紧邻碎软煤层顶板水平井分段穿层压裂裂缝延展机理

紧邻碎软煤层顶板分段压裂水平井是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术,裂缝从煤层顶板穿层扩展沟通煤层为煤层气渗流提供通道是该技术应用的关键。针对煤层顶板水平井分段穿层压裂裂缝延展过程,开展真三轴煤岩组合体水力压裂物理模拟试验,应用声发射监测技术对裂缝扩展的动态过程进行监测,研究不同排量条件下的裂缝延伸形态;分析了水力压裂裂缝附近诱导应力场分布,采用扩展有限元方法研究分段穿层压裂的缝间干扰情况,对比了不同压裂段间距条件下,先压裂缝对后压裂缝的延伸形态和起裂压力的影响;最后结合工程试验以及微地震监测数据,对裂缝的空间形态进行了分析。研究结果表明:(1)在合理设置施工排量和水平井距离的条件下,裂缝可从高应力顶板扩展进入低应力煤层中,顶板内形成的有效支撑裂缝能够为煤层气进入井筒提供通道;(2)压裂液注入排量越大,裂缝跨界面穿层扩展深度越大,并且当裂缝穿层扩展时,裂缝在顶板内的高度和长度均大于煤层;(3)先压裂缝会在地层中产生诱导应力,诱导应力的大小与缝内净压力、裂缝高度以及距裂缝的距离等因素有关;(4)较小的分段压裂段间距会导致后压裂段起裂压力升高、裂缝发生偏转,为实现造长缝的目的,应降低缝间...     

碎软煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及敏感因素分析

顶板水平井是实现碎软煤层煤层气高效抽采的有效技术途径,穿层压裂是决定顶板水平井成败的关键工程手段,对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展行为的深刻理解是穿层压裂方案优化设计的基础。通过交叉偶极子声波测井解释得到碎软煤层及其顶板岩石力学组合特征,建立基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理模型,开展顶板水平井穿层压裂物理模拟试验,研究顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及穿层压裂效果的敏感性因素。结果表明：水平井位置、注入排量、射孔方式及垂向与水平应力差是影响顶板水平井穿层压裂裂缝扩展形态的4个重要因素。穿层压裂效果随水平井与煤层间距和注入排量的增加而减弱,随垂直与水平应力差的增大而增强,定向射孔具有诱导裂缝向煤层扩展延伸、提高穿层压裂效果的作用。穿层压裂效果对垂向与水平应力差因素最敏感,定向射孔和注入排量影响因素次之,对水平井与煤层距离的敏感性最低。研究结果可为碎软煤层顶板水平井穿层压裂参数优化设计及效果评价提供依据。     

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。     

碎软煤层顶板岩层水平井大尺寸穿层压裂物理模拟试验研究

基于煤层顶板岩层水平井分段压裂开发煤层气的技术设想,通过构建表征煤层顶板水平井压裂相似物理模型,开展了多组围岩条件下的大尺寸真三轴压裂物理模拟试验,研究顶板水平井裂缝的扩展特征,并着重对裂缝垂向扩展穿层进入煤层的可能性进行研究,试验结果显示置于煤层顶板岩石中的水平井,在布置合理的与煤层顶界的垂距和一定的施工排量条件下,裂缝均能向下穿层扩展沟通煤层,这为煤层顶板岩层水平井分段压裂开发煤层气技术的可行性提供了试验佐证,并对煤层顶板水平井层位的优选具有一定的指导意义。     

砂煤岩互层水力裂缝扩展规律的数值模拟研究

砂煤岩互层中都含气的情况下,采取多层联合压裂工艺进行煤层气和致密砂岩气的合采,但是地层垂向上岩石性质差异很大,地应力状态不同,从煤岩层起裂和从砂岩层起裂裂缝的形态可能会有很大的差别。采用有限元方法对砂煤岩互层中的裂缝进行了模拟研究,依据室内试验及现场数据,考虑了分层地应力、岩性差异、地层界面、施工条件的影响。采用全三维的裂缝扩展模型,分别模拟了砂岩层射孔起裂和煤层射孔起裂2种情况。结果表明,从砂岩层起裂的裂缝会在缝高方向上迅速突破煤岩层,在模型范围内,缝高大致是缝长的2倍,达不到压裂深穿透储层的目的。从煤岩层起裂的裂缝缝高方向受到砂岩层的遮挡作用,缝长较长,采取合理的施工参数裂缝可以扩展至砂岩层,推荐采取从煤层起裂的方式。并对煤层为起裂层这一情况下裂缝形态的影响因素进行了探讨,5 MPa左右的最小水平主应力差可以将裂缝限制在煤层中,地应力差为4 MPa时,存在7 m³/min的临界排量,推荐采取不小于7 m³/min的排量施工,低弹性模量、高抗拉强度、高渗透率的砂岩层有效限制了裂缝缝高方向的扩展,高黏度的压裂液有助于裂缝的穿层行为,但影响程度较弱,煤层推荐采取清水压裂液。     

地应力及原生裂隙对水力压裂起裂方向和起裂压力的影响

在理论计算水力压裂起裂压力和起裂方向的基础上,利用应力-渗流耦合数值模拟方法,研究了地应力和原生裂隙对水力压裂过程中裂纹起裂和扩展的影响,得出了起裂压力和扩展压力随侧压系数的变化趋势;对比分析了不含预制裂纹和含预制裂纹压裂模型的起裂压力和方向;探讨了含裂纹模型起裂转向的临界应力条件;最后,通过应力分析阐述了地应力和原生裂隙对水力压裂起裂的影响机理。     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。     

水力压裂时煤层缝裂的扩展分析

近年来,水力压裂技术逐渐被应用到煤层气井的压裂施工中.为了深入研究水力压裂时裂缝在煤层中的扩展情况,本文从理论上分析了裂缝壁面的受力状态,根据最大拉应力准则,给出了原级裂隙扩展的力学条件,进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件.在此基础上,利用RF-PA'2D-Flow有限元数值软件模拟了高压水作用下煤层裂缝的扩展延伸过程.结果表明:当水压达到理论临界值时,模型中裂缝便向前扩展;当模型中的裂缝转向延伸时,缝端压力完全满足理论分析的空间壁面裂隙延伸条件;通过对裂缝的扩展模拟,再现了裂缝延伸、转向等过程;此法可有效地预测裂缝的长度,为现场煤层压裂提供参考.     

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。     

坚硬顶板岩层水力压裂主裂缝中高速压裂液的湍流效应

本文以内蒙古巴彦高勒煤矿31103工作面为研究背景,采用断裂力学、材料力学结合岩石力学的理论分析方法,以及数值模拟软件进行实验方案设计,对31103工作面上覆10 m厚硬顶板水力压裂卸压防冲合理施工工艺参数开展研究。首先,建立高压水流驱动下压裂岩层中主裂缝起裂扩展力学模型,得到实际条件下水力压裂裂缝起裂的临界水压与扩展裂缝几何尺寸的关系式。其次,根据Comsol流固耦合模拟实验软件对高压水流在钻孔及裂缝中流动造成的孔壁表面压力与裂缝扩展边界条件的计算收敛结果可知,在封孔、注水、憋压直至裂缝贯通水压骤降的施工过程中,压裂液的流动状态与岩石钻孔和裂缝表面张力之间存在相互作用关系。最后,考虑现场施工反馈的数据信息,确定适合巴彦高勒煤矿31103工作面厚硬顶板的合理水力压裂施工工艺参数。     

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。     

地应力差对煤层水力压裂的影响

为进一步揭示地应力的大小和方向对煤层水力裂缝破裂压力和裂缝几何形态及延伸的影响,从而指导水力压裂设计、施工,提高压裂抽采效果,采用RFPA数值模拟软件对不同地应力差下破裂压力和裂缝延伸的变化规律进行研究。结果表明:煤层的水力压裂过程可分为裂前、微裂和破裂3个阶段,破裂阶段初始时的注水压力即为破裂压力;破裂压力随地应力差增大而线性减小;地应力差大于4 MPa时,最大地应力方向主导裂缝延伸方向;地应力差小于2 MPa时,裂缝形态趋于复杂;地应力差越大,裂缝形态越单一,方向性越显著,主裂缝延伸范围越大,越有利于煤层的增透和瓦斯的抽采,工程应用结果与数值模拟结果一致。     

煤层分段水力压裂渗流诱导应力场的数值模拟

水力压裂是煤层增透和煤层气增产的关键技术。压裂过程中的渗流诱导应力对煤层分段压裂效果具有重要影响。建立分段压裂渗流诱导应力的理论模型,采用有限差分法进行煤层分段水力压裂数值模拟,探究压裂过程中应力场演化规律及渗流诱导应力的作用机制。设计正交试验,以水平主应力差作为指标进行方差分析,探究初始水平主应力差、泵注排量、分段间距对渗流诱导应力的影响程度和作用机制,并提出压裂优化方案。研究结果表明：注水初期会产生较大的渗流诱导应力,导致有效应力峰值下降,使后续起裂位置起裂压力增大,增加起裂难度;压裂过程中与压裂后的渗流诱导应力影响机制不同,压裂过程中泵注流量的影响滞后于分段间距滞后于原始水平主应力差,压裂后3个因素影响程度排序为：分段间距>泵注流量>原始水平主应力差。根据原始地应力差异,提出压裂优化措施：当原始主应力差较大时,可以适当降低分段间距,并增大泵注流量;当原始主应力差较小时,可以适当增大分段间距,并减小泵注流量,据此在保证无卸压盲区的同时可以达到较大的压裂范围。以上分析可以为压裂施工参数优化设计提供参考。     

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。     

深度对含瓦斯煤层水力压裂裂纹转向行为的影响数值模拟分析

随着深度的增加,煤岩层受到的水平应力与垂直应力之比会逐渐降低,进而对水力压裂注压孔周围的裂纹扩展行为造成影响。为了探究不同深度下水力压裂裂纹转向行为特征,基于煤层力学模型与瓦斯吸附动力学模型,利用多物理场耦合模拟软件COMSOL进行分析,获得了不同深度条件下注压孔周围的应力分布特征以及裂纹起裂压力特征。结果表明：在较浅的深度,即水平应力与垂直应力比值大于1时,裂缝主要在水平方向上扩展,且应力比值增大,裂缝越容易发生转向;而在较深的深度,即水平应力与垂直应力之比小于1时,裂缝在向垂直方向上延伸,且应力比值越小,裂缝越容易发生转向。     

东大煤矿水力压裂技术工艺与现场实验

为降低东大煤矿3号煤层瓦斯突出危险性,采用水力压裂技术强化瓦斯抽采效果。通过理论分析与数值模拟探究水力压裂裂缝扩展机理,并分析了压裂时间与注入量对裂纹扩展规律的影响。结果表明：水力裂缝的起裂压力约为4 MPa,实施水力压裂技术后,瓦斯抽采体积分数提高了3.05倍,抽采流量提高了2.95倍,瓦斯抽采纯量提高了11.7倍。     

顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验

针对单一低渗松软煤层,采取顶板虚拟储层水力压裂的方式可实现煤层增透。利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验。试验结果表明:通过在顶板及煤层中布置压力传感器,可以较好地监测水力压裂过程中煤层及顶板虚拟储层中裂缝的开裂扩展演化过程;顶板虚拟储层水力压裂一方面对煤层产生卸压作用,另一方面压裂裂缝沿钻孔向煤层方向扩展并形成裂隙缝网,煤层瓦斯可通过裂隙缝网扩展至顶板虚拟储层钻孔,增加了瓦斯渗流通道,有效提高了煤层瓦斯抽采效率。     

基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。     

压裂过程中储层压力场变化对水力裂缝扩展的影响

非常规油气资源开发过程中,通过水力压裂形成复杂裂缝网络是实现高效开发的关键技术之一,压裂过程中储层压力场的变化对裂缝扩展具有重要影响。本文基于扩展有限元理论,建立耦合损伤-滤失-应力的水力压裂裂缝动态扩展模型,研究储层压力分布对同步压裂和顺序压裂过程中裂缝动态扩展、起裂压力和延伸压力影响,对比了不同储层压力增量条件下水力裂缝偏转程度和压力变化情况。研究结果表明:(1)压裂液滤失诱发的局部孔隙压力增加会引起储层压力场发生变化,使得水力裂缝在延伸过程中的偏转程度增加,同时水力裂缝的延伸压力和起裂压力也会增加,算例显示裂缝的起裂压力和延伸压力将分别增加27.49%和27.58%;(2)对比同步压裂和顺序压裂下裂缝扩展动态,发现采用顺序压裂时裂缝偏转程度更大,且裂缝延伸压力更高。研究成果可为致密砂岩储层的有效开发提供理论依据和技术支持。     

煤层气水平井穿层压裂裂缝扩展机理

为对煤层顶底板水平井穿层压裂技术提供理论支撑,以煤层顶底板水平井穿层压裂技术为模拟对象,应用大尺寸真三轴测试系统对天然岩样制得的试件进行了水平井压裂模拟试验,研究了地应力、天然裂缝及弹性模量对水力裂缝扩展的影响规律。结果表明:在采用水平井穿层压裂技术开发煤层气时,应优选垂向应力与最大水平应力差较大(5 MPa)的含煤地层;高弹性模量层中水力裂缝内压力较高,可进一步促进裂缝扩展;天然裂缝对水力裂缝扩展的影响不仅与逼近角有关,更与天然裂缝宽度、水力裂缝内注入压力相关。水力裂缝内注入压力较低(10 MPa)、天然裂缝较宽时(0.05 mm),水力裂缝易受天然裂缝影响,与天然裂缝相交后沿天然裂缝扩展;水力裂缝内注入压力较高时(30MPa),天然裂缝对水力裂缝扩展的影响减弱。