤层气压裂中采用超低密度支撑剂的比例将会越来越高 34 6 2两个例子A X井目前产能只有300m3 天 那么这口井基本上处于报废 投资的200多万基本上是全部损失 如果进行重复压裂 使用超低密度支撑剂 再增加投资40万元 包括压裂费用 产能按保守点说提高到1500m3 天 每天增产1200m3 按1 5元 m3计算 每天新产生的效益为 1200 1 5 1800元 投资回收期为 400000 1800 223天 也即7 5月收回投资 更重要的是挽回了先期投资的200多万 如果加上延长煤层气井寿命3 5年 经济效益更加可观 35 6 2两个例子B Y井为新井 如果一口和Y井同样地质条件的Z井使用石英砂 产能只有10