基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ~Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa,裂缝最终长度增大1.79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙。

深层天然裂缝性页岩储层水力压裂光纤监测远场应变分析

四川盆地南部地区(下文简称川南地区)深层(埋深大于4000 m)页岩储层天然裂缝发育,地应力分布复杂,水力压裂过程中套管变形等问题严重制约了页岩气资源的高效开发。为了解决深层页岩储层天然裂缝压裂过程中远场应变监测问题,采用邻井光纤(DAS)应变监测技术对泸州区块A平台2口井拉链式压裂过程进行监测,并结合压裂施工设计和储层特征对监测结果进行分析和讨论。研究结果表明:①300~350 m监测井距和泵送式套内光纤布设方式可以对远场裂缝窜通演化评估提供大量有利数据,但对压裂井主体改造区域提供的相关信息较少;②同一平台不同井压裂时远场应变响应差异可能很大,高风险井的压裂施工参数设计对远场裂缝窜通起到了关键影响作用,低风险井主要表现为跟随作用,裂缝窜通区域一旦形成,极易演变成2口压裂井共同的裂缝窜通区;③远场应变响应区域与当前压裂段相对位置可能相差200~300 m,同井不同段间的应变沟通会提前形成,与当前压裂段可能相差400~500 m;④深层页岩储层天然裂缝压裂形成的远场裂缝形态具有全新特征,包括普遍性的倾斜裂缝和挠曲段地层附近的水平层理缝2类情况。结论认为,低频DAS应变监测技术提供了深层页岩储层天然裂缝压裂过程中远场应变演化分析的新方法,可与地质工程一体化压裂设计方案、套变机理与防控研究等工作结合,助力该区深层页岩气的规模效益开发。

四川泸州地区大深度页岩气水力压裂电磁监测的应用

电磁法在评估压裂液范围及裂缝形态时发挥着重要作用,在压裂监测中应用前景广泛。然而,对于川南地区的大深度页岩气水力压裂监测应用较少。为此,本文基于电磁监测理论,通过简化压裂模型进行数值模拟实验,在建立电磁监测技术的数据处理流程基础上,结合现场试验,从压裂液波及范围、用液强度、加砂强度、重复改造面积等多方面分析了压裂监测效果,进一步分析了电磁法进行水力压裂裂缝监测的有效性。其中,压裂监测段共计13段,获得各段波及面积4700~24042 m 2,波及宽度36~182 m,平均波及长度207 m。应用实例表明,电磁监测技术能实时了解压裂波及范围与展布形态,对压裂效果评价与施工参数的优化具有一定程度的指导意义。

西山煤田煤层气井水力压裂效果剖析及启示

水力压裂是改善煤层渗透率的常用方法,其改造效果直接影响煤层气井的产能。详细观测了西山煤田屯兰区块5口煤层气井的井下揭露煤层及裂隙展布情况,并联合体视镜、扫描电镜和显微CT等研究煤体结构、微裂隙、石英砂和煤粉的分布特征,结合区域地应力和水力压裂施工参数,剖析煤层气井的压裂效果。研究结果表明:水力压裂产生的宏观裂隙形态复杂多样,包含水平型、垂直型、X型和T型。距离煤层气井筒越近,煤体越破碎,以碎裂煤和碎粒煤为主,水力压裂裂隙发育,远离煤层气井筒的煤体主要是原生结构煤,以原生裂隙为主。石英砂主要铺置在水平裂隙内,仅有少量分布在T型裂隙内。石英砂与煤的裂隙面强烈摩擦、碰撞和嵌入,与压裂液破裂煤体叠加形成大量煤粉,造成煤粉裹挟石英砂堵塞裂隙。宏观裂隙内的煤粉主要受水力压裂时煤体破裂、压裂液冲刷煤体及石英砂与裂隙面摩擦而产生,微观裂隙内的煤粉在煤体破断时产生。煤粉与石英砂混合堆积在裂隙内,对携砂液产生巨大阻力,造成石英砂无法向煤层气井的远端运移。地应力的大小和方向、煤层及顶底板的强度是影响水力压裂裂隙张开与延展方向的重要因素,携砂液黏度低无法悬浮石英砂,容易造成石英砂与煤粉聚集堵塞裂隙。

页岩气水力压裂开发的环境效应研究进展

水力压裂技术在改造低渗储层中得到广泛应用但其带来的环境问题也备受关注,主要包括水资源消耗、地表水与地下水污染、诱发地震等。本文通过调研国内外页岩气开发环境效应相关研究进展,针对上述环境负面效应评述目前还存在的问题与下一步研究方向。对比常规油气和其他能源开发,水力压裂作业单位能源用水密度并非最高,且总用水量占地区水资源供给量较低,不会显著增加供水压力。发展新型水基压裂液或无水压裂技术、或充分回用返排液都是减轻水力压裂消耗水资源的有效手段。油气盆地沉积地层渗透率特征及地下流体运动驱动力性质共同决定了由水力压裂作业导致压裂液及地层卤水向上直接污染浅部含水层的可能性极低,已知的甲烷、压裂液及地层卤水造成的水资源污染均是由完井施工缺陷或储运管理不当造成的。但利用地球化学与同位素方法进行水力压裂作业污染物溯源仍存在不确定性,因此完善地表水与地下水监测方案、构建适当的污染指标体系、提升对压裂液与地层卤水在复杂地层中迁移规律模拟预测能力、加强压裂液与返排液监管是应对水资源污染的有效方案。水力压裂作业一定程度上造成气田周边地震活动增加,未来需要进一步完善地震风险评估与预测预警,最大程度降低诱发地震带来的风险。

基于充电导体模型的水力压裂电磁响应特征分析

随着中国非常规、超低渗油气资源的大力开发,压裂监测技术迎来重大发展机遇。电磁法在地球物理探测方面具有成本低、时效性强、探测深度大等优点,但面对大深度压裂环境,电磁压裂监测技术的可行性亟须论证。基于充电导体和电偶极源扩散电磁场理论,首先构建了不同深度和不同长度下的裂缝压裂模型,分析了各模型的地面总场及异常场的电磁响应特征。分析结果表明:利用井地电磁法进行压裂监测时,观测总场对裂缝长度增加引起的电磁响应不敏感,异常场存在低值带;深度为4000 m时,电磁异常小于1%,深度越大异常场衰减越严重,且相邻测点间异常场的绝对值与深度呈负相关,电磁法压裂监测技术难以兼顾探测精度与探测深度。然后,通过建立压裂监测物理模型,分析实测数据电磁异常曲线特征,验证了理论计算的正确性。最后,结合前人理论成果和实践经验,提出了一种井中激发—地面接收的测网式电磁法压裂监测观测系统,对测区范围与测点间距进行合理约束,系统具有野外施工简捷、监测深度大等优势,为电磁法压裂监测提供了新的发展方向。

产教融合背景下电磁法水力压裂裂缝监测实验平台建设

水力压裂是油田提高勘探开发效率的核心技术之一,电磁监测是评估水力压裂效果的有效测量手段。该文升级改造了传统裂缝监测装置,搭建了基于电磁法的水力压裂裂缝在线监测实验教学平台,平台包含多种裂缝模型,且能合理设计各裂缝模型参数,以油田现场压裂裂缝监测问题为导向,灵活优化组合裂缝模型,使用COMSOL数值模拟及可视化方法,在实验室探索压裂裂缝参数与电磁监测信号间的规律,为反演有效裂缝参数提供理论依据。该实验项目具有前沿性、学术研究性和应用性选题特点,可以提升学生自主创新能力和实践探究能力。

不同注液速率水力压裂多裂缝扩展规律研究

为了分析影响水力压裂效果的射孔参数,采用TCHFSM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,并配合声发射监测系统和高温-高压动态流量计,以均质水泥砂浆试件为研究对象,对不同注液速率下水力压裂多裂缝同步扩展规律进行研究。研究结果表明:随注液速率增大,射孔裂缝长度和宽度不同程度增加,缝间干扰程度减弱,应力阴影效应减小,射孔间距较大时裂缝扩展更加均衡,压裂效果更佳;随注液速率增大,射孔水力压裂裂缝起裂压力增大,起裂时间变短,受射孔间距影响较小;不同注液速率条件下各射孔注液流量分配差异显著,且受射孔间距影响明显,射孔间距为20 mm和60 mm时,中部射孔注液流量占比分别为7.31%、10.88%、16.12%和31.12%、32.69%、33.44%。

真三轴下砂岩水力压裂物理模拟与声发射特征

为揭示水力压裂破岩机理,采用真三轴加载系统、声发射仪、高压柱塞泵建立了一套室内岩石水力压裂物理模拟系统,该系统可以研究水力压裂破岩机理。基于格里菲斯强度准则建立了岩石起裂的临界水压力和起裂位置,结果表明:当水压力远低于临界压力时,在水压上升期砂岩声发射特征较明显,在水压保持期砂岩声发射特征平静,产生的信号为砂岩原生闭合的微裂隙被压开;当水压力接近临界压力时,在水压上升期和保持期砂岩声发射撞击数、振幅、能量均聚增,产生的信号为砂岩破裂产生的新生裂隙扩展和贯通;裂缝起裂、扩展方向与最小主应力方向垂直,原生裂缝控制了砂岩的裂缝起裂和扩展方向。本研究成果可为煤矿细砂岩厚老顶强矿压水力压裂治理提供参考。

分布式光纤传感技术在水力压裂中的研究进展

分布式光纤传感技术作为最新的水力压裂监测技术,应用于各大油田的水力压裂过程中,并且能够实现实时监测,已取得了显著的应用效果。为使业界进一步了解不同类型传感技术的基本原理、理论模型研究进展、现场应用情况,从分布式光纤温度传感技术和声波传感技术在水力压裂过程中的监测基本原理出发,系统总结了各类传感技术的理论模型研究进展和在产液剖面、裂缝扩展形态监测等方面的应用现状,最后提出了未来分布式光纤传感技术的发展方向。研究结果表明:①分布式光纤传感技术可以利用温度或者声波信号转换得到周围环境温度或应变的变化情况,从而实现水力压裂过程中的实时监测;②与分布式光纤声波传感技术相比,温度传感技术的相关理论模型相对较为成熟,能够实现产液剖面及裂缝形态的相关计算;③分布式光纤传感技术主要用于水力压裂过程中压裂液的注入、裂缝扩展等方面的监测。结论认为:分布式光纤传感技术可以有效地推动中国非常规储层的勘探和开发,同时提高水力压裂效果评价技术水平,这对中国油气行业的可持续发展具有重要推动作用。

天然裂缝对水力压裂煤的起裂及扩展试验研究

水力压裂是提高低渗透高瓦斯煤层抽采效率和瓦斯产量的有效方法之一。由于煤层中存在丰富的天然裂缝,天然裂缝与水力裂缝相互作用会使水力裂缝的起裂和扩展形式呈现出复杂多样性,从而影响煤层的增透效果。为研究水力压裂煤在天然裂缝作用下的起裂和扩展规律,利用自主研发的多功能真三轴流固耦合试验系统开展了煤的水力压裂试验。基于“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”理论研究了水力压裂煤的裂缝起裂规律,并结合断裂力学从细观角度揭示了水力压裂煤的裂缝扩展机制。研究结果表明:天然裂缝的存在会诱导水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展,极大降低了煤岩的起裂压力。不含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力与根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力结果相近,符合“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”准则;含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力均小于根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力,且当天然裂缝方向垂直于最小主应力方向时,所需的起裂压力较小,为3.355 MPa;当天然裂缝平行于最小主应力时,所需的起裂压力仅大于最小主应力,为7.902 MPa。水力裂缝类型为I型时,不含明显天然裂缝煤岩的实测最小和最大扩展压力值均大于理论计算最小和最大扩展压力值,差值范围分别为2.043~6.845 MPa和3.951~8.576 MPa;当煤岩含明显天然裂缝且天然裂缝方向平行于X方向时,水平应力差的存在将引起煤岩的实测扩展压力值小于理论计算的扩展压力值。水力裂缝类型为Ⅱ型或I-Ⅱ型时,随着水力裂缝长度的增加,裂缝扩展所需压力逐渐减小。

水力压裂体积张开度-应力扰动本构关系及压裂效果调控

储层体积张开和应力扰动是水力压裂过程中相互伴生的力学行为.前者创造了储层水力裂隙网络,包括主裂缝和分支裂缝网络,它们为游离气提供运移通道.后者是储层基质骨架上的压应力增量,包括主裂缝应力扰动和静水应力扰动,它们通过在脆性储层产生剪胀扩容或在塑性储层产生塑性变形,控制骨架基质吸附气的解吸和扩散通道.二者共同决定水力压裂的工程效果.为了进行压裂效果调控,文章建立体积张开度-应力扰动本构关系,包括体积张开度-应力扰动细观机理、数学表达式以及施加流体载荷的方法,从而将水力压裂众多影响因素融入一个模型中.水平井压裂实例表明,该本构关系揭示了水力压裂和效果评价的各主要力学特征、机制和影响因素,可以反映断裂传播机制(黏性-储存主导机制和黏性-滤失主导机制)、压裂液(水、液态CO_(2)、超临界CO_(2)和N2)以及流量对体积张开度和应力扰动的影响,为建立压裂效果调控机制:流体载荷-体积张开度-应力扰动-长效导流机制,奠定了关键理论基础.

水力压裂流量-压裂效果的理论模型

目的为了评价流量对水力压裂效果的影响,方法提出流量-压裂效果理论模型。该模型定义在储层RVE尺度,压裂效果由体积张开度、孔隙流体压力和骨架有效应力表征,其中体积张开度分为裂缝体积张开度和孔隙体积张开度,二者分别代表RVE中主裂缝及其周围分布性分支裂隙网络的体积张开。流量对压裂效果的影响通过裂缝体积张开度与其解析解的匹配拟合,获得基质骨架断裂损伤演化的最佳参数组合,从而获得一定流量下的压裂效果演化规律。结果实例计算表明,该模型可以反映水力压裂过程中的压裂效果演化、脆-韧性断裂机理等诸多特征。流量对压裂效果的影响主要取决于断裂传播机制。黏性-储存机制M下,流量较小时,孔隙体积张开度处于较高水平,表明网络裂缝形态发育;大流量域中,孔隙体积张开度随流量增大而减小,表明大流量对网络裂缝有抑制作用;裂缝体积张开度随流量增大按指数小于1的幂律增大。黏性-滤失机制M下,孔隙体积张开度基本不随流量变化;主裂缝体积张开度随流量增大呈线性增大。结论这些结果对于水力压裂实验和现场应用具有一定的指导意义。

基于不同断裂准则下水力压裂裂纹起裂规律研究

为研究煤矿顶板定向水力压裂裂纹扩展机理,探究不同断裂准则之间的关系,基于断裂力学理论构建钻孔水力压裂力学模型,推导不同断裂准则下的起裂角和临界水压计算公式,分析不同变量对起裂角和临界水压的影响效果。结果表明:①注入水压的增大会显著降低起裂角,且预制裂纹倾角与起裂角曲线极值会随着水压的增大而向45°附近移动;随着应力差的增加,起裂角逐渐增加;起裂角随预制裂纹长度与钻孔半径比值的减小而增大;泊松比对起裂角的影响效果有限。②临界水压随着预制裂纹倾角和主应力差的增大而增大,但在低预制裂纹倾角条件下,σ准则计算出的临界水压会随着主应力差的增大而减小;钻孔半径和预制裂纹长度的增加会显著减小临界水压。③对比临界水压的理论计算结果与试验结果知,二者有较好的拟合性。研究结果可指导水力压裂现场施工。

马兰矿18507综采面坚硬顶板水力压裂技术研究

综采工作面坚硬顶板的存在会导致工作面回采后,巷道顶板悬顶面积过大,进而在工作面四周形成较大的支承压力,威胁矿井安全生产。马兰矿为解决18507工作面巷道坚硬顶板难垮难落问题,采用abaqus数值模拟软件对定向水力压裂进行研究。并对不同钻孔形态及尺寸钻孔下的岩石裂缝扩展形态进行分析,采用水力压裂技术后,采空区顶板可及时垮落,巷道围岩得到有效控制,为工作面煤炭高效回采创造了良好条件。

基于近场动力学的岩石水力压裂数值模拟及裂隙网络定量分析

基于常规态型近场动力学方法实现了岩石裂隙扩展演化,采用实时追踪新生裂隙面并施加表面压力的方法来模拟压裂液与裂隙表面的相互作用,建立了岩石水力压裂的数值计算模型。根据数字图像处理技术将Zhang-Suen细化算法应用于水力裂隙网络的骨架提取,并采用统计方法计算裂隙网络形态参数,提出了水力裂隙网络量化计算方法。最后考虑加载速率、地应力条件及弹性模量等因素影响,研究了水力裂隙扩展过程及裂隙网络形态参数的演化。研究结果表明:当加载速率较小时,主裂隙朝着较大地应力的方向扩展,裂隙分支并不明显;增加加载速率会增大裂隙均宽和裂隙密度,能够促进裂隙的张开程度及裂隙数量,增强裂隙网络的复杂程度并提高其渗透能力。当水平向地应力和竖向地应力相同时,主裂隙呈十字交叉分布;随着竖向地应力的增大,水平裂隙受到抑制作用,主裂隙沿着竖向扩展,而裂隙总长和裂隙密度则呈增加的趋势。岩体弹性模量的增加会减少细小裂隙分支的扩展,使裂隙网络形态趋于简单化。

煤层气井水力压裂设计研究

我国煤层气开采技术和开发利用还处在探索阶段,目前还没有一套成熟的煤层气开发技术体系和模式,由于技术不成熟等原因,煤层气井产量低、开发成本高。针对我国目前煤层气开采存在的问题,提出了一套适合我国煤层地质条件的煤层气井压裂设计方案,通过现场试验验证了该压裂设计方案可行性。

孤岛工作面长水平深孔全长水力压裂卸压机理及多参量效果分析

为了解决深井孤岛工作面回采巷道面临的强动压问题,分析了孤岛工作面存在的工作面侧向采空区顶板悬顶、后方采空区侧顶板悬顶以及上部高位岩层结构悬顶3种类型,对深孔压裂类型进行了分析,提出了基于长水平孔的全长水力压裂布置方式,在某矿3203孤岛工作面进行了应用;通过在不同层位的目标岩层施工长水平孔压裂,实现了对于孤岛工作面强动压巷道卸压的全长处理。分别在采场和巷道进行矿压观测并选取评价指标,通过多参量、分阶段的分析,可以发现:这种卸压方式能在顶板构筑弱化条带,达到改善本工作面端头和采空区上方顶板空间结构形态、缩短工作面周期来压步距、降低工作面超前支承应力峰值的作用,从时间和空间上优化工作面超前区域应力场的分布状态,转移煤柱与巷道围岩的高应力,减小采动应力的影响,显著降低回采期间的巷道变形量,实现孤岛工作面的安全高效回采。

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷页岩水平井水力压裂裂缝形态

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷、四川盆地南部等地区页岩水平井的微地震侧视数据云图中均出现了平行于层理方向数据点的密度与扩展程度都远远大于垂直方向的现象,与传统的水力压裂裂缝几何形态解释结果矛盾,但是目前没有明确的三维水力压裂裂缝几何形态对这种现象做出解释。建立微地震数据反演方法,并对反演结果进行了二次重构,给出了页岩水平井三维水力压裂裂缝几何形态,并通过真三轴压裂物理模拟实验对裂缝形态以及微地震数据反演方法进行了验证。研究结果表明:反演得到的裂缝在三维空间中主要呈现出1条主裂缝与多条次生裂缝相互交错的形态,结合真三轴压裂物理模拟实验结果,说明了页岩水平井水力压裂裂缝几何形态呈水平垂直交错;通过对比声发射实验结果和吉木萨尔凹陷露头样品真三轴压裂物理模拟后呈现出的裂缝形态,验证了微地震数据反演方法的可靠性以及页岩水平井水力压裂裂缝的复杂性。

煤矿坚硬顶板灾害水力压裂防治技术监测及评估

水力压裂技术具备安全性好、施工工艺简单的优点,被广泛应用于煤层坚硬顶板灾害治理。但由于岩体的不均质性,压裂孔周围裂隙网络扩展规律复杂,水力压裂裂纹监测精度低,压裂效果评估难度大。针对上述问题,通过对比分析常见水力压裂监测方法及监测方案的差异,揭示微震监测技术的优越性,并对水力压裂效果评估技术进行了讨论。研究表明,微震监测技术具有监测范围广、灵敏度高、连续性好的优点;地面监测、井下监测、联合监测等微震监测方法适用工况不同,监测精度相差较大,应根据现场工程布置与实际岩层条件选取合适的监测方法。坚硬顶板水力压裂效果评估多采用裂缝发育长度、来压步距等间接指标,基于微震参变量直接指标的效果评估相对较少。在此基础上,提出了水力压裂效果评估精细化的发展建议。研究成果对开展坚硬顶板水力压裂现场监测、优化坚硬顶板水力压裂工程设计具有重要指导意义。