页岩气与煤层气井压裂增产技术

1、汇报提纲汇报提纲 l1.非常规天然气资源概述非常规天然气资源概述 l2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 l3.煤层气增产及配套技术煤层气增产及配套技术 非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探 开发方式等方面有别于常规天然气的烃类开发方式等方面有别于常规天然气的烃类( (或非烃类或非烃类) )资源，主要资源，主要 指指页岩气、煤层气、致密砂岩气和天然气水合物页岩气、煤层气、致密砂岩气和天然气水合物等。等。 1.非常规天然气资源概述非常规天然气资源概述 1.1 全球非常规天然气资源量全球非常规天然气资源量 世界世界常规天然

2、气总资源量为常规天然气总资源量为436万亿立方米万亿立方米，2010年年产天然气约产天然气约3万亿万亿 立方米，立方米，储采比保持在储采比保持在60以上以上； 世界世界非常规天然气总资源量非常规天然气总资源量921万亿方万亿方，是常规天然气，是常规天然气2倍多（其中，倍多（其中， 致密气致密气209.6万亿方、煤层气万亿方、煤层气256.1万亿方、页岩气万亿方、页岩气456万亿方），但万亿方），但产量产量 只占只占1/7左右左右； 天然气水合物资源量超过天然气水合物资源量超过2万万亿方，是目前化石能源资源总量万万亿方，是目前化石能源资源总量2倍以倍以 上。上。 其中仅页岩气其中仅页岩气456万

3、亿方就大于万亿方就大于常规天然气总资源量常规天然气总资源量436万亿万亿 1.非常规天然气资源概述非常规天然气资源概述 致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约84.5万亿方，是万亿方，是 常规气资源量常规气资源量1.5倍。倍。 中国非常规油气可采资源中国非常规油气可采资源 1.2 中国非常规天然气发展前景广阔中国非常规天然气发展前景广阔 种类种类资源量资源量备注备注 非常规气非常规气(万亿方万亿方) 致密砂岩气致密砂岩气12主要包括鄂尔多斯和四川盆地主要包括鄂尔多斯和四川盆地 煤层气煤层气36.8国土资源部新一轮资评，国土资源部新一轮资评，20

4、06年年 页岩气页岩气30.72008年年 火成岩气火成岩气 5 2010年年 天然气水合物天然气水合物80主要指南海主要指南海 1.非常规天然气资源概述非常规天然气资源概述 2.1 页岩气的概念及储层特点页岩气的概念及储层特点 页岩气定义页岩气定义 页岩气储层基本特点页岩气储层基本特点 2.2 国外页岩气增产技术进展国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议对中国页岩气开发的建议 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 2.1 页岩气的概念及储层特点页岩气的概念及储层特点 页岩气定义页岩气定义 页岩气是一种特殊的非常规天然气，赋存于页岩气是一种特殊的非常规天然气，赋存于泥岩

5、或页岩泥岩或页岩中，具有中，具有自生自储、自生自储、 无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般等特征，一般无自然产能或低产无自然产能或低产，需，需 要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。 页岩气储层基本特征页岩气储层基本特征 储层低渗致密，纳米级孔隙发育；储层低渗致密，纳米级孔隙发育；储气模式以游离气和吸附气为主；由于页岩气储层比表储气模式以游离气和吸附气为主；由于页岩气储层比表 面比常规砂岩储层大很多，其面比常规砂岩储层大很多，其吸附气量远大于砂岩吸附气量吸附气量

6、远大于砂岩吸附气量，因此需要通过大规模压裂，因此需要通过大规模压裂， 增大改造体积。增大改造体积。 岩性及矿物组分复杂；储层所含的硅质矿物、碳酸盐岩矿物、粘土矿物不同，导致储层岩岩性及矿物组分复杂；储层所含的硅质矿物、碳酸盐岩矿物、粘土矿物不同，导致储层岩 石的脆性程度不同，从而引起改造模式和改造效果不同；石的脆性程度不同，从而引起改造模式和改造效果不同；储层的脆性越强，压裂时越易实储层的脆性越强，压裂时越易实 现脆性断裂形成网状裂缝现脆性断裂形成网状裂缝，从而实现体积改造。，从而实现体积改造。 天然裂缝系统发育；如果天然裂缝不发育或不能通过大型压裂形成复杂的多缝或网络裂缝，天然裂缝系统发育；

7、如果天然裂缝不发育或不能通过大型压裂形成复杂的多缝或网络裂缝， 页岩气储层很难成为有效储层。页岩气储层很难成为有效储层。脆性和天然裂缝发育的地层脆性和天然裂缝发育的地层中容易实现体积改造，而塑性中容易实现体积改造，而塑性 较强地层实现体积改造比较困难。较强地层实现体积改造比较困难。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 BHN计算公式及美国不同油藏岩心计算公式及美国不同油藏岩心BHN值值 摘自（摘自（SPE 142959） u岩石的脆性指数表征方式可用岩心或者岩屑的布氏硬度（岩石的脆性指数表征方式可用岩心或者岩屑的布氏硬度（BHNBHN） 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术

8、2.1 页岩气的概念及储层特点页岩气的概念及储层特点 2.2 国外页岩气增产技术进展国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议对中国页岩气开发的建议 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 2.2 2.2 国外页岩气增产技术进展国外页岩气增产技术进展 u直井连续油管分层压裂技术（直井连续油管分层压裂技术（SPE 107060SPE 107060） 较早的页岩气开发主要是在浅层，以直井为主，其压裂技术具有较早的页岩气开发主要是在浅层，以直井为主，其压裂技术具有3 3个特个特 征，即征，即连续油管、水力喷砂射孔、环空加砂连续油管、水力喷砂射孔、环空加砂 。该技术是用高速和高压流体

9、通过。该技术是用高速和高压流体通过 连续油管进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，环空加注携砂液体，从而在连续油管进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，环空加注携砂液体，从而在 地层中压开裂缝。其技术要点为水力喷砂射孔，环空加砂，然后填砂封堵已压裂地层中压开裂缝。其技术要点为水力喷砂射孔，环空加砂，然后填砂封堵已压裂 层段，上提连续油管至下一目的层段，重复上述步骤直至结束施工，施工结束后层段，上提连续油管至下一目的层段，重复上述步骤直至结束施工，施工结束后 用连续油管进行冲砂、返排。该技术具有用连续油管进行冲砂、返排。该技术具有作业周期短、成本低、排量选择范围广、作业周期短、成本低、排量选择范

10、围广、 连续油管磨损小、井下工具简单和成功率高连续油管磨损小、井下工具简单和成功率高等特点，目前在页岩气直井开发中得等特点，目前在页岩气直井开发中得 到了很好的应用。到了很好的应用。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 u水平井分段压裂技术水平井分段压裂技术 1. 1. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术（水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术（ SPE 100674SPE 100674） 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主要特点是水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主要特点是套管压裂多段分簇射套管压裂多段分簇射 孔、可钻式桥塞孔、可钻式桥塞。一般目的层水平井段被分成。一般目

11、的层水平井段被分成815815段，每段水平段长度为段，每段水平段长度为 100 150 m100 150 m，每段射孔，每段射孔4646簇，每射孔簇跨度为簇，每射孔簇跨度为0. 460. 77 m0. 460. 77 m，簇间距，簇间距2020 30 m30 m，压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。，压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 2. 2.水平井多级滑套封隔器分段压裂技术（水平井多级滑套封隔器分段压裂技术（SPE 100674SPE 100674） 该技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器相同，采该技术

12、通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器相同，采 用机械式封隔器，主要适用于用机械式封隔器，主要适用于套管完井套管完井。该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此工。该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此工 艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就 会导致施工失败，造成大修。目前由于可钻式桥塞分隔技术的应用，该技术的应用逐年减会导致施工失败，造成大修。目前由于可钻式桥塞分隔技术的应用，该技术的应用逐年减 少。少。（下图为投球滑套环空封隔多级压裂示意图）（下图为

13、投球滑套环空封隔多级压裂示意图） 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 3. 3.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 由于水平井开发的特殊性，部分水平井由于水平井开发的特殊性，部分水平井裸眼完井裸眼完井，规封隔器难以满足后期压，规封隔器难以满足后期压 裂施工的需要，为此研制开发了裂施工的需要，为此研制开发了遇油遇油( (遇水遇水) )膨胀封隔器膨胀封隔器。其工作原理为封隔器下其工作原理为封隔器下 入井底预定位置后，遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶膨胀至井壁入井底预定位置后，遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶膨胀至井壁 位置后继续膨胀而产生接触

14、应力，从而实现密封。位置后继续膨胀而产生接触应力，从而实现密封。 该技术具有可靠性高、成本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产等优该技术具有可靠性高、成本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产等优 点。所以，目前在国外已经得到大规模的应用点。所以，目前在国外已经得到大规模的应用在在120120多口井上应用，改造层多口井上应用，改造层 段超过段超过850850段。段。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 4. 4.连续油管跨式封隔器分段压裂技术（连续油管跨式封隔器分段压裂技术（ SPE 150949SPE 150949） 该技术可实现在压裂设备未安置好之前完成所有射孔程序，这样减少了

15、非生该技术可实现在压裂设备未安置好之前完成所有射孔程序，这样减少了非生 产时间的消耗。射孔可以采用连续油管传输、电线传输或者水力喷射。跨式封隔产时间的消耗。射孔可以采用连续油管传输、电线传输或者水力喷射。跨式封隔 器组合工具可以隔离每个单独射孔簇提供，所有压裂流体都通过连续油管注入。器组合工具可以隔离每个单独射孔簇提供，所有压裂流体都通过连续油管注入。 当出现早期脱砂时，杯状上部封隔器实现足够的返回能力。该技术最大的优点与当出现早期脱砂时，杯状上部封隔器实现足够的返回能力。该技术最大的优点与 增能或泡沫压裂液配伍，适用于薄层、低应力、中低温环境和裂缝间距较小或射增能或泡沫压裂液配伍，适用于薄层

16、、低应力、中低温环境和裂缝间距较小或射 孔簇数较多的塑性地层。孔簇数较多的塑性地层。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 5. 5.水平井水力喷射分段压裂技术（水平井水力喷射分段压裂技术（ SPE 94098SPE 94098、150949150949） 该技术是该技术是集射孔、压裂、封隔于一体集射孔、压裂、封隔于一体的新型增产改造技术。利用水力喷射工的新型增产改造技术。利用水力喷射工 具实施分段压裂，不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵，封隔准确。水力喷具实施分段压裂，不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵，封隔准确。水力喷 射分段压裂技术可以选用射分段压裂技术可以选用油管或连续油管

17、油管或连续油管作为作业管柱，使用范围广，套管完井、作为作业管柱，使用范围广，套管完井、 筛管完井和裸眼完井都适用。筛管完井和裸眼完井都适用。 水力喷射环空压裂水力喷射环空压裂+ +支撑剂桥塞支撑剂桥塞水力喷射油管压裂水力喷射油管压裂 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 6.水平井水力喷射水平井水力喷射+井下混合分段压裂技术（井下混合分段压裂技术（ SPE 142959） 该方法该方法采用水力射孔，然后采用水力射孔，然后 “液态支撑剂液态支撑剂”（12-24lbm/gal） 由连续油管低速注入由连续油管低速注入 （35ft/sec），而，而无无支撑剂支撑剂流体由环空高速注入。当环空高速

18、泵入无流体由环空高速注入。当环空高速泵入无支撑剂支撑剂流体时流体时，防止防止 连续油管磨破的限制速度连续油管磨破的限制速度（35ft/sec）可以大大提高可以大大提高，这样就在孔眼处形成高速混砂流体，这样就在孔眼处形成高速混砂流体， 实现支撑剂深穿透、裂缝分支以及支撑剂墩导流。具体施工步骤：实现支撑剂深穿透、裂缝分支以及支撑剂墩导流。具体施工步骤：1.安置水力喷射井下集安置水力喷射井下集 成装置到最远处的射孔簇进行改造成装置到最远处的射孔簇进行改造；2.在第一段射孔簇进行水力射孔和起裂在第一段射孔簇进行水力射孔和起裂；3.从从BHA移出移出 球球，带到地表以便循环带到地表以便循环；4.环空开始

19、泵入滑溜水环空开始泵入滑溜水，获取一个设计的速度获取一个设计的速度；5.连续油管开始连续油管开始 泵入液态支撑剂泵入液态支撑剂；6.减少环空注入速度减少环空注入速度，提高支撑剂浓度提高支撑剂浓度；7.恢复设计的环空速度用滑溜恢复设计的环空速度用滑溜 水顶替支撑剂段塞水顶替支撑剂段塞；8.重复重复6至至7步实现所需的净压力或微地震监测的裂缝分支效应步实现所需的净压力或微地震监测的裂缝分支效应；9.缓缓 慢减少环空注入速度在孔眼处形成高浓度支撑剂充填层慢减少环空注入速度在孔眼处形成高浓度支撑剂充填层；10.移动水力喷射移动水力喷射BHA到下一段压到下一段压 裂目标处裂目标处；11.支撑剂回流（如果

20、需要）支撑剂回流（如果需要）；12.通过连续油管下入球到通过连续油管下入球到BHA上上；13.重复重复1至至12 步直到各射孔簇被改造完步直到各射孔簇被改造完。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 u水平井多井同步压裂技术水平井多井同步压裂技术 （摘自（摘自 SPE 116124） 邻井间同步压裂技术是指大致平行的两口或两口以上水平井同时进行压裂改邻井间同步压裂技术是指大致平行的两口或两口以上水平井同时进行压裂改 造。其目的是在页岩气层中产生更大压力造。其目的是在页岩气层中产生更大压力，创造出更复杂的三维裂缝网络系统创造出更复杂的三维裂缝网络系统， 增加裂缝系统表面积。这是单井压裂所

21、不能实现的。增加裂缝系统表面积。这是单井压裂所不能实现的。2006年年，该技术首先在美该技术首先在美 国国Ft. Worth盆地的盆地的Barnett页岩中实施。施工作业者在水平井段相隔页岩中实施。施工作业者在水平井段相隔152305m的的 两口大致平行的水平配对井之间进行同步压裂两口大致平行的水平配对井之间进行同步压裂，两井均得到高速生产。其中一口两井均得到高速生产。其中一口 井以井以 的速度持续生产的速度持续生产30天天，而其它未而其它未压裂的只有压裂的只有 。dm /105 .25 34 dm /1016.1466. 5 34 四口水平井同步压裂微地震监测图四口水平井同步压裂微地震监测图

22、 摘自摘自 SPE（119635） 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 u 水平井分段德洲水平井分段德洲“两步跳两步跳”压裂技术压裂技术 （摘自（摘自 SPE 130043SPE 130043） 德洲两步跳是非常流行的舞蹈德洲两步跳是非常流行的舞蹈，结合乡村和西部音乐结合乡村和西部音乐两步向前两步向前，一步在一步在 后。该技术的目标：在多段压裂中后。该技术的目标：在多段压裂中，改变岩石的应力场改变岩石的应力场，实现主分支缝与诱导的实现主分支缝与诱导的 应力松弛缝相连通。应力松弛缝相连通。该技术手在无分支水平井段中常规压裂单个射孔簇该技术手在无分支水平井段中常规压裂单个射孔簇。但是但是

23、， 要改变施工的先后顺序。从水平井要改变施工的先后顺序。从水平井最远最远端开始起端开始起，首先进行压裂增产首先进行压裂增产；然后向井然后向井 跟移动跟移动，改造第改造第二次，二次，这样可以使得两段裂缝间一定程度的应力干扰。随后这样可以使得两段裂缝间一定程度的应力干扰。随后，改改 变向井跟的方向变向井跟的方向，第三第三次次压裂在前两段之间进行压裂在前两段之间进行，以利用应力改变的岩石和连通以利用应力改变的岩石和连通 创造的应力松弛缝。创造的应力松弛缝。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 u水平井分段通道压裂技术水平井分段通道压裂技术 通道压裂技术依靠水力压裂过程中通道压裂技术依靠水力

24、压裂过程中，高频交替注入多级支撑剂冻胶液和不含高频交替注入多级支撑剂冻胶液和不含 支撑剂的冻胶液支撑剂的冻胶液，以实现支撑剂的非均匀铺置和形成开启的通道。同时以实现支撑剂的非均匀铺置和形成开启的通道。同时，冻胶液冻胶液 在被施工设备泵入过程中在被施工设备泵入过程中，加入可降解的纤维材料可以减少支撑剂脉冲在完井处加入可降解的纤维材料可以减少支撑剂脉冲在完井处 以及地下裂缝过程的耗散以及地下裂缝过程的耗散，在一个确定的泵注程序和油藏性质条件下在一个确定的泵注程序和油藏性质条件下，可利用岩可利用岩 石物理模型来进行通道压裂设计。由此石物理模型来进行通道压裂设计。由此，可形成如可形成如下下图所示的导流

25、通。图所示的导流通。该技术应该技术应 用到用到Hawkville油田伊格福特页岩地层中，使得产量比常规增产技术提高了油田伊格福特页岩地层中，使得产量比常规增产技术提高了32%至至 68%。 通道压裂施工泵注程序示意图通道压裂施工泵注程序示意图 摘自摘自SPE（141708） 通道压裂形成超高导流能力示意图通道压裂形成超高导流能力示意图 摘自摘自 http:/ . 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 2.1 页岩气的概念及储层特点页岩气的概念及储层特点 2.2 国外页岩气增产技术进展国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议对中

26、国页岩气开发的建议 产能影响因素产能影响因素 压裂设计方式选择压裂设计方式选择 压裂液体系压裂液体系 微地震裂缝监测微地震裂缝监测 页岩气高效经济开发的必要元素（页岩气高效经济开发的必要元素（SPE123586） 产能影响因素产能影响因素 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 形成分支缝，促进页岩气开采的关键参数形成分支缝，促进页岩气开采的关键参数（SPE142959） 储层岩石非均质性（天然缝、割理、裂隙等）储层岩石非均质性（天然缝、割理、裂隙等） 岩土力学性质（脆性）岩土力学性质（脆性） 水平井参数（井眼轨迹、目的层）水平井参数（井眼轨迹、目的层） 原地应力各向异性原地应力各向异性

27、 基质渗透率基质渗透率 压裂施工净压压裂施工净压 工作液粘度工作液粘度 主裂缝及分支裂缝导流能力主裂缝及分支裂缝导流能力 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 页岩气压裂设计选择标准页岩气压裂设计选择标准压裂方式选择压裂方式选择 基于岩石性质的多级压裂选择原则（基于岩石性质的多级压裂选择原则（SPE150949） 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 Perf and Plug射孔和桥塞技术射孔和桥塞技术;BASS 投球滑套封隔技术；投球滑套封隔技术；CTSP 连续油管跨式封隔连续油管跨式封隔 技术；技术；HJAF 水力喷射辅助压裂技术；水力喷射辅助压裂技术；HP-ACT水力喷

28、射水力喷射+连续油管环空压裂技术；连续油管环空压裂技术；HP- DM水力喷射水力喷射+地下混合压裂技术地下混合压裂技术 不同压裂方法的施工参数比较（不同压裂方法的施工参数比较（SPE150949SPE150949） 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 页岩气压裂设计选择标准页岩气压裂设计选择标准施工参数选择施工参数选择 摘自摘自 薛承瑾薛承瑾页岩气压裂技术现状及发展建议页岩气压裂技术现状及发展建议 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 页岩气压裂液体系页岩气压裂液体系 页岩气储层特点不同，其选择的压裂液也不同。目前所使用的压裂液有滑溜页岩气储层特点不同，其选择的压裂液也不同。

29、目前所使用的压裂液有滑溜 水线性胶、交联液和泡沫等，而滑溜水和复合压裂液是日前主要压裂液体系。水线性胶、交联液和泡沫等，而滑溜水和复合压裂液是日前主要压裂液体系。 滑溜水压裂液体系滑溜水压裂液体系 该液体体系主要适用于无水敏、储层天然裂缝较发育、脆性较高地层。其该液体体系主要适用于无水敏、储层天然裂缝较发育、脆性较高地层。其 主要特点为：适用于裂缝性地层；提高形成剪切缝和网状缝的概率；使用少量稠主要特点为：适用于裂缝性地层；提高形成剪切缝和网状缝的概率；使用少量稠 化剂降阻，对地层伤害小，支撑剂用量少；成本低，在相同作业规模下，滑溜水化剂降阻，对地层伤害小，支撑剂用量少；成本低，在相同作业规模

30、下，滑溜水 压裂比常规冻胶压裂其成本可以降低压裂比常规冻胶压裂其成本可以降低40%40%一一60%60%。 复合压裂液体系复合压裂液体系 复合压裂或混合压裂主要是针对黏土含量高，塑性较强的页岩气储层。注复合压裂或混合压裂主要是针对黏土含量高，塑性较强的页岩气储层。注 入复合压裂液既可保证形成一定的缝宽，又保证有一定的携砂能力。复合压裂液入复合压裂液既可保证形成一定的缝宽，又保证有一定的携砂能力。复合压裂液 的注入顺序一般为：前置液滑溜水与冻胶交替注入，支撑剂先为小粒径，后为中的注入顺序一般为：前置液滑溜水与冻胶交替注入，支撑剂先为小粒径，后为中 等粒径，低粘度活性水携砂在冻胶液中发生粘滞指进现

31、象，从而减缓支撑剂沉降，等粒径，低粘度活性水携砂在冻胶液中发生粘滞指进现象，从而减缓支撑剂沉降， 确保裂缝的导流能力。确保裂缝的导流能力。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 微地震监测微地震监测 监测裂缝的方法包括监测裂缝的方法包括化学示踪剂法、物理示踪剂法、微地震监测化学示踪剂法、物理示踪剂法、微地震监测以及以及测斜测斜 仪监测仪监测，应用较广泛的是微地震监测。微地震监测又分为同井监测和邻井监，应用较广泛的是微地震监测。微地震监测又分为同井监测和邻井监 测，其原理主要是通过邻井放置多个检波器，记录在裂缝起裂和闭合过程中所发测，其原理主要是通过邻井放置多个检波器，记录在裂缝起裂和闭

32、合过程中所发 生的微地震事件，计算压裂改造所得到的改造体积及预测压后产量。生的微地震事件，计算压裂改造所得到的改造体积及预测压后产量。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 水平井分段压裂微地震事件 16 微地震事件解释 17 2.3 对中国页岩气开发的建议对中国页岩气开发的建议 经过经过30多年的发展，美国从初期的大规模水力压裂多年的发展，美国从初期的大规模水力压裂(MHF、交联压、交联压 裂液裂液)技术发展到现在的水平井完井、水平井多簇射孔、分段大规模减技术发展到现在的水平井完井、水平井多簇射孔、分段大规模减 阻水力压裂、同步压裂和复合压裂等系列技术，并目取得了巨大成功，阻水力压裂

33、、同步压裂和复合压裂等系列技术，并目取得了巨大成功， 同时带动了微地震监测技术、大功率泵车、高效降阻剂和低密度支撑同时带动了微地震监测技术、大功率泵车、高效降阻剂和低密度支撑 剂及连续混配技术的发展。剂及连续混配技术的发展。 国内页岩气的开发刚刚起步，没有成型的页岩气开发配套技术。国内页岩气的开发刚刚起步，没有成型的页岩气开发配套技术。 目前，国内比较成熟的常规压裂技术主要有直井分压合采技术、直井目前，国内比较成熟的常规压裂技术主要有直井分压合采技术、直井 大型压裂技术、直井连续油管分段压裂技术、水平井分段压裂改造技大型压裂技术、直井连续油管分段压裂技术、水平井分段压裂改造技 术和超低浓度羧甲

34、基胍胶压裂液技术等，这些常规技术对页岩气压裂术和超低浓度羧甲基胍胶压裂液技术等，这些常规技术对页岩气压裂 能够提供一定的借鉴和参考。根据国内外页岩气压裂技术发展现状和能够提供一定的借鉴和参考。根据国内外页岩气压裂技术发展现状和 动态，建议我国从以下几方面加强动态，建议我国从以下几方面加强. 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 1. 1.页岩气水平井多段压裂技术研究。页岩气水平井多段压裂技术研究。包括页岩气水平井分段压裂工程地质包括页岩气水平井分段压裂工程地质 评价、水平井压裂选段及射孔参数优化、滑套式喷射器开发与研制、水评价、水平井压裂选段及射孔参数优化、滑套式喷射器开发与研制、水

35、平井测试压裂设计与解释方法研究、水平井多段压裂优化设计方法研究平井测试压裂设计与解释方法研究、水平井多段压裂优化设计方法研究 和现场试验。和现场试验。 2. 2.页岩气体积压裂技术研究。页岩气体积压裂技术研究。包括体积缝网形成的力学机理及裂缝延伸模包括体积缝网形成的力学机理及裂缝延伸模 式、压裂工艺（同步压裂、德洲式、压裂工艺（同步压裂、德洲“两步跳两步跳”等）形成大规模体积缝、裂等）形成大规模体积缝、裂 缝网络参数优化设计方法、裂缝监测技术（尤其是微地震裂缝监测和解缝网络参数优化设计方法、裂缝监测技术（尤其是微地震裂缝监测和解 释）、压后产能评价方法和现场试验。释）、压后产能评价方法和现场试

36、验。 3. 3.页岩气压裂材料和工具设备研究。页岩气压裂材料和工具设备研究。包括压裂液液体系优选及配方研究，包括压裂液液体系优选及配方研究， 超低密度支撑剂研究。实现大规模压裂的泵车；能够承受地下复杂环境超低密度支撑剂研究。实现大规模压裂的泵车；能够承受地下复杂环境 的管柱和一些工具（如水力喷射的喷嘴）。的管柱和一些工具（如水力喷射的喷嘴）。 4. 4. 页岩气压裂还要注意环境保护问题。页岩气压裂还要注意环境保护问题。 2.页岩气增产及配套技术页岩气增产及配套技术 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 3.1 煤层气储层特征及压裂难点煤层气储层特征及压裂难点 煤层气赋存特征煤层

37、气赋存特征 储渗结构特征储渗结构特征 岩石力学特征岩石力学特征 工程材料应用工程材料应用 3.2 国内外煤层气增产技术现状国内外煤层气增产技术现状 3.3 煤层气增产技术发展趋势煤层气增产技术发展趋势 p煤层气赋存及渗流状态煤层气赋存及渗流状态复杂，单井产量复杂，单井产量差异大差异大 3.1.1 煤层气赋存及渗流特征煤层气赋存及渗流特征 煤层中四种气体煤层中四种气体赋存形式赋存形式： 煤颗粒内表面的煤颗粒内表面的吸附气吸附气； 基质孔隙空间内的基质孔隙空间内的自由气自由气； 水中的水中的溶解气溶解气； 割理系统中的自由气割理系统中的自由气 煤层气煤层气渗流特性渗流特性： 基质孔隙内气体多为非连

38、续相，渗流不基质孔隙内气体多为非连续相，渗流不 满足达西定律。满足达西定律。 煤层中气泡的聚并、膨胀以及运移过程煤层中气泡的聚并、膨胀以及运移过程 复杂，并不能用传统相渗实验准确模拟。复杂，并不能用传统相渗实验准确模拟。 压裂液中有机物吸附影响煤层气的渗流。压裂液中有机物吸附影响煤层气的渗流。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 p储储渗结构渗结构复杂，压裂液复杂，压裂液滤失滤失突出，煤层突出，煤层易伤害易伤害 煤岩基质的孔隙度和渗透率很低煤岩基质的孔隙度和渗透率很低 裂缝系统（割理和微裂隙）发育状况复杂裂缝系统（割理和微裂隙）发育状况复杂 3.1.2 储渗结构特征储渗结构特

39、征 微孔微孔小孔小孔中孔中孔大孔大孔 d0.10.01mD1-0.1md1m 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 p 对各向裂缝发育的煤层压裂：对各向裂缝发育的煤层压裂： 天然裂缝重新开启，使煤层渗透率增加。天然裂缝重新开启，使煤层渗透率增加。 压裂液粘度控制的滤失系数和地层流体压缩性控制的滤失系压裂液粘度控制的滤失系数和地层流体压缩性控制的滤失系 数，都与渗透率和孔隙度的平方根成正比。数，都与渗透率和孔隙度的平方根成正比。 压裂液滤失进入基质孔隙和微裂隙，压裂液滤失进入基质孔隙和微裂隙，形成液锁形成液锁。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 3.1.3 岩

40、石力学特征岩石力学特征 p岩石力学岩石力学性质性质复杂，裂缝复杂，裂缝起裂及延伸规律起裂及延伸规律复杂的双重复杂性复杂的双重复杂性 初始阶段弯曲，表明煤对煤岩的不断初始阶段弯曲，表明煤对煤岩的不断 压实过程；压实过程； 在直线段煤岩接近在直线段煤岩接近弹性变形弹性变形阶段；阶段； 在压力最高点达到弹性极限，煤岩存在压力最高点达到弹性极限，煤岩存 在不可恢复的在不可恢复的塑性变形塑性变形发生破裂；发生破裂； 岩石内薄弱面以及充填物质的影响，岩石内薄弱面以及充填物质的影响， 变形及断裂模式差异明显（如变形及断裂模式差异明显（如A1、A4） 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 裂缝

41、延伸受地应力和天然裂缝（割理）双重控制，表现为双翼、单翼和网状裂缝延伸受地应力和天然裂缝（割理）双重控制，表现为双翼、单翼和网状 等不同延伸形式等不同延伸形式 人工裂缝扩张极不规则，人工裂缝扩张极不规则，曲折延伸且缝面呈阶梯状曲折延伸且缝面呈阶梯状 网状缝网状缝 对称双翼缝对称双翼缝 单翼缝单翼缝 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 单学军等，单学军等，2005 实际监测的裂缝形态实际监测的裂缝形态 对称对称不等长双翼缝不等长双翼缝 单翼缝单翼缝 水平与垂直交错缝水平与垂直交错缝 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 活性水压裂：价格便宜，对煤层伤害小；但活性

42、水压裂：价格便宜，对煤层伤害小；但携砂差，难以实现携砂差，难以实现 现有支撑剂的长距离输送；现有支撑剂的长距离输送； 线性胶及冻胶压裂液线性胶及冻胶压裂液 ：粘度高，携砂强，但：粘度高，携砂强，但有残渣、伤害大；有残渣、伤害大； 清洁压裂液清洁压裂液 ：携砂好，易破胶，伤害小，但：携砂好，易破胶，伤害小，但价格贵且存在表价格贵且存在表 面活性剂化学吸附；面活性剂化学吸附； 二氧化碳压裂：携砂好，伤害小，价格贵，二氧化碳压裂：携砂好，伤害小，价格贵，有助于煤层气的解有助于煤层气的解 吸。吸。 3.1.4 工程材料与工艺方法的不足工程材料与工艺方法的不足 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产

43、与配套技术 砂堵：砂堵：支撑剂颗粒密度与压裂液密度支撑剂颗粒密度与压裂液密度 差异，压裂液滤失等控制差异，压裂液滤失等控制 嵌入：嵌入：支撑剂几何、机械与表面支撑剂几何、机械与表面 特性影响特性影响 回流反吐：回流反吐：煤层机械特性、后期煤层机械特性、后期 （抽吸）排采影响（抽吸）排采影响 有效支撑有效支撑 有效导流有效导流 颗粒相对密度可达颗粒相对密度可达3.0以上以上 颗粒相对密度颗粒相对密度2.65 防嵌入与回流反吐防嵌入与回流反吐 核心目标：核心目标：建立导流能力建立导流能力 两道难题：两道难题：输送到位、有效支撑输送到位、有效支撑 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术

44、 单井水力加砂压裂单井水力加砂压裂 单井压裂到多井同步大排量水力诱导单井压裂到多井同步大排量水力诱导， 高压水射流高压水射流 （成孔）压裂技术（成孔）压裂技术 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 3.1 煤层气储层特征及压裂难点煤层气储层特征及压裂难点 3.2 国内外煤层气增产技术现状国内外煤层气增产技术现状 国外煤层气增产技术发展现状国外煤层气增产技术发展现状 国内煤层气增产技术发展现状国内煤层气增产技术发展现状 目前存在的问题目前存在的问题 3.3 煤层气增产技术发展趋势煤层气增产技术发展趋势 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 美国美国从从8080年代

45、初开始进行煤层气的勘探和开发，是世界上第一年代初开始进行煤层气的勘探和开发，是世界上第一 个率先成功实现个率先成功实现煤层气商业性开发煤层气商业性开发的国家。的国家。 3.2.1 国外煤层气增产技术发展现状国外煤层气增产技术发展现状 u 美国美国 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 煤层气开采早期，煤层气开采早期，大井组直井压裂技术大井组直井压裂技术曾广泛应用于圣胡安、曾广泛应用于圣胡安、 黑勇士中煤阶含煤盆地的煤层气开发之中，其技术关键在于黑勇士中煤阶含煤盆地的煤层气开发之中，其技术关键在于钻大井钻大井 组压裂后长期、连续抽排组压裂后长期、连续抽排，大面积降压后煤层吸附的甲

46、烷气大量解，大面积降压后煤层吸附的甲烷气大量解 吸而产出。吸而产出。 1989-2003 年形成了针对不同地质背景的理论与开发技术，最年形成了针对不同地质背景的理论与开发技术，最 大限度地大限度地保护储层，降低伤害保护储层，降低伤害是不同技术的共同特征。是不同技术的共同特征。 圣胡安盆地以圣胡安盆地以裸眼洞穴法完井裸眼洞穴法完井为主，为主， 黑勇士盆地、拉顿盆地等以黑勇士盆地、拉顿盆地等以套管完井加压裂套管完井加压裂为主，为主， 粉河盆地以粉河盆地以钻井钻井- 洗井技术洗井技术为主，为主， 阿巴拉契亚盆地采用阿巴拉契亚盆地采用羽状水平井技术羽状水平井技术。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压

47、裂增产与配套技术 集钻井、增产集钻井、增产 技术于一身技术于一身 以以CDX公司羽状水平井公司羽状水平井为代表，在西弗吉尼亚石炭系（焦煤为代表，在西弗吉尼亚石炭系（焦煤Ro1.5%、煤、煤 厚厚1.22-2m、煤层含气量、煤层含气量8.5-15.6m3/t、煤层渗透率、煤层渗透率3-4md）进行开采，）进行开采， 单井日产气单井日产气3.4-5.6万万m3 ，较前期产量提高，较前期产量提高10倍，倍，8年采出可采储量年采出可采储量85%。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 上世纪九十年代中后期，上世纪九十年代中后期，采用新技术开发新盆地采用新技术开发新盆地，是美国煤层气产，

48、是美国煤层气产 量大幅度增长的主要因素量大幅度增长的主要因素 粉河盆地低煤阶粉河盆地低煤阶洞穴完井技术洞穴完井技术，2004年产量年产量95亿亿m3； 中阿巴拉契亚高煤阶中阿巴拉契亚高煤阶定向羽状水平井技术定向羽状水平井技术，2004年产量年产量20亿亿m3。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 煤层气煤层气新型压裂液技术新型压裂液技术 u裂缝中的裂缝中的Pf极大地影响极大地影响基质中基质中Q的的变化趋势变化趋势 u不考虑动态渗透率基质中的不考虑动态渗透率基质中的Q为为12.02810-4g/(cm3s)，而，而 考虑的考虑的Q为为8.70710-4 g/(cm3s)，前者是

49、后者的，前者是后者的1.4倍，这是因倍，这是因 为压裂液大多沿着为压裂液大多沿着天然裂缝滤失天然裂缝滤失，相应地，相应地减少向基质中滤失减少向基质中滤失。 u 考虑动态渗透率考虑动态渗透率的滤失量的滤失量 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 p 粉砂降滤降滤失技术粉砂降滤降滤失技术 粉砂能够堵塞井周围的一些流道，在压裂形成的主裂缝延伸过程中，粉砂能够堵塞井周围的一些流道，在压裂形成的主裂缝延伸过程中， 遇到微裂缝时，在相交处形成堵塞，达到遇到微裂缝时，在相交处形成堵塞，达到控制和减少压裂液向天然裂缝滤控制和减少压裂液向天然裂缝滤 失失的目的。但粉砂用量过多，会影响压裂效果，而

50、用量过少又不能达到降的目的。但粉砂用量过多，会影响压裂效果，而用量过少又不能达到降 滤失的效果。因此，应根据储层实际滤失情况，滤失的效果。因此，应根据储层实际滤失情况，合理调节粉砂加入量合理调节粉砂加入量。 Fruitland储层岩心降滤失实验结果 San Juan盆地盆地Fruitland储层储层 3.5-2.9的煤样做测试。实验结的煤样做测试。实验结 果表明果表明2ppg100目的砂子可有效目的砂子可有效 减少压裂液在煤样中的滤失减少压裂液在煤样中的滤失。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 3.3.3 煤层气压裂液滤失机理及降滤工艺研究煤层气压裂液滤失机理及降滤工艺研究

51、 u 煤层气降滤工艺研究煤层气降滤工艺研究 p CO2或或N2泡沫压裂液降滤技术泡沫压裂液降滤技术 氮气优先占据微裂缝和高渗透层，阻止后续压裂液沿微裂缝和氮气优先占据微裂缝和高渗透层，阻止后续压裂液沿微裂缝和 高渗地带滤失高渗地带滤失； 液氮在压裂液中形成一定干度的泡沫，分散于压裂液中的气泡、液氮在压裂液中形成一定干度的泡沫，分散于压裂液中的气泡、 泡沫占据孔隙空间能有效地封堵地层孔隙，叠加的气阻效应使压裂泡沫占据孔隙空间能有效地封堵地层孔隙，叠加的气阻效应使压裂 液滤失降低液滤失降低； 以气体做降滤失剂，在返排时能顺利返出；避免了化学降滤失以气体做降滤失剂，在返排时能顺利返出；避免了化学降滤

52、失 剂对地层和裂缝造成的渗透率伤害剂对地层和裂缝造成的渗透率伤害 气液两相流动使得液相渗透率降低，降低压裂液的滤失量。气液两相流动使得液相渗透率降低，降低压裂液的滤失量。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 清洁压裂液的携砂能力好，能够形成长的支撑裂缝，抗剪切性清洁压裂液的携砂能力好，能够形成长的支撑裂缝，抗剪切性 能好，易于彻底破胶，无残渣，对煤层伤害小。能好，易于彻底破胶，无残渣，对煤层伤害小。由于滤失量是由滤由于滤失量是由滤 液粘度控制的，清洁压裂液中的胶束团是很难进入到渗透率液粘度控制的，清洁压裂液中的胶束团是很难进入到渗透率5 51010- - 3 3m m2 2的

53、地层中的地层中。故在低渗透地层中，故在低渗透地层中，清洁压裂液清洁压裂液滤失滤失量量少，少，即起到即起到 降滤失的作用。降滤失的作用。 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 针对已有活性水压裂液的特点，摩阻高，压裂产生的煤粉不易分散。针对已有活性水压裂液的特点，摩阻高，压裂产生的煤粉不易分散。 可压裂液中加入可压裂液中加入润湿剂和分散剂润湿剂和分散剂 ，能使煤粉由疏水性转变为亲水性，并，能使煤粉由疏水性转变为亲水性，并 且有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中阻止煤粉的聚集，从而降低压裂施且有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中阻止煤粉的聚集，从而降低压裂施 工压力，提高压裂效果。工压力，提高

54、压裂效果。 目前常用降阻剂为聚丙烯酰胺及其衍生物聚乙烯醇目前常用降阻剂为聚丙烯酰胺及其衍生物聚乙烯醇 ，煤粉分散剂是，煤粉分散剂是 表面活性剂的一种表面活性剂的一种 。因此，降阻剂和煤粉分散剂都属于有机添加剂。但。因此，降阻剂和煤粉分散剂都属于有机添加剂。但 在在煤层气改造中应尽量减少有机添加剂的使用煤层气改造中应尽量减少有机添加剂的使用。降阻剂和分散剂的加入。降阻剂和分散剂的加入 虽然有利于煤层气井的压裂施工，但是也会对煤层渗透率造成伤害。为虽然有利于煤层气井的压裂施工，但是也会对煤层渗透率造成伤害。为 此，需要对添加剂的类型，用量进行合理的研究。此，需要对添加剂的类型，用量进行合理的研究。

55、 p 低伤害低成本压裂液技术低伤害低成本压裂液技术 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 基于暂堵裂缝，降低滤失的目的，基于暂堵裂缝，降低滤失的目的，通过冷冻介质（液氮）对压通过冷冻介质（液氮）对压 裂液进行降温，使其在煤层形成冰水混合物，利用冰晶实现对裂缝裂液进行降温，使其在煤层形成冰水混合物，利用冰晶实现对裂缝 的暂堵转向，的暂堵转向，提高提高压裂效果。压裂效果。 p 冰晶暂堵冰晶暂堵转向转向降滤技术降滤技术 水、冰、溶液的蒸汽压曲线水、冰、溶液的蒸汽压曲线 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 管柱结构

56、：管柱结构： 液氮冷冻盲管（液氮管液氮冷冻盲管（液氮管+ +气态流动环空气态流动环空 ）+ +套管套管 下液氮冷冻管柱，注活性水 活性水开始进入裂缝 开始注液氮，对活性水进行 降温冻结 计算缝中活性水的温度分布 四个阶段： 井筒温度场模型：井筒温度场模型： 111 13,2,11 2,2, 22 111 213233,3 4,3 3, 2, 2 111 11,1,1, 111 22,2111,1, 22 () () nnnn jj jj nnnn jjj j nnnn iijiiii ji iji i j nnn NNjNNNNjNN j A BTATTBT TTTT TTTT TTT 11,

57、 n NNj T 1.滤失带差分方程：滤失带差分方程： 2 1 11 , 1 ED n jnn f jrw j ef a e TT C erf EDD 1 1 ,1111 ,Re, 1 ()() () n nn rw jrw jffnnnn jf jrw jsf j ef j TT C FTTD TT tC 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 裂缝温度场模型：裂缝温度场模型： 2. 2.流体能量守恒方程及连续性方程的合并方程的差分形式：流体能量守恒方程及连续性方程的合并方程的差分形式： 1111 ,111111 , 2 () nnnnn f jf jf jf jjnnnnn

58、jjjrw jf j ff TTTTa WWuTT tx C 3. 3.岩石能量方程的差分形式：岩石能量方程的差分形式： 1 ,1,1,1,1 22 11 ,1,1,1,11 22 1 ()2( )( ) 2()2 2 nnnnnn 1n 1n 1 r jr jefr jr jr jr jr jr j ef nnnn jjr jr jr jr jn j ef TTKTTTTTT tCyy CTTTT F Cyy 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 不同施工排量下井筒内活性水温度分布不同施工排量下井筒内活性水温度分布 不同注液时间下井筒内活性水温度分布不同注液时间下井筒内活性水

59、温度分布 注液时间注液时间越长越长，施工排量，施工排量越大越大，井筒内液体，井筒内液体温度下降越快温度下降越快，进入裂缝内的活，进入裂缝内的活 性水温度越低性水温度越低 p井筒内活性水温度分布井筒内活性水温度分布 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 不同注液时间下缝内活性水温度分布不同注液时间下缝内活性水温度分布 不同施工排量下缝内活性水温度分布不同施工排量下缝内活性水温度分布 注液时间注液时间越长越长，施工排量，施工排量越大越大，相同裂缝处活性水的温度也，相同裂缝处活性水的温度也越低越低，对煤，对煤 层气冰晶暂堵中暂堵物质的形成越层气冰晶暂堵中暂堵物质的形成越有利有利 p缝

60、内活性水温度分布缝内活性水温度分布 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 注液氮注液氮7min换热段活性水温度分布换热段活性水温度分布 不同注入排量下活性水温度分布不同注入排量下活性水温度分布 活性水温度随液氮注入时间的增加而逐步活性水温度随液氮注入时间的增加而逐步降低降低，活性水的注入，活性水的注入排量越大排量越大，在，在 相同时间内，温度下降的速度越慢，越相同时间内，温度下降的速度越慢，越难难以形成冰晶以形成冰晶 p换热段换热段活性水温度分布活性水温度分布 3.煤层气压裂增产与配套技术煤层气压裂增产与配套技术 p注液氮后裂缝温度场分析注液氮后裂缝温度场分析 不同注液氮时刻裂