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。     

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。     

穿层钻孔水力压裂数值模拟及工程应用

基于煤岩体变形模型、裂缝面内流体压降模型和裂缝扩展模型及扩展准则,建立了煤岩体钻孔水力压裂数学模型,并使用ANSYS的APDL语言编程实现了该数学模型的数值求解。穿层钻孔水力压裂数值模拟结果表明：随注入压力的增大,水力压裂缝长线性增大,最大缝宽近似指数函数形式递增,压裂后期的造缝宽能力略大于造缝长能力;随压裂液黏度的增大,最大缝宽增大,缝长近似指数函数形式递减,压裂液黏度增大到一定程度后对缝长和缝宽的影响作用减弱。穿层钻孔水力压裂数值模拟结果与现场试验结果具有很好的一致性,验证了该数学模型及数值解法的正确性和适用性。     

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。     

保德区块中低阶煤层压裂施工砂堵原因分析及技术对策

针对保德区块中低阶煤储层压裂过程中容易出现砂堵影响储层改造效果的问题,根据研究区块的地质条件,结合水力压裂时裂缝在煤层中的扩展规律,分析了保德区块煤层水力压裂出现砂堵的4类主要原因,分别为煤储层裂隙相对发育造成压裂液滤失量增加、压裂沟通高渗透性的顶底板、煤储层本身有效厚度大滤失量增大及多层合压造缝不充分。在此基础上,提出了相应的技术对策,使用清洁压裂液、适当提高并稳定施工排量及优化压裂施工设计,为现场的水力压裂施工和提高煤储层改造效果提供重要指导。     

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。     

纵向叠置多薄煤层压裂裂缝竞争延伸数值模拟

滇东黔西地区煤层具有纵向多薄层叠置的特点,且割理裂隙等结构弱面较为发育。前人的多层、薄层压裂裂缝模拟多针对砂岩储层,关于结构弱面对水力压裂裂缝影响的研究多集中在页岩和裂缝性砂岩,对结构弱面发育、高泊松比、低杨氏模量的多薄煤层水力压裂裂缝竞争延伸规律缺少系统的揭示。考虑层间流量动态分配和割理裂隙发育特征,建立拟三维裂缝延伸数学模型。以滇东上二叠统煤层为例,模拟并分析了直井多层组合压裂时各层裂缝竞争延伸。研究表明:结构弱面分布不同导致各层裂缝形态差异较大;水力裂缝被结构弱面捕获使得裂缝变窄,增加了压裂砂堵风险;杨氏模量较小的煤层多层合压,层间流量分配差异相对较小;对射孔参数已确定的井,增加压裂液黏度、提高排量可减小层间流量差异,进而促进各层缝长充分扩展;减小压裂液黏度,降低排量可控制缝高。     

泥—砂互层地层水压致裂过程的三维数值分析

在油气田开采工程中,水压致裂技术已经成为油气开采、低渗透油藏增产的主要技术措施。基于RFPA3D并行计算程序,建立了泥—砂岩互层条件下水力压裂的大规模计算模型。数值计算结果表明:拉应力在水力裂纹的形成、发展、延伸和贯通过程中都起到了至关重要的作用,即两种情况下的水力裂纹都是张拉型的;水力压裂破裂面总是在最大主应力面内,并且垂直于最小主应力方向;岩石破裂过程具有声发射特征,同样在水力压裂过程中,声发射可以用来衡量水力裂纹发生扩展的部位和能量的大小。在泥砂互层条件下,由于泥岩的残余强度较砂岩高,在受拉状态下岩石仍保持一定的强度,可压性要比砂岩低,因此在压裂过程中,需要采取相应的缝高控制技术,以增大裂缝长度。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。     

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。     

水力压裂技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为了解决某煤矿低透气性煤层难抽采的问题,分析了水力压裂增透裂缝扩展规律以及煤层水力压裂卸压增透机理,采用PFPA-2D数值模拟软件,研究了单注水孔以及双注水孔的水力压裂过程中的裂缝扩展规律及煤体位移和应力变化规律,实现大范围裂隙网的形成、贯通和发育,提高了煤体的透气性。通过现场试验,实现了低透气性煤层卸压增透的目的,验证了低透气性煤层水力压裂增透技术的安全性、有效性和适用性。     

Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine

Research and development of safe and effective control technology of hard roof is an inevitable trend at present. Directional hydraulic fracturing technology is expected to become a safe and effective way to control and manage hard roof. In order to make hard roof fracture in a directional way, a hydraulic fracture field test has been conducted in the third panel district of Tashan Coal Mine in Datong. First, two hydraulic fracturing drilling holes and four observing drilling holes were arranged in the roof, followed by a wedge-shaped ring slot in each hydraulic fracturing drilling hole. The hydraulic fracturing holes were then sealed and, hydraulic fracturing was conducted. The results show that the hard roof is fractured directionally by the hydraulic fracturing function of the two fracturing drilling holes; the sudden drop, or the overall downward trend of hydraulic pressure from hydraulic monitoring is the proof that the rock in the hard roof has been fractured. The required hydraulic pressure to fracture the hard roof in Tashan coal mine, consisting of carboniferous sandstone layer, is 50.09 MPa, and the fracturing radius of a single drilling hole is not less than 10.5 m. The wedge-shaped ring slot made in the bottom of the hydraulic fracturing drilling hole plays a guiding role for crack propagation. After the hydraulic fracturing drill hole is cracked, the propagation of the resulting hydraulic crack, affected mainly by the regional stress field, will turn to other directions.     

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。     

新疆大倾角煤层多缝和有效支撑压裂技术研究

新疆阜康白杨河矿区煤层具有大倾角、多煤层、大厚度的地质特点,煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地区有较大差异,影响单井产量的因素及规律也不明确,导致在沁水盆地南部及鄂尔多斯盆地东缘成功应用的“套管完井、清水加砂压裂”等改造技术适应性不强,后期部分井压裂后产量较低。因此,攻关低煤阶大倾角厚煤层增产改造优化技术,探索大倾角、多煤层、大厚度煤层气压裂裂缝扩展规律,提高区块煤层气产量,对国内类似特征煤层气增产改造具有重大意义。开展了大尺寸真三轴压裂物理模拟实验,得到了最大主应力沿地层走向方向、地层倾向方向2种地应力条件下的压裂裂缝扩展结果,总结了2种地应力下裂缝沟通规律。研究为国内类似特征煤层气提供了相应的钻井轨迹设计参考。