水力压裂技术对注气开采的影响效果研究

2019-03-28张亮亮

山西化工 2019年1期

张亮亮

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048200)

引言

在煤层气开采过程中，渗透率不仅关系到注气增采的效率，而且也作为提高产能的可控制变量。对于致密或者完整性较高的储层，其渗透率极低，则注气增采的效率会大打折扣，水力压裂技术在改造低渗储层以及促进煤层气开采中具有重大意义。通过对储层进行水力压裂改造，其内部会发育大量的孔洞裂隙，容易形成大规模的裂隙网格结构，自身的比表面积增大。有研究表明[1]，水力压裂后储层内部裂隙开度对渗透率的影响效果显著，基于此，本文建立双孔双渗透的数值计算模型，从而系统地研究了水力压裂技术对注气开采煤层的影响效果。

1 裂隙结构各向异性渗透率的计算

在储层内部的空间结构中，认为各向异性渗透率可等效为X、Y、Z3个方向上的渗透率不同，由此认为储层的渗透率为3个方向上渗透率的累积，将各个方向上裂隙等效为平行的板状结构，如图1所示。

图1 各个方向上储层裂隙板状结构示意图

基于裂隙板状结构[2]，认为在每个方向上的储层渗透率由垂直于该方向裂隙的间距和开度决定，由此可得公式(1)：

(1)

式中：ax、ay和az分别为在X、Y和Z方向上裂隙的开度，mm；bx、by和bz分别为在X、Y和Z方向上裂隙的间距，mm。

有专家学者[3]指出，裂隙受到的有效正应力决定了其当前的开度，而且有效正应力和裂隙开度表现为指数关系，如图2所示，则在有效正应力作用下裂隙开度的变化量可通过公式(2)计算。

Δb=bmax[exp(d×σn)-exp(d×σ0)]

(2)

式中：bmax为裂隙开度的最大值，mm；d为与图2中曲率半径相关的系数；σn为当下的正应力，MPa；σ0为初始的正应力。由此可得，当前裂隙的开度，如公式(3)所示：

b=br+Δb

(3)

图2 有效正应力和裂隙开度间关系示意图

在储层的注采增产过程中，裂隙开度同样会受到剪应力导致的剪胀作用的影响，该作用引起的裂隙开度变化水平可通过公式(4)计算：

(4)

式中：esh为剪切应变，G为剪切模量,GPa，Ksh为剪切刚度,GPa，Φd为膨胀角,(°)。则裂隙总的开度变化量为(Δb+Δbsh)。此外，通过公式(5)计算储层的孔隙率。

(5)

式中：Φf0为储层初始的孔隙率。

2 数值计算模型的建立

现场实际中多采用5点布井法进行煤层气的开采工作，中间为注气井，四侧为对称布置的采气井，如图3所示。在水力压裂过程中，会在注气井和采气井间形成裂隙，由于布置方式的对称性，故本次数值模拟选择其中的一块区域作为研究模型，如图4所示。在图4中，C1所指位置为注气井附近的煤体单元，C2所指位置为采气井附近的煤体单元，F1和F2为压裂形成的向水平方向的裂隙单元，范围均为100 m，裂隙参数如表1所示。

图3 5点布井法示意图

图4 所建数值模型示意图

所建模型为正方形区域，边长为800 m，则注气井和采气井的距离为1 130 m，设置煤层厚度为6 m，埋深较大，为900 m，煤层受到了覆岩作用的等效荷载为22.2 MPa，如图4中所示。X方向和Y方向模型边界施加的水平应力分别为覆岩载荷的0.9倍和0.5倍。储层的初始温度、初始压力和初始煤层气饱和度分别为30 ℃、5 MPa和0.408。通过注气井注入的二氧化碳注入率和温度分别为为0.5 kg/s和45 ℃，而设置采气井的压力和温度分别为0.28 MPa和15 ℃。

表1 数值模型裂隙参数情况

3 数值计算结果分析

不同注气时间下储层孔隙压分布特征如图5a)～图5c)所示，二氧化碳浓度的分布情况如第95页图6a)～图6c)所示。

图5 不同注气时间下储层的孔隙压分布云图

从图5和图6中可以看出，随着时间的延长，注气井附近的孔隙压和二氧化碳浓度逐步增大，且逐步向采气井方向扩展，但孔隙压和二氧化碳浓度在X和Y方向的变化并不均衡，由于水力压裂形成的裂隙的影响，在X方向孔隙压和二氧化碳浓度的变化更加显著。为了系统地分析水力压裂形成的裂隙对注气增采的影响特征，图7和图8分别显示了在y=5 m的位置沿着X方向孔隙压和二氧化碳体积分数的变化规律。

图6 不同注气时间下储层二氧化碳浓度的分布云图

图7 孔隙压在X方向的变化示意图

从图7中可以看出，在10 d的裂隙范围内孔隙压的变化较小，这是因为，水力压裂形成的裂隙初始孔隙率和渗透率较大；当注气时间为100 d时，在该范围内孔隙压从6.93 MPa减小到了5.41 MPa；当注气时间为1 a时，在该范围内孔隙压从9.98 MPa减小到了9.31 MPa，当注气时间为1 a时，在该范围内孔隙压从14.41 MPa减小到了14.12 MPa。当X方向距离不变时，孔隙压的大小表现为：1 a>100 d>10 d；同时，随着注气时间的增大，孔隙压达到稳定所需的时间同样表现为：1 a>100 d>10 d，但孔隙压变化速率在逐步减小。

图8 二氧化碳浓度在X方向的变化示意图

从图8中可以看出，当注气时间为10 d时，二氧化碳体积分数在100 m范围内急剧减小到0；当注气时间为100 d时，在140 m范围内浓度变化不大，而在140 m～158 m范围内体积分数急剧减小到0；当注气时间为1 a时，二氧化碳体积分数在213 m范围内变化不大，而在213 m～242 m范围内CO2体积分数减小到0。这也说明当时间分别为10 d、100 d和1 a时，二氧化碳的驱替距离分别为100 m、158 m和242 m。

在进行注二氧化碳驱替甲烷的过程中，采气井中采出的煤层气来源于均质的煤体单元和相邻的裂隙单元，图9显示了采气井附近煤体单元和裂隙单元采气量的变化特征。

图9 采气井附近煤体单元和裂隙单元采气量的变化示意图

从图9中可以发现，裂隙单元中煤层气的流速要高于煤体单元中煤层气的流速；随着时间的延长，采气量的变化速率均在不断减小，当时间为0 d时，采气量最大，煤体单元和裂隙单元中的采气量最大值分别为1.5×10-2kg/s和1.5 kg/s，这是由于，裂隙单元的渗透率要远大于煤体；煤体单元和裂隙单元中的采气量最终分别减小到了5.4×10-4kg/s和5.4×10-3kg/s，这是煤体对二氧化碳的吸附逐步达到饱和的结果。

采气井附近煤体单元和裂隙单元孔隙压、温度和二氧化碳质量浓度随时间的变化特征分别如图10a)～图10c)所示。从图中可以发现，随着时间的延长，采气井附近煤体单元和裂隙单元孔隙压的变化趋势趋于一致；在注气开采51 d内，煤体单元和裂隙单元的温度均从30 ℃增大到了44.5 ℃，增大了14.5 ℃，此后温度保持不变；在很短的时间内二氧化碳的质量浓度就增大到100%，这是由于，煤体对二氧化碳的吸附性极强，在极短的时间内二氧化碳便可取代瓦斯作为煤体基质中吸附的气体。

图10 采气井附近煤体单元和裂隙单元各参数随时间的变化特征

注气井附近煤体单元和裂隙单元总应力的变化特征分别如图11a)所示。从图中可以发现，随着时间的延长，煤体单元和裂隙单元的应力变化趋势基本相似；总应力随着时间的延长逐步增大至平稳，最大总应力的影响因素为注气井温度变化引起的热膨胀以及煤基质吸附二氧化碳引起的变形。基于多孔弹性原理可得到有效应力的变化特征，如图11b)所示，整体上，有效应力逐步降低至平稳值，这主要是受到孔隙压的影响。