摘要
煤层气作为一种清洁、高质量的非常规能源，在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系中占有重要的地位。我国煤层气资源量丰富，与常规天然气相当，开发潜力巨大，但是低渗低压煤储层广泛发育，单井产量普遍偏低，传统的水基压裂技术存在一些弊端。低渗低压煤储层压裂技术的研发必须以高效增渗和增能保护为目的，氮气-水力复合压裂能够同时实现这两个目的，但是氮气-水力复合压裂增渗机理及技术研究尚不完善。本文综合采用实验室实验、理论分析和数值模拟等手段，研究了高压氮气对煤储层孔-缝的影响特征，氮气-水力复合压裂损伤破裂特征和裂缝扩展规律，揭示了氮气-水力复合压裂增渗机理。基于上述研究成果，在水平井分段压裂技术基础上，提出了低渗低压煤储层水平井密集多簇氮气-水力复合压裂技术方法，并在低渗低压区块进行了2口水平井的先导试验，单井产气量大幅度提高。论文主要得到如下结论： （1）开展了不同压力和时间条件下的氮气闷压实验。实验结果表明：氮气闷压后煤样的渗透率和扩散系数全部增加，渗透率增比随着压力的增加而增加，随着时间的增加呈现出先增加后降低的趋势，对于特定的煤层存在着一个最佳的闷压时间；场发射扫描电镜观测发现高压氮气对煤层内部微米级裂缝产生了强烈破坏，存在以裂缝张开宽度增加为主的6种破坏模式；氮气闷压形成了较多的弥散状网络裂缝，水力闷压形成了较少的单一裂缝。 （2）高压压汞和低温液氮吸附实验结果显示，氮气闷压后煤样内部开放孔隙的占比增加，半开放孔隙占比降低，孔隙连通性增加。高压氮气具有一定的扩孔增容效应，使部分微孔和小孔扩容、连通转变为中孔和大孔。闷压后煤样内部2.0-10nm阶段的吸附孔和全部阶段的扩散孔、渗流孔的孔容增加，孔隙复杂程度降低，增大了煤层气扩散和渗流的孔隙空间，降低了煤层气的运移阻力，有效提高了煤样的扩散和渗透能力。 （3）对初始渗透率不同的两组煤样，进行了加载轴压和围压条件下的氮气压裂、水力压裂和氮气-水力复合压裂煤样破裂实验。实验结果表明：氮气-水力复合压裂煤样的渗透率增加倍数最大，水力压裂居中，氮气压裂最小；与水力压裂相比，氮气-水力复合压裂后期注水阶段煤样的破裂压力降低16-18%，裂缝复杂程度增加了1.3-2.6倍；氮气-水力复合压裂形成了强连通的复杂网络裂缝，新生裂缝体积是水力压裂技术的4倍。 （4）以流体压裂体积张开度理论为基础，采用ANSYS有限元数值模拟软件，构建了煤层气水平井密集多簇压裂数值模型，以造缝体积为评价指标，分析了氮气-水力复合压裂裂缝演化规律。模拟结果表明：氮气-水力复合压裂后续水力压裂裂缝是在氮气形成的孔隙压力场和裂缝场的基础上进一步扩展，最终形成可支撑的高导流复杂网络裂缝；氮气-水力复合压裂后煤层中小尺度裂缝大幅度增加，造缝体积是水力压裂的2.2倍。 （5）基于上述研究成果，揭示了氮气-水力复合压裂增渗机理，探讨了氮气-水力复合压裂高产技术优势。现场试验结果表明，氮气-水力复合压裂形成了复杂的面状网络裂缝，煤层气解吸压力提高26%，日产气量是直井的20-36倍，是同井场多分支水平井的10倍。
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