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。

基于裂缝尖端应力强度因子的裂缝穿层行为分析

基于裂缝尖端应力强度因子理论,采用理论分析结合数值模拟的方法,分析了裂缝尖端应力强度因子在裂缝穿层过程中的变化规律,研究了界面两侧岩石力学性质差异对地层界面处裂缝穿层扩展行为的影响。研究表明:当裂缝由硬岩层进入软岩层时,界面强度系数大于1,I型应力强度因子随着裂缝尖端与界面距离的减小迅速增大,裂缝可沿原路径穿层扩展;当裂缝由软岩层进入硬岩层时,界面强度系数小于1,I型应力强度因子随着裂缝尖端与界面距离的减小逐渐减小,裂缝的穿层扩展趋势受到限制,裂缝可能停止扩展或拐折穿层扩展。

基于离散元方法的层理发育地层水力裂缝扩展规律

层理发育是页岩储层的典型特征,水力裂缝能否穿过层理面继续扩展决定了裂缝形态的复杂程度,其中层理强度是影响水力裂缝穿层行为的关键因素。为了探究层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,采用块体离散元方法,分别计算了层理面的抗剪强度(黏聚力)和抗拉强度对水力裂缝在层状地层内扩展行为的影响。结果表明,水力裂缝遇到水平层理后的形态可分为转向层理面扩展和继续竖向扩展两种类型。层理面强度对水力裂缝的穿层能力具有显著影响,当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较低时,水力裂缝的穿层能力差,水力裂缝不能穿过层理;当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较高时,水力裂缝的穿层能力增强,水力裂缝穿过层理面扩展;当层理面的某一个强度较低时(抗拉或抗剪),则低强度因素成为主控因素,另一强度参数的增加不会改变水力裂缝的穿层能力。厘清了层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,对层理发育地层的水力压裂施工具有重要的理论指导意义。

煤层顶板水平井穿层压裂适应性数值模拟

中国煤层气资源丰富,但煤层物性差、开发难度大,压裂是实现煤层气有效动用的关键技术之一。由于煤层强度低、易破碎、易坍塌,不利于后续压裂改造,煤层顶板水平井压裂技术为软煤层煤层气开发提供了新的思路。然而,目前适合上述压裂工艺的有利地质条件不明晰,水平井离煤层顶面距离、簇间距等参数的确定尚缺乏理论依据。为此,基于平面三维多裂缝扩展模型,同时考虑层间垂向断裂韧性及滤失非均质性,建立了煤层顶板水平井分段多簇压裂裂缝扩展数学模型。研究结果表明:①煤层为相对低地应力时,压裂裂缝沟通煤层的效果好,压裂效果较为理想,而煤层为相对高地应力时,压裂效果则较差;②水平井与煤层顶面距离对穿层压裂效果有重要影响,特别是在“低—高—低”地应力组合剖面下,为获得理想的压裂效果,建议水平井与煤层顶面距离在4 m以内;③地应力组合剖面是压裂效果的关键控制因素,煤层断裂韧性、滤失系数为次要控制因素。结论认为,该研究成果为我国煤层气有效动用和效益开发提供了理论支撑。

煤系页岩储层多气共采水力裂缝扩展规律试验研究

多岩性组合煤系页岩储层在纵向上交替发育页岩、煤岩及灰岩等多类含气层,压裂后储层间的连通程度与裂缝复杂程度是决定多气共采成败的关键。通过制作模拟煤系页岩储层的多岩性组合层状岩石试样,开展真三轴压裂物理模拟试验,分析了水力裂缝纵向扩展形态及多因素影响规律。试验结果表明:岩性界面、页岩层理及煤岩割理等非连续结构面对水力裂缝垂向扩展具有显著抑制作用,水力裂缝缝高扩展往往呈非对称扩展模式;值为0.1的低垂向应力差系数更易被弱结构面捕获,高垂向应力差系数、高压裂液注入速率有利于裂缝垂向穿层扩展,水力裂缝穿透至煤岩中可激活割理系统形成复杂裂缝网络。试验结果证实了多岩性煤系页岩储层多气共采的可行性,研究结果亦可为认识煤系地层水力裂缝形态及指导现场压裂施工提供参考。

水力裂缝高度关键影响因素不确定性分析

水平井多级水力压裂工艺是实现致密油气等非常规油气资源经济开发的主要技术手段之一,而储层中层理面是影响水力裂缝纵向扩展的关键因素之一。针对水力裂缝穿层问题,以ABAQUS软件为平台,基于损伤力学方法的黏性单元模拟裂缝沿高度方向的起裂和扩展过程,采用平面应变三维模型模拟油藏的流固耦合力学行为,研究隔层与产层的地应力及物性参数对裂缝高度的影响,并分析了压裂过程中裂缝长度的动态变化过程。结果表明,隔层与产层的应力差和弹性模量差是控制裂缝高度的关键,高低应力、低弹性模量的上覆泥岩层会使得裂缝高度减小,有效的限制裂缝穿层。本研究对于认识水力压裂的机理具有理论意义,对水力压裂作业优化具有重要参考价值。

水力裂缝高度关键影响因素不确定性分析

为揭示压裂施工中水力裂缝在层状地层中的穿层规律,根据测井资料建立平面应变模型,针对压裂过程中裂缝高度的动态变化,通过飓风分析筛选出控制裂缝高度的关键参数,利用Box-Behnken试验设计结合响应面分析法建立统计预测模型,并揭示了各关键参数的统计显著性。研究结果表明:隔层与产层的应力差和弹性模量差是控制裂缝高度的关键影响因素,高地应力、低弹性模量的上覆泥岩层会使得裂缝高度减小,将裂缝有效的遮挡在储层内。研究结论可根据缝高预测模型开展缝高优化设计,预测理想缝高对应的参数组合,指导压裂设计。