GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/1163413 1163413 研究文章 调查在煤层气开采技术Broken-Soft和低渗透性煤层Zhaozhuang煤矿 https://orcid.org/0000 - 0002 - 1964 - 5867 程ydF4y2Ba Zhaoying 1 2 3 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0053 - 4526 傅 学海 1 李 会长、 2 3 沈 江ydF4y2Ba 2 田 宋庆龄 2 3 程 明 1 王 悦 2 3 祖奇 玛蒂娜 1 中国矿业大学和技术 徐州221116 中国 cumt.edu.cn 2 国家重点实验室的煤炭和煤层气co矿产业 金城048012 中国 3 易国安Lanyan煤炭和煤层气同时提取科技有限公司 有限公司 金城048012 中国 2021年 1 10 2021年 2021年 6 5 2021年 20. 8 2021年 1 10 2021年 2021年 版权©2021 Zhaoying陈等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

提高煤层气(CBM)提取broken-soft煤层,水平井钻井的方法一个沿着屋顶水力裂缝研究了煤层(即。HWR-HFC方法)。我们第一次测试的物理和力学性能broken-soft和低渗透性(BSLP)从Zhaozhuang煤矿煤炭资源。之后,进行了原位水力压裂试验的3号煤层Zhaozhuang煤矿。结果表明,(1)上部煤层的煤、骨折和底部是fragmented-mylonitic煤炭坚定系数小于1.0的价值。(2)在水力压裂测试分层rock-coal标本的实验室,如果形成的贯通式垂直骨折通常应用垂直应力的最大主应力大于4 MPa与最大水平应力。然而,横向骨折时总是发达水平应力最大值或是少于4 MPa与垂直压力。(3)原位HWR-HFC水力压裂试验表明,发现最大程度上的每日天然气产量是11000米3,平均天然气产量约为7000米3每一天。这意味着煤层气开采使用这种方法与传统相比增加了50% ~ 100%在BSLP煤层水力压裂。研究结果可以给煤层气开发的一个迹象broken-soft和低渗透性煤层。

 重点研究与发展(R&D)项目的山西省 201901 d111005 (ZD) 山西省科技重大项目 20201102002 20191102001 国家科技重大项目 2016年zx05067 1。介绍

煤层气(CBM)在中国的资源是丰富的。经过几十年的发展,商业在沁水煤层气开采取得和鄂尔多斯盆地( 1- - - - - - 3),特别是在煤层与优秀的存储条件下,大型瓦斯含量、煤层的主要结构( 4, 5]。broken-soft和低渗透性煤层(BSLP)广泛分布在中国,如焦作,淮南,陆安煤矿,导致煤层气产量相对较低( 6- - - - - - 8]。

BSLP煤炭总是破成碎片,谷物,片段,或粉末,原始的天然裂缝网络被摧毁或消失了。因此,BSLP煤机械强度较低和低渗透。当进行钻探和BSLP煤层水力压裂,洞形成困难等问题,固井质量差、井眼堵塞可能发生。

迄今为止,先前的研究发现毛孔,煤的比表面积,粗糙度增加,煤的破碎程度的结构。因此,BSLP煤可能具有较高的储气能力( 9, 10]。在初级结构煤、外生和内生发育良好,不连续连接断裂/气体流动的孔隙结构提供一个有效的渠道。BSLP煤、半封闭孔或骨折与可怜的渗透率通常发达,这可能导致又短又窄的裂缝网络( 11, 12]。专门为糜棱岩煤,很大程度上的分裂,只有一些微裂隙存在于煤炭,这将进一步减少煤渗透率。因此,很难形成有效的使用水力压裂时裂缝网络技术在BSLP煤层 13]。

虚拟水库是一个新的概念考虑到水平井钻井在屋顶或地板层而不是在煤层 14, 15]。该技术已成功验证在许多原位项目( 16, 17]。然而,水力压裂机理和裂缝延伸沿煤/岩石界面还不清楚,需要进一步调查。因此,在这项研究中,我们首先研究了机械和液压的属性BSLP从Zhaozhuang煤矿煤样的资源。之后,进行了数值模拟来理解HWR-HFC效果。最后,进行了原位测试一些结论紧随其后。

 2。BSLP煤层的地质条件

Zhaozhuang煤田位于沁水盆地南部。受控于区域构造运动,这是一个向区域与倾向于单斜层NE、5 ~ 10°角。它包含断层和陷落柱的基础上开发一系列广泛的和温柔的折叠向的方向,形成波浪起伏的形成。主要断层和褶皱向的方向,和相关的二级断层是NE和娘家姓的趋势。该地区含煤地层主要是太原组(C3上石炭统t)和山西形成(P1低的二叠纪系列,与煤线偶尔发达下石河子形成和本溪的形成。煤炭在山西,太原有15层的形成。山西形成包含三层煤,命名为1号,2号,3号从上到下。太原形成包含12层,命名为Nos。5, 6, 7, 81,829、11、12、13、14、15、16。山西形成和积累的总厚度太原组是118.19 - -206.86米,一般153.18米。煤层总厚度3.38 - -18.21米,平均12.80米,而煤炭系数是8.33%。

3号煤层Zhaozhuang煤矿是一个典型的BSLP煤层厚度0.50 ~ 6.60米,埋深150 ~ 990米。地板上煤层的海拔是120米和780米之间(图 1)。煤炭的主要是精益和无烟煤镜质组最大反射率( R omex )的2.23% - -2.83%。朗缪尔平均体积、平均压力和气体饱和程度的3号煤32.21厘米3/ g、2.04 MPa和59.6%,分别。本煤层地应力与地下8.43 ~ 10.89 MPa的压力梯度1.12 ~ 1.53 MPa / 100 m。储层气体压力为3.53 ~ 6.25 MPa的气压梯度0.46 ~ 0.86 MPa / 100,这意味着这BSLP水库缺乏气体压力。

3号煤层的埋深等值线图Zhaozhuang煤矿和结构。

煤层的分层特征如下:一层煤糜棱岩的顶部和底部的3号煤层(图 2(一)),厚度约0.45米的顶部和底部(表0.3 - -1.20米 1)。宏观煤是一种semidark煤,其硬度系数小于0.30的价值。上部主要是碎裂煤(图 2(b))的厚度2.60 ~ 3.80米,平均硬度系数约为0.60。大部分的下部是支离破碎的煤(图 2(c))。

Zhaozhuang煤矿的煤样。

Zhaozhuang煤矿的煤结构特征和描述。

地层 厚度/ m Macrolithotype 结构 描述
1 0.40 ~ 0.50 Semidark 糜棱岩的 糜棱岩,semidark煤,主要形式的尺度,手捻成粉末,局部可见
2 2.60 - -3.80 半亮 碎裂 主要和薄层碎裂煤、碎煤,水平层理,2°~ 3°倾角、裂隙发育,裂缝穿过床上用品斜交,几厘米到几十厘米长,裂缝倾角40°、120°,明显起皱的镜面
3 0.20 ~ 0.40 Semidark 支离破碎的 主要是支离破碎的煤,手捻成颗粒
4 0.30 ~ 1.20 Semidark 糜棱岩的 糜棱岩煤,主要形式的尺度,手捻成粉末。顶部的层,有一层薄薄的碳质泥岩煤矸石、可以看到本地。
3所示。材料和方法

在实验测试中,结合岩石和煤样品了。示例包括两个部分:上部是水泥砂浆样本,下部是煤(图 3)。水泥和煤炭样品的大小 One hundred. × One hundred. × 50 毫米。在样品制备过程中,水泥砂浆被煤炭样品的顶部形成一个整体。因此,整个样本的维数 One hundred. × One hundred. × One hundred. 毫米。

煤岩组合的原理图。

样品结构的示意图

真正的样品

一个钻孔钻中心的样本的大小 Φ 6 毫米 × 25 毫米 。这时,一个钢管( Φ 4 × 150年 毫米)放入钻孔。顶部的密封钻孔的深度是20毫米。底部5毫米是裸眼井段用于水力压裂。结构图如图 3在细节。单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比的煤8.1 MPa, 1.26 MPa,平均绩点1.37和0.233,分别。三轴压缩试验样本压缩。最大水平应力和最小水平应力是5 MPa和3 MPa,分别。垂直应力变化从6到15 MPa。

 4所示。实验测试结果

表 2显示了水力压裂的失效模式样本。相应地,图 4介绍了水力压裂试验后样品的照片。可以看出垂直液压骨折只是开发的水泥时,垂直应力小于8 MPa。裂缝是沿界面扩展之间的身体和煤炭、水泥等样品1 #,2 #,和04 #。然而,液压骨折被传播到煤的身体在轴向加载MPa 9至15 MPa。因此,水力裂缝的形状会改变压力条件。具体来说,当垂直应力之差和最大水平应力增加4 MPa,液压骨折能冲到煤的身体。

水力压裂测试参数和结果。

数量 应力状态/ MPa 注射速率毫升/分钟 压裂液 裂缝的形状
σ h σ H σ V
01 # 3 5 6 20. 水 煤层unpenetrated
02 # 3 5 7 20. 水 煤层unpenetrated
03号 3 5 7 20. 水 煤层unpenetrated
04 # 3 5 8 20. 水 煤层unpenetrated
05 # 3 5 8 20. 水 煤层unpenetrated
06 # 3 5 9 20. 水 煤层渗透
07 # 3 5 9 20. 水 煤层渗透
08年# 3 5 9 20. 水 煤层渗透
09年# 3 5 15 20. 水 煤层渗透

水力压裂的裂缝分布形态图Zhaozhuang煤炭样本。

先前的研究得出的结论是,液压骨折将开发的三种形式,当遇到rock-coal接口,即。、渗透类型、止裂类型和偏转类型( 18]。当垂直应力最大应力和最大水平应力的差异是在5 - 6 MPa,垂直裂缝形成的。然而,当最大应力水平或垂直压力没多大区别,水平骨折或渗透类型可以实现( 19- - - - - - 25]。这些结论与我们的结果一致。

 5。原位HWR-HFC技术的应用程序 5.1。好位置

煤的原位应力包括垂直压力( σ V )和水平应力( σ H 和 σ h )。垂直应力主要受重力影响的表土,可以估计的上覆岩层的重量。应力场的特点不仅是影响煤矿顶板的稳定性的关键因素,也是具有重要意义的渗透率预测煤层气储层和裂缝的形态扩张。一般来说,当 σ V > σ H > σ h ,它是正断层应力机制,水力压裂是更容易产生垂直骨折(图 5)。当 σ H > σ h > σ V 逆断层应力的机理,水力压裂是更容易产生水平裂缝( 26, 27]。

裂缝形态和原位应力状态之间的关系。

原位应力转移的临界深度在中国北部约400 ~ 1000米。超过这个临界深度,水平应力最大应力。在这项研究中,平均3号煤层的埋深667米。此外,压裂监测结果(表 3)也表明原位应力的临界深度3号煤层大约是500。因此,产生垂直裂缝从屋顶向煤层,油井位置应优先在埋深深度超过500米。

水力压裂监测结果。

好吧 煤层深度 裂缝的形状 区域
CZ-X1 304.54 - -310.74 水平 邻近区域
CZ-X2 469.54 - -475.64 水平 邻近区域
HD-X1 490.50 ~ 496.40 垂直 邻近区域
ZZ-X1 594.11 ~ 598.53 垂直 研究领域
ZZ-X2 681.10 ~ 687.18 垂直 研究领域
ZZ-X03 684.78 ~ 689.4 垂直 研究领域

在煤矿微震监测和骨折披露测试结果表明,水力裂缝扩展的椭圆形状。此外,液压骨折将延长沿着最大水平应力方向和垂直于最小水平应力( 28, 29日]。在目标区域,最大水平应力方向通常是NE30-45°和邻井的主要裂缝延伸方向NE42°。确保井筒之间的有效沟通和煤层,水平井筒轨迹应该大约垂直或斜的方向主要断裂。理想情况下,水平井跟踪应该近似垂直于方向的主要断裂的方向大约138°。然而,考虑到地质条件,地层的稳定性,和之间的距离井,水平井的方向最终确定为96°。

最后的垂直井的深度是703米,而煤层在深度643.05米。根据BSLP煤的机械测试结果和测试结果(表 4),垂直应力大于水平应力。因此,在水力压裂垂直裂缝将形成。此外,3号煤层的最大主应力是垂直压力,这是大于最大水平应力(超过4 MPa)。因此,液压骨折将穿孔从摇滚到煤层。

煤层气试井物理力学测试结果。

的名字 弹性模量/绩点 泊松比 最小水平主应力/ MPa 最大水平主应力/ MPa 垂直应力/ MPa
煤层顶板(泥岩) 2.36 0.32 9.84 10.95 13.22
3 #(上部硬层) 0.98 0.35 7.67 8.92 13.31
3 #(低软层) 0.85 0.38 7.67 8.92 13.31

如果水平井坐落在地面上,煤颗粒很容易流入水平井在排水,这将削弱煤层气开采的效率。因此,它更合理定位水平井在地面上。考虑到顶板岩性和穿孔渗透能力,0 ~ 2.0 m水平井与煤层之间会更好。

 5.2。定向射孔和分段压裂技术

水平井分段

水平井的长度约为800米。在分割设计,首先,水平段也同样分为几个部分。随后,调整部分长度根据地质条件。水平井分段应该优先考虑这些条件,即。屋顶,接近,容易巩固,并远离套管接箍。此外,骨折之间的间距应控制在约80 m - 120 m。中列出的分割参数表 5在细节。

深层渗透定向射孔技术

水平井的分段参数。

不。 桥塞位置(米) 段长度(米) 射孔段/长度(米) 支撑剂(m3) 压裂液的体积(m3)
细沙 中粒砂 粗砂
1日 1549年 92年 1525 - 1528/3 3.08 38.53 12.94 702年
2日 1457年 77年 1433 - 1436/3 2.04 24.42 / 523年
3日 1380年 119年 1357 - 1360/3 / 75.98 / 1452年
1317 - 1320/3
4日 1261年 115年 1237 - 1240/3 / 43.90 / 1584年
1194 - 1197/3
5日 1146年 79年 1121 - 1124/3 / 62.03 / 2023年
6日 1067年 96年 1044 - 1047/3 / 62.54 / 770年
7日 971年 91年 947 - 950/3 / 56.43 10.39 814年
8日 880年 94年 856 - 859/3 / 55.87 9.73 853年

复合深层渗透定向射孔技术是采用穿透钢套管、水泥环和岩层顶部的煤层,这将确保断裂延伸到3号煤层。这种技术可以创建煤层和井筒之间的有效沟通,使二次利用火药对形成的影响。这将产生多个断裂网络在附近区域。

深穿透射孔通道的深度可达1.2 - -1.5米。最长的可达5米,从而大大提高了射孔效果。根据生产套管尺寸( φ139.7毫米),95毫米射孔器和102型射孔的指控被选中。射孔段分为8个部分,10集群,每个集群3米长,孔密度/ m(表10洞 5)。

压裂技术

解决困难的问题开始破裂,扩展和支持失败BSPLP煤层,压裂技术“大注入流量和高含砂率”。沙洲形态的比较分析不同压裂液下位移率(7 - 10米3/分钟)显示(图 6),位移速率成正比的平衡高度支撑剂酒吧。附近的支撑剂沉降裂缝入口不引人注目的是由于附近的位移率高。支撑剂酒吧的整体形状是深入到骨折。根据比较分析沙洲形态在不同支撑剂粒径(0.21 mm - 0.64 mm),支撑剂的沙洲形态向裂缝的深度与支撑剂粒径的减少和往往是铺设到裂缝入口位置当粒径大。结合关闭压力和水平段的长度,压裂流量被确定为8 - 10米3/分钟和最大砂比率为20%。支撑剂主要由中等砂和粗砂,少量的细沙。

影响不同压裂液的位移和支撑剂粒径在沙滩上形成。

 5.3。数值模拟

数值模型

3 d数值软件命名USTIM被用来进行水力压裂数值模拟。在数值模拟,使用清水压裂液和流体流动是设置为10米3/分钟。压裂液和支撑剂在每个部分的数量如表所示 5在细节。参数的数值模拟如下:煤的破裂压力是8.82 MPa,骨折梯度1.41 MPa / 100。骨折的关闭压力为7.67 MPa。储层气体压力和压力梯度是1.97 MPa和0.308 MPa / 100 m,分别。平均弹性模量、泊松比和岩石的抗拉强度平均绩点31.03,0.28,和6.98 MPa,分别。的平均弹性模量、泊松比和煤的抗拉强度平均绩点39.04,0.25,和1.26 MPa,分别。

断裂传播监测和分析

诱导裂缝的长度不同部分的变量(图 7),这可能是由于流体通量的差异。例如,在第二次水力压裂部分,裂缝的长度只有142 m的注入量下533米3。在第五部分中,水力压裂进行了三次,注入体积约为2000米3。在第五部分断裂长度达252米。因此,水力压裂站点之间的距离较小,意味着一个更好的刺激效果。

水平好压裂裂缝的数值模拟结果

表面微震的监控装置是用来监测裂缝延伸在第三和第七部分。结果表明(表 6断裂延伸到东北。第七部分采用单个集群穿孔,骨折和总长度174米,包括100左翼和74在右边。使用两个集群的穿孔在第三阶段。创建的第一枪43 m骨折在左边,第二枪创造了114米的长度,在左侧骨折46米和68米。

水平井的裂缝监测结果。

骨折的数据 3理查德·道金斯阶段(米) 7th阶段(米)
1357 - 1360 1317 - 1320 947 - 950
长度(米) 左翼 43 46 One hundred.
右翼 0 68年 74年
整个机翼 43 114年 174年
高度(米) 11 16 12
方向(°) SW70° NE49° NE45°
的态度 垂直 垂直
6。原位煤层气开采的结果

煤层气开采井叫ZX-U-01是第一个水平井钻Zhaozhuang煤矿的屋顶。水平井是分为八个部分,每个部分由10集群穿孔。具体地说,在第三和第四部分,两个集群穿孔的单节是用来测试水力压裂效率。然而,由于该方法需要一个较高的注射压力,二次使用水力压裂。同样,第五部分是远离煤层(超过2米),并设计实现了第三个水力压裂。这口井采用垂直的注入方法好抽,水平井和直井联合生产天然气。

在初始阶段的排水(图 8)、井底压力为2.408 MPa和初始液面257米3号煤层的屋顶。每日水量逐渐增加到803/ d。最大程度上的每日天然气产量达到11000米3/ d。和平均天然气产量约为7000米3/ d。累积水生产和累计天然气产量17215 .92点3和2350000米3,分别。与传统的煤层气开采相比,天然气产量增加了50% - -100%。

排水和生产ZX-U-01曲线。

 7所示。结论

Zhaozhuang煤矿的煤层主要由两层组成:上部煤层的煤、骨折和底部是fragmented-mylonitic煤炭坚定系数小于1.0的价值。具体地说,一层薄薄的fragmented-mylonite开发上碎裂煤层在某些领域

水力裂缝的传播规律结合煤和岩石样本被揭露出来了。如果应用垂直应力的最大压力和最大水平应力大于,垂直液压骨折大多是发达国家,而如果水平应力最大值或垂直压力没多大区别,水平裂缝很容易形成或沿界面传播之间的岩石和煤

通过使用HWR-HFC技术,最大程度上的每日煤层气气体生产11000米3实现/ d和平均约为7000米3/ d。这种天然气产量增加了50% -100%,其他类型的水平井的研究领域

数据可用性

本文使用的数据得到的实验研究及其合作伙伴。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项研究受到了美国国家科学和技术重大项目(批准号2016 zx05067),山西省科技重大项目(批准号20191102001和20191102001),和关键研发(R&D)山西省项目(201901 d111005 (ZD))。

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