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。     

穿层钻孔水力压裂裂缝平面起裂扩展方向的力学分析及应用

低渗透煤层井下水力压裂过程中存在着诸多因素的影响,使得穿层钻孔起裂扩展方向难以确定。在考虑煤岩层物理力学性质及地应力等因素的情况下,通过理论推导并结合数值模拟手段,对钻孔周围的应力状态进行了分析,结果表明:钻孔的起裂扩展方向与y方向应力、x方向应力的比值k有关,当k1时,裂缝在x方向上起裂;当k=1时,裂缝的起裂会失去方向性;当k1时,裂缝在y方向上起裂。研究结果可为煤矿井下压裂孔的布置提供理论指导。     

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...     

页岩油气与煤层气开发的岩石力学与压裂关键技术

对于塑性较强的页岩与煤层,水力压裂仍然存在一定的技术挑战。介绍了解决这些难点的一些关键技术。原岩应力与孔隙压力控制着水力压裂裂缝扩展与压裂效果。深部孔隙介质岩层与浅部岩层的原岩应力和孔隙压力的特性差异较大。最大、最小水平主应力一个重要的但往往被忽略的特点是具有岩性依赖性,这一特点对岩层的压裂效果至关重要。水平主应力还高度地依赖于孔隙压力的变化,例如孔隙压力的超压造成最小水平主应力增加,而开采后储层的孔隙压力降低造成最小水平主应力减小。这直接影响到水力压裂裂缝的扩展层位与方向,因为最小水平主应力的减小会造成起裂压力大幅度地减小,特别是对于开采了一段时间后需要重新压裂的储层。分析了地层中3种原始应力状态与裂缝形成和扩展的关系,特别是对于强构造应力区如果采用常规压裂技术,水平井并不能显著增产,就此提出了强构造应力区水平井长射孔多层水平压裂方法。另外,页岩储层在油气赋存方面的不均一性,可能导致一些原预计高产的井完井后达不到预期的结果,就此分析了如何寻找高富集的油气区,即"甜点",并介绍了一种提高煤层气压裂效果的间接煤层压裂新方法。     

煤岩体水力压裂动态演化物理模拟试验研究

为了掌握煤体水力压裂过程中压裂孔附近应力场、水压力场的时空演化规律,利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统进行试验研究。试验结果表明:水力压裂全过程可以分为4个阶段,分别为应力积累阶段、微破裂发育阶段、裂缝失稳扩展阶段、破裂后阶段;在水力压裂过程中压裂孔径向应力会发生显著变化,而平行于压裂孔方向的应力变化不明显,且在裂缝扩展范围内距离压裂段越远的位置发生应力升高的时间越晚;水力压裂过程中水压力场的演化与裂缝的发育、扩展有着密切的联系,水压力等值线更倾向于沿着裂缝扩展的方向发展,且水压力等值线沿最大主应力方向的扩展速度明显大于沿中间主应力和最小主应力方向的扩展速度,表明水力压裂裂缝主要沿最大主应力方向扩展。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

实验尺度下的煤岩水力压裂数值模拟研究

为研究煤岩水力压裂的过程,及其受初始破裂单元和流体注入速度的影响,通过实验图像建立了煤层水力压裂的天然裂缝网络模型。再结合现有的牵引分离准则及流体流动模型建立了煤岩水力压裂数值模拟模型,通过ABAQUS进行数值模拟计算。讨论了煤岩水力裂缝的形成以及数值模拟中的初始破裂单元设置和流体注入速度对裂缝扩展的影响。结果表明:(1)实验尺度的水力压裂实验研究和数值模拟研究的边界效应应该被考虑;(2)煤岩水力压裂过程中,裂缝发育可能贯穿于整个压裂过程中;(3)初始破裂单元个数的增加,煤岩水力压裂的流体压力曲线上的起裂压力逐渐降低,甚至可能低于扩展压力;(4)流体注入速度越大,煤岩水力压裂的起裂压力和破裂压力越大,而流体注入速度对煤岩水力裂缝扩展的影响存在一定的波动性,应综合考虑。     

井下水力压裂煤层顶板应力监测及其演化规律

针对井下水力压裂过程中未考虑水头压力对煤层顶板地应力的影响,导致煤层顶底板容易被破坏的问题,以松藻矿区同华煤矿水力压裂为例,采用空心包体应力计监测压裂过程中顶板应变变化规律,根据岩石应力-应变关系及检测结果计算出压裂前后煤层顶板地应力增量的大小和方向,分析水力压裂水头压力对煤层顶板地应力的影响规律.结果表明:(1)煤岩体起裂时,顶板主应力增量达到最大值且与煤层起裂压力在数值上基本相等,以煤层起裂方向为基准,主应力的方位角与倾角均发生了相应的旋转;(2)煤层起裂后顶板主应力增量急剧减小,主应力方位角和倾角逐渐恢复至初始状态;(3)停止压裂后,顶板主应力较初始状态均有所增大,主应力方位角和倾角与初始状态基本一致,说明水力压裂能够改变煤层顶板应力状态.     

眼前山铁矿水压致裂矿岩预处理裂隙扩展研究

水压致裂预处理技术是大幅改善硬岩矿山矿岩可崩性的关键技术,选用合适压裂能力的设备以及压裂钻孔布置是工业应用中的重要工作。本文基于眼前山铁矿开展的水压致裂矿岩预处理试验,采用微地震定位及水位观测的方法对岩石水力裂缝扩展距离、破裂面方向等进行了分析。结果表明:当注水泵量为150L/min时水力裂缝扩展距离最大可达34m,平均值为24. 54m,该泵量下1 500s内裂缝已充分扩展;微地震平面分布的长轴方向与区域上水平最大主应力方向近乎一致;水压致裂试验产生的破裂面法线方向为最小主应力方向。     

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。     

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。     

诱导应力场对井下多孔压裂缝网形成的导控作用研究

既要避免出现压裂空白带又要防止局部应力过度集中是煤矿井下水力压裂的难点,需要控制裂缝的扩展方向和压裂能量大小。基于诱导应力导控机理,利用RFPA2D-Flow模拟,分析了多孔同步压裂条件下诱导应力场对煤层水力裂缝的导控作用规律,提出水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导向的联合卸压增透煤层技术并现场应用。结果表明:同步压裂各钻孔的水压主裂缝在扩展与延伸过程中会相互影响,先期产生的水力裂缝所产生的诱导应力场对后压裂缝的扩展和延伸具有诱导作用,使其附近区域内的最小主应力方向发生47.5°的偏转,偏转后的最小主应力方向基本垂直于2个钻孔水压主裂缝偏转点的连线;水射流扩孔对其附近水力裂缝的扩展具有偏向射流钻孔的诱导作用;采用水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导控能避免应力过度集中的同时在一定程度上消除压裂空白带,瓦斯抽采效率显著提高。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。     

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。