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。     

沁水盆地柿庄区块3号煤层压裂曲线类型及其成因机制

煤层气井压裂曲线提供了煤储层中压裂缝扩展的动态信息,压裂曲线的形态特征可在一定程度上反映出煤储层的压裂效果。基于柿庄区块单层压裂3号煤层的45口煤层气井的压裂资料,划分了压裂曲线类型,探讨了压裂曲线类型和排采效果的关系,并首次从地应力类型和压裂缝类型的角度深入分析了不同类型压裂曲线的成因机制。研究表明:根据携砂液阶段形态特征,柿庄区块3号煤层压裂曲线可划分为稳定、下降、上升和波动4种类型。稳定型和下降型曲线对应的煤层气井的排采效果一般较好,而波动型和上升型曲线对应的煤层气井的排采效果往往较差。地应力类型通过影响压裂缝形态影响压裂曲线类型,在II类(σHσhσv)地应力区域,多发育以水平压裂缝为主的"T"型或"工"型压裂缝系统,容易形成上升型或波动型压裂曲线;而在III类(σHσvσh)或I类(σvσHσh)地应力区域,多发育垂直压裂缝或以垂直压裂缝为主的"T"型或"工"型压裂缝系统,容易形成下降型、稳定型或波动型压裂曲线。柿庄区块3号煤层的压裂曲线类型平面上呈现出一定的规律性,在以II类(σHσhσv)或III类(σHσvσh)地应力类型为主的东部,出现稳定、下降、上升和波动多种压裂曲线类型;而在以I类(σvσHσh)地应力类型为主的西部,压裂曲线类型单一,多为稳定型和波动型。     

地应力对煤储层渗透性影响及其控制机理研究

针对地应力对煤储层初始渗透性及水力压裂裂缝扩展研究,从煤储层地应力状态影响因素、地应力对渗透率的影响规律及控制机理方面进行分析,总结了国内外地应力对煤储层渗透性影响规律及机制研究的最新进展。研究结果表明:煤储层地应力状态影响因素包括构造作用、埋藏深度和煤岩类型3个方面,其中构造作用和埋藏深度占据主导地位。目前捕获地应力大小多利用水压致裂法和物理试验测试,当前主要研究了现代地应力场特征、实验室模拟、数值模拟不同地应力对煤储层渗透率影响,其实质是对煤储层孔隙-裂隙结构产生变形。区域应力场产生区域性的裂隙系统,控制着煤储层渗透性区域性分布,而局部构造地带控制着不同区块渗透率的非均质性分布。渗透率随着有效垂直应力、有效最大水平主应力和有效最小水平主应力增加均呈负指数减小。相对于地应力差,应力差系数才是影响水力裂缝沿着最大主应力方向扩展的主要因素。     

真三轴作用下煤岩水力压裂模拟试验研究

为了研究煤储层中水力压裂产生的裂缝扩展延伸机理,借助大尺寸的真三轴试验设备,以相似材料成型的试件为研究对象,进行了水力压裂模拟试验。试验结果表明:水力压裂裂缝总的扩展方向为最大、最小主应力合力的矢量方向,即沿着力最大的方向扩展。天然裂缝的存在会影响水力压裂裂缝的扩展路径,部分裂缝穿过天然裂缝弱面继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝扩展至天然裂缝面尖端后继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝在天然裂缝面之前发生分层、转向。     

煤层气储层压裂现状及展望

为了深入研究煤层压裂,提高煤层压裂效果,总结分析了煤层压裂液、压裂支撑剂、压裂裂缝数值模拟、裂缝监测、煤层压裂设计及施工工艺的现状。通过对比分析得出,活性水与石英砂组合是浅层煤层气压裂的主要组合方式,但随着深度的增加,储层地质复杂性的增强,该组合压裂后的效果逐渐变差;传统的二维和拟三维裂缝模拟方法在煤层应用中具有局限性,需要根据煤储层地质特征对裂缝模拟方法进行优化;多种裂缝监测方法在煤层应用中的结果表明,煤储层压裂后主要呈现出贯穿煤层的垂直裂缝、垂直裂缝与水平裂缝组合的复杂裂缝和非对称网络裂缝3种形态。我国已探索出以活性水直井压裂为主,水力波及压裂和间接压裂等多种压裂工艺为辅的压裂工艺技术。最后对煤层压裂提出了展望,即在低成本和高效环保的前提下,从增加煤层改造体积和增大解吸面积的压裂机理出发,结合煤岩工程地质特征,优选压裂材料及配套压裂技术,为煤层气的合理高效开发提供理论指导。     

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。     

煤层气井单相水流拟稳态排采模型与应用效果分析

为实现煤层气井的定量化排采管控,有效提高单井产气量,以沁水盆地南部马必东试验区高阶煤为研究对象,依据裂缝储层饱和水单相渗流机理,分析了压裂返排后各级裂隙对排水效果的影响,结合压裂与排采数据,探讨了压裂改造范围内的压力传播特征,将排水区域划分为单相流弹性排水区与两相流弹性排水区,通过建立垂直裂缝线性流拟稳态模型,确定了与试验区地质条件相符的排采控制原则。研究表明:在饱和水单相流阶段,压裂裂缝是水相主要渗流通道,为水相强流动区,100μm级(渗透率1×10~(-15)～1. 2×10~(-15)m~2)外生及微型裂隙对煤层应力、压力传播及气体解吸最为敏感,为水相弱流动区,排采过程中应同时考虑低压力梯度造成的非线性渗流效应与应力敏感作用;排采模型显示:在垂直裂缝拟稳态渗流阶段,储层压力分布呈抛物线型,近井区域产水量高于边界区域,表现为更易发生解吸,单相水流期的渗流阻力主要由煤岩渗透率、排采时间、煤岩压缩系数、裂缝尺寸、压裂改造半径、驱替压力梯度、孔隙压力等多种因素影响,为保证解吸气的连续、高效产出,马必东试验区按照"快-慢-缓"的排采原则,存在合理的排采界限(0. 05～0. 10 MPa/d);针对高阶碎裂煤,在定流压降幅条件下,产水曲线形态可划分为稳定型、上升型与下降型,同时反映了不同煤储层的供水特性,高产能井解吸前通常出现气驱水尖峰。     

煤储层中压裂液滤失机理研究

煤岩中压裂液的滤失与煤中节理和微裂隙有很大关系。本文在剖析了经典滤失模型的基础上,对压裂液滤失与煤储层孔裂隙、渗透率之间的关系进行了研究。压裂过程中,压裂液延裂缝壁面向煤储层中渗滤,渗滤的主要通道为煤储层中的微小裂隙和主要裂隙壁面上的孔隙。煤储层的孔隙度是影响压裂液滤失量决定因素之一,基质渗透率、裂隙渗透率共同影响压裂液滤失速率。压裂实施过程中,压裂液的滤失并不是百害而无一利,只有通过压裂液的部分滤失,滤液才能进入主干裂缝附近的一些较小的微裂缝中,微裂缝之间相互连接,甚至延伸至主干裂缝,最终形成复杂的裂缝网络,这即为滤失向有效压裂转化机制。     

煤层气储层水力压裂裂缝扩展模型分析及应用

以往对于水力压裂裂缝扩展模型的研究,主要集中在砂泥岩储层,而对煤储层的研究较少。以沁水盆地安泽区块煤层气储层为例,建立了水力压裂裂缝扩展模型并对该模型的现场应用进行了研究。首先通过煤储层水力压裂裂缝形态的分析,选取相应的裂缝模型;然后运用滤失经典理论并结合煤储层应力敏感性特征,提出了动态滤失系数计算方法,进而建立了裂缝扩展数学模型并对影响缝长的主要因素进行了评价;最后,应用模型对煤层气井的裂缝几何参数进行计算,并与现场裂缝监测数据比较,提出了模型适用的地质条件。研究结果表明:安泽地区煤储层水力压裂以形成垂直缝为主;考虑煤储层应力敏感性后,研究区综合滤失系数从3.36 mm/min1/2增大到4.24 mm/min1/2,在影响缝长的诸多参数中,排量、滤失系数和压裂时间是最主要的3个因素;模型计算缝长和裂缝监测数据吻合较好,但模型应用也有一定的限制条件,适用于水力压裂不压开煤层顶底板,以及天然裂缝发育较少的煤储层。     

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。     

煤岩压裂复杂缝网与简单裂缝转换规律研究

煤层水力压裂增加人工裂缝是煤层气井增产的一项重要技术措施,研究压裂裂缝扩展行为,分析裂缝扩展规律对于现场施工形成高效裂缝具有重要意义。采取大尺寸煤岩样利用岩石力学真三轴仪器,通过加载不同的应力进行实验,结果表明:在煤岩水力压裂过程中,应力差值越小,越容易形成复杂裂缝,裂缝的方向和形态比较复杂多变,轨迹难以预测;应力差值越大,其形成的裂缝越容易预测,方向和形态较为简单,轨迹容易得出。此外,裂缝走势还要受到地层煤岩的天然裂缝、强度、渗透率等因素的影响,这些因素共同制约着压裂裂缝形态的转换。     

临兴地区深部煤储层地应力场及其对压裂缝形态的控制

地应力是煤储层压裂改造的关键控制因素。基于电成像测井和水力压裂数据,结合Abaqus软件模拟,查明了研究区深部煤储层地应力空间展布规律,探讨了地应力对压裂裂缝延展的影响。结果表明,临兴地区最大水平主应力方向近似呈EW向。地应力的垂向分布具有明显分带性,存在1 200 m和2 000 m两个临界转换深度。1 200 m以浅,地应力以垂直主应力为主;埋深介于1 200～2 000 m时,水平主应力占据主导;当埋深超过2 000 m时,地应力再次转换为以垂直主应力为主。研究区深部煤储层地应力主要表现为最大水平主应力>垂直应力>最小水平主应力(σ_hmax>σ_V>σ_hmin)。地应力的平面分布受埋深和构造2方面控制,埋深导致地应力整体呈南高北低、西高东低的特征;褶皱和断层使得研究区北部地应力呈条带状分布,背斜核部水平地应力较大,向斜核部及断层发育区水平地应力较小。研究区地应力组合特征决定了煤储层压裂裂缝以垂直裂缝为主,局部容易形成一些复杂缝。在天然裂隙存在的情况下,水平主应力差小于3 MPa时,压裂裂缝沿天...     

径向钻井技术开发沁水盆地煤层气工艺研究

针对沁水盆地碎裂煤煤体结构,提出采用水力喷射径向钻井与水力压裂等增产联作工艺。先在煤层实施水力喷射径向钻井作业,以形成呈辐射状的径向水平孔,沟通煤储层发育的天然孔隙和裂隙,然后根据储层条件再进行水力压裂改造措施,确保沿着径向孔方向诱导水力压裂裂缝,以增加水力压裂在煤层中形成的裂缝数目,并通过变排量技术控制裂缝在煤层中的延伸高度,最终延长煤层中的有效压裂裂缝长度,使支撑剂填充在有效的煤层裂缝中。同时在水力压裂之后,可根据煤储层地质特征,增加酸化作业,以酸溶煤储层割理中的可溶性矿物质,达到进一步提高煤储层渗透率的目的。     

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。     

地应力与天然裂缝对煤储层破裂压力的影响

以山西晋城矿区为研究对象,运用有限元模拟方法,计算不同地应力条件下煤岩的破裂压力.分析水力压裂过程中地应力、天然裂缝对煤岩破裂压力的影响.无天然裂缝时,破裂压力随3倍最小水平主应力与最大水平主应力的差值增大而线性增大.有天然裂缝时,天然裂缝降低了煤岩的抗张强度,使压裂裂缝的启裂和延伸脱离井筒周围局部地应力的影响,破裂压力随主应力差减少而增大;天然裂缝与最大水平主应力的夹角在30°左右时,破裂压力最小,大于30°时,破裂压力随夹角的增大而增大;破裂压力随垂直于天然裂缝的正应力的增大呈指数形式变大.     

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。     

加锚裂隙煤的相似材料蠕变试验研究

由于煤岩的节理和割理比较复杂并且容易发生蠕变,但又很难在煤层中进行试验研究,直接取煤样容易对煤层的内部结构造成破坏。通过相似材料模拟煤的特性,人为制造出不同裂隙的煤样,并运用伺服压力试验机对煤样进行蠕变试验。试验表明在蠕变试验中,加锚裂隙煤的翼裂纹沿主应力的方向扩展,人造裂隙的角度影响试件的承载力和试件的应变量。     

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。     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。     

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。