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煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究_倪小明

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煤层气 垂直 重复 水力 综合 评价 方法 研究 倪小明
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煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究倪小明1,2,朱明阳1,苏现波1,徐 涛3(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院,焦作 454000; 2. 山西晋城无烟煤矿业集团公司,山西 晋城 048006; 3. 河南理工大学资源环境学院,河南 焦作 454000)*摘要: 系统分析了重复水力压裂选井的主要影响因素,建立了重复水力压裂选井事故树模型; 根据多层次模糊数学综合评价方法结合事故树模型,建立了煤层气垂直井重复水力压裂选井评价指标体系. 根据评价指标体系,对沁水盆地东南樊庄区块部分产气效果不好的煤层气井能否对二次压裂进行评价. 结果表明,该方法能较好地为现场煤层气垂直井重复水力压裂选井提供理论依据,投资风险大大降低.关 键 词: 重复压裂; 煤层气; 水力压裂; 选井中图分类号: 献标识码: A 文章编号: 16732012) 01on of BM ,U U . 54000,2. 48006,3. 54000,By of an of to of on BM on in is of ey 言水力压裂是目前我国地面开发煤层气储层改造的主要措施.煤层气垂直井的水力压裂是从石油产业的水力压裂工艺移植过来的,煤储层与砂岩储层岩石力学性质、孔裂隙系统等方面的差异性决定了完全照搬石油产业的水力压裂进行煤储层改造的局限性,导致采用几乎同一水力压裂工艺后有着不同的产气表现,部分井产气量一直很高,部分井会出现第一、第二产气高峰;部分井产气量一直比较低甚至部分井几乎不产气,针对煤层气井不同产气特点,哪些井可进行重复水力压裂,哪些井不能进行重复水力压裂,则需进行系统研究.目前关于重复压裂选层技术,石油产业研究第31 卷第1 期2012 年2 月河南理工大学学报(自然科学版)F 1 012* 收稿日期: 2011倪小明 (1979—),男,山西临汾人,副教授,主要从事井上下联合抽采煤层气方面教学与研究.E - 26. 油产业主要采用了模糊灰元、模糊物元、多层次模糊聚类、灰色理论、人工神经网络、模糊数学和系统层次分析方法等进行选层的研究,煤层气产业鲜有报道[1 -5].为了减少无谓资金投入,本文在分析影响重复水力压裂的影响因素基础上,利用“系统工程事故树分析法 +多层模糊数学综合评价法”,对煤层气井重复水力压裂选井进行研究.1 重复水力压裂选井的影响因素煤层气井能否产气决定于2 个方面:一是有没有气;二是有没有能量系统通过裂隙通道使气体运移产出,而重复水力压裂实质上解决的是煤层气运移通道的问题.因此,煤层气井产气不理想可归纳为3 类原因:一类是无产气潜力,即资源条件不足的;一类是有产气潜力,由于种种原因裂隙通道被堵塞或闭合的;一类是有产气潜力,由于种种原因未形成裂隙的.在未形成裂隙中,存在以目前的水力压裂工艺根本无法形成裂隙和由于施工不当导致未形成裂隙两种情况.上述不同情况中,有些是不可进行重复水力压裂的,有些则可以进行,把由于某一因素导致最终煤层气井不可进行重复水力压裂的因素称为“短路条件”.产气一段时间后资源条件决定是否有重复压裂的必要性.煤体结构、地应力在某种程度上决定煤储层原始裂隙发育程度,可作为重复压裂选井的开发条件.压裂规模、支撑剂性能、排采工作制度等可作为开发工艺因素.(1)短路条件.所谓“短路条件”,即当需改造的煤层气井满足下列条件之一时,就不再考虑其他任何因素,即认为无进行重复压裂的必要,这些条件称为短路.大量的研究表明:以现有的水力压裂工艺,当Ⅲ类、Ⅳ类煤在整个煤层段所占比例超过65%时,很难在煤层中营造出有效的较长的裂缝通道,可认为这样的煤层不可用水力压裂改造;当资源丰度 < 0. 510 8m3/认为不具备开发价值;从排采到要对其进行论证是否有必要进行重复压裂时止,通过产出气量和原来的含气量计算得出目前的平均含气量,得出平均含气饱和度,当其值低于40%时,重复压裂的意义不大;排采到论证时,临储压力比低于0. 4 时,也没有重复压裂的意义.这些都可作为短路条件.(2)资源条件. 一般进行重复压裂的井均进行了一定时间的排采,且产出了一定量的煤层气,产出后的含气饱和度越高,煤层气的运移潜势就越大,煤层气的排采潜势就越高.煤层气主要是靠降压解吸的,临储压力比越高,越不利于煤层气的解吸. 因此,资源条件主要包括产气后的资源丰度、含气饱和度和临储压力比.因产气后含气量的分布发生变化,为便于计算,主要是根据未排采时计算出的资源量与已产出的气体总量之差,得出目前的资源量,然后根据井网间距求得目前的资源丰度;根据目前的资源量反推出计算面积内的平均含气量,根据平均含气量结合兰氏体积、兰氏压力求得目前的平均含气饱和度;根据平均含气量计算出目前的临界解吸压力,进而得出目前的平均临储压力比.(3)开发条件. 影响煤层气井产量的开发条件很多,可不考虑工艺技术对产能的影响,仅考虑煤储层裂隙通道的畅通程度对其影响. 煤体结构是煤形成过程及形成后受到各种力后变形程度的表现,不同的变形程度,裂隙发育程度不同,煤层气产出的难易程度不同.同时,大量水力压裂实例表明,Ⅲ类和Ⅳ类煤几乎是目前煤层气水力压裂的“禁区”,因此煤体结构可作为能否进行重复水力压裂的开发条件之一.最小主应力不仅影响着水力压裂时裂缝延伸形态,而且最小主应力的大小对煤储层裂隙的闭合影响很大.当最小主应力值较小时,压裂过程、排采过程等对裂隙闭合影响小;当最小主应力大时,更容易引起裂隙的闭合.因此,能否进行重复水力压裂的开发条件主要包括煤体结构和最小地应力.(4)工艺技术因素. 第一次水力压裂可能由于压裂规模不够,使裂缝不能充分延伸;也可能由于支撑剂颗粒太小,导致裂缝不能有效支撑;或支撑剂强度不够,被压碎等;或射孔工艺技术原因导致压裂效果不理想;或由于排采工作制度过快,导致支撑剂从裂缝产出或煤粉发生运移.因此,能否进行重复水力压裂的工艺技术因素主要包括排采工作制度、支撑剂、压裂规模、射孔工艺等.综上所述,得出煤层气垂直井重复水力压裂的事故树模型,见图1.2 重复水力压裂选井评判方法煤层气垂直井重复水力压裂选井评判方法就是首先把研究区的因素与“短路条件”中的因素进行对比,当满足“短路条件”中某一因素时,即认为该井没有进行重复压裂的必要性;当“短路条件”中的所有因素均不满足时,则需进行其他04 河南理工大学学报(自然科学版) 2012 年第31 卷条件的判别.进行“其他条件”判别时,主要采用多层次模糊综合评价方法.评价方法步骤如下.第1 步,把资源条件、开发条件、工艺技术因素作为评价集的一级评价指标. 不同地区地质构造、开发工艺技术、资源及外部环境等的不同,导致不同研究区一级评价指标重要程度不同,主要采取专家打分法得出研究区的权重,权重之和为1.第2 步,在一级指标下,又分别包含有影响各个一级指标的因素,每个一级指标下的各个因素又组成一个评价集,采用同样的方法确定各自的权重.第3 步,把需要评价的煤层气井的因素集中的任一指标(二级指标),属于好与坏的程度构成一个模糊集合,其隶属函数取值于[0,1]区间.根据隶属度的大小,划分为4 个等级:. 8 好0. 8 > u) ≥0. 6 较好0. 6 > u) ≥0. 4 一般u) < 0. 4差.第4 步,根据二级指标的权重,结合隶属度进行矩阵变换,得到重复水力压裂井的单因素综合评价矩阵,即R =4=44.第5 步,根据研究区勘探资料,结合专家意见得出一级评价指标的权重,这些权系数矩阵记为M =( m1,m2,. 应用模糊矩阵的复合运算,得到煤层气垂直井重复水力压裂选井的模糊综合评判矩阵为B = M R = ( m1,m2,m3,×44= [b1,b2,b3,第6 步,根据隶属度,把其隶属度划分为百分制,采用矩阵计算得出评价的百分数[6 -7].3 应用实例根据煤层气垂直井水力压裂选井评价方法,对沁水盆地东南部樊庄区块部分产气不理想的煤层气垂直井进行了重复水力压裂评价.沁水盆地位于山西省中南部,太原组和山西组赋存着丰富的煤层气资源,该盆地总体上为一走向宽缓复式向斜,煤层底板等高见图2.内部构造相对简单,次一级褶皱发育,盆地南部以近南北向为主,北部则以 和 为主;断层较少.本次研究工作主要集中在沁水盆地东南部寺头断层以西的樊庄地区. 该区地层倾角平缓,区域构造线以层较少,背向斜交替叠置,研究区主要开发6,7,8,9 号煤层,相距一般不超过20 m.3. 1 研究区选井评价体系根据专家们对该区域分析得出影响因素的一14第1 期 倪小明,等:煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究级评价指标和二级评价指标权重,建立了樊庄区块煤层气垂直井重复水力压裂选井评价指标体系,见表1.3. 2 研究区选井结果根据樊庄区块5 口产气效果不太理想的煤层气垂直井进行优选评价,5 口井排采一段时间后的基本参数见表2.表1 煤层气垂直井重复水力压裂选井评判体系1 of by BM 响因子 隶属度名称资源条件权值 名称 权值 [100,90 +] [90,80 +] [80,60 +] [60,0]0. 35临储压力比 0. 35 ≥0. 8 0. 6 ~0. 8 0. 6 ~0. 4 <0. 4含气饱和度/% 0. 4 ≥80 80 ~60 60 ~40 <40资源丰度/( ×108m3·)0. 25 ≥2 1. 5 ~2 1 ~1. 5 <1开发条件0. 4煤体结构 0. 6Ⅰ、Ⅱ类煤比例≥80%Ⅰ、Ⅱ类煤比例60% ~80%Ⅰ、Ⅱ类煤比例40% ~60%Ⅰ、Ⅱ类煤比例<40%最小主应力 0. 4 ≤8 8 ~10 10 ~12 >12排采工作制度 0. 25 降液速度过快 降液速度较快 降液速度较慢 降液速度慢压裂规模 0. 4液量<400 . 5 m3/500 5 ~7. 5 m3/7007. 5 ~ 8. 5m3/00 . 5 m3/. 25 性能差 性能一般 性能较好 性能好射孔工艺 0. 1 不合理 不太合理 较合理 合理表2 樊庄区块5口评价井评价基本参数2 of 临储压力比资源丰度/( ×108m3·)煤体结构 (Ⅰ、Ⅱ类煤比例) /%最小地应力/1. 7 0. 63 1. 92 69 7. 42 较慢液量301量6. 0 ~6. 3m3/,排量7. 1 ~7. 2m3/,排量4. 5 ~5. 7m3/,排量5. 1 ~5. 9m3/,排量6. 8 ~8. 1m3/,结合该区的评价指标体系,得出五口井的一级评价指标得分和总评价指标得分,结果见表3.由表3 可知,若要对5 口井重复压裂,应优先考虑对2 号井,其次考虑对5 号井进行重复水力压裂.4 结 语根据重复水力压裂的影响因素,结合多层次模糊综合评价方法,能对不同区块是否能进行重24 河南理工大学学报(自然科学版) 2012 年第31 卷表3 樊庄区块5口评价井定量评价结果3 of 级评价指标得分 系统得分 评价结果1 (89,89,80) 86. 75 较差2 (92. 5,95,80) 89. 375 首选3 (89,89,80) 86. 75 较差4 (87. 15,84,80) 84. 1025 最差5 (89. 25,94. 2,72. 4) 87. 0175 次之复水力压裂的煤层井进行判断,克服了主观臆断造成的失误,使煤层气重复水力压裂选井有据可依,减少了不必要的工程投入,具有一定的实用性.参考文献:[1] 马兴强. 老井重复压裂优化选井、选层技术研究[J]. 特种油气藏,2005,12 (4): 742] 曾忠杰,郭建春,赵金洲,等. 重复压裂候选井多级模糊决策方法[J]. 大庆石油地质与开发,2006,25 (3): 733] 屈怀林,郭大立,黄波,等. 重复压裂选井选层的小波神经网络研究及应用[J]. 石油工业计算机应用,2006,14 (4): 134] 初凤先,周连才,孙娜. 重复压裂选井选层的研究与应用 [J]. 内蒙古石油化工,2008 ( 17):1135] 王波,刘慧卿,张红玲,等. 重复压裂选井选层分析方法 [J]. 内蒙古石油化工,2009 ( 1):496] 杨永国,秦勇,姜波. 煤层气项目经济评价理论与方法研究[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社,2001: 277] 廖江等. 投标工程风险的模糊层次综合评价[J]. 重庆交通学院学报,2005,32 ( 3): 109责任编辑 郭倩倩)34第1 期 倪小明,等:煤层气垂直井重复水力压裂综合评价方法研究
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