砂煤互层水力裂缝穿层扩展机理

临兴地区含煤岩系地层纵向互层发育煤层、致密砂岩层产层组,当砂煤薄层组合开发时,受界面胶结性质、地应力差、压裂选层、煤层厚度、施工参数等因素的影响,难以判断裂缝是否垂向穿层。为了分析砂煤互层水力压裂裂缝穿层扩展规律,通过选取砂煤天然露头岩样进行交错组合,利用大尺寸真三轴水力压裂系统开展了砂煤产层组组合的物理模拟实验,研究了压裂选层、层间胶结强度、煤层厚度、胶液和活性水对水力裂缝穿层扩展的影响。实验结果表明:在煤岩中起裂时,受煤岩层理和自身天然裂缝的影响,裂缝在扩展过程中,容易发生转向,使得裂缝形态复杂多样,不利于裂缝穿层;在砂岩层中起裂时,砂岩中水力裂缝形态简单,形成水力主缝,容易穿层扩展;当界面胶结强度较弱时,裂缝扩展至砂煤界面,容易发生转向,沿界面扩展,形成水平裂缝;煤层越厚越容易耗散水力能量,使得水力裂缝难以穿层扩展;胶液的造缝能力优于活性水,但其对储层伤害较重,压裂液类型的选取需根据现场压裂所需进行甄选。     

纵向叠置多薄煤层压裂裂缝竞争延伸数值模拟

滇东黔西地区煤层具有纵向多薄层叠置的特点,且割理裂隙等结构弱面较为发育。前人的多层、薄层压裂裂缝模拟多针对砂岩储层,关于结构弱面对水力压裂裂缝影响的研究多集中在页岩和裂缝性砂岩,对结构弱面发育、高泊松比、低杨氏模量的多薄煤层水力压裂裂缝竞争延伸规律缺少系统的揭示。考虑层间流量动态分配和割理裂隙发育特征,建立拟三维裂缝延伸数学模型。以滇东上二叠统煤层为例,模拟并分析了直井多层组合压裂时各层裂缝竞争延伸。研究表明:结构弱面分布不同导致各层裂缝形态差异较大;水力裂缝被结构弱面捕获使得裂缝变窄,增加了压裂砂堵风险;杨氏模量较小的煤层多层合压,层间流量分配差异相对较小;对射孔参数已确定的井,增加压裂液黏度、提高排量可减小层间流量差异,进而促进各层缝长充分扩展;减小压裂液黏度,降低排量可控制缝高。     

临兴区块石盒子组致密砂岩气储层压裂缝高控制数值模拟研究

对含上下隔层的致密砂岩进行水力压裂增产作业时,储隔层间应力差、物性差异等地质因素和压裂液黏度、施工排量、射孔位置等工程因素对水力裂缝延伸规律影响显著。针对鄂尔多斯盆地东缘临兴区块石盒子组致密气砂岩储层,基于ABAQUS有限元计算平台,建立三维层状介质的压裂缝高数值模型,研究各因素对裂缝高度控制的影响规律。研究结果表明:临兴区块石盒子组储层压裂施工产生垂直形态的水力裂缝,储隔层应力差是最关键控制因素,当大于4 MPa时可以有效控制缝高;弹性模量低的隔层对控制压裂缝高有利;泊松比对于压裂缝高几乎没有影响;高储隔层应力差(4 MPa)下施工排量小于6 m~3/min时,裂缝延伸抑制作用明显;低储隔层应力差下(2 MPa)施工排量越大,裂缝在隔层内延伸程度越大;压裂液黏度低于10 m Pa·s时对压裂缝高影响很小;射孔位置的不同对于裂缝起裂阶段影响显著,储层上部射孔时裂缝最终形态和压裂缝高较储层中部射孔和全井段射孔差异很大。开展室内试验研究施工排量、射孔位置等工程因素对裂缝穿层扩展的影响,试验结果与数值模拟结果吻合良好。研究结论可为油田现场预测裂缝形态,选择合适层位,优化压裂参数提供借鉴。     

保德区块中低阶煤层压裂施工砂堵原因分析及技术对策

针对保德区块中低阶煤储层压裂过程中容易出现砂堵影响储层改造效果的问题,根据研究区块的地质条件,结合水力压裂时裂缝在煤层中的扩展规律,分析了保德区块煤层水力压裂出现砂堵的4类主要原因,分别为煤储层裂隙相对发育造成压裂液滤失量增加、压裂沟通高渗透性的顶底板、煤储层本身有效厚度大滤失量增大及多层合压造缝不充分。在此基础上,提出了相应的技术对策,使用清洁压裂液、适当提高并稳定施工排量及优化压裂施工设计,为现场的水力压裂施工和提高煤储层改造效果提供重要指导。     

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。     

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。     

煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究

硬脆性砂岩、页岩储层与塑性的煤层组合开发时,层间应力差、岩性差异、界面性质等因素会对水力裂缝扩展产生较大影响,复合储层人工裂缝扩展规律存在认识不清的难点,给储层改造方案的合理设计带来了难度。基于此,选取鄂尔多斯盆地东缘临兴地区天然露头岩石进行不同岩性组合,开展室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同地应力差、弹性模量差异、煤岩割理等参数对水力裂缝起裂及扩展的影响。结果表明:水力裂缝起裂方向受地应力条件及近井筒天然弱面共同控制;当应力差在4~6 MPa时,既能保证裂缝穿透界面,又能保证高效沟通煤岩中天然弱面形成网络裂缝;层间弹性模量差异越大,缝内流体压力越高,穿透界面时释放的压力脉冲有助于激活煤岩中的微裂缝形成复杂的裂缝网络。水力裂缝在煤岩中的扩展路径受割理影响较大,易发生转向或者分叉扩展;水力裂缝穿透界面时压裂曲线存在明显的2次憋压,沟通煤岩割理过程中压裂曲线上下波动明显。研究复合储层水力裂缝起裂及扩展规律可为油田现场预测裂缝形态以及优化泵注程序提供参考。     

基于ABAQUS的三维水力压裂裂缝扩展规律研究

水力压裂是目前油气田开发中增产增注的关键技术,为研究裂缝起裂和扩张过程中裂缝形态的变化,利用ABAQUS有限元软件,通过嵌入Cohesive单元模拟裂缝扩展位置,系统分析了水平井裂缝扩展影响因素对裂缝几何形态的影响。研究表明,(1)当压裂液黏度由0.01 Pa·s增加到0.11 Pa·s时,缝长减小,缝宽增大,黏度大易形成短宽缝,黏度小则易形成长窄缝;(2)当压裂液排量较低时,难以达到地层破裂条件,排量较大时,地层开始扩展起裂,也容易形成新裂缝,采用变排量压裂,压力平稳式增长,有助于形成复杂裂缝网格;(3)当水平应力差由1 MPa增加到5 MPa时,缝长增大,缝宽和缝高减小,水平应力差增大,岩石破裂所需克服的阻力变小,易于起裂,而在压裂液压入的过程中,压裂液主要流经于裂缝延伸长度上。     

郑庄区块煤储层水力压裂裂缝扩展地质因素分析

为了研究煤储层水力压裂裂缝扩展规律,以沁水盆地郑庄区块15口煤层气井水力压裂裂缝的微地震监测数据为基础,通过分析压后裂缝方位、长度和高度等参数,从煤岩学特征、岩石力学特征、地应力条件及煤岩裂隙发育特征4个方面综合研究了压裂裂缝扩展的地质控制因素。结果表明:郑庄区块区压裂裂缝方位近NEE向,与区域水平最大主应力方向相近,垂直裂缝发育;演化程度较高的煤层更易形成长缝,且煤岩显微组分含量与压后缝长有一定相关性;裂缝长度随煤岩抗拉强度及弹性模量的增大而减小,煤岩与顶底板岩石力学性质的差异限制了裂缝纵向扩展;随埋深增加,煤储层闭合应力增大,但裂缝长度与煤层埋深负相关性较弱,原生裂隙在一定程度上阻碍了裂缝扩展。     

煤层气井水力压裂段塞技术多因素风险分析

基于大量现场作业和水力压裂裂缝扩展理论,提出了煤层气井水力压裂施工中支撑剂段塞存在引起早期砂堵的风险。针对煤层气井压裂施工,着重分析了施工液量、排量、裂缝转向、多裂缝等对裂缝几何尺寸的影响。采用理论分析结合模拟计算的研究方法,阐述了上述多种因素对裂缝几何尺寸、压裂液效率、尤其是缝宽的影响规律。针对不同因素的影响,提出了相对应的施工措施:提高排量、增加段塞前泵注液量有利于支撑剂进入裂缝;提高液体黏度、排量,沿最大主应力方向定向射孔等措施降低裂缝转向带来的砂堵风险;采用细砂或粉砂作为段塞支撑剂,有利于进入人工裂缝、降低滤失量、提高施工压裂液效率,进而降低多裂缝带来的影响。     

临兴区块煤系地层多层合压可行性研究

针对煤系地层多层合压时煤与砂岩、页岩的差异较大,裂缝扩展针对煤系地层复杂,裂缝形态变化不可预知等问题,通过室内实验测量煤层顶底板地应力,建立多层有限元反演模型,进行煤层地应力反演计算,对不同类型地层合压的可行性进行分析。结果表明：反演计算结果误差小于5%,可信度较高|多层合压穿层条件为：裂缝为垂直缝、破裂压力相差小于5MPa、合压层相差小于18～20m|多储层合压时,上部储层条件较好,尽量避免压开下部煤层|下部煤层起裂时,支撑剂主要支撑下部煤层,对于上部地层而言,支撑效果相对差|煤层在上部,砂岩气层在下部,从煤层起裂可利用应力遮挡作用,增加在煤层中缝长。     

千米深井区域压裂增透技术应用与研究

针对矿井开采垂深下延，煤层透气性低，造成矿井采掘接替紧张现状。以平煤股份十二矿己₁₅-31040进风巷低位瓦斯治理巷为工程背景，对比采取水力压裂增透技术前后，煤层区域瓦斯含量的卸压效果。现场实测，己₁₅、己_16-17煤层绝对瓦斯压力分别为0.83～1.30、0.86～1.06 MPa，原始瓦斯含量分别为5.41～12.86、9.63～13.84 m³/t。水力压裂后分别沿压裂孔走向、倾向方向、不同步距点进行卸压效果考察:己₁₅煤层瓦斯含量较原始平均值降低5.41 m³/t左右，己_16-17煤层瓦斯含量较原始平均值降低2.91 m³/t左右。研究得出，沿走向方向外段瓦斯含量降幅大于里段，沿倾向方向巷道下帮方向瓦斯含量降幅大于上帮方向。研究分析煤层抽采效果考察等工作，为大垂深、低透气性，高应力矿井煤层增透促抽提供指导。     

基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

为实现瓦斯隧道安全快速有效地揭煤,以正习高速公路天城坝隧道揭煤工程为背景,分析了水力压裂大范围增加煤层透气性原理与增透效果影响因素,基于水力压裂增透技术建立了多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术体系,探讨了以超前探测、初探、精探、区域瓦斯防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等为核心的揭煤防突流程,优化了瓦斯隧道水力压裂防突技术...     

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己₁₅-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。     

水力压裂增透技术在单一低透气性煤层中的应用

豫东地区陈四楼煤矿煤层为单一低透气性突出煤层，瓦斯预抽存在难度大、效率低的问题，严重制约了煤矿安全生产。为增加煤体透气性，提高瓦斯抽采效果，井下水力压裂是一种行之有效的措施。依据瓦斯赋存情况，在煤体瓦斯含量低于5 m³/t区域进行水力压裂增透试验，既能大幅降低钻孔工程量，加快区域治理进度，又能有效保证压裂过程中施工安全，防范压裂期间瓦斯异常涌出，引起瓦斯事故，对低瓦斯区域实现科学治理、精准施策具有重要意义，同时也能为高瓦斯区域进行压裂尝试提供借鉴。     

阳泉寺家庄井田81号煤底板黏土组分及压裂工艺

阳泉矿区寺家庄井田8₁号煤段底板中含有大量的煤系气，但目前仍没有获得理想的煤层气增产效果。通过对目标层段岩石进行黏土组分分析，结果显示该段岩石黏土矿物主要为高岭石和伊利石，且含量相近。针对高岭石的速敏效应和伊利石的水敏效应，采用氮气爆破压裂造缝效果明显。压裂初期东西两翼裂缝扩展不均衡，西翼较长，东翼略短。压裂完成后东西两翼裂缝缝长变化相近，裂缝总长276 m。压裂后排采数据显示:气产量维持在790 m³/d左右，且能保持稳产。相比普通水力压裂，优化后压裂施工效果显著。     

寺河井田3号煤层人工压裂裂缝形态特征研究

裂缝形态特征是储层压裂改造效果评价、压裂工程设计及优化、煤层气井井网布置及优化等的重要研究内容。为摸清寺河井田3号煤层气主力开发煤层人工压裂裂缝形态特征,对井田内微地震裂缝监测资料进行了研究。结果表明:浅埋深、厚煤层、中小型压裂规模及中小排量压裂情况下,裂缝长度171.3~284.2 m,平均219.7 m;裂缝高度13.3~16.5 m,平均14.9 m;裂缝方位为北东42.5~47.9°,平均45.9°;受煤的非均质性和应力状态影响,在压裂规模及压裂参数相近的情况下,各压裂井的裂缝形态特征有所不同。     

观音山煤矿一井石门揭煤防突技术研究

针对低透气性煤层石门揭煤防突使用常规预抽方法存在钻孔多、效果差和周期长的问题,提出采用水力压裂石门揭煤技术,通过增加煤层裂隙提高透气性、提升抽采效果,从而缩短揭煤周期。同时将水力压裂石门揭煤技术在观音山煤矿一井与常规密集钻孔预抽技术进行对比试验,试验结果表明:压裂后的平均瓦斯抽采浓度由压裂前的20%提高到45%,提高了2.25倍;单孔抽采纯量平均由2×10^-3 m³/min提高到5×10^-3 m³/min,提高了2.5倍;煤层瓦斯含量由11.238 6 m³/t降低到4.414 0～6.785 2 m³/t,降低了39.6%～60.7%;预抽时间由9个月缩短到5个月,缩短44%。     

弱透气性煤层受岩石下保护层开采影响卸压增透效果研究

针对平煤股份十矿大埋深弱透气性煤层下保护层开采工程,采用岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,研究了被保护层变形规律、应力演化过程、卸压保护范围及瓦斯抽采效果。结果表明,随着保护层工作面的推进,其上覆煤岩体同时发生拉伸应力和剪应力破坏,被保护层大量的裂隙扩展发育,孔隙率大幅提高;随着保护层的开采,被保护层呈现出压缩和膨胀的变化规律,位于保护层采空区中部上方的被保护层变形最大,变形膨胀率最大,因此有利于煤层的卸压增透和瓦斯的抽放;岩石保护层开采后对被保护煤层沿倾斜方向预计保护范围卸压角为78°。工业试验显示:在己_15-16-24130岩石下保护层开采后,上覆己_15-16煤层变形膨胀率在0.62%~1.54%,己₁₇煤层变形膨胀率在1.71%~3.67%;在预计保护范围线位置测定的煤层最大综合残余瓦斯压力为0.42 MPa,最大残余瓦斯含量为4.210 7 m³/t。证明预计保护范围是可靠的,为平煤十矿下保护层开采区域瓦斯治理技术的推广应用提供了可靠的依据。