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。     

煤矿井下水力压裂裂缝扩展分析

水力压裂作为一种改造储层渗透性工艺,通过向储层注入高压液体,在储层中形成一定规模的裂缝,通过沟通储层内部裂隙,提高储层渗透性。然而水力压裂中裂缝的劈开和延伸方向受到多方面的影响,储层所受到应力大小和方向、储层的地质构造、力学性质及其中的原始裂隙发育情况等都不同程度地影响裂缝的开启与扩展。通过对前人工作进行总结、分析,找到影响裂缝扩展的主要因素,为压裂钻孔的布置提供指导。     

煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验

探讨煤岩水压裂缝扩展规律是提高煤层气开采效率,降低开采安全风险及成本的重要课题。采用原煤试样,参照煤层气井水力压裂工程制定了“三轴向施加围压-顶部钻孔-下射流管注水”的煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验方案,根据实验方案结合现有实验条件开展了煤岩水力压裂物理模拟实验及煤岩裂缝检测实验。实验结果表明：煤岩沿层理面方向裂缝的发育程度要高于垂直层理面方向的裂缝;煤岩水压裂缝扩展形式以注水孔壁原生横向裂缝扩展为主,纵向裂缝扩展为辅,且裂缝呈直线形、跳跃性扩展。同时,根据实验结果分析提出：实际煤储层水力压裂工程中,射流孔应尽量布置在井壁含有较多横向原生裂缝的位置,提高煤层气井水力压裂质量;对于井壁同时含有较多横向裂缝和纵向裂缝的储层,采用“控压”压裂方式提高造缝质量;对于厚储层,采用“分段-分压”压裂方式构造横纵交织的裂缝网,提高煤层气的开采效率;尽量避免在含较多纵向原生裂缝及较大断层的井壁位置布置射流孔,以免引起煤储层顶板、底板失稳破坏,造成安全事故。     

潘庄矿煤层气示范井液压压裂裂缝方位的监测

介绍水力压裂裂缝方位监测技术在潘庄示范井的应用情况，提出对该项技术的一些认识。     

煤层气压裂综合滤失系数的影响因素评价

针对煤层气井投产前对煤储层进行水力压裂时,滤失量较大的问题,从煤储层特征和压裂施工2个方面分析影响综合滤失系数的因素.结果表明:煤储层方面影响因素主要有煤层动态渗透率、煤层孔隙内流体压缩系数、孔隙度等;压裂施工方面影响因素有压裂液黏度等.通过相关公式,并结合经典的综合滤失系数计算方法,定量评价了各个因素对综合滤失系数的影响.分析计算表明该评价方法具有可靠性和实用性.     

基于拟三维的水力压裂裂缝预测软件开发与应用

基于拟三维水力压裂裂缝假设的条件下,以.net为平台利用C#语言编制了裂缝几何参数预测软件,初步实现煤层水力压裂过程中裂缝扩展相关参数的计算。进一步对沁水盆地南部PA-1煤层气井采用本软件计算裂缝参数,并结合实测值和二维数值模型预测结果进行误差分析。     

煤储层水力压裂后渗透率预测模型建立及应用

为得到煤储层水力压裂后的渗透率,基于水力压裂施工曲线和注入/压降试井测试渗透率原理,建立了水力压裂后渗透率预测模型。根据晋城矿区潘庄区块和焦作矿区恩村区块煤层气的勘探开发资料,验证了模型的准确性和有效性。结果表明:Ⅲ、Ⅳ类煤体所占比例、压裂后裂缝是否连通构造异常带对预测结果的准确性影响较大;Ⅲ、Ⅳ类煤体比例比较小时,压裂液容易在硬煤中形成裂缝,预测结果较准确;当Ⅲ、Ⅳ类煤体比例较大时,压裂液容易在煤粒间流动,预测结果不能真实反映压裂效果。     

水力压裂裂缝效果影响因素研究

为使现场煤层气开采效率达到较高水平,利用设计的软件,将水力压裂拟三维数学模型转化为计算机语言。基于完井过程的实时监测数据研究水力压裂过程中滤失参数、杨氏模量、地面排量等重要因素对裂缝长度、高度的影响,通过调节相关参数分析对裂缝缝长和缝高的控制影响,实验结果可有效预知压裂效果,在选取压裂技术方面有着重要的指导意义,可以为煤层气有效开采及开采技术优化提供参考。     

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。     

宿县矿区水力压裂裂缝微地震监测技术应用分析

为了分析研究水力压裂裂缝延伸的缝长、缝宽、缝高和方位,评价压裂效果,对宿县矿区二叠系煤层开展微地震裂缝监测。监测结果显示压裂改造产生多条不对称的裂缝,缝长100～160 m,缝宽10～25 m,缝高30～80 m。受煤层非均质性和压裂规模影响,裂缝延展方向以近似区域主应力方向(北西—南东向)为主,近似垂直区域主应力方向(北东向)次之;后续煤层气井应增加压力规模,降低压裂滤失量,增大区域主应力方向裂缝延展,有效连通天然裂缝。     

煤储层压裂裂缝导流能力计算模型及应用

裂缝导流能力是影响煤层气井产能的重要因素之一,除实验研究裂缝导流能力外,还需应用数学方法建立裂缝导流能力计算模型,实现对裂缝导流能力快速有效的评价。以Carman-Kozeny公式为基础,建立了不同条件下的煤储层裂缝导流能力计算模型,分析了支撑剂尺寸、铺置层数、闭合压力与裂缝导流能力的关系。结果表明:支撑剂粒径越大,铺置层数越多,裂缝导流能力越大;闭合压力与裂缝导流能力呈现负相关关系;相同闭合压力时,支撑剂多层铺置的导流能力明显大于单层铺置时的导流能力。建议在压裂前期,使用较小粒径的支撑剂,使裂缝延伸更长;后期尾追较大粒径的支撑剂,提高近井地带的导流能力。     

沁水盆地南部高煤阶煤储层敏感性

为实现沁水盆地南部煤层气的高效开采,对该区主力煤储层3号煤进行了流速敏感性、水敏感性、碱敏感性和应力敏感性实验分析。实验结果表明:3号煤速敏损害程度为中等偏弱,在实际煤层气开发过程中要重视含砂压裂液对煤层冲刷产生的煤粉运移造成的速敏损害;3号煤为中等偏弱水敏储层,向工作液中添加少量KCl可以起到降低水敏的效果;3号煤为弱碱敏储层,但高pH值工作液会使压裂用的石英砂受碱液溶解而降低支撑效果;3号煤为强应力敏储层,根据升压和降压阶段渗透率变化对比,不可逆损害率达55.88%。在煤层气藏的开发过程中,通过加强储层保护理论上可以提升煤层气产量。     

煤层气井水力压裂“T”型缝延伸模型的建立及应用

与常规储层不同,煤层压裂裂缝形态复杂多样,其中“T”型缝是典型代表之一。为准确模拟“T”型缝延伸,满足实际压裂设计需要,通过建立数学模型、控制流量、单因素分析等方法对煤层复杂缝中的“T”型缝进行了研究,进而得到煤层压裂“T”型缝延伸规律。通过对PKN模型和Penny模型组合提出了“T”型缝的简化模型,并将多层压裂的流量分配思想应用于“T”型缝中的流量控制。通过实例模拟计算了“T”型缝中各部分的尺寸,在此基础上分析了施工时间、排量及压裂液黏度对“T”型缝系统中各部分几何尺寸的影响规律。研究表明,通过优化施工参数可获取理想尺寸的“T”型裂缝。     

非平衡吸附模型在煤层气数值模拟中的应用

详细论述了煤层气在微孔中吸附、解吸以及由微孔到裂缝扩散的非平衡吸附模型,并将其与裂缝中的气-水两相渗流模型以源汇项的方式联合起来,建立煤层气数值模拟的耦合模型．利用此模型对实际煤层气孔的试验采气动态进行了生产史匹配．结果表明,在煤层气数值模拟中,应用非平衡吸附模型能够充分体现煤层气藏双重介质的性质及煤层气解吸后从微孔向裂缝扩散的时空过程,克服了平衡态模型把煤气层作为单孔隙介质,将微孔中气体浓度只看作是裂缝中压力的函数,而与时间无关的弱点,使数值模型更接近煤层气开发中解吸、扩散、渗流的实际过程,模拟和预测煤层气的开采动态,评价煤层气储量更准确、更可靠．     

煤岩水力裂缝扩展规律试验研究

采用大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）真三轴试验系统,研究了地应力、天然割理裂缝、隔层及界面性质对沁水盆地高煤阶煤岩的水力裂缝扩展行为及形态的影响。结果表明：受天然割理、裂缝影响,煤岩压裂施工压力高,波动频繁,水力裂缝扩展不稳定,形态复杂。当水平主应力差较小时,水力裂缝在多个方向起裂,延伸产生多裂缝,主要沿天然割理、裂缝方向随机扩展;随着水平主应力差的增加,水力裂缝会主要沿垂直最小水平主应力方向扩展,形态相对单一。单纯的煤层与隔层之间的物性差异（弹性模量等）对水力裂缝穿入隔层扩展的抑制作用并不显著,隔层上的垂向压应力和界面性质是决定水力裂缝能否穿层的主要因素。垂向应力小,界面胶结强度低时,摩擦因数小,水力裂缝在界面上易产生横向滑移,难以穿入隔层扩展;垂向应力大,界面胶结强度高时,摩擦因数大,水力裂缝将穿越界面进入隔层扩展。     

天然源超低频电磁探测技术在煤储层识别中的应用

针对煤层气储层识别问题,提出了天然源超低频电磁探测技术,并阐述了探测机理。运用独立成分分离和提升小波变换相结合的方法对探测信号进行滤波与重构,压制了工频干扰。选取了沁水盆地不同储层埋深、不同工频干扰强度的3口煤层气排采井,利用重构的超低频信号对多个储层进行了有效识别,结合电磁波特性评价了储层位置的探测精度。某排采井剖面研究表明,超低频探测技术可以对储层分布和排采过程中的水文等异常信息进行提取,发现在3号和15号煤储层之间存在一个疑似充水断层,需要实际资料进一步验证。     

拟稳态扩散的煤层气井动态模型及应用

扩散对煤层气井生产动态具有非常重要的作用,为现场人员能够快速有效地对煤层气井生产动态进行预测,需要建立解析形式的动态模型。以拟稳态扩散和体积物质平衡方程为基础,建立气体扩散量与含水饱和度的关系,结合拟稳态产能方程,得到考虑煤层气体拟稳态扩散的动态预测模型。模型对煤层气井生产中后期具有较好的拟合度,通过计算,认为扩散作用在整个开发过程中对煤层气产量均有影响。扩散作用能提高煤层气峰值产量,特别是对煤层气后期产量有很重要的稳定作用。扩散系数越大,煤层气峰值越高,后期产气量越高,且稳产时间更长;扩散对累积产水影响较小;煤层气开发后期,扩散作用越强烈,储层压力下降越平缓,煤层气稳产时间越长。     

煤储层粗糙割理中煤层气运移机理数值分析

有效描述粗糙割理中煤层气运移机理是实现其产能准确评估的基本前提。结合裂隙的立方定律以及广义Kozeny-Carman孔-渗方程,于理论层面推导了考虑内、外摩擦所致的裂-渗关系模型。其中内摩擦效应以煤层气运移的水文弯曲度来描述,外摩擦则通过引入端面曲折率来定义。借助分形理论实现了割理端面粗糙几何的定量描述,并采用格子Boltzmann方法模拟了煤层气运移过程,分析了端面分形维、绝对粗糙度以及相对粗糙度对煤层气输运特征的影响。在此基础上,对比分析了新裂-渗方程解析值同数值模拟渗透率之间的关系。结果表明,考虑了内、外摩擦效应的新方程能有效描述微观粗糙割理中煤层气的运移规律,并且物理意义明确。     

煤层气项目经济评价系统模型及应用研究

在研究煤层气项目经济评价特点的基础上，建立了煤层气经济评价指标体系。采用复杂系统“定性与定量相结合的综合集成的方法”思路，按照系统分析的原理和方法，建立了煤层气经济评价系统模型，研究实例表明，通过运行系统模型，可为目标区煤层气项目的经济性给出定量的结论，从而为决策者提供可靠的科学依据。     

沁水盆地南部煤层气井排采储层应力敏感研究

为分析煤层气排采不同阶段煤储层应力敏感性及渗透率变化的影响因素,采集沁水盆地南部煤样,开展了不同实验条件的应力敏感实验。结果表明:有效应力从0增加到10 MPa时,煤样渗透率减少了50%~70%;有效应力从10 MPa增加到20 MPa时,损失量仅约占初始渗透率的10%;有效应力低于2.5 MPa时,应力敏感性较强;有效应力增加到3.5 MPa的过程中,渗透率损害系数急剧上升,渗透率损耗为20%~30%;有效应力从2.5 MPa增加到9 MPa时,应力敏感性最强,有效应力从3.5 MPa上升至9 MPa时,渗透率损害系数快速下降,渗透率损耗约60%;有效应力自9MPa之后,渗透率损害系数缓慢下降,渗透率损耗约10%;渗透率损害率介于30%~65%,临界应力为7~11 MPa。有效应力较低且不变时,煤样渗透率随孔隙压力增加而增加。围压不变时,随有效应力下降和孔隙压力增加,煤样渗透率下降,这与有效应力和孔隙压力变化引起的煤储层渗透率变化量有关。