一种煤层气抽采水平井跨层位的压裂层位优选方法

本申请涉及煤层气抽采，尤其涉及一种煤层气抽采水平井跨层位的压裂层位优选方法。

背景技术：

1、煤层气作为一种非常规的天然气，它生成于煤层而又储存在煤层中，并且储量丰富，凭借着它自身有着强大的资源潜力以及经济效益而饱受关注。相比于常规的天然气，考虑到煤储层有着极低的渗透率，因此在进行抽采时大都采用压裂手段对储层进行增渗改造。特别是对于山西省来说，低渗煤层的煤层气储量丰富且分布范围广，且有着国家相关性政策的支持。就目前而言，山西省内各大煤层气公司也都相继开展了在煤层中钻进水平井来抽采煤层气的相关技术研究以及工程试验，得到了一定突破的同时也遇到了一些技术问题，从而也就制约了低渗煤层气水平井的进一步推广。抽采煤层气面临的问题具体分为以下三方面：

2、(1)对于煤层气井来说，无论是垂直井、水平井还是从式井，都是在煤层中直接压裂的。然而碎软煤层脆性小，在进行水力压裂的过程中，压裂缝延伸不长，影响范围小，煤层气的增产效果不好，单井产气量低；

3、(2)在碎软煤层中布置水平井，比较容易出现垮孔、埋钻、下套管困难等问题；同时在固井时，由于钢制套管与煤层胶结不紧，从而出现串流泄压的情况，影响压裂改造效果；

4、(3)在煤层中布置钢制套管对后期煤层的开采活动有不利影响。

5、所以，针对目前在煤层中布置水平井压裂效果差、产气量低等问题，国内外学者提出了一种在煤层顶板岩层中钻进水平井，之后对水平井向下进行定向射孔和分段压裂开发低渗煤层气的新思路。因此，急需发掘一种在低渗透煤层上覆岩层中合理布置水平井的方法，从而可以有效的解决低渗透煤层气的安全高效开发，同时还可以进一步缓解瓦斯突出等问题，最终实现气化山西的伟大目标。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本申请针对低渗油气储层上覆岩层顶板，来提供一种最佳层位布置水平井的方法，进而可以有助于在顶板岩层布置的水平井水力压裂所形成的裂缝可以跨越煤岩界面，直接进入到煤体中，从而形成一种高效的压裂渗流通道，得出低渗煤层水平井段钻井层位优选的评价体系及方法。本发明所要解决的关键科学问题在于揭露复杂地质条件下低渗煤层的地质特征和物理力学参数对煤层及顶板分段压裂的影响作用机制。

2、为了实现上述目的，本申请所采用的技术方案如下：一种煤层气抽采水平井跨层位的压裂层位优选方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)根据所抽采的煤层气开发区域的基本地质条件，获知该区域内的应力条件、断层以及裂隙的分布规律，并根据该信息来绘制具体的井田构造纲要图以及煤层底板等高线图；

4、(2)在现有的研究区域煤层气井开发资料的基础上，对所选研究区域内部煤层总体的发育特征、所研究区域目标煤层的发育特征以及煤岩的煤质特征获知；

5、(3)经由对已有的钻孔及煤层气井测井资料进行了解整合后，对目标区域的结构特征进一步掌握，针对某个矿井绘制特定的煤层段煤体结构单井剖面图，并在单井剖面图的基础上绘制多井连井剖面图；

6、(4)针对目标研究区域，进行瓦斯浓度以及煤层气含量的测定，并根据测定结果展开对目标研究区域煤层含气量等值线图的绘制，即对该区域内所有含气量相同的位置进行连线并赋值；

7、(5)根据目标研究区域煤层以及其上部顶板岩层的赋存结构特征，绘制煤岩层对比分析示意图；

8、(6)对煤层顶板上覆岩层0-5m内的顶板岩层进行精细研究，钻取煤岩层界面顶板上方内的不同岩性的岩石，测定各层位岩石宏观物理力学参数及物理化学反应特征；

9、(7)根据试验测定的宏观物理力学参数，计算各层位岩体脆性度指标参数；计算方法为：将钻取的不同岩性的岩石加工成圆柱体，同时切割成半圆盘试件，测定试件的岩石力学参数，计算各层位岩石脆性度：

10、

11、式中：e-弹性模量，单位104mpa；μ-泊松比，无量纲；b(rit-t)-岩石脆性指数，单位％。

12、(8)判断分析煤岩组合体的可钻性以及水力压裂的可压性；可压性的判断方法为：将煤岩样品进一步加工成立方体试件，采用真三轴水力压裂试验机模拟不同界面摩擦条件下、不同地应力条件下、不同注液速率及其不同射孔角度条件下，水力压裂裂缝从岩体跨界面扩展进入煤体的临界条件，并借助声发射、注液压力、ct、声波检测揭示裂缝扩展规律，判断出水力压裂的可压性。

13、(9)构建多因素作用下水力压裂裂缝跨界面扩展预测模型，获知水力压裂裂缝从煤岩界面顶板岩层中进入到煤体中的条件，指导完成整个压裂过程；当水力压裂裂缝跨界面扩展形态特征呈现显著的差异时，数学模型如下：

14、

15、式中：kic为裂缝尖端应力强度因子(mpa·m1/2)；α为裂缝逼近角度；σv为垂直应力(mpa)；σh为最小水平主应力(mpa；a水力裂缝长度；l为水力压裂裂缝距煤岩界面距离；τ0界面粘聚力；μ为摩擦因数；σt为抗拉强度(mpa)。

16、(10)根据水力压裂的试验结果将参数代入到数学模型中进一步修正验证，采用权重分析法并结合试验结果，对天然裂缝稳定性影响因素的敏感性进行分析，对参数进行优化，并对相关参数进行权重排序。

17、本申请的有益效果是：首先，针对水平井的初期布置工作，主要根据地质钻孔、煤层气井、煤岩区域地质特征、断层、裂隙发育情况、地应力特征以及含气量等因素进行分析，从而初步选取了水平井的层位布置区域，这有利于煤层气井进一步提高产气量，此外，还对水力压裂裂缝的跨界面扩展形态有着极为重要的意义；

18、其次，根据顶板煤岩层精细对比图，能够精准掌握煤岩界面上覆岩层顶板岩层的岩性，同时结合xrd、ct、水化反应以及声波检测等技术手段，可以选择水平井最终布置在哪种岩石中，这也有利于水力压裂裂缝的进一步扩展，提高煤气储层的渗透性；

19、再者，采用水力压裂试验以及岩体可钻性实验，能够很好的掌握所选水平井布置层位岩层的钻井难以程度，同时还可以较好的了解到已知地质参数情况下水力压裂裂缝的跨界面扩展规律；

20、最后，根据建立好的多因素作用下水力压裂裂缝跨界面扩展预测模型，能够精准的预测地质条件不同的情况下，水力压裂裂缝跨界面扩展规律，最关键的是可以很好解决水平井布置在顶板岩层中距煤岩界面的最佳距离，方便在煤层中形成裂缝，从而达到增透煤层的效果。

技术特征：

1.一种煤层气抽采水平井跨层位的压裂层位优选方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的压裂层位优选方法，其特征在于：在步骤(6)中，顶板岩层的试验范围为钻取煤岩层界面顶板上方0-5m内的不同岩性的岩石。

3.根据权利要求2所述的压裂层位优选方法，其特征在于：步骤(7)中，各层位岩石脆性度计算方法为：将钻取的不同岩性的岩石加工成圆柱体，同时切割成半圆盘试件，测定试件的岩石力学参数，计算各层位岩石脆性度：

4.根据权利要求3所述的压裂层位优选方法，其特征在于：步骤(8)中的可钻性根据岩石力学参数分析，可压性的判断方法为：将煤岩样品进一步加工成立方体试件，采用真三轴水力压裂试验机模拟不同界面摩擦条件下、不同地应力条件下、不同注液速率及其不同射孔角度条件下，水力压裂裂缝从岩体跨界面扩展进入煤体的临界条件，并借助声发射、注液压力、ct、声波检测揭示裂缝扩展规律，判断出水力压裂的可压性。

5.根据权利要求4所述的压裂层位优选方法，其特征在于：在步骤(9)中，当水力压裂裂缝跨界面扩展形态特征呈现显著的差异时，数学模型如下：

6.根据权利要求5所述的压裂层位优选方法，其特征在于：所述优选方法还包括步骤(10)：根据水力压裂的试验结果将参数代入到数学模型中进一步修正验证，采用权重分析法并结合试验结果，对天然裂缝稳定性影响因素的敏感性进行分析，对参数进行优化，并对相关参数进行权重排序。

技术总结
本申请公开了一种煤层气抽采水平井跨层位的压裂层位优选方法，其针对水平井的初期布置工作，主要根据地质钻孔、煤层气井等因素进行分析，初步选取水平井的层位布置区域，有利于煤层气井进一步提高产气量；其次，根据顶板煤岩层精细对比图，能够精准掌握煤岩界面上覆岩层顶板岩层的岩性，有利于水力压裂裂缝的进一步扩展，提高煤气储层的渗透性；再者，采用水力压裂试验以及岩体可钻性实验，可以了解到已知地质参数情况下水力压裂裂缝的跨界面扩展规律；最后，根据建立好的多因素作用下水力压裂裂缝跨界面扩展预测模型，能够精准的预测地质条件不同的情况下，水力压裂裂缝跨界面扩展规律从而达到增透煤层的效果。

技术研发人员：姜玉龙,陈积鑫,张小强,王开,王文伟
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15