形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂方法与流程

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂方法。

背景技术：

如何提高煤层气井产量和煤层气藏中的煤层气采收率，一直是煤层气大规模商业化开发和煤炭安全开采过程中存在的技术难题。采用压裂方法对煤层气藏进行原位改造，使得煤层气藏中形成错综复杂的裂缝网络，是解决这一难题的有效方法之一。目前在采用压裂方式对煤层气藏进行改造过程中主要存在以下技术难题：

(1)形成的裂缝形态较为单一、不能形成错综复杂的裂缝网络。由于煤层厚度小、煤岩物性各向异性强、网状裂缝形成对施工参数较为敏感，使得已有的煤层气藏压裂过程中形成的裂缝以单一裂缝为主，不能充分连通煤层气藏中的已有裂缝，较难形成裂缝网络。

(2)不能实现对煤层气藏中裂缝尺寸进行量化。已有的水力压裂过程中对于裂缝扩展方向和裂缝宽度等关键参数缺乏有效的手段进行监测，压裂过程中往往通过压裂后排液量和累积产气量指标来判断压裂施工参数是否合理，缺乏压裂效果与施工作业参数之间的量化影响关系。这给后期压裂施工参数优化带来了难题，同时将前面获得压裂效果较好的施工作业参数应用于新的区块甚至不同的井往往不能达到预期的效果。

(3)尚未形成较为统一的压裂操作步骤和流程。水力压裂过程的步骤较多、操作流程复杂，使得不同设计者和操作者也各不相同，甚至同一设计者和操作者针对同一批次的井也会不同。这样就使得煤层气压裂过程中存在很多影响煤层气藏裂缝形成的偶然因素。

基于上述原因亟需发明一种煤层气藏压裂方法，指导煤层气藏压裂作业、量化施工参数与裂缝形态和尺寸的关系、形成统一的操作步骤和流程。

技术实现要素：

针对煤层气藏压裂过程中存在的形成的裂缝形态较为单一、不能形成错综复杂的裂缝网络、不能实现对煤层气藏中裂缝尺寸进行量化、尚未形成较为统一的压裂操作步骤和流程技术难题，本发明提供了一种煤层气藏压裂方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂施工作业系统，包括利用小型水力压裂测试原位地应力压裂施工作业系统，其中：还包括第二竖直井筒、微地震信号地面采集系统、井中电缆和检波器；第二竖直井筒的深度与第一竖直井筒的深度相同；第二竖直井筒中安装有井中电缆，井中电缆的中轴线与第二竖直井筒的中轴线重合；井中电缆底部与第二竖直井筒底相距一定的间距，确保井中电缆底部连接的检波器悬挂在第二竖直井筒中；井中电缆顶部在地面第二竖直井筒井口位置处与微地震信号地面采集系统相连；井中电缆上安装有多个检波器，第一个检波器位于井中电缆底部。

优选地，利用小型水力压裂测试原位地应力压裂施工作业系统，包括第一竖直井筒、油管、封隔器、顶部密封部件、压力传感器、出水口、底部密封部件和温度传感器；第一竖直井筒的底部位于煤层气藏地应力测试层位底部以下；油管通过第一竖直井筒下入到煤层气藏地应力测试层位顶部，油管的中轴线与第一竖直井筒的中轴线重合，油管底部与封隔器顶部相连；封隔器上部安装有顶部密封部件，封隔器中间设置出水口，封隔器下部安装有底部密封部件；出水口位置处安装有压力传感器，封隔器底部安装有温度传感器。

优选地，多个检波器以相同的间距被安装在井中电缆上。

形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂方法，采用上述的形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂施工作业系统，包括以下步骤：

s1、原位地应力测试

s2、获取地层参数与岩石物理力学参数

s3、三维地质力学模型建模及压裂参数模拟

s4、现场压裂施工及工艺控制

s5、压裂效果后评估。

优选地，s1具体步骤如下：进行不少于3次注入/回流作业，记录整个过程中压裂液泵注压力、裂缝闭合压力、压裂液注入速度和压裂液累积注入量，获得该煤层气藏的地应力参数。

优选地，s2具体方法如下：利用三维地震勘探技术对煤层气藏压裂施工作业区块进行勘探，明确该区块煤层气藏厚度、煤层走向、含水层位置、含水层是否与煤层连通、断层分布和断距；通过在该区块钻探井，明确煤层厚度及其分布规律、煤矸石层位及其厚度；利用勘探井获取的煤层试样，开展煤岩、煤矸石、上覆岩层物理力学实验，获得煤岩、煤矸石、上覆岩层的密度、杨氏模量、泊松比、孔隙度、饱和度、渗透率、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、断裂韧性、比表面积和化学成分参数。

优选地，s3具体方法如下：利用获得煤层气藏的地层参数、岩石物理力学参数、地应力，建立煤层气藏水力压裂的三维地质力学模型；该模型为一个长方体，煤层气藏位于模型中间，压裂井眼从模型顶部直至煤层气藏底部，采用射孔方式完井；模型中包括煤层气藏、上覆岩层、下卧岩层、井筒、煤矸石层；对不同泵注压力、排量、时间、压裂液粘度、压裂液密度、支撑剂类型和支撑剂粒径参数条件下煤层气藏中裂缝扩展规律进行模拟；通过对数值模拟计算结果进行分析，优化出上述参数的具体数值；根据计算结果对压裂施工参数进行优化，包括：支撑剂密度、支撑剂类型、压裂不同阶段支撑剂浓度、泵注压力、泵注时间和泵注排量。

优选地，s4具体方法如下：下入压裂作业管柱至目标层位，向目标煤层气藏中注入压裂液，记录压裂作业过程中压裂液泵注压力、压裂液注入速度、压裂液累积注入量；打开第二竖直井筒中的微地震监测系统对煤层气藏水力压裂过程中裂缝扩展的方向、长度和宽度信息进行监测，并根据监测结果及时调整压裂施工作业参数和工艺。

9、根据权利要求8所述的形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂方法，其特征在于，s5具体方法如下：通过对该井压裂作业后各种参数进行监测和记录，选取连续3天井底流压不大于0.3mpa、日采气量不大于100m³之前的数据，统计出日产液量、累积产液量、日均产气量、最高日产气量、稳产时间、累积产气量、动液面深度和套压参数；对比最高产气量、稳产时间和累积产气量关键指标，对压裂效果进行评价；根据后评估评价结果，提出压裂作业参数和工艺的优化措施。

优选地，s1具体步骤中：钻第一竖直井筒至煤层气藏中，然后进行完井和固井作业；下入小型水力压裂测试地应力试验所需的油管，进行地应力测试；为了保证利用水力压裂实验测试地应力的精度，在煤层气藏中第一竖直井筒直径偏差控制在5％以内，以确保跨式封隔器坐封膨胀时能够将整个井筒横截面密封住；在进行跨式封隔器坐封时先将底部密封部件坐封，然后将顶部密封部件坐封；用于记录注入压裂液压力的压力传感器测量精度为0.01mpa；用于监测封隔器是否有效和记录井底温度的温度传感器测量精度为0.1℃；小型水力压裂实验和煤层气藏压裂施工作业过程中用到的压裂液为水基压裂液。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：解决了煤层气藏压裂过程中不能形成错综复杂的裂缝网络、对煤层气藏中裂缝尺寸不能量化、尚未形成较为统一的压裂操作步骤和流程技术难题；适用范围广，可操作性强，形成统一的操作流程和步骤，易于现场工厂化的压裂作业。

附图说明

图1是利用小型水力压裂测试原位地应力压裂施工作业系统；

图2是形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂施工作业系统；

图中：1、第一竖直井筒，2、油管，3、封隔器，4、顶部密封部件，5、压力传感器，6、出水口，7、底部密封部件，8、温度传感器，9、第二竖直井井筒，10、微地震信号地面采集系统，11、井中电缆，12、检波器。

具体实施方式

如图1所示，利用小型水力压裂测试原位地应力压裂施工作业系统，包括第一竖直井筒1、油管2、封隔器3、顶部密封部件4、压力传感器5、出水口6、底部密封部件7和温度传感器8；其中：第一竖直井筒1的底部位于煤层气藏地应力测试层位底部以下；油管2通过第一竖直井筒1下入到煤层气藏地应力测试层位顶部，油管2的中轴线与第一竖直井筒的中轴线重合，油管2底部与封隔器3顶部相连；封隔器3上部安装有顶部密封部件4，封隔器3中间设置出水口6，封隔器3下部安装有底部密封部件7；出水口6位置处安装有压力传感器5，压力传感器5用于测量出水口位置处的流体压力；封隔器3底部安装有温度传感器8，用于测量地层温度。

图2所示，形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂施工作业系统，包括利用小型水力压裂测试原位地应力压裂施工作业系统，还包括第二竖直井筒9、微地震信号地面采集系统10、井中电缆11和检波器12；第二竖直井筒9的深度与第一竖直井筒1的深度相同；第二竖直井筒9中安装有井中电缆11，井中电缆11的中轴线与第二竖直井筒的中轴线重合；井中电缆11底部与第二竖直井筒底相距一定的间距，确保井中电缆11底部连接的检波器悬挂在第二竖直井筒9中；井中电缆11顶部在地面第二竖直井筒井口位置处与微地震信号地面采集系统10相连；井中电缆11上安装有多个检波器，第一个检波器位于井中电缆底部；检波器以相同的间距被安装在井中电缆上，用于监测煤层气藏水力压裂过程中裂缝扩展方向和裂缝宽度关键参数的变化规律。

形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂方法，采用上述形成复杂裂缝网络的煤层气藏压裂施工作业系统，包括以下步骤：

s1、原位地应力测试

钻第一竖直井筒至煤层气藏中，然后进行完井和固井作业；下入小型水力压裂测试地应力试验所需的油管，进行地应力测试；为了保证利用水力压裂实验测试地应力的精度，在煤层气藏中第一竖直井筒直径偏差控制在5％以内，以确保跨式封隔器坐封膨胀时能够将整个井筒横截面密封住；在进行跨式封隔器坐封时先将底部密封部件坐封，然后将顶部密封部件坐封；用于记录注入压裂液压力的压力传感器测量精度为0.01mpa；用于监测封隔器是否有效和记录井底温度的温度传感器测量精度为0.1℃。

本次实施案例中，小型水力压裂实验和煤层气藏压裂施工作业过程中用到的压裂液为水基压裂液；为了降低单次测量误差对整体测量结果的影响，需要进行不少于3次注入/回流作业，记录整个过程中压裂液泵注压力、裂缝闭合压力、压裂液注入速度和压裂液累积注入量，获得该煤层气藏的地应力参数。

s2、获取地层参数与岩石物理力学参数

利用三维地震勘探技术对煤层气藏压裂施工作业区块进行勘探，明确该区块煤层气藏(煤层)厚度、煤层走向、含水层位置、含水层是否与煤层连通、断层分布和断距；通过在该区块钻探井，明确煤层厚度及其分布规律、煤矸石层位及其厚度；利用勘探井获取的煤层试样，开展了煤岩、煤矸石、上覆岩层物理力学实验，获得了它们的密度、杨氏模量、泊松比、孔隙度、饱和度、渗透率、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、断裂韧性、比表面积和化学成分参数。

s3、三维地质力学模型建模及压裂参数模拟

利用获得煤层气藏的地层参数、岩石物理力学参数、地应力，建立煤层气藏水力压裂的三维地质力学模型；该模型为一个长方体，煤层气藏位于模型中间，压裂井眼从模型顶部直至煤层气藏底部，采用射孔方式完井；模型中包括煤层气藏、上覆岩层、下卧岩层、井筒、煤矸石层；对不同泵注压力、排量、时间、压裂液粘度、压裂液密度、支撑剂类型和支撑剂粒径参数条件下煤层气藏中裂缝扩展规律进行模拟；通过对数值模拟计算结果进行分析，优化出上述参数的具体数值；根据计算结果对压裂施工参数进行优化，包括：支撑剂密度、支撑剂类型、压裂不同阶段支撑剂浓度、泵注压力、泵注时间和泵注排量；

s4、现场压裂施工及工艺控制

下入压裂作业管柱至目标层位，向目标煤层气藏中注入压裂液，记录压裂作业过程中压裂液泵注压力、压裂液注入速度、压裂液累积注入量；打开第二竖直井筒中的微地震监测系统对煤层气藏水力压裂过程中裂缝扩展的方向、长度和宽度信息进行监测，并根据监测结果及时调整压裂施工作业参数和工艺；

s5、压裂效果后评估

通过对该井压裂作业后各种参数进行监测和记录，选取连续3天井底流压不大于0.3mpa、日采气量不大于100m³之前的数据，统计出日产液量、累积产液量、日均产气量、最高日产气量、稳产时间、累积产气量、动液面深度和套压参数；对比最高产气量、稳产时间和累积产气量关键指标，对压裂效果进行评价；根据后评估评价结果，提出压裂作业参数和工艺的优化措施。

至此，利用本发明方法可以有效解决煤层气藏压力过程中不能形成错综复杂的裂缝网络、不能实现对煤层气藏中裂缝尺寸进行量化、尚未形成较为统一的压裂操作步骤和流程的技术难题，具有实施步骤明确和可操作性强的优点。