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。     

水力压裂机理研究

第一部份总论“水力压裂”是油气田开发中的一项重要增产措施,对于低渗透的油气田来说,更是如此。所以从四十年代开始就为国际石油工业界所重视;其后又为地球物理学家用来研究深部地应力,为环境保护工作者用来在地下制造核废渣埋设空间等。为此,作为一项技术措施,它发展得很快,而且积累了大量的现场生产经验。     

页岩气储层水力压裂机理研究

水平井分段压裂技术是现阶段页岩气成功开发的关键技术,并逐渐形成了一系列以实现"体积改造"为目的的页岩气压裂技术,其"体积改造"的理念颠覆了经典水力压裂理论,是现代非常规储层压裂理论发展的基础。到目前为止,页岩气储层水力压裂缝网形成与扩展机理等基础理论还不完善;通过室内大型真三轴水力压裂物理模拟实验,在室内模拟出含裂缝的页岩地层,研究了裂缝性地层水力压裂过程中天然裂缝对水力裂缝扩展的影响;并分析了水力裂缝在该类型地层中的扩展模式及其影响因素。     

水力喷射多级压裂井下工具磨损规律分析

水力喷射压裂是一种集射孔、压裂及水力封隔一体化的增产改造新方法井下工具(喷枪)作为保证该技术成功实施的关键因素之一其工作寿命直接关系到该技术的施工效果。把现场应用后部分存在磨损的喷枪剖开后分析了喷枪内部喷嘴周围及外表面磨损较严重的区域再利用数值方法模拟计算了喷射压裂时工具内部流场研究了井下工具内部流道附近易磨损区域形成原因。结果表明：返溅回来的磨料射流会对喷枪外表面形成返溅冲蚀下层喷嘴外表面受到返溅冲蚀伤害比上层喷嘴严重;在胶结较差的地层高速磨料射流可能进入地层并通过已有的射孔孔眼冲蚀喷枪或油管外表面;同一喷枪的内部上层喷嘴上缘和下层喷嘴下缘属于易磨损区域喷枪内部流场的数值模拟结果很好地解释了出现该现象的原因。因此研究该技术中使用的井下工具磨损规律对于改进工具结构、提高喷枪寿命和水力喷射压裂成功率具有实际参考价值。     

煤矿井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯应用及前景

南桐矿区属煤与瓦斯突出区域,煤层透气性系数差,抽采难度大。为此公司在所属矿井应用水力压裂技术抽采煤层瓦斯。试验结果表明:压裂后,压裂孔瓦斯抽采浓度和抽采量呈现"波浪形(高位)长时间稳定缓慢下降"特点,压裂孔瓦斯抽采量大幅提升,单孔产气量比水力割缝孔和普通抽采孔分别提高436倍和570倍。而压裂影响区内抽采孔瓦斯抽采浓度和抽采量呈现"高位较快下降到零"的特点。水力压裂技术抽采煤层瓦斯效果明显,用于煤矿瓦斯治理经济效益显著,应用前景广阔。     

定向水力压裂技术研究与应用

针对煤矿井下实施水力压裂措施后增透方向不确定导致应力集中的问题,提出了定向孔定向水力压裂技术.介绍了定向水力压裂的必要性及当前研究现状,分析了定向孔定向作用机理,确定了定向孔的布置位置、间距等参数.利用数值模拟软件验证了定向孔的导向控制效果.分析结果表明:在压裂孔连心线上布置定向孔.定向孔与压裂孔间距为3～4m时,定向孔起到了辅助自由面的作用,对压裂产生的裂隙具有导向和加速扩展的作用.定向孔诱导裂隙从压裂孔周围向定向孔方向发展,进而促使压裂孔之间实现贯通,消除了应力集中,达到了整体卸压增透的效果.现场实施穿层定向水力压裂后,工作面瓦斯突出危险性指标q值、S值减小,变化幅度降低,掘进速度提高了69％,实现了安全生产.     

低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透

通过数值分析和现场试验的手段分析了井下低透气性煤层分段点式水力压裂的原理和过程.井下分段水力压裂意在改变传统压裂的受力方式,使煤体多点受力,相互作用,最后产生压裂的效果.经过在城山煤矿西二采区水力压裂孔的试验,在压裂半径为5～7m条件下,得出了试验地点临界注水压力为14MPa,水压在14～20MPa进行分段点式水力压裂较为适宜,试验过程简单易行,在现有条件下压裂可在5 min内完成,试验地点压裂后钻孔平均抽放瓦斯流量和体积分数明显提高.     

软煤顶板水力压裂措施瓦斯运移机理

为改善软煤瓦斯抽采效果,开辟软煤瓦斯抽采新途径.应用现场试验的方法,在河南某矿区进行压裂顶板的瓦斯抽采试验,对瓦斯的抽采效果和运移机理进行了分析研究.结果表明:压裂后的瓦斯自然流量、浓度和纯量指标均取得了大幅度的提高,瓦斯抽采取得了良好的效果;基于现场实验结果,对瓦斯的运移机理进行了研究,当储层压力降低到瓦斯临界解吸压力后,瓦斯开始解吸,在煤体中主要通过扩散的方式运移至顶板裂隙,经顶板裂隙渗流汇集至钻孔,由钻孔将瓦斯抽出.     

水力压裂近井区裂缝转向扩展机理

针对水力压裂条件下煤层气井初始压裂缝转向问题,首先基于断裂力学原理与最大周向应力准则,分析了储层原始地应力场和压裂液渗透场时空演化规律,建立了裂缝转向起始模型,并考虑转向裂缝面复杂的应力边界条件,利用位移不连续法建立了裂缝转向扩展模型;其次着重考虑了射孔角度、地应力差及施工排量对压裂缝转向扩展的影响,结合焦作恩村矿区现场施工参数,分别计算了裂缝起偏角度和偏转距离。计算结果表明：水力压裂条件下,射孔角度与地应力差对近井区压裂缝转向影响较大,而压裂液排量则影响较小;当射孔角度或地应力差较小,压裂缝偏转距 离较大,形成的压裂缝曲率也较小;反之亦然。最后运用XFEM软件模拟裂缝转向扩展机制,经与计算结果对比,发现二者较为吻合,从而验证了理论模型的正确性,研究成果可为定向射孔水力压裂现场控制提供理论指导。     

煤岩脉动水力压裂过程中声发射特征的试验研究

利用真三轴加载脉动水力压裂试验系统和PAC声发射仪,开展不同注液频率和不同压裂液黏度条件下煤岩脉动水力压裂过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩脉动水力压裂过程中声发射参数、损伤演化规律及震级-频度关系参数b的动态特征。试验结果表明:煤岩在脉动水力压裂过程中,声发射行为演化过程可划分为平静期、提速期、加速期和稳定期4个阶段,其中提速期和加速期累积能量均值较平静期分别提高40.9和52.7倍;煤岩损伤演化过程可分为初始阶段、损伤发展阶段及损伤加速发展阶段,煤岩的声发射特征能较好地描述其损伤演化特性;脉动频率较低时煤样的AE活动水平和能量释放越强,裂隙发育程度越高;当压裂液黏度较高时,煤样的AE活动水平和能量释放越弱,裂隙发育程度较低;在煤岩脉动压裂整个过程中,当脉动频率或压裂液黏度较低时,煤岩AE振幅分布变化幅度较大,且其b更大,大尺度AE事件比例更低。     

页岩气藏水力压裂渗吸机理数值模拟研究

针对页岩储层在水力压裂作业和生产中渗吸机理及作用规律不清的问题,开展了渗吸机理及其引起的地层伤害评估的研究。建立了考虑不同影响因素的页岩水力压裂渗吸数学模型,包括基质和裂缝流动,气体扩散和解吸,应力敏感效应和毛细管压力,然后,讨论了在压裂气藏和后续生产期间如何通过量化裂缝面表皮演变来评估由于渗吸机制导致的储层伤害现象。结果表明,（1）在试井以及生产阶段渗吸对储层特性有较大影响,极大的毛细管压力是导致渗吸现象和水力裂缝附近水封的主要原因;（2）对于实施了水力压裂增产措施的新井通过探测裂缝压力可以获得原始气体压力;（3）润湿相阻塞导致的储层伤害是影响致密气藏水力压裂井生产能力的主要来源之一。研究结果对于页岩气藏的渗流特性能够提供深刻的理解,尤其是为早期生产阶段降低由渗吸作用可能造成的储层伤害来优化生产提供理论依据。     

水力压裂切割煤层顶板力学机理及参数优化

煤层开采中,上顶板难以断裂,易形成大面积悬顶结构,进而诱发严重的冲击地压等灾害,不利于矿井的安全高效生产。针对利用水力压裂技术解决煤层上悬顶的工程问题,采用地质-工程一体化模拟技术,考虑岩层纵向分层属性,建立了大尺度水平井段内多簇压裂精细模型,开展了水力压裂切割煤层厚顶板力学机理和施工参数优化研究。研究结果表明：(1)水平井多级压裂能够充分切割上顶板,产生密切割缝网结构,附加诱导应力值增大10%,能够有效解决悬顶卸压问题;(2)高粘滑溜水+交联冻胶压裂液体系形成的裂缝体积高于低粘滑溜水体系约40%;(3)影响裂缝扩展的主控因素从强到弱依次为：压裂液类型、地层物性、液量、排量、段长。本文耦合地质建模-裂缝扩展-应力计算,深入研究了水力压裂裂缝扩展规模及其对厚层顶板弱化改造程度,研究成果将指导含厚层顶板煤层安全高效开发。     

径向井排引导水力压裂裂缝扩展机理研究

为探究径向井排系统对裂缝的影响,明确水力裂缝的扩展规律,利用扩展有限元理论建立了流固耦合三维裂缝扩展模型,模拟了受径向井排引导的水力裂缝扩展过程。重点分析了3种影响因素（径向井排方位角、水平地应力差、径向井孔径）对水力裂缝的引导机理。首次提出了引导因子的概念,并将其作为有效评价径向井排引导效果的量化参数。研究发现,径向井方位角、水平地应力差、径向井井径会对水力裂缝的引导效果产生影响：较小的径向井方位角、水平地应力差以及较大的井径都使径向井排具有较强的引导能力和较好的引导效果,反之亦然。同时,较大井径对增加水力裂缝宽度有明显作用。最后,利用大尺寸真三轴水力压裂模拟试验证实了数值模拟结果具有一定的准确性。     

酸预处理在水力压裂中降低伤害机理研究

低渗透储层进行常规加砂压裂常常由于压裂液破胶不彻底、残渣和滤液伤害等问题而影响压裂改造效果。压 裂前的酸预处理技术可降低压裂过程中伤害,改善压裂效果。利用激光粒度仪对常规压裂液破胶与酸性环境下压裂 液破胶过程中瓜胶分子尺寸进行定量观测,研究不同破胶环境下岩石基质伤害的主要因素;通过电镜扫描对注入破胶 液与酸液后伤害的岩芯进行微观分析。研究表明,在酸液存在条件下压裂液破胶后瓜胶分子尺寸大幅度降低,瓜胶分 子尺寸的降低比酸性环境对降低岩石渗透率伤害贡献更大,酸液能够很好地解除压裂液伤害,提高岩芯渗透率,同时 由于酸溶蚀可形成较为明显的溶蚀孔道,进一步提高基质渗流能力。     

裂缝充填物对脉动水力压裂应力扰动效果的数值模拟

利用线性滑移模型、有限差分及交错网格技术研究脉动水力压裂过程中应力在含裂缝地层中的传播与分布规律,分析不同缝间距和震源频率下裂缝充填物对脉动水力压裂应力扰动效果的影响机制。结果表明:含矿物质裂缝对脉动水力压裂应力扰动影响微弱,可近似看作均质区域;含液体裂缝可通过反射作用引起强透射区与弱透射区介质速度的差异,引发剪应力形成拉伸破坏,但当距离震源较近时,反射波易抵消压力波,削弱压裂效果;含气体裂缝类似含液体裂缝,但反射作用更强烈,距离震源更远才能提升压裂效果;脉动水力压裂可利用裂缝的非均质性促进压裂效果,缝间距为初始人造裂缝长度的2~3倍时可获得较好的压裂效果。     

压裂井下工具现代教具的应用

该文针对传统压裂工具模型教具学习不灵活、动态演示功能不强的问题,运用Flash技术开发K341封隔器、喷砂器等压裂井下工具的现代教具,其形象、逼真、生动、学习方便的特性,有效地提高了学生对常用压裂工具内部结构和工作过程、压裂施工管柱的组配方式的学习效果,增强了学生的学习兴趣,激发了学生的探究精神,切实提升了学生的工程实践能力,获得了良好的实验教学效果。     

非对称应力作用下干热岩水力压裂裂缝扩展机理研究

为了研究非对称应力作用下干热岩双井筒模型的水力压裂裂缝扩展机理,建立了描述岩体细观结构的热流固耦合损伤模型,然后使用有限元方法开展了数值模拟研究.研究结果表明：当最大地应力方向垂直于双井筒连线方向且基岩温度较低时,裂缝首先沿着最大地应力方向发展,随着基岩温度的升高,岩体损伤区域的面积随之增大,产生的裂缝网络范围也随之增大,且裂缝在两个井筒的缝网交汇处更容易扩展.当最大地应力方向平行于双井筒连线方向且注水压力较低时,裂缝同样首先沿着最大地应力方向发展,随着注水压力的增大,裂缝在双井筒内侧交汇,内侧交汇区的裂缝扩展范围明显大于双井筒外侧.     

低渗储油层水力压裂裂缝延伸过程及成缝机理

为了评价花古6井低渗储油层的压裂效果,在该井地表建立了微震监测系统.基于微震监测结果,利用裂纹延伸路径分析方法及矩张量分析方法对压裂过程中裂缝延伸的时空过程及成缝机理进行了分析.分析结果表明:不同黏度液体注入时,裂纹的空间展布具有不同的特征,注入高黏液时储层中形成了裂缝密度较低的缝网,注入低黏液时储层中形成的缝网具有延伸路径短、分叉明显、密度高、范围大等特征,注入中黏液会在储层形成一些始于分支裂缝端部的裂纹;裂缝的破裂类型以剪切破裂为主(占比89.5%),并且破裂类型占比不受液体黏性的影响.     

基于分形方法的水力压裂裂缝起裂扩展机理

利用分形几何模型描述岩石断裂裂纹的曲折形态,建立了裂纹分形模型下的岩石应力强度因子表达式。在此基础上,以裸眼井为例分析了井底岩石的起裂压力,并建立了考虑裂纹分形扩展的缝内压力计算模型和裂缝宽度方程。理论分析结果表明,岩石扩展路径的曲折程度对模型的计算结果影响较大,考虑裂纹分形扩展后的模型计算数值大于直线型扩展的计算结果,且考虑裂纹分形模型与直线型模型的裂缝宽度计算值之比随着断裂面分形维数的增大而增大。     

煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究

针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔材料易收缩、密封效果差、成本高及封孔长度不合理等问题,研究出一种由水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维和拌合水组成的新型水力压裂封孔材料;通过室内实验优化出收缩率和抗压强度最优时的封孔材料配比及压裂钻孔封孔参数,建立新材料承压能力与封孔长度的计算关系式,并进行现场验证.结果表明,新材料的最优配比为m(水泥)∶m(水)∶m(早强减水剂)∶m(聚丙烯纤维)=1∶0.6∶0.03∶0.005;当钻孔孔径一定时,材料承压能力与封孔长度呈线性关系,现场实验结果与封孔参数计算关系基本一致,该新材料是一种性能好、成本低廉以及操作配比简单的水力压裂封孔材料.