一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法
【專利摘要】本發明公開了一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，包括以下步驟：(1)將增殖培養所得的微生物培養液通過壓裂孔注入目標儲層，然后向目標儲層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌；(2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續生產。本發明通過微生物及營養物質注入目標儲層，并提供充分活化、生存和繁殖的條件，利用微生物自身的酶化作用，在水力裂縫面及周圍煤體內生成具有膠凝性質的碳酸鈣結晶，從而改造松軟煤層氣儲層水力裂縫的力學強度和滲流能力。
【專利說明】
一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法
技術領域
[0001]本發明屬于煤礦井下水力壓裂領域，具體涉及一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法。
【背景技術】
[0002]水力壓裂能夠促使煤層原生裂隙的延伸和貫通，為煤層氣運移提供通道，可有效提高煤層氣產量。水力壓裂法是煤層氣地面開發中應用最為廣泛的儲層改造技術，也是近幾年我國煤礦區煤層氣井下抽采中一種快速發展的增滲、增產方法。對于結構較為單一、力學強度較高、裂縫導流能力較好的中硬及硬煤煤層，水力壓裂技術有較好的抽采效果，但是對于松軟煤層，由于煤質松散、煤體顆粒小(粒徑小于1_)、力學強度低，造成裂縫閉合壓力低、速度快、滲流能力差，使得煤層滲透率得不到根本性提高。即使采用支撐劑對壓裂裂縫進行支撐，煤體顆粒也極易聚集嵌入支撐劑縫隙，阻塞煤層氣運移通道，同時受井下巷道尺寸限制，在煤礦區井下壓裂施工中，也無法采用加砂設備。因此，松軟煤層煤層氣高效抽采一直未能得到有效解決。
[0003]公開號為CN102116168A的專利文獻公開了一種適用于低滲透、松軟煤層抽采瓦斯的系統及方法，該系統既能夠用于鉆孔，彌補松軟煤層塌孔不便改造的難題，又能在鉆孔后及時對煤體加壓造穴后進行瓦斯抽采。該發明將鉆孔和加壓造穴一體化，通過造穴改善透氣性，一定程度上防止了煤孔坍塌無法繼續進行儲層改造的問題，但是該方法對設備要求高，對瓦斯抽采率的提高不明顯。

【發明內容】

[0004]本發明的目的主要是針對松軟煤層煤質松散、煤體力學強度低，導致水力壓裂技術對松軟煤層煤層氣抽采效果差的問題，提供一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法。
[0005]本發明的具體技術方案為:一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，包括以下步驟:
[0006](I)將增殖培養所得的微生物培養液通過壓裂孔注入目標儲層，然后向目標儲層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌；
[0007](2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續生產。
[0008]本發明將增殖培養后的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)及營養物質注入目標儲層，并提供充分活化、生存和繁殖的條件，加速微生物的酶化作用。巴氏生孢八疊球菌通過自身的酶化作用，將代謝產生的高活性脲酶，作用于尿素的水解反應，使其分解生成C032—，同時細胞壁表面的負電荷不斷吸附周圍溶液中的Ca2+，并與C032—結合生成碳酸鈣結晶，從而在細胞膜表面析出以細胞為晶核的碳酸鈣晶體。隨著結晶體的不斷生長，細胞難以攝取營養物質而死亡，最終結晶體停止生長，根據巴氏生孢八疊球菌在儲層所處的位置不同，碳酸鈣結晶的作用可分為對裂縫周圍煤體的誘導黏合作用和對裂縫縫面的表面覆膜作用。
[0009]本發明通過微生物的作用，在水力裂縫面及周圍煤體內生成具有膠凝性質的碳酸鈣結晶，從而改造松軟煤層氣儲層水力裂縫的力學強度和滲流能力。一方面，在水力裂縫面形成的碳酸鈣結晶，對裂縫可以起到類似于支撐劑的支撐作用；另一方面，由于微生物自身能夠通過復制，在煤層孔隙內大量繁殖，并且具有運動的特性，可以在水力裂縫周圍煤體內生成碳酸鈣結晶，將松散結構的煤體顆粒粘結，提高煤體力學強度，減緩裂縫閉合速率，同時減少煤粉對水力裂縫的堵塞。此外，由于微生物具備的微觀膠結結構特性，其誘導出的膠結物質優先沉積在煤體顆粒接觸點邊角部分，不會占據大孔隙通道，因此，可以通過控制培養條件，調節碳酸鈣沉淀的沉淀速率、產量和結晶形態，以保證煤體的滲透系數不發生較大改變。
[0010]作為優選，步驟(I)所述增殖培養采用的培養基，其組分及濃度分別為:蛋白胨4.5?5.5g/L，肉浸膏2.5?3.5g/L，尿素18?22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L，其中溶劑為水。配制好的增殖培養基可以在120?125°C高溫蒸汽滅菌20min后，放入無菌操作臺冷卻待用。[0011 ] 作為優選，步驟(I)所述的固定液為CaCl2溶液，其濃度為0.04?0.06mol/L。
[0012]作為優選，步驟(I)所述的膠凝液為CaCl2和尿素的混合液，混合液濃度為0.5?1.0mol/L，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。經適宜濃度的膠凝液固化后，煤體強度更高，滲透率變化更平緩、更均勻，固定液和膠凝液以低濃度為宜。
[0013]作為優選，步驟(I)中固定液的注入速度為單孔10?20L/min，注入固定液時，以微生物培養液和固定液流體前緣鋒面重合為準。向目標儲層低速注入固定液，利用固定液中的Ca2+的絮凝作用實現微生物在儲層中的均勻固定，注入固定液時，以微生物培養液和固定液液流體前緣鋒面重合為基礎，因為在前緣鋒面重合的條件下，微生物固定效率最高。
[0014]作為優選，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程，注入速度為I?6L/min，連續注入12h，所述間歇過程，間歇時間為12?24h。低速間歇性注入膠凝液過程中，間歇時間要足夠長，以保證微生物的充分轉化，使得吸附在水力裂縫表面及其周圍煤體中的微生物不斷礦化生成碳酸鈣凝膠。
[0015]作為優選，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程為I?7次。間歇過程即微生物的培養過程，根據目標煤層氣儲層的煤層孔徑分布和級配曲線，確定微生物培養時間，由于微生物細胞具有一定的尺寸，一般不會在小于0.4μπι的孔隙內運動，級配較差的煤層，應適當延長培養時間，即增加間歇次數。
[0016]作為優選，步驟(I)所述間歇性注入膠凝液的過程中，控制目標儲層內溫度為20?37°C，目標儲層內混合液pH為6.0?9.0，DO值為2?3mg/L。一般井下儲層溫度為適宜的代謝溫度，溶解氧主要采用注入H2O2方式供氧，通過向儲層注入H2O2使儲層DO值處于適宜范圍，儲層內混合液的pH值采用濃度為0.lmol/L的NaOH溶液和濃度為0.lmol/L的HCl溶液進行調整，儲層中微生物的活性通過測定儲層混合液的OD6qq值進行衡量，微生物數量通過下式換算:
[0017]Y = S-Sgx17Z1.3627 , Z為OD6OO 值
[0018]作為優選，在壓裂孔沿目標儲層走向兩側及傾向兩側設有檢測目標儲層內環境參數變化的檢驗孔。檢驗孔主要用于監測目標煤層氣儲層的溫度、溶解氧濃度、PH值及不同區位微生物數量，實際檢驗孔數量根據現場效果動態增減，通過檢測孔監測儲層內的環境參數變化，根據檢驗孔的監測反饋，采用動態施工法，實時調整施工工藝參數，維護儲層微生物代謝環境，保證碳酸鈣的沉積速率。
[0019]本發明的有益效果是:本發明通過微生物的代謝活動，短時間內即可以生成數量可觀的膠結物質，從而達到改造裂縫及其周圍煤體的作用，技術易于實現，而且環境友好。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的技術流程圖；
[0021]圖2是本發明在實施井下水力壓裂時壓裂孔周圍檢驗孔布置示意圖；
[0022]圖3是微生物誘導碳酸鈣沉積示意圖；
[0023]圖4是壓裂后煤層瓦斯含量對比圖；
[0024]圖5是單孔抽采純量對比圖；
[0025]圖6是抽采流量對比圖；
[0026]圖7是透氣性系數對比圖。
【具體實施方式】
[0027]下面通過具體實施例，對本發明的技術方案做進一步說明。
[0028]本發明使用的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)購于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，本發明所采用其他原料和設備若非特指，均可從市場購得或是本領域常用的，實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規方法。
[0029]實施例1
[0030]使用蒸餾水配制增殖培養所需的培養基，培養基的組分及濃度分別為蛋白胨5.0g/L，肉浸膏3.0g/L，尿素20.0g/L，MnS04.H2O 10mg/L，配制好的培養基以121°C高溫蒸汽滅菌20min后，放入無菌操作臺冷卻待用。購買的菌種為凍干粉狀態，真空保存于安踣瓶內，破裂安踣瓶，將凍干粉接種至含有1mL培養基的三角瓶中培養，三角瓶置于培養箱內，至三角瓶內有菌落生成說明活化成功，將活化后的菌液接種至含有10mL培養基的三角瓶內，進行增殖培養。
[0031 ] 配制固定液和膠凝液，固定液為0.05mol/L的CaCl2溶液，膠凝液為0.5mol/L的CaCl2和尿素的混合液，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。
[0032]如圖2所示，在施工巷道內布置水力壓裂鉆孔，并在壓裂孔周圍沿煤層氣儲層走向兩側傾和向兩側布置檢驗孔(檢1_1，檢1-2，檢2_1，檢2_2，等)，其中檢驗孔1-1、1-2、1_3、1-4與壓裂孔的距離1^為20!11，同側檢驗孔之間的終孔間距L2SlOm,鉆孔布置完畢后實施水力壓裂工作。
[0033]首先通過壓裂孔向儲層注入增殖培養所得的培養液，再注入固定液，注入固定液的速度為10L/min，注入固定液時，以培養液和固定液流體前緣鋒面重合為準，最后注入膠凝液，膠凝液以5L/min的速率連續注入12h，間歇12h后再次以相同速率注入，膠凝液注入過程供間歇4次。
[0034]在注入膠凝液及間歇的過程中，通過檢驗孔返回儲層內的混合液，檢測儲層內代謝環境的DO值和pH值，整個過程中維持儲層混合液pH為6.0，DO值為2mg/L，其中井下儲層的溫度為24°C。
[0035]儲層改造結束后，通過煤層氣儲層走向和傾向的檢驗孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數。
[0036]實施例2
[0037]實施例2與實施例1不同點在于:(I)固定液濃度為0.06mol/L，膠凝液濃度為
1.0mol/L； (2)儲層混合液pH為9.0，00值為311^/1，儲層溫度為351€ ; (3)注入膠凝液過程共間歇2次。
[0038]儲層改造結束后，通過煤層氣儲層走向和傾向的檢驗孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數。
[0039]實施例3
[0040]實施例3與實施例1不同的在于:(I)培養基組分及濃度分別為蛋白胨5.5g/L，肉浸膏3.5g/L，尿素22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L; (2)固定液注入速度為18L/min，膠凝液注入速度為1.5L/min，膠凝液注入后間歇24h，整個注入過程共間歇6次。
[0041]儲層改造結束后，通過煤層氣儲層走向和傾向的檢驗孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數。
[0042]實施例4
[0043]選擇儲層賦存條件與實施例1相同或差別較小的煤氣層，以相同的方式鉆進壓力鉆孔并進行封孔，養護混凝土達到壓裂要求后，連接壓裂設備及管路實施壓裂作業。壓裂作業實施后，在壓裂孔周邊布置檢驗孔，通過檢驗孔考察煤層氣儲層瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數。
[0044]對實施例1?4中瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數的分析。
[0045]如圖4所示，儲層內由于高壓水的驅替作用，游離瓦斯向壓裂范圍延伸方向運移，越靠近壓裂孔，瓦斯含量越高。原始煤層瓦斯含量是相同的，實施例1?3改造后的煤層瓦斯含量比實施例4未改造的同等條件儲層的煤層瓦斯含量平均低20.8%，且壓裂影響范圍比未采取措施儲層大40 %。
[0046]如圖5所示，實施例1?3對儲層實施改造后的單孔抽采純量顯著增加，且維持在較高水平，實施改造的儲層單孔抽采純量平均提高1.68倍。
[0047]如圖6所示，通過對比抽采數據可知，實施例1?3中，儲層經改造后，抽采流量平均增大了 2.71倍，抽采效果得到改善。
[0048]實施壓裂措施后，采用鉆孔徑向不穩定流量法測定煤層透氣性系數，綜合分析計算現場和實驗室數據，對比實施例1?4壓裂區域煤層透氣性情況，結果如圖7所示，實施例1?3中，實施改造措施后壓裂區域的煤層透氣性系數平均增加11.56倍。
【主權項】
1.一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將增殖培養所得的微生物培養液通過壓裂孔注入目標儲層，然后向目標儲層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌； (2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續生產。2.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述增殖培養采用的培養基，其組分及濃度分別為:蛋白胨4.5?5.5g/L，肉浸膏2.5?3.5g/L，尿素 18?22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L。3.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述的固定液為CaCl2溶液，其濃度為0.04?0.06mol/Lo4.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述的膠凝液為CaCl2和尿素的混合液，混合液濃度為0.5?1.0moI/L，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。5.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中固定液的注入速度為10?20L/min，注入固定液時，以微生物培養液和固定液流體前緣鋒面重合為準。6.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程，注入速度為I?6L/min，注入時間為12h，所述間歇過程，間歇時間為12?24h。7.根據權利要求6所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程為I?7次。8.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，在間歇性注入膠凝液的過程中，控制所述目標儲層內溫度為20?37°C，目標儲層內混合液pH為 6.0 ?9.0，D0 值為 2 ?3mg/L。9.根據權利要求8所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，目標儲層內混合液的pH采用濃度為0.lmol/L的NaOH溶液或濃度為0.lmol/L的HCl溶液進行調整。10.根據權利要求1所述的一種強化松軟煤層水力裂縫導流能力的方法，其特征在于，在壓裂孔沿目標儲層走向兩側及傾向兩側設有檢測目標儲層內環境參數變化的檢驗孔。
【文檔編號】C12R1/01GK105927199SQ201610368863
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】宋晨鵬, 盧義玉, 張旋, 葛兆龍, 夏彬偉, 湯積仁, 賈云中
【申請人】重慶交通大學