煤层气井真三轴压裂实验

 为进一步认识煤层气井压裂裂缝起裂和扩展机制,利用真三轴大尺寸水力压裂实验系统,采用取自矿区原煤煤块制作的试样,通过真三轴压裂实验,研究了不同围压组合条件下煤层压裂裂缝的起裂和扩展特征.研究表明:地应力状态和煤层中发育的天然裂隙对压裂裂缝的起裂和扩展有着直接影响.小规模天然裂隙的存在使得裂缝扩展压力出现频繁小幅波动,压裂裂缝在扩展过程中多见路径转向,压裂过程中煤层天然裂隙的大量开启造成压裂液大量滤失直接损耗压裂时的水力载荷,不利于压裂形成高导流能力的水力裂缝.当三向主应力差较小时,煤层压裂产生的裂缝宏观形态更为复杂,可能会同时产生垂直缝和水平缝.     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

井下煤层水力压裂裂缝导向机理及方法

针对井下煤层水力压裂裂缝扩展无序导致抽采效率低的问题,提出水力压裂裂缝导向方法,即采用高压水射流割定向缝导向裂缝起裂及扩展。在压裂孔周边合理布置导向钻孔,压裂孔及导向钻孔均采用水射流割缝技术在煤孔中形成定向缝隙。在地应力作用下缝隙尖端形成剪切破坏区,在内水压的作用下裂缝在缝隙尖端起裂;通过计算射流割缝缝隙水平延长方向最大主应力方向得出,裂缝在尖端起裂后沿水平方向延伸;在此基础上研发了裂缝导向技术工艺,即钻孔布置工艺、封孔工艺及压裂工艺,并成功应用于典型低透气性煤层;试验结果表明:该方法能够导向裂缝的延伸,压裂半径为25 m以上;抽采数据表明瓦斯抽放平均浓度为68%,单孔平均抽放纯量为0.037m3/min;采用裂缝导向技术后相比普通孔瓦斯抽放纯量提高了11.26倍,抽放浓度提高了2.12倍。     

缝槽形态对水力压裂效果的影响

为研究资源开采中缝槽形态对水力压裂起裂及裂缝扩展规律的影响,解决因地质资源埋藏深、地下储层结构和应力水平复杂、水力压裂开采过程中所造成的钻孔压裂起裂压力大、起裂方位无序、压裂效果差异较大等问题,建立圆孔和椭圆缝槽的二维水力压裂钻孔模型,利用RFPA-Flow^2D数值模拟软件,理论分析并结合数值模拟,对圆孔和椭圆2个缝槽形态的起裂机理和裂缝的扩展规律进行研究。结果表明：压裂裂缝的扩展延伸方向与施加的应力组合中的最大主应力方向平行,且当施加的应力组合差值不断减小时,裂缝的起裂压力随之逐渐增大;最大主应力平行于椭圆缝槽长轴时相较垂直于椭圆长轴时,裂缝更容易起裂;当应力差减小至零时,对比椭圆缝槽,圆孔缝槽的裂纹扩展出现了随机分叉的现象;在应力组合相同的条件下,椭圆缝槽相比圆孔缝槽的起裂压力更小,椭圆缝槽更容易起裂。     

煤层水力裂缝扩展判定模型建立及验证

针对煤层压裂裂缝扩展难以表征的问题,根据岩石强度破坏准则,建立了水力裂缝扩展路径判定模型,通过室内试验验证了模型可靠性,结合矿场应用分析了水力裂缝与弱面相交后的扩展行为。研究显示：水平主应力差、弱面方位角、弱面摩擦系数是影响水力裂缝扩展的重要因素,在高主应力比、高方位角、高弱面摩擦系数条件下水力裂缝易直接穿过弱面,在低主应力比、低方位角、低弱面摩擦系数条件下水力裂缝易发生转向,并沿弱面走向扩展。该研究对于认识煤层压裂裂缝形成机理,建立复杂裂缝表征模型,提供压裂设计新理念具有一定的指导意义。     

天然裂缝对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

煤层井下水力压裂过程中,天然裂缝会对水压裂缝的扩展产生重要影响,通过建立水压压裂裂缝遇天然裂缝二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对裂缝扩展规律及天然裂缝破坏机理进行研究.研究表明:扩展中主裂缝与天然裂缝的相交角度、水平主应力差及天然裂缝的发育程度是影响扩展方向的主要因素.在低主应力差、低相交角的条件下,压裂裂缝趋于沿天然裂缝发生剪切破坏扩展;在高应力差和高相交角情况下,压裂裂缝易直接穿过天然裂缝扩展.当天然裂缝尺寸较长,压裂裂缝易沿天然裂缝扩展,而小尺寸的天然裂缝对裂缝扩展影响不大.     

压裂裂缝间距优化设计

在多裂缝压裂设计中,如何合理设置水力裂缝间距、最大限度形成缝网是储层改造过程中的关键问题.水力裂缝的形成会在裂缝周围产生诱导应力使得储层的应力差得到改善.根据单条水力裂缝诱导应力的解析解提出一种简便的裂缝间距设计方法,从而能最大限度促进复杂缝网形成.以平面二维水力裂缝的线弹性应力场为基础,采用应力叠加的方式来计算,通过调整水力裂缝间距将储层应力差缩小至能够形成缝网的范围以内,构建最佳的射孔簇间距.当单条水力裂缝净压力足以使原有水平主应力方向发生反转时,应力反转区的宽度即为最佳裂缝间距;当单条水力裂缝不足以使水平应力发生反转时,可通过两条裂缝间诱导应力的叠加协同效应,使得裂缝之间地层的水平地应力差降低至缝网形成的门限应力差以内,使中间新插入的裂缝能够形成网状裂缝,据此来进行缝间距优化;当进行多级压裂时,所有水力裂缝所产生的诱导应力可以依次相互叠加获得,然后进行裂缝间距优化;通过研究,提出储层改造的最佳裂缝距的计算方法,可为水平井多级压裂工艺参数的优化设计提供参考.     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

水力压裂裂缝在页岩表面扩展特征的试验研究

为探究水力裂缝在页岩表面起裂及扩展特征,以四川省龙马溪组露头页岩为研究对象,开展岩体表面裂缝起裂扩展数字散斑观测试验,通过分析水力压裂裂缝扩展时页岩表面位移场和应变场演化揭示了岩体表面裂缝的动态扩展特征.试验结果表明:水力裂缝沿最大主应力方向起裂和扩展,裂缝走向与最大主应力呈锐角;裂缝扩展速度约为0.65 m/s,具有高速性特点,不同水力裂缝起裂扩展在时间上有先后性.扩展裂缝两侧会形成非对称分布的半椭圆状位移变化区域,影响范围是缝宽的32倍;裂缝扩展区域呈现为应变梯度值较大的拉应变.裂缝扩展只对裂缝周边有限范围内岩体起影响作用.     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.     

大宁—吉县地区5号煤层现今地应力预测及其对煤层气开发的影响

现今地应力场对煤储层渗透率具有极其重要的控制作用。我国鄂东大宁-吉县地区煤层气资源丰富,然而该区现今地应力研究程度较低,不利于该地区煤层气的高效开发。为查明大宁-吉县地区主采煤层现今地应力场特征,本次研究利用三维有限元数值模拟方法对下二叠统山西组5# 煤层现今地应力分布进行预测。结果表明,5# 煤层现今地应力表现为正断型应力机制。鄂东大宁-吉县5# 煤层最大水平主应力在15.4～21.6 MPa之间,最小水平主应力在9.8～14.4 MPa之间,构造变形的复杂性会对地应力分布产生影响。现今地应力控制压裂裂缝扩展,研究区现今地应力状态下的压裂裂缝沿着NNW-SSE方向垂直扩展。研究区5# 煤层应力差大部分小于6 MPa,具备形成复杂裂缝网络的地应力基础。煤层渗透率随有效地应力的增大呈指数减小,有效地应力越大,煤储层的渗透性越差。研究区东南部远离断层,又是应力降低区域,煤层气易在此地发生聚集,形成煤层气储藏的丰富区。研究成果可为研究区煤层气效益开发提供地质基础与科学指导。     

不同层理方向的煤岩渗透特性研究

焦作矿区的山西组二_1煤层具有厚度大、结构简单、分布稳定等特点,其开采潜力较大。对目标煤层渗透率参数的获取是对水力压裂裂缝预测的先决条件。采用室内试验,对该区块的天然岩芯进行渗透特性研究。结果表明:储层的渗透性较好,有利于水力压裂改造的实施。影响渗透率的主要因素为层理角度、孔隙度、裂纹及微裂缝的发育程度等,其中裂纹和微裂缝的贯通程度对渗透率影响最大,层理角度次之。针对平行层理方向和垂直层理方向上渗透率的较大差异,分别建立了水气渗流的并联和串联阻流模型,揭示了影响渗透特性差异的主要原因为层理构造。本研究可为目标煤层确定合理的开采方式及确定水力裂缝的起裂与扩展规律提供理论支持。     

砂泥交互储层定向井压裂裂缝穿层扩展真三轴实验研究

对于低渗透砂泥互层储层,为沟通更多砂岩层并增加泄油面积,通常采用斜井结合水力压裂技术进行开发。与直井和水平井相比,斜井中水力裂缝的起裂、转向形态复杂,而近井区域的裂缝复杂程度决定了压裂效果。针对储层中砂泥互层的情况,利用物理模拟实验,研究了砂泥互层中不同钻完井参数及地应力条件下水力裂缝起裂、转向和垂向扩展形态。研究结果表明:方位角和水平应力差对裂缝扩展能力有很大影响,当方位角较大,水平应力差较小时,近井区域裂缝扭曲程度大,数量多,不利于裂缝垂向扩展和施工后期加砂;泥岩层会阻碍裂缝垂向扩展,砂岩层与泥岩层之间应力差越高,阻碍作用越大,裂缝越不容易从砂岩层进入泥岩层。根据实验所得结论,提出了组合及分层压裂的判断依据。     

砾岩三维缝网扩展及影响因素分析——以玛湖凹陷南斜坡上乌尔禾组为例

水力压裂技术已成为玛湖致密油田开发的有效手段.然而传统的压裂模拟方法无法得到真实的三维裂缝扩展规律,并且储层的物理特征对裂缝扩展的影响还有待进一步研究.对玛湖目的层上乌尔禾组进行压裂模拟并对裂缝延伸影响因素进行分析.结果表明,乌尔禾组弹性模量值域在18～58.5 GPa,平均为32.4 GPa.泊松比值域在0.21～0.38,平均为0.31.脆性指数在21.0～89.0,平均为44.3,压裂改造可形成多分支裂缝.水平井设计方向为南北向,水平应力差在4.2～9.8 MPa,储层容易压裂改造形成复杂缝网.缝网模拟与微地震监测裂缝吻合度高达92.03％,模拟效果理想.物性特征越好其裂缝延伸拓展范围越广.弹性模量与脆性指数越大,更利于裂缝延伸,裂缝主要向高深区域及强脆性指数区域延伸,泊松比与裂缝广度呈负相关关系.最大水平地应力和最小水平地应力间接影响裂缝拓展延伸,水平应力差越小,裂缝空间展布越大.针对人工缝网的模拟有利于优化玛湖1井区水平井压裂参数及开发参数.     

水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律研究

水平井压裂可以有效提高低渗透油气藏水平井的采油速度和最终采收率,裂缝起裂和裂缝延伸规律是水平井压裂的关键问题之一.建立了水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,通过分析求解模型可以得出:井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0°时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂;对比分析了现有裂缝延伸模型,得出全三维裂缝延伸模型适合水平井压裂裂缝延伸模拟;分析了产层和盖层的应力差对裂缝缝高的影响,计算结果表明,当隔层与产层的应力差大于5MPa时,裂缝被限制在产层内.