低密度支撐劑在煤層氣壓裂中的使用

低密度支撐劑在煤層氣壓裂中的使用第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析2第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

我國煤層氣研究起于上世紀八十年代；九十年代初，引進美國的地面抽采技術和國內(nèi)天然氣開采技術獲得突破。九十年代中后期，以壓裂改造為核心技術的煤層氣勘探取得較快發(fā)展。煤層氣勘探開發(fā)研究取得一批重大科研成果。本世紀初，以晉煤集團和中聯(lián)公司為代表的煤層氣開發(fā)在沁南地區(qū)獲得巨大成功，極大地推動了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時，多分支水平井技術也獲得了成功，更加促進了該區(qū)煤層氣地面抽采的發(fā)展。目前，沁南地區(qū)累計完成各類煤層氣地面抽采井3000余口，煤層氣年產(chǎn)能力超過20億m3，實際產(chǎn)量已經(jīng)達到10億m3/年。繼沁南煤層氣地面抽采成功后，山西柳林、臨興、保德，寧武、陽泉、鄉(xiāng)寧，遼寧鐵法、阜新，安徽淮南、淮北，陜西韓城、銅川、吳堡，四川古藺等地區(qū)煤層氣勘探相繼獲得突破，部分地區(qū)已經(jīng)進入商業(yè)性開發(fā)。我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正迎來一個朝氣蓬勃的春天。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用前言1.1煤層氣產(chǎn)業(yè)——朝氣蓬勃3第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

80%產(chǎn)能不理想：自從美國在煤層氣、頁巖氣有所突破后，我國也積極響應，煤層氣的勘探和開發(fā)研究也進行了20年，打了將近上萬口井，表面看好像我們已完全掌握了煤層氣的開采技術，但80%的井產(chǎn)出的氣不具備工業(yè)產(chǎn)能，直接影響了我國煤層氣事業(yè)的發(fā)展。

存在技術瓶頸：一個關鍵技術的突破有可能直接會改變一個區(qū)塊能否具有經(jīng)濟開發(fā)價值，甚至會改變一個行業(yè)的發(fā)展前景。

壓裂是關鍵：從地質(zhì)勘探、儲量評價，以及鉆井、測井、錄井、完井等工藝借鑒石油行業(yè)的成果已基本掌握，但我們認為在壓裂的認識中仍存在問題。

攻堅克難：

1.思想不夠開放；

2.低密度支撐劑技術沒有掌握，沒有得到大膽應用，所以直接造成許多井產(chǎn)量低下甚至不出氣的情況。本文不對其他方面討論，只針對煤層氣的特點，如何應用超低密度支撐劑進行探討和研究。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用前言1.2煤層氣產(chǎn)能——存在瓶頸4第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析5第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

S1S2S3水力壓裂典型施工曲線a—致密巖石b—微裂縫高滲巖石pF—破裂壓力pE—延伸壓力pC—閉合壓力pS—地層壓力pH—停泵壓力超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.1壓裂

簡介6第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.2煤層壓裂裂縫形成的控制因素1）煤巖本身的巖石力學性質(zhì)2）地應力，不同構造部位煤層與褶皺中和面的位置關系（局部構造地應力）3）割理、孔隙系統(tǒng)，先存裂隙4）煤層埋深5）溫度,在深井中也會對破裂

壓力造成影響6）壓裂施工作業(yè)參數(shù)，如施工

規(guī)模和施工排量等，也可以在一定程度上改變裂縫形狀。7）控縫高壓裂技術，通過上浮式和下沉式導向劑在裂縫的頂部和底部形成人工遮

擋層，阻止裂縫中的壓力向上下傳播，繼而達到控制裂縫在高度方向上進一步

延伸的目的。人工裂縫方位：裂縫面垂直于最小主應力方向δz最小時→水平裂縫δy或δx﹥δz時→垂直裂縫7第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

裂縫形態(tài)主要包括裂縫的長度、寬度、高度及走向長度：隨著裂縫寬度的增加，裂縫長度將受到限制。寬度：壓裂裂縫的寬度與其彈性模量成反比。方位：同一盆地沒有明顯的方向性，但是存在著在某一方向裂縫出現(xiàn)機率相對較大的現(xiàn)象。裂縫形態(tài)4種類型：水平縫、垂直縫、先水平縫后垂直縫、兩翼不對稱縫(一翼為垂直縫，一冀為水平縫)。形態(tài)復雜的例如“T”、“工”，‘爪’型裂縫。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.3.1煤層裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律8第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一般首先在井筒附近產(chǎn)生不規(guī)則水平縫，然后隨著裂縫的進一步延伸，有的井產(chǎn)生水平縫，有的井產(chǎn)生垂直縫。裂縫的高度超過壓裂層厚度的4倍，最高達到6倍，一般在2~4倍。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.3.2煤層裂縫形態(tài)及擴展規(guī)律9第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

壓裂用支撐劑可大致分為天然的與人造的兩大類。前者以石英砂為代表，后者則是通常稱之為陶粒的支撐劑。

在油氣增產(chǎn)市場上廣泛使用六種價格不同的標準支撐劑，它們是天然石英砂、人造的中等強度低密度的硅酸鋁支撐劑（陶粒砂）、人造的中等強度高密度的氧化鋁和硅酸鹽支撐劑、高強度的鋁礬土和高強度的硅酸鋯支撐劑、以及涂敷預固化涂層、可固化涂層樹脂的天然砂或人造支撐劑和超低密度支撐劑。目前在煤層氣壓裂中主要是使用石英砂。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.4支撐劑的分類10第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

優(yōu)點a）適用于低閉合壓力的各類儲層；b）相對密度低，便于施工泵送。施工中減少泵和設備以及施工管線、管柱在井口內(nèi)和井口部位磨蝕；c）圓、球度較好的石英砂破碎后成少小碎塊狀，但仍可保持一定的導流能力；d）價格便宜，資源豐富。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.5石英砂的優(yōu)缺點

缺點a）石英砂抗壓強度低，開始破碎壓力約為20MPa，不適合在中、高閉合壓力的壓裂層中使用；b）石英砂抗壓強度低，破碎后的碎屑造成微粒運移、堵塞、嵌入、壓裂液的傷害（濾餅和殘渣）及非達西流動、時間等因素的影響，大大降低導流能力，甚至降低到原來的1/10或更低一些。11第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1）煤層的楊氏模量低，波松比大，壓裂時形成短、寬裂縫，影響壓裂效果。且井眼的坍塌和大量煤粉的產(chǎn)生都給壓裂和排采造成不利的影響。2）煤層氣儲層一般呈低壓、低溫狀態(tài)，會給壓裂液的破膠和返排造成特殊困難。3)

煤層氣賦存機理不同于天然氣，其中90%吸附在煤層中，開采前需要降壓解吸過程。4)

因煤層比較軟，容易發(fā)生支撐劑嵌入現(xiàn)象，以及近井地帶出現(xiàn)嚴重的脫砂。5)

煤層中有天然裂縫存在，且壓裂時會產(chǎn)生多裂縫和復合裂縫，易造成壓裂液嚴重濾失，引起煤層空隙的堵塞和基質(zhì)的膨脹進而降低煤層的滲透率，影響造縫效果。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用2.6煤層氣井壓裂的難點12第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析13第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月不管壓裂液的缺陷還是石英砂在煤層氣壓裂中的不足，如果用超低密度支撐劑，所有問題都迎刃而解?？墒?，原來所有的研究都集中在壓裂液和壓裂工藝的改進上，但都沒有真正意義上的突破，很少針對煤層氣的壓裂支撐劑進行深入研究。一方面是大家一致有個慣性思維，認為超低密度支撐劑生產(chǎn)工藝復雜，難以在技術上有所突破，（國內(nèi)生產(chǎn)密度低于1.25的基本上沒有）。另一方面，認為價格太高（殼牌在中國煤層氣行業(yè)用過，每噸18000元），不適合煤層氣低成本戰(zhàn)略。鑒于此，我們聯(lián)合西南石油大學、中國礦業(yè)大學、北京能源科技股份有限公司進行聯(lián)合攻關，針對煤層氣的特點和壓裂出現(xiàn)的問題，吸收國外的技術和經(jīng)驗，開發(fā)了OT-1和OT-2型超低密度支撐劑，為中國煤層氣的開發(fā)技術產(chǎn)生了革命性的突破。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用三

研究超低密度壓裂支撐劑對煤層氣壓裂的意義14第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析15第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

超低密度壓裂支撐劑在國內(nèi)外都處于發(fā)展階段，BJServices公司已經(jīng)有相關報道和商業(yè)產(chǎn)品，但是其應用還處于推廣階段，國內(nèi)無商業(yè)產(chǎn)品且相關研究極少。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.1超低密度壓裂支撐劑的研究方向和方法研究方向：超低密度支撐劑的研制首先在骨料選擇，一定要有一定的強度且比重較輕。研究方法：我們在大量的實驗基礎上，針對煤層儲層的特點，以及壓裂裂縫不同的充填部位，選用了兩種骨料：

多孔陶粒：選用特殊的鋁礬土添加一些添加劑，經(jīng)過高溫燒結增加它的強度而成。

堅果殼顆粒：選用優(yōu)質(zhì)堅果，經(jīng)過粉磨、篩選而成。

16第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月多孔陶粒測試參數(shù)超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制17第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

堅果殼具有較高的強度：堅果殼顆粒因為多孔疏松纖維材料,而利用硬度較高的高分子材料填充其疏松纖維孔隙，能增加材料的密實性并賦予材料較高的強度。堅果殼的主要化學組分：纖維素，多戊糖，木素等，這些組分中的酚型單元、醛基結構以及醇羥基均可以與醛類、酚類、異氰酸酯類等發(fā)生縮合反應。酚醛樹脂在受熱或酸性條件下，羥甲基之間、羥甲基與苯酚或取代苯酚的鄰位、對位可發(fā)生縮聚，交聯(lián)成硬度高的體型高聚物。

堅果殼與樹脂的相容性：酚醛樹脂又能與堅果殼中存在的反應型基團發(fā)生反應，使堅果殼與樹脂間的相容性變好，且樹脂內(nèi)的苯環(huán)又賦予復合材料更高的剛度。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制18第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

處理過的多空陶粒和堅果殼顆粒參數(shù)：OT-1型（堅果殼顆粒）超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制19第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月處理過的多空陶粒和堅果殼顆粒參數(shù)：OT-2型（多孔陶粒）超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.2超低密度壓裂支撐劑的研制20第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

從以上測試結果看，在滿足煤層氣壓裂條件下，密度大大降低。新型支撐劑有“低密高強高滲透

防砂防嵌防返吐”的特點，具體如下：

1.表面的高韌高強材料，可將原來顆粒點與點接觸，變成小面積的接觸，分散了作用于顆粒上的負荷，從而使顆?？蛊扑槟芰μ岣?。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點21第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.堅果殼可以因其含有大量的親水基團，如羥基、醚鍵，極易吸水而膨脹，且易水解。包敷環(huán)氧樹脂后，減少了空隙和低分子物質(zhì)，使其耐水性大大增強。浸漬酚醛樹脂的堅果殼48小時后吸水能力由包敷前的30.45%降到6,58%。

3.由于在支撐劑表面包敷了一層高強度樹脂，這樣即使壓碎了包敷在內(nèi)的支撐劑，外邊的樹脂層仍可以將碎塊、顆粒包裹在一起，而不遷移堵塞支撐帶的空隙，使裂縫有較高的導流能力。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點22第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.根據(jù)地層溫度，可有選擇性匹配調(diào)整覆膜的樹脂性能參數(shù)，這個樹脂膜比較薄，以至于在裂縫中的接觸壓力下就能使它粘合在一起，形成一個寬度較大的充填層。這種支撐劑可以說是唯一不嵌入地層的支撐劑。

加上一定的施工工藝，同時可以有效地防止壓裂液的濾失，也可以解決煤層氣排采時最頭疼的煤粉問題，有效阻止煤粉進入裂縫，在近井地帶，同樣可以防止支撐劑的返吐。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點23第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.超低密度壓裂支撐劑因是真正的低密度，在活性水的輸送下幾乎是全部懸浮的。輸送距離遠：能夠到達裂縫的最遠端；充填縫隙多：裂縫的上半部分可以全部充填，避免了石英砂只沉淀到裂縫下部的缺陷，增大了裂縫支撐體積；支撐裂縫長：根據(jù)Stoke定律，尺寸大小同樣為20/40目條件下，密度為1.25g/cm3的支撐劑在液體中的最終沉降速度比石英砂低4倍,計算機模擬和應用實例都說明,低密度支撐劑產(chǎn)層覆蓋性好,使用低密度支撐劑進行水力壓裂的支撐裂縫更長。

生產(chǎn)周期長：因裂縫的最遠端得到支撐劑的支撐，使煤層氣井的生產(chǎn)周期得到延長，使原來的3-5年提高到5-10年,最終獲得幾倍的效益。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點24第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月6.超低密度壓裂支撐劑外面包敷的樹脂膜耐酸、耐堿，適合所有煤層氣層。7.由于覆膜后，該支撐劑憎水，煤粉不粘結，對煤層氣、設備摩阻降低，自然提高支撐劑的導流能力。

一口煤層氣井投資200多萬，如果這口井因為壓裂效果不佳變成低產(chǎn)井，那將造成巨大的損失；進一步對這個區(qū)塊的評價造成負面因素，直至放棄。

如果對這些低產(chǎn)井進行改造，使用超低密度支撐劑重復壓裂，救活低產(chǎn)井，使它具有工業(yè)氣流，那么對煤層氣行業(yè)的發(fā)展將起到不可估量的作用。

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用4.3超低密度壓裂支撐劑的特點25第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析26第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1韓城區(qū)塊的特點

5.1.1孔隙度低

韓城地區(qū)煤層氣吸附量大但孔隙度低，普遍<7%，區(qū)塊煤孔隙度介于0.4-0.67%，孔隙度演化未能隨構造變形程度增加而加大，韓城地區(qū)因低空隙因素，不利于煤層氣的解吸與開采，因此，必須在壓裂技術上選擇有針對性的技術和工藝方案。

5.1.2滲透率高

韓城地區(qū)煤儲層滲透率介于0.05-0.5*10-15um2之間，平均滲透率《2.0*10-15um2，據(jù)韓試1#井的試井資料，3#、11#煤層的滲透率分別為1.876md、3.054md，略高于國內(nèi)其他煤層氣田的滲透率。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議27第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3儲層壓力高

韓城地區(qū)煤層氣的賦存條件與國內(nèi)其他地區(qū)相比較，最明顯的差異是煤層的儲層壓力。儲層壓力時影響韓城地區(qū)煤層氣產(chǎn)率的分析關鍵是對儲層壓力的分析。儲層壓力越高，儲層流體流動潛勢越強。相對于國內(nèi)其他地區(qū)而言，韓城地區(qū)煤儲層呈現(xiàn)出高壓異常狀態(tài)。

5.1.4儲層溫度合適

韓城地區(qū)的溫度梯度為2.89℃/100m，屬正常地溫系統(tǒng)。11#煤層的儲層溫度為32.78℃，5#號煤層儲層溫度平均為29.85℃。實驗證明，當煤層溫度在23℃到39℃之間時，溫度每增加3℃，煤層氣解吸率將增加4.5%。因此韓城地區(qū)各煤儲層溫度均達到以上標準，因此有助于提高煤層氣的解吸速度。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議28第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議29第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議30第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2建議針對韓城地區(qū)煤層氣的特點，建議在條件具備的情況下，選擇有代表性的一些井壓裂使用超低密度支撐劑，并不斷完善優(yōu)化壓裂方案。具體建議如下：

5.2.1

低產(chǎn)井重復壓裂：對沒有形成工業(yè)氣流的煤層氣井進行重復壓裂，使用超低密度支撐劑。當然，這口井的地質(zhì)條件必須達到出氣、高產(chǎn)的條件。

5.2.2新投井對比壓裂：最好是選擇兩口地質(zhì)條件基本相似的煤層氣井，一口按常規(guī)壓裂，選擇石英砂作為支撐劑，一口選擇超低密度支撐劑，以便壓裂后進行效果分析。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議31第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.3在支撐劑壓裂組合上優(yōu)化對比方案一：前置液可以先打10-20%的OT-1型超低密度支撐劑，攜沙液打70-80%的OT-2型超低密度支撐劑。方案二：全部打OT-1型超低密度支撐劑。方案三：前置液可以先打10-20%的OT-1型超低密度支撐劑，攜砂液全部打OT-0型超低密度支撐劑。方案四：前置液先打10-20%的OT-2型超低密度支撐劑，攜沙液全部打OT-0型超低密度支撐劑。方案五：前置液可以先打10-20%的OT-1型超低密度支撐劑，中間打50%的OT-2型超低密度支撐劑，最后打40%左右的石英砂。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用針對韓城區(qū)塊使用超低密度支撐劑的建議32第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月匯報提綱一.前言二.煤層氣水力壓裂的裂縫及支撐劑分析三.研究超低密度壓裂支撐劑的意義四.研究方法和技術特點五.針對韓城區(qū)塊的使用建議六.經(jīng)濟效益分析33第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1美國使用超低密度壓裂支撐劑的案例美國本納特煤層氣田，130口井使用超低密度支撐劑后，產(chǎn)量是不使用超低密度支撐劑的3-5倍，單井產(chǎn)量從300-2500m3提高到1500-8500m3，個別井甚至超過10000m3。美國在煤層氣壓裂中使用超低密度支撐劑的比例是25%。隨著對超低密度支撐劑的不斷認識和實施工藝的不斷優(yōu)化，在煤層氣壓裂中采用超低密度支撐劑的比例將會越來越高。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用使用超低密度支撐劑的經(jīng)濟效益分析34第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2兩個例子

A：X井目前產(chǎn)能只有300m3/天，那么這口井基本上處于報廢，投資的200多萬基本上是全部損失。如果進行重復壓裂，使用超低密度支撐劑，再增加投資40萬元（包括壓裂費用），產(chǎn)能按保守點說提高到1500m3/天，每天增產(chǎn)1200m3，按1.5元/m3計算，每天新產(chǎn)生的效益為：

1200*1.5=1800元，投資回收期為：400000/1800=223天。也即7.5月收回投資。

更重要的是挽回了先期投資的200多萬。如果加上延長煤層氣井壽命3-5年，經(jīng)濟效益更加可觀。超低密度壓裂支撐劑在煤層氣井壓裂中的應用使用超低密度支撐劑的經(jīng)濟效益分析35第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2兩個例子B：Y井為新井，如果一口和Y井同樣地質(zhì)條件的Z井使用石英