压裂液黏度和注液速率对含层理页岩水力裂缝扩展行为的影响规律研究

为了研究压裂液黏度和注液速率等施工参数对含层理页岩水力压裂过程中其水力裂缝扩展行为的影响规律,首先采用数值模拟的研究方法,借助块体离散元法建立相关水力裂缝扩展模型,并对其模拟结果进行验证;在数值模型基础上,通过设置不同施工参数来进行模拟研究。研究发现：较低的压裂液黏度和注液速率时,所形成的水力裂缝内压力较低且分布均匀,水力裂缝更倾向于转向沿层理面扩展;而较高的压裂液黏度和注液速率时,裂缝内压力较高且分布差异大,此时水力裂缝更趋向于穿过层理面竖向扩展。     

应力环境对层面区域水压裂缝扩展的影响

无论是传统的煤炭、石油、天然气资源开采,还是新兴的非常规天然气开采,控制水压裂缝尽量在指定的资源储层中横向延伸、限制储层外垂向水压裂缝的数目和扩展长度是提高水压致裂效率和保护地层环境的有效途径。层面所处的应力环境是影响水压裂缝扩展的关键因素。采用RFPA2D-Flow,对不同应力环境下,水压裂缝初至层面的扩展行为、沿层面水压裂缝最大开裂长度和水压裂缝的破坏形态进行了模拟。模拟结果表明:1应力环境对水压裂缝初至层面时的扩展行为没有影响;2沿层面水压裂缝扩展的最大长度随主应力比的增加呈双曲线降低;3双向等压时,水压致裂沿层面方向的影响范围最大;4随着主应力比的增加,层面对水压裂缝扩展的影响逐渐减小,应力的作用逐渐增加,水压裂缝沿垂直于最小主应力方向穿层面扩展。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

煤层气压裂裂缝起裂扩展规律研究

我国煤层气资源丰富,裂缝系统复杂。根据常规水力压裂经验进行的地层改造效果时好时坏,难以解释。因此迫切需要对煤层气水力压裂机理进行研究,深入认识煤层气压裂裂缝起裂和扩展规律。在前人研究成果基础上,系统分析了煤岩压裂的主要影响因素及影响规律,研究了目前煤层气压裂裂缝起裂扩展规律的研究进展及存在的主要问题,并对煤层气压裂理论研究的发展方向提出建议。     

定向射孔多孔同步压裂裂缝交互扩展规律研究

针对传统切顶卸压沿空留巷技术很难控制顶板变形垮落等问题,为了更好地掌握切顶卸压时顶板的裂缝扩展规律,提出定向射孔多孔同步压裂切顶卸压方案并进行试验研究。在传统压裂试验过程中,射孔间距、注液速率对裂缝扩展效果影响较大,通过结合真三轴压裂渗流模拟试验系统与声发射监测系统,对300mm的立方体砂岩试件进行模拟试验。结果表明：声发射监测的声发射(AE)事件分布图能很好地反映出试件压裂过程中每个阶段的裂缝扩展形态和裂缝扩展规律;裂缝长度、起裂压力和裂缝缝网面积随横向射孔间距的增大而增大,裂缝宽度随射孔间距的增大而减小;随着注液速率的增大,主裂缝产生的次生裂缝减小,裂缝偏移现象也减少,复杂的裂缝也变得单一;压裂初期,裂缝从各射孔端部起裂,随着压裂的进行,射孔端部的裂缝变得复杂,主裂缝会沿着射孔方向扩展,形成横向射孔之间的贯通缝,最终裂缝从试件表面中部起裂扩展延伸至两端。研究结果可为定向射孔切顶卸压设计与施工提供一定的参考依据。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。     

多孔线性协同定向水压裂缝扩展规律的数值模拟研究

针对破岩工程中定向致裂的问题,首先分析了多孔线性协同定向水压致裂技术原理,然后采用RFPA2D-Flow数值模拟软件对多孔线性协同定向水力致裂试验结果进行验证,最后研究了多孔线性协同定向水压裂缝的起裂和扩展规律.结果 表明:RFPA2D-Flow数值模拟结果与试验结果趋于一致;多孔线性协同定向水力致裂的过程可以分为注水...     

靖边地区深部砂岩裂缝扩展规律研究

为了更好地对深井围岩中的微小裂隙进行注浆封堵,利用ABAQUS数值模拟软件,基于水力压裂理论,以靖边地区深为1 500 m左右的砂岩为例,通过建立水力压裂数值模型,对裂隙的扩展情况进行模拟。结论表明:在地应力、水力压力、弹性模量的影响下,裂隙的扩展具有明显规律性,而天然裂缝对裂隙扩展的影响较小。     

水平储层直井压裂裂缝扩展数值模拟研究

基于ANSYS有限元模拟软件,通过定义微观单元的渗流-损伤行为,建立水平储层垂直井水力压裂物理模型,计算不同地质条件下的裂缝扩展形态。计算结果表明:裂缝扩展方向受主压应力方向控制,也受到储层均质度和应力比的影响。     

煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究

煤层钻孔水压致裂是提高地面煤层气抽采效果的有效方法之一,借助于数值模拟方法对煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律进行了分析.研究表明:当两个方向水平地应力值相等时,煤层钻孔围岩裂缝起裂角和扩展方向呈随机性,而当两个方向水平地应力值不相等时,则裂缝起裂角和扩展垂直于数值较大的水平地应力方向;钻孔围岩主裂缝的扩展长度随水平应力系数和注水压力的增大而增大;地面煤层气井的合理布置方式宜为菱形,且菱形对角线应平行于最大和最小水平地应力方向.     

风化泥岩裂缝涌水及扩展规律模拟试验研究

为了研究风化泥岩裂缝涌水及扩展变化规律,研发了一种岩石裂缝涌水扩展试验装置。通过对赵固一矿现场岩样进行干燥饱和吸水率、点荷载强度等试验分析了不同层位风化泥岩的物理性质,根据物理性质的差异制作了两组风化泥岩岩石试件,并采用X射线衍射(XRD)试验测试了试件的矿物组成成分。通过设置不同的注水压力和裂缝宽度对两组岩石试件进行风化泥岩裂缝涌水及扩展模拟试验,得出了试验含水层水压力和裂缝通道涌水量的变化规律,并探讨了注水压力、裂缝宽度和岩石物理性质对风化泥岩裂缝扩展的影响,总结出水流作用下风化泥岩裂缝扩展规律,对煤矿防治水提供参考。     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

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。     

煤岩二次暂堵压裂裂缝扩展规律试验研究

二次压裂是煤层气开采中初次裂缝产量下降时有效增产手段。为研究煤层气储层二次压裂裂缝扩展规律、优化暂堵参数,开展了室内暂堵压裂模拟试验研究。使用大尺寸真三轴压裂模拟系统,样品尺寸为30 cm×30 cm×30 cm,采集沁水盆地煤岩后通过包裹混凝土得到标准试验样品。首先通过加载三轴应力模拟地层环境,后以恒定排量向井筒中注压裂液模拟初次压裂,初次压裂完成后采用CT扫描对岩样内部的初次裂缝形态进行扫描观测,将暂堵剂注入井筒内部并开展二次压裂试验;试验结束通过CT扫描裂缝形态分析二次压裂裂缝形态。试验结果表明：暂堵效果受暂堵剂粒径和用量影响较大。暂堵剂粒径过大,影响压裂液的悬砂效果,暂堵剂容易在井筒内堆积,导致二次压裂施工压力异常升高,暂堵剂粒径过小,难以形成有效封堵,二次压裂时裂缝以沿初次裂缝扩展为主。随着暂堵剂用量的提高,对初次裂缝的封堵效果增强,二次压裂破裂压力升高,促进二次压裂裂缝沿垂直初次裂缝方向的扩展;另一方面暂堵剂进入二次压裂裂缝后形成二次封堵,促进分支裂缝的形成,二次压裂复杂程度升高。研究认为通过暂堵压裂可以促进分支裂缝的形成,提高二次压裂裂缝的复杂程度,增大压裂改造面积提升二...     

焦坪矿区煤层气井压裂裂缝扩展规律研究

介绍了井温测试、地面微地震法和动态导体充电法监测煤层水力压裂裂缝的基本原理,并通过采用上述3种方法对焦坪矿区煤层气井压裂裂缝进行监测,初步获取了煤层压裂裂缝的形态参数,通过分析发现:焦坪矿区煤层压裂空间展布显现出不等长垂直缝,压裂裂缝上下扩展明显,均穿越了煤层的顶底板,主裂缝延伸方位为北东向,建议生产井在长度方向上延主裂缝方向进行布置,井间距在400m左右为宜,在宽度方向上在140m左右为宜。     

基于应力增速与应力梯度的水压致裂应力扰动评价研究

水压致裂的应力扰动评价是动力灾害煤岩层水压致裂的关键科学问题.提出了基于应力增速、应力梯度的水压致裂应力扰动评价方法.采用大尺寸真三轴水压致裂应力扰动物理模型实验,分析了水压致裂应力扰动的大小、特征及其影响因素.水压致裂过程中当泵注排量相同时,同一时间内距离水压裂缝越近,平均孔隙压力增速及孔隙压力梯度越大,孔隙压力增速和孔隙压力梯度按指数规律衰减.相同位置处,泵注排量越大,平均孔隙压力增速和孔隙压力梯度越大.开泵瞬间会产生很高的骨架应力增速,同时在致裂过程中,水压力的大幅度波动也会产生较大的骨架应力增速,且波动幅度越大,产生的骨架应力增速也越大.随着泵注排量的增大,开泵瞬间水压裂缝两侧骨架应力增速峰值也相应增加.泵注排量相同时,越靠近水压裂缝,骨架应力梯度越大,随着距离水压裂缝越远,应力梯度逐渐变小.初步给出了不同工程背景下水压致裂应力扰动效应的控制原则,在工程施工中,应根据具体的工程背景,基于应力扰动的评价,采取相应的针对措施,做到趋利避害.     

顺层长钻孔多缝槽控制压裂裂缝扩展规律研究

预置缝槽控制是解决煤岩体水力压裂空白带的有效措施。以唐口煤矿为例,采用RFPA软件,分析煤矿井下工作面顺层长钻孔预置多缝槽控制压裂裂缝扩展规律。研究表明:多缝槽控制压裂水压主裂缝全部沿垂直于最小水平主应力的方向扩展,存在优势缝槽优先诱导产生水压裂缝扩展;随着预置缝槽密度增大,单侧水压主裂缝的长度减小而裂缝张开角增大,单侧最大水压主裂缝的长度变化大致符合线性关系;平均单侧最大水压主裂缝长度为26.3 m,平均裂缝张开角为11.8°,裂缝稳定扩展压力为18.0 MPa;合理的缝槽密度为0.04 m~(-1),对应的缝槽间距为25 m;单孔平均卸压2 537 m2,水压主裂缝区域渗透率可以提高100～200倍。     

储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析

掌握储层水力压裂裂缝的起裂与扩展规律对非常规油气资源开采和提高采收率至关重要。采用水泥砂浆模拟天然页岩,获得了与页岩基本力学参数和断裂韧性一致的相似材料。运用FRANC3D和ANSYS,模拟分析了不同水平应力比和射孔布置方式对水力压裂起裂和扩展的影响。研究表明:利用FRANC3D+ANSYS可以较好地模拟射孔压裂裂缝的起裂和三维空间中的扩展行为。射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小,射孔方向与最大水平主应力成夹角时,裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布,射孔线性排布时的起裂压力较小。