一種提高煤層復(fù)雜裂縫支撐效果的支撐劑多級鋪置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油領(lǐng)域煤層氣藏水力壓裂設(shè)計(jì)中的支撐劑優(yōu)化鋪置方法，以保證支 撐劑能夠有效支撐煤層復(fù)雜裂縫，提高壓裂增產(chǎn)效果。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國煤層氣資源十分豐富，埋深2000m以淺的總資源量達(dá)36. 8萬億方。我國煤層 產(chǎn)量目前保持良好的增產(chǎn)態(tài)勢，但總產(chǎn)量仍然不高，2014年鉆井開采產(chǎn)量僅36億方。綜合 來看，我國煤層氣開發(fā)潛力巨大，仍急需技術(shù)攻關(guān)提高開發(fā)效果。
[0003] 煤層氣的賦存狀態(tài)包含吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)，其中75-90%以吸附態(tài)賦存于煤 層中。同時煤層中高度含水，煤層氣的采出需經(jīng)過排水、解吸、擴(kuò)散、滲流、產(chǎn)出幾個過程。因 此如何最大化改善地層滲流條件，促進(jìn)排水降壓解吸是煤層氣開發(fā)設(shè)計(jì)的核心。除此之外， 我國煤層氣儲層具有低含氣飽和度、低滲透率、低壓力的"三低"特征。
[0004] 針對煤層氣以上的儲層特征，水力壓裂通過將高壓液體注入煤層，在儲層中形成 人工裂縫及溝通延伸煤層割理；隨之向動態(tài)裂縫中注入攜帶支撐劑的液體，經(jīng)返排后支撐 劑停留于復(fù)雜裂縫中，形成煤層具有一定導(dǎo)流能力的高速滲流通道；最終擴(kuò)大滲流及降壓 面積，從而促進(jìn)排水、降壓、解吸、擴(kuò)散、滲流整個過程，使得煤層氣快速產(chǎn)出。由此，水力壓 裂成為煤層氣能夠經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0005] 支撐劑的鋪置方式是煤層氣水力壓裂設(shè)計(jì)的重要方面，借鑒于常規(guī)儲層水力壓裂 造一條高導(dǎo)流能力長裂縫的設(shè)計(jì)思路，目前煤層氣儲層水力壓裂仍以單一粒徑加砂為主， 以實(shí)現(xiàn)主裂縫的單級有效支撐。
[0006] 受控于煤層組分及膠結(jié)結(jié)構(gòu)，煤層力學(xué)性質(zhì)較脆，從而導(dǎo)致煤巖易碎；相對于常 規(guī)儲層更淺的埋深，煤層地應(yīng)力相對更低，有利于裂縫延伸；同時煤層發(fā)育大量割理（由 端割理和面割理組合而成的正交裂縫系統(tǒng)）；而目前煤層壓裂工藝以成本較低的清水壓裂 為主；在低粘壓裂液（清水）作用下，割理易被溝通并延伸形成裂縫系統(tǒng)。因此，煤層實(shí) 際水力裂縫形態(tài)較為復(fù)雜。煤層中復(fù)雜裂縫有開度較大的主干裂縫，也有開度較小的次裂 縫及開度微小的微裂縫。由此，單一粒徑單級均勻鋪置難以對復(fù)雜裂縫進(jìn)行有效支撐，需 要根據(jù)多種粒徑，基于煤層裂縫復(fù)雜類型，合理設(shè)計(jì)多粒徑多級組合鋪置，使得復(fù)雜裂縫中 主-次-微裂縫均具有足夠?qū)Я髂芰η矣行ЫM合匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種提高煤層復(fù)雜裂縫支撐效果的支撐劑多級鋪置方法， 該方法原理可靠，操作簡便，能夠?yàn)槊簩託獠厮毫逊桨冈O(shè)計(jì)中支撐劑優(yōu)化鋪置提供指 導(dǎo)。
[0008] 為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0009] 本發(fā)明根據(jù)煤層脆性組分含量、單軸強(qiáng)度比、水平地應(yīng)力差異系數(shù)、平均割理密度 及割理逼近角，將煤層復(fù)雜裂縫類型分為四種小類，針對不同的煤層復(fù)雜裂縫類型，分別設(shè) 計(jì)不同的支撐劑組合多級支撐，以此獲得與儲層及水力裂縫系統(tǒng)更加匹配的支撐效果。
[0010] -種提高煤層復(fù)雜裂縫支撐效果的支撐劑多級鋪置方法，依次包括以下步驟：
[0011] A、根據(jù)煤層的脆性組分含量W的高低，計(jì)算脆性組分含量W影響的煤層復(fù)雜裂縫 類型等級評分吣，評分標(biāo)準(zhǔn)如下：
[0017] B、根據(jù)煤層的單軸強(qiáng)度比R的大小，計(jì)算單軸強(qiáng)度比R影響的煤層復(fù)雜裂縫類型 等級評分1，評分標(biāo)準(zhǔn)如下：
[0023] C、根據(jù)煤層的水平應(yīng)力差異系數(shù)δ的大小，計(jì)算水平應(yīng)力差異系數(shù)δ影響的煤 層復(fù)雜裂縫類型等級評分Μ3，評分標(biāo)準(zhǔn)如下：
[0029] D、根據(jù)煤層的平均割理密度計(jì)算平均割理密度&影響的煤層復(fù)雜裂縫類型等 級評分Μ4，評分標(biāo)準(zhǔn)如下：
[0035] Ε、根據(jù)煤層的割理逼近角β，計(jì)算割理逼近角β影響的煤層復(fù)雜裂縫類型等級 評分Μ5，評分標(biāo)準(zhǔn)如下：
[0041] F、根據(jù)步驟A~E中分別計(jì)算的各個因素影響的煤層復(fù)雜裂縫類型等級評分吣、 M2、M3、M4、M5，采用下式計(jì)算綜合以上五個因素影響的煤層復(fù)雜裂縫類型等級評分Μ :
[0043] 式中戽分別指11為為為、15山1為1 1為為為、15所占權(quán)重，分別為0.15、0.15、 0. 25、0. 25、0. 2。
[0044] 采用以下標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Μ值標(biāo)定煤層復(fù)雜裂縫類型：
[0045] 當(dāng)0彡Μ彡1時，煤層復(fù)雜裂縫類型為Α型（雙翼縫型）；
[0046] 當(dāng)1〈M彡2時，煤層復(fù)雜裂縫類型為B型（多裂縫型）；
[0047] 當(dāng)2〈M彡3時，煤層復(fù)雜裂縫類型為C型（樹枝型）；
[0048] 當(dāng)：KM彡4時，煤層復(fù)雜裂縫類型為D型（網(wǎng)絡(luò)型）；
[0049] G、根據(jù)步驟F中標(biāo)定的煤層復(fù)雜裂縫類型，設(shè)計(jì)針對每種裂縫類型的多粒徑支撐 劑組合多級鋪置：
[0050] ①針對A型（雙翼縫型）裂縫，設(shè)計(jì)20/40目、30/50目、40/70目支撐劑體積比例 為 7:2:1 ;
[0051] ②針對B(多裂縫型）型裂縫，設(shè)計(jì)20/40目、30/50目、40/70目支撐劑體積比例 為 3:2:1 ;
[0052] ③針對C型（樹枝型）裂縫，設(shè)計(jì)20/40目、30/50目、40/70目支撐劑體積比例為 4:3:2 ；
[0053] ④針對D型（網(wǎng)絡(luò)型）裂縫，設(shè)計(jì)20/40目、30/50目、40/70目支撐劑體積比例為
[0054] 以上①~④情況壓裂過程中栗注順序均為先栗注40/70目支撐劑，再栗注30/50 目支撐劑，最后栗注20/40目支撐劑。
[0055] 本發(fā)明中，所述步驟A中，脆性組分含量W為煤層中惰質(zhì)組含量和非粘土無機(jī)礦物 含量的總和（％)。煤層中脆性組分含量是決定煤巖力學(xué)特征的內(nèi)在因素，從而也影響煤層 裂縫復(fù)雜特征。脆性組分含量越高，煤層裂縫越復(fù)雜，Mi越高。
[0056] 所述步驟B中，單軸強(qiáng)度比R為煤層單軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗拉強(qiáng)度〇 t的比值 (無因次）。煤巖單軸壓強(qiáng)度σ。與抗拉強(qiáng)度〇 t的差異反映煤巖的力學(xué)脆性，差異越大，脆 性越強(qiáng)，煤巖更容易碎裂，煤層裂縫越復(fù)雜，M2越高。
[0057] 所述步驟C中，水平應(yīng)力差異系數(shù)δ為煤層的最大水平主應(yīng)力〇H與最小水平主 應(yīng)力〇h的差值除以最小水平主應(yīng)力σ ,的所得值（無因次）。煤層在地層條件下的水平 地應(yīng)力差異越小，即水平應(yīng)力差異系數(shù)S越小，裂縫遭遇煤層割理越容易轉(zhuǎn)向及延割理延 伸，因而煤層裂縫越復(fù)雜，Μ3越高。
[0058] 所述步驟D中，煤層的平均割理密度《為端割理密度cos和面割理密度ω f的平均 值。割理密度為單位長度下的割理發(fā)育條數(shù)（條/m)，煤層割理分為走向相互正交的端割理 和面割理，煤層割理越發(fā)育，割理密度越高，水力裂縫越容易溝通割理系統(tǒng)，煤層裂縫越復(fù) 雜，M4越尚。
[0059] 所述步驟E中，割理逼近角β通過下式計(jì)算得到：
[0061] 式中：0f為面割理走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角，°，
[0062] 9s為端割理走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角，°。
[0063] 當(dāng)主裂縫延伸方向（水平最大主應(yīng)力方向）與割理（端割理和面割理）走向的 夾角接近0°時延割理延伸；當(dāng)主裂縫延伸方向與割理走向垂直成90°時直接穿過割理延 伸；當(dāng)主裂縫延伸方向與割理走向在45°左右，最容易主裂縫和割理同時延伸形成裂縫網(wǎng) 絡(luò)，煤層裂縫形態(tài)最復(fù)雜。由于端割理和面割理的走向相互正交，因此割理逼近角β越小， 主裂縫延伸方向與割理走向越接近45 °，煤層裂縫越復(fù)雜，Μ5越高。
[0064] 所述步驟G中，Α型（雙翼縫型）裂縫，裂縫以單一主裂縫為主，次-微裂縫少，因 而以20/40目支撐劑鋪置為主，30/50目、40/70目支撐劑使用較少。從A型~D型裂縫，裂 縫形態(tài)逐漸變復(fù)雜，開度較大的主干裂縫所占比例逐漸降低，而開度較小的次裂縫和開度 微小的微裂縫所占比例逐漸增加，因而30/50目、40/70目使用比例逐漸增加。最終使得支 撐劑的組合多級鋪置匹配復(fù)雜裂縫中主裂縫、次裂縫、微裂縫的多級有效支撐，從而提高支 撐有效率，進(jìn)而提高壓裂效果。
[0065] 與現(xiàn)有單級鋪置方法相比，本發(fā)明具有以下有益效果：現(xiàn)有單級鋪置方法僅能有 效支撐A型