基于不同应力的水力裂缝形态试验研究

为了研究压裂后的水力裂缝形态,以相似材料成型的试件为压裂对象,利用水力压裂装置,开展了不同应力条件下的水力压裂试验。研究结果表明:二维应力条件下,水力压裂形成单一裂缝的概率大于复杂裂缝的概率;裂缝形态的复杂性与试验应力有关,当三向应力(最大水平主应力、垂直应力、最小水平主应力)的值相差较大时,容易形成单一裂缝形态;当三向应力中有2个值相近,且均与第3个应力相差较大,则容易形成复杂裂缝形态;复杂裂缝形态中的分支缝与最大水平主应力存在不同的夹角,但均沿平行于最大水平主应力的方向扩展;在同一应力条件下,不同试件压裂产生的裂缝形态也不尽相同,与试件的均质性、压裂液的流动路径、破裂面的特征有关。     

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己₁₅-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。     

寿阳和柿庄区块煤储层压裂效果及其影响机理分析

通过分析寿阳和柿庄区块携砂液阶段的压力曲线类型,对压裂效果进行了评价,创新性地对携砂液阶段的砂比曲线类型进行了划分,揭示出压力曲线类型与砂比曲线类型之间普遍存在的统计对应关系,以此为基础,考虑地应力类型、煤岩与围岩力学性质及应力差异多因素,分析了煤储层压裂效果影响机理。研究表明:①压力曲线可划分为下降、稳定、上升和波动4种类型,是评价压裂效果的直接依据;②砂比曲线可划分为连续和断续两种类型,发现压力曲线类型与砂比曲线类型之间存在普遍的统计对应关系,其成因机制为:在弱挤压应力井层(正常应力场),在携砂液阶段早期垂直压裂缝扩展路径选择过程中,易出现砂堵,多形成断续型砂比曲线,随后,若满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝垂向扩展压开顶底板,即逐层压开顶底板不同岩性层,易出现波动型压力曲线。若不满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝被限制在煤层内侧向扩展,易出现稳定型、下降型和上升型不同类型的压力曲线;③与柿庄区块相比,寿阳区块出现断续型砂比曲线和波动型压力曲线占比的双高现象,整体压裂效果较差,其根本的地质因素是该区块的应力状态决定多数井层发育压开顶底板的垂直压裂缝,为无效造缝,使得压裂效果不佳;④砂比曲线可作为预警曲线,若砂比曲线为断续型,且压力曲线开始出现上升或波动,预期压裂效果差,可考虑提前终止压裂。     

高应力和构造应力区联合增透抽采技术研究

为了解决矿井高应力和构造应力影响作用下煤层透气性差、钻孔塑性变形垮孔严重的问题,以松藻煤电公司逢春煤矿M7、M8煤层为试验对象,采用水力压裂和水力割缝相结合的方式,对煤层进行增透,以提高瓦斯抽采效率。介绍了穿层钻孔区域防突措施设计方案,开展了水力压裂钻孔、瓦斯抽采钻孔设计以及注水压力、注水量和保压时间等水力压裂工艺参数试验。通过比较水力压裂、水力割缝增透措施结合硬套管封孔技术及普通钻孔瓦斯抽采情况,表明水力压裂和水力割缝后钻孔瓦斯抽采浓度分别提高16%~36%和4%~16%,瓦斯抽采量（纯量）分别提高了6倍和3倍,可为同类地质条件瓦斯抽采提供参考。现场试验结果表明,复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术在煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

脉冲射流割缝控制压裂技术关键参数研究及应用

为解决常规水压裂缝受地应力影响,导致扩展形态单一、易在裂缝两侧遗留增透空白带等问题,结合脉冲射流破煤岩特点与缝槽-孔隙水压联合诱导裂缝定向扩展作用,研究了煤矿井下脉冲射流割缝控制压裂技术。通过冲击应力波效应分析了脉冲射流充分利用水锤压力高效破碎煤体割缝机理,阐明了脉冲射流割缝控制压裂大幅增加煤层透气性原理,明晰了脉冲射流割缝压力、割缝控制压裂实施压力和压裂钻孔封孔长度等关键参数,探讨了割缝控制压裂技术的工艺流程,并在逢春煤矿开展了割缝控制压裂、常规压裂和钻孔抽采三种现场试验,对比考察了三种方式的煤层瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:由于缝槽卸压和孔隙压力场的存在,脉冲射流割缝控制压裂能降低煤层压裂时的实施压力;通过分析压裂后不同距离煤体瓦斯含量和含水率变化规律,得出割缝控制压裂技术比常规压裂的影响范围更远,提高约33%;煤层实施割缝控制压裂后单孔瓦斯抽采纯量为0.034m³/min,较常规压裂和传统钻孔抽采技术提高了3.7倍和10.6倍,瓦斯抽采汇总浓度约为73%,提高了1.7倍和2.25倍。     

不同压裂方式诱导应力特征及对缝网改造的影响

为了得出不同压裂方式下诱导应力变化特征及对形成缝网的影响,应用RFPA2D-Integrated软件模拟研究了多条裂缝存在下诱导应力的分布规律,以及逐段压裂和交替压裂2种压裂方式下多缝叠加和双缝间的诱导应力随分段间距的变化特征。以大宁区块LP2井为例,分析了采用2种压裂方式对形成缝网的影响。结果表明:2种压裂方式导致未施工段诱导应力差异系数不同;逐段压裂法中,随压裂段数增加未压裂段的诱导应力差异系数逐渐增加,且段间距越小增幅越大;交替压裂法中,随分段间距增加,诱导应力系数先增加后减小;分段间距为2倍的裂缝半长时,差异系数最大。采用2种压裂方式均可实现缝网改造,但逐段压裂诱导应力叠加复杂,分段间距不易控制;交替压裂诱导应力相对可控,但施工工序相对复杂。该研究结果为现场分段压裂间距优化提供了借鉴。     

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。     

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.     

用地面压裂施工资料求取煤岩岩石力学参数的新方法

提出了应用常规的地面压裂施工压力资料求取煤层岩石力学参数的一种新方法.该方法首先由压裂过程中的地面施工压力计算井底压力,再根据煤岩压裂易形成短宽缝的特点,利用改进的KGD模型,结合受压力控制的煤岩压裂滤失模型,确定了与裂缝扩展延伸相应的缝中压力计算公式.     

水平构造应力影响下采场端部应力分析

基于Westergaard应力函数求解采场端部应力分量的基础,考虑水平构造应力的影响,对应力函数进行修正,求解出最大最小主应力,并对修正前后的最大主应力进行比较分析。结果表明:平面应力状态下,由于构造应力的作用,最大主应力在与煤壁呈一定角度的位置应力集中明显,且沿煤壁水平方向出现一定程度的应力增大,而采空区方向应力卸压程度略微增大。因此,水平构造应力小于远场垂直应力的情况下,采场端部沿煤壁方向一定程度的应力增加,增大了底板破坏深度,使得煤层底板突水的危险性相应增加,为底板突水预测研究提供一定的依据。     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究

采用小孔径水压致裂地应力测量装置在伊泰矿区3个煤矿完成了10个测点的原岩应力测量。实测数据表明：矿区应力场属于低地应力值区域,构造应力占绝对优势,最大水平主应力方向以北东方向为主;由于受埋藏深度、地质构造和地形地貌影响,各矿地应力值差别较大,最大水平主应力方向亦有所偏差。基于实测数据,得出最大与最小水平主应力,最大水平主应力和垂直应力的差值普遍较大,导致岩体内剪应力较大;分析了地应力随埋藏深度的变化规律,并得出水平主应力与埋深之间的关系。     

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。     

Estimation of virgin rock stresses from horizontal hydrofractures

In 1985 hydraulic fracturing rock stress measurements were conducted down to a depth of 500 m in a vertical borehole at Lavia in Finland. Because of the large number of horizontal hydrofractures encountered, the in-situ stress determination obtained by using the classical theory of Hubbert and Willis [1] gave poor results. This paper presents an alternative theory for the determination of in situ stresses from hydraulic fracturing tests when the hydrofractures are either vertical or horizontal. The theory uses the Hoek and Brown criterion [2] instead of the maximum tensile stress failure criterion. For horizontal fractures, the theory can be used to determine the difference in magnitude between the horizontal stress components and their domains of variation.In addition to the breakdown and shut-in pressures, obtained from the hydraulic fracturing tests, the theory requires knowledge of the unconfined compressive strength, the Poisson's ratio of the rock and one empirical constant, m, associated with the Hoek and Brown failure criterion or, alternatively, the tensile strength of the rock.The new theory is used to analyze the data from hydraulic fracturing tests at Lavia, Finland, where both vertical and horizontal hydrofractures were observed. This paper demonstrates that important information on in situ stresses may be obtained even though a large number of horizontal hydrofractures have been created. Although the absolute stress magnitudes cannot be determined, a much better understanding of the stress rate is obtained.Analysis of field data shows that the state of stress at Lavia is characterized by high horizontal stresses, with a magnitude of about 50 MPa for the maximum horizontal stress at 500 m depth. The results also show large differences in magnitude between the major and minor horizontal stresses, this difference being of the order of 20–25 MPa.     

平煤股份一矿深部地应力现场测试与分析

采用水压致裂法对平煤股份一矿延主运输巷进行地应力测试,分析了矿区地应力的分布特征。测试结果表明:矿井深部已属高地应力区;矿区最大主应力为近水平方向,受构造应力控制;3个主应力与埋深呈近似线性增大关系。测量结果可为矿井巷道变形机理、支护理论研究和施工提供依据。     

中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律

收集了采用井下小孔径水压致裂地应力测量装置获得的煤矿地应力数据，以及其他采用应力解除法、水压致裂法等获得的煤矿地应力数据，共计1 357条。在此基础上建立了“中国煤矿井下地应力数据库”，绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。分析了我国煤矿井下地应力分布特征和主要影响因素，取得以下研究成果:① 埋深是影响煤矿井下地应力的重要因素。垂直应力总体上随埋深增加不断增大，但数据存在一定的离散性。最大、最小水平主应力总体上也与埋深呈正相关关系，但数据离散性更大。② 在浅部煤矿，地应力类型主要为逆断型应力状态(σH>σh>σV);在千米深井，主要为正断型应力状态(σV>σH>σh);介于两者之间主要为走滑型应力状态(σH>σV>σh)。③ 水平应力与垂直应力的比值(包括最大、最小水平主应力与垂直应力的比值;平均水平主应力与垂直应力的比值;最大水平主应力与最小水平主应力之差与垂直应力的比值)，埋深越小，这些比值离散性越大，分布范围越广。随着埋深增加，比值的离散性和范围越来越小，并逐渐趋于某一定值。④ 粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩和泥岩4类岩性地应力数据统计结果表明，总体上，岩石强度越高，承受的水平应力越大。⑤ 弹性模量较大的岩石，水平应力较高;弹性模量较低的松软破碎岩层，水平应力较低。     

沁水盆地南部高煤阶煤层气水平井地质适应性探讨

沁水盆地南部煤层气水平井开发10 a实践表明,相同地质条件下不同类型水平井开发效果存在较大差异,亟需就水平井开发地质适应性进行深入研究。基于樊庄一郑庄区块水平井开发现状,通过生产数据统计分析,结合煤矿井下观察和室内实验,研究了水平井完井方式、储层改造方式的地质适应性。结果表明,地应力大小、方向和煤体结构决定水平井完井方式。水平井完井方式主要包括裸眼完井、套管或筛管完井等,在保证水平井井眼稳定的前提下采用裸眼完井经济效益最好。但埋深超过600 m时,煤岩承受的垂向应力大于抗压强度,裸眼水平井易垮塌,应使用筛管、套管完井;当埋深为600～700 m时,筛管水平井产量可达3 000 m~3/d以上,可用筛管完井;当埋深大于700 m,需要进行压裂,用套管完井。水平井井眼走向与煤层最大水平主应力方向之间夹角越小,井眼受到的有效应力越大,裸眼井眼越容易变形垮塌,应采用筛管、套管完井,当水平井井眼走向垂直于煤层最大水平主应力方向时,裸眼水平井产量最高,可以采用裸眼水平井完井。水平井井眼穿过碎粒、糜棱煤发育区,裸眼井眼易垮塌,裸眼水平井平均单井产气量仅1 000 m~3/d左右,而筛管水平井可以达到4 500 m~3/d左右,应采用筛管完井。煤层微观裂缝发育程度和垂向非均质性决定水平井是否需要压裂,微观裂缝发育程度可以用裂缝指数定量表征。当裂缝指数高于100时,筛管水平井产量一般高于3 000 m~3/d,开发效果较好;当裂缝指数低于100时,储层渗透性差,单井控制面积小,筛管水平井产量低于1 000 m~3/d,分段压裂后储层渗透率提高,产量达到7 000 m~3/d以上。煤层垂向上存在局部裂缝指数小于100的低渗层时,气体垂向渗流阻力大,筛管井产气效果差,需进行分段压裂,分段压裂水平井产量可达到8 000 m~3/d以上。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价

水力压裂有利区评价是煤储层压裂改造施工设计的基础。通过对沁水盆地西南部3号煤储层42个水力压裂地应力测试数据统计,系统分析了研究区煤储层地应力分布规律。采用378口水力压裂井资料,基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算了研究区煤储层单轴抗拉强度,建立了煤储层破裂压力与最小水平主应力和抗拉强度之间关系和模型,揭示了研究区煤储层可压裂性特征,建立了基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价方法,对煤储层水力压裂有利区进行了评价。研究结果表明,研究区块3号煤层最大水平主应力14.67~45.05 MPa,平均为29.31 MPa,最大水平主应力梯度为2.00~4.84 MPa/100 m,平均为3.27 MPa/100 m;最小水平主应力10.51~29.09 MPa,平均为18.61 MPa;最小水平主应力梯度为1.44~2.85 MPa/100m,平均为2.09MPa/100 m,煤储层应力和压力均随深度的增加呈线性增大的规律。基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算的研究区3号煤储层单轴抗拉强度为0.15~1.10 MPa,在平面上存在一定的差异性。根据单轴抗拉强度值将煤储层可压裂性划分为4类,对于较高抗拉强度区和高抗拉强度区(Ⅲ和Ⅳ),煤储层抗拉强度值大,煤层气井水力压裂改造中起裂压力高,难以进行压裂改造。对于低抗拉强度区和较低抗拉强度区(Ⅰ和Ⅱ),煤储层抗拉强度值小,煤层气井水力压裂改造中起裂压力小,易于进行压裂改造,评价结果与实际水力压裂情况相吻合。     

煤层气井水力压裂有效消突边界物理模型

针对低渗煤储层煤层气井水力压裂裂缝扩展范围和消突边界确定问题,以潞安矿区煤层气井为例,采用微地震裂缝实时监测数据、有限元地应力模拟技术及井下瓦斯抽采参数,对煤层气井水力压裂范围、裂缝几何形态、压裂前后地应力分布进行研究,建立了压裂裂缝扩展和消突边界物理模型,划分了菱形井网消突范围。结果表明:研究区裂缝类型属于PKN型,压裂区呈近似椭圆形,主裂缝沿最大水平主应力方向延伸,区内划分出铺砂区、最终解吸区、裂缝区、渗透区、气涌区等5边界;压裂区四周应力沿σ_H,σ_h分别升高19%和7%,区内下降15.5%和9.5%,地应力模拟结果与压裂边界物理模型相吻合;在排采达标情况下,有效消突边界小于压裂边界,与支撑剂铺置边界一致,有效消突边界之外存在突出危险区,菱形井网采用200 m×125 m布置方式更有利于井下对应区瓦斯防治。