第４２卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１３年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１３高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究
张小东１，２，张 鹏１，刘 浩１，苗书雷１
（１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 ４５４００３；
２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 １０００８３）
摘要：为了研究煤层气井水力压裂后的裂缝扩展规律，以沁水盆地南部煤层气井为例，基于区内煤储层的物性特征和水力压裂工程实践，根据水力压裂原理，采用数值分析的方法，探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，构建了高煤级煤储层水力压裂的裂缝扩展模型，并进行了验证．研究结果表明：区内煤层气井压裂后形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．区内常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７．０ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．模型计算结果与实测值、生产实践较为吻合．
关键词：高煤级煤；水力压裂；滤失系数；裂缝扩展模型
中图分类号：Ｐ ６１８．１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１３）０４－０５７３－０７
Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ１，ＬＩＵ Ｈａｏ１，ＭＩＡＯ Ｓｈｕ－ｌｅｉ １
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ，
Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔｏｏｋ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ｏｆ Ｑｉｎｓｈｕｉ ｂａｓｉｎ ａｓ ａ ｃａｓｅ ｉｎ ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄ ｐｒｏ－ｐｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｄｕｒ－ｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｎｅｓ；ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎ－ｆｏｒｍ ｔｏ ＫＧＤ ｍｏｄｅｌ；ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ ｖａｒｙ ｆｒｏｍ ４７．８ｍ ｔｏ １７７．０ｍ，ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ９０．６ｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｗｉｄｔｈｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ０．０１３ｍｔｏ０．０４９ｍ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ０．０２８ｍ．Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎ－
收稿日期：２０１２－０８－２１
基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２１１３）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目（ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１）
通信作者：张小东（１９７１－），男，河南省温县人，副教授，工学博士，从事煤地球化学、煤层气地质与工程方面的研究．
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ＿ｗｅｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ Ｔｅｌ：０３９１－３９８７９０１
中国矿业大学学报 第４２卷ｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ
常规油气储层压裂基础理论研究在国内外已经有相当长的时间．自上世纪６０年代开始，简单的压裂模拟和设计模型用于指导压裂施工．６０至７０年代，二维的ＰＫ，ＫＧＤ和ＰＫＮ等为典型的计算模型相继问世并得到应用．７０年代中期，国外压裂理论发展到拟三维模拟与设计水平．进入８０年代中期，全三维方法数值模拟技术在美国产生且得到推广．近些年来，随着水力压裂工艺在煤层气井生产实践的大量实施，许多学者对煤层气井水力压裂的工艺技术及压裂后的煤层裂缝形态和展布规律进行了研究［１－２］．研究表明，与常规砂岩储层相比，煤层原始裂缝系统更为复杂，运用基于常规油气储层水力压裂效果评价中的传统模型和方法，难以对煤层气井水力压裂后的多缝起裂和多缝延伸、裂缝展布规律等进行合理的解释和模拟，一定程度上造成了传统压裂模拟计算结果往往与实测值存在较大的误差［３－４］．
沁水盆地是世界上已探明的储量最大的高煤阶煤层气田之一，煤层气资源量达３．２８×１０１２ ｍ３，约占全国煤层气总资源量的１０％，是我国煤层气勘探开发最有前景和工作程度最高的地区［５－７］．多年的煤层气开发实践证明，在沁水盆地南部煤层气开发中，水力压裂是最经济有效也是最常用的储层强化手段之一．压裂效果直接关系到煤层气生产井的成败，而压裂后储层的裂缝高度和长度的准确预测对于煤层气井工程部署和产能控制具有重要的指导意义．
本文结合沁水盆地南部煤层气井压裂工程实践，基于煤储层的岩石学和物性特征，以及压裂过程中的滤失机理的分析，对常规储层压裂后的裂缝计算模型进行了修正，构建了高煤级煤储层的水力压裂裂缝扩展数学模型，以期指导研究区的煤层气勘探开发工程实践．
１ 水力压裂裂缝的形成机理与展布规律
１．１ 水力压裂裂缝形成机理
水力压裂是通过超过地层吸液能力的排量将高黏压裂液泵入井内，在井底产生高压，促使压裂液体挤入煤层中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙．水压致裂在岩层中的造缝形态与规模，与岩层所处地应力状态、结构构造特征、力学物理性质、压裂液性质及其注入方式等因素密切相关．
与常规储层相比，煤储层在力学性质方面表现为低强度、低弹性模量、高泊松比的特性．根据兰姆方程理论，在岩石中形成水力裂缝的宽度与其杨氏模量成反比，即：杨氏模量越小，压开的裂缝宽度愈大［８］．煤层的顶底板与煤层的杨氏模量差，一定程度上对煤层压裂过程中裂缝的高度、宽度具有重要的控制作用．
１．２ 水力压裂裂缝展布规律
对于常规油储层，水力压裂作用下目的层的裂缝形态和分布，主要受控于地层应力和储层的岩石力学性质等因素，而压裂施工规模、施工排量以及压裂液在地层中滤失量等参数对其也有一定的影响．
煤层因其复杂的割理系统、与顶底板岩性有较大的力学性质差异，加之煤岩构造应力，煤粉堵塞，以及因岩性差异造成的界面效应等因素的综合影响，使得煤层压裂后的裂缝更为复杂［４］．煤层压裂后的裂缝形态主要表现为：垂直缝、单翼垂直缝、两翼不对称缝（一翼为垂直缝，一翼为水平缝）等３种类型；从裂缝形态与煤层埋深的对比数据上看出：煤层压裂后的裂缝形态具有一定的随机性，在浅部地层可以形成垂直缝，在深部地层也可以形成水平缝［９］．
１．３ 煤储层水力压裂后的裂缝形态判别
煤层压裂后的典型裂缝形态有５种，即：恒高截面缝、恒高矩截面缝、径向扩展垂直缝、径向扩展水平缝和变高型裂缝［１０－１１］．另外，还有一些特殊和复杂的裂缝形态，如围岩破裂强度低于煤层时的马蹄形裂缝或由于煤层与围岩岩性差距较大带来的界面效应致使的“Ｔ”型裂缝等［４］．
假设形成水平缝的破裂压力和垂直缝的破裂压力相等，则依据文献［１］对裂缝形态进行判别
Δ＝１．６－０．２５ξ－ａＨ，（１）式中：ζ为两个水平主应力之差，ＭＰａ；ａ为单位地层埋深产生的压力，ＭＰａ／ｍ；Ｈ为煤层埋深，ｍ．根据式（１）的计算结果，可采取如下原则进行裂缝形态的判断：
１）若Δ＞０，则煤层中以形成水平裂缝为主；
２）若Δ＝０，则煤层中形成水平和垂直裂缝的可能性均等；
３）若Δ＜０，则煤层以形成垂直缝为主．
４７５
第４期 张小东等：高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究
２ 高煤级煤储层压力的裂缝模型
２．１ 综合滤失系数计算模型
压裂液由裂缝向地层中滤失主要受控于滤液黏度、
地层流体的压缩性及压裂液的造壁性等因素．
各分滤失系数的计算公式如下ｖｆ１＝
０．０５４ｋΔＰφη（
）
ｔ１／２
＝Ｃ１
槡
ｔ，ｖｆ２
＝０．０４３Δ
ＰｋＣｆ
φ
η（）ｔ１／２
＝Ｃ２
槡
ｔ，ｖｆ３＝
０．００５Ａ ｍ槡ｔ＝Ｃ３
槡
ｔ，（２）式中：Ｖｆ
１，Ｖｆ２，Ｖｆ３分别表示受压裂液黏度、地层流体压缩系数、压裂液造壁性影响的滤失速率，ｍ／ｍｉｎ；Ｃ１分别表示受压裂液黏度、
地层流体压缩系数、压裂液造壁性影响滤失系数，ｍ／ｍｉｎ１／２
；ｋ为
地层渗透率，μｍ２
；Δｐ为缝内外压差，ｋＰａ；η为压
裂液视黏度，ｍＰａ·ｓ；ｔ为滤失时间，ｍｉｎ；φ为地层
孔隙度，％；ｍ为室内用净失水量仪测得的Ｖ（
滤失速度）－ｔ１／２
（时间平方根）的滤失曲线斜率；Ａ为滤失面积，ｃｍ２；Ｃｆ为地层综合压缩系数，
ＭＰａ－１
．其中，地层综合压缩系数Ｃｆ可由文献［１２］计算得到
Ｃｆ＝Ｓｇ
Ｃｇ＋ＳｗＣｗ＋Ｃｐ＋Ｃｄ，（３）式中：Ｓｇ，
ＳＷ分别表示水、气饱和度，％；Ｃｇ，Ｃｗ分别表示气、水的压缩系数，ＭＰａ－１
；Ｃｐ为裂隙系统
的孔隙体积压缩率，ＭＰａ－１
；Ｃｄ为气解吸压缩率，
ＭＰａ－１
．
基于各分滤失系数，可得出综合滤失系数Ｃ计算公式为
１Ｃ＝１Ｃ１＋１Ｃ２＋１Ｃ３
，
（４
）式中Ｃ为综合滤失系数，ｍ／ｍｉｎ
１／２
；其他符号同式（２）．
对于研究区煤层气井而言，由于大多采用造壁性弱的活性水压裂液，难以在裂缝表面形成滤饼，因此可以忽略不计，由此综合滤失系数计算公式可改为
１Ｃ＝１Ｃ１＋１
Ｃ２．（５）进一步地，式（５
）可改写为Ｃ＝Ｃ１Ｃ２（Ｃ１＋Ｃ２）＝０．００２３２Δ
Ｐｋφ槡
ηＣ槡ｆ１＋Ｃｆ／Δ槡Ｐ．（６）因此，总滤失速度Ｖｆ为
Ｖｆ＝Ｃ槡
ｔ＝０．００２ ３２Δ
Ｐｋφη槡
ｔＣ槡ｆ１＋Ｃｆ／Δ槡Ｐ．（７）其中，在计算各分滤失量中，裂缝的渗透率可由Ｃａｒｍａｎ－Ｋｏｚｅｎｇ方程表示为
ｋ＝φ３
１２Ｔｎｈ２
，（８）式中：ｋ为渗透率，μｍ２；φ为孔隙度，％；Ｔ为曲折系数，流动路径长度与流动区间的煤柱长度之比的平方，取值为２～２．５；ｎ为单位面积的裂缝数，
条／μｍ２
；ｈ为裂缝高度，μ
ｍ．２．２ 高煤级煤储层压裂的单裂缝数学模型
仅考虑井筒引起的地应力局部扰动，水力裂缝的起裂方位由水平主应力特征决定．最初在井壁处产生多条裂缝，
随着裂缝的延伸，最终在垂直于最小水平主应力方向形成一条裂缝［１３］
．
由于煤岩压裂后，难于形成长的支撑裂缝，多为短宽缝，
符合ＫＧＤ裂缝形态（图１）．由此，可依据ＫＧＤ型裂缝
扩展模型，进行研究区的煤层压裂裂缝扩展数学模型的构建．
图１ 高煤级煤储层压裂后的单裂缝扩展几何模型
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
２．２．１ 假设条件
１）煤层是线弹性体，压裂裂缝属于线弹性断裂力学Ⅰ型裂纹，
且平面应变主要发生在水平面上；２）压裂液是不可压缩流体；３）裂缝形态为椭圆形．以井轴为对称呈半椭圆单条垂直裂缝，沿与最大主应力方向扩展，且流体流动是沿缝长方向的一维流动；４）流体的滤失特性受煤岩滤失机理控制，即滤失量是裂缝面积、滤失时间和滤失系数的函数；５）裂缝延伸的地层岩石为连续、均质、各向同性的线弹性体，裂缝缝高不变，且裂缝尖端处延伸高度至少等于产层厚度；６）裂缝缝端在压裂液注入过程中连续延伸，
在停泵时刻延伸停止，垂直主裂缝方向的裂缝延伸时间不计．
２．２．２ 模型的推导在压裂实施中，前置液和携砂液主要是用于压裂造缝．由此，根据液体总量守恒得到
Ｑｔ＝Ｑｓ＋Ｑｆ，
（９
）其中Ｑｔ，Ｑｓ，Ｑｆ可由下列式子计算得到
Ｑｔ＝
ｑｔ，Ｑｓ＝
∫Ｌ
０
ＨＷ（
ｘ）ｄｘ，
５
７５
中国矿业大学学报 第４
２卷Ｑｆ＝４
∫Ｌ０∫
ｔ
０
Ｃｔ０－槡τＨｄｔｄｘ，（１０
）式中：Ｑｔ为泵入总液量，ｍ３；Ｑｓ为裂缝充满时的总液量，可用裂缝体积表示，ｍ３；Ｑｆ为滤失液量，
ｍ３；ｑ为平均排量，ｍ３
／ｍｉｎ；ｔ０为注入时间，ｍｉｎ；Ｃ为综合滤失系数，ｍ／ｍｉｎ１／２
；Ｈ为缝高，ｍ；τ为裂缝前缘
到达该位置处的时间，ｍｉｎ；Ｗ（ｘ）
为的裂缝宽度，ｍ；Ｌ为缝长，ｍ．
假设，注入时间为ｔ时刻，距离井底ｘ米处的裂缝缝口宽度为Ｗ（ｘ，ｔ），根据文献［１４］其计算公式为
Ｗ（ｘ，ｔ）＝２
ＨＰｎｅｔ（ｘ）Ｅ′
，（１１
）式中：Ｈ为缝高，ｍ；Ｐｎｅｔ（
ｘ）为距离井底ｘ米处的裂缝面上的净压力，ＭＰａ；Ｅ′
为煤体的平面弹性模量，ＭＰａ．
其中，根据压力递减规律，根据文献［１５］Ｐｎｅｔ（
ｘ）可由下式计算Ｐｎｅｔ（ｘ）＝［Ｐｆ（
０）－Ｐｃ］１－ｘ（）
Ｌ
槡２
，（１２）式中，Ｐｆ（
０）为井筒缝壁处压力，可以用瞬时停泵压力代替，ＭＰａ；Ｐｃ为维持缝扩展的压力，
取闭合压力，ＭＰａ；ｘ为测定点到井筒底部的距离，ｍ；Ｌ为裂缝长度，ｍ．
Ｅ′
可由下式计算Ｅ′＝Ｅ／（１－ｖ２
），（１３
）式中：Ｅ为煤岩的杨氏模量，ＭＰａ；ｖ为泊松比．
由总滤失速度表达式（７），可以计算得到缝壁上任意一点的滤失速率Ｖｘ为
Ｖｘ＝
Ｃｔ０－槡
τ，（１４
）式中：Ｃ为综合滤失系数，ｍ／ｍｉｎ１／２
；ｔ０为注入时
间，ｍｉｎ；τ为裂缝前缘到达该位置处的时间，
ｍｉｎ．联解式（１０）～（１３），得到滤失体积、缝长、缝宽的计算公式
Ｑｆ≈８槡Ｃ ｔＨＬ，Ｌ＝２ｑｔπＨ２ Ｐｎｅｔ
＋１６槡
ＣＨ ｔ，Ｗ＝２
ＨＰｎｅｔ
Ｅ′
，（１５）式中：Ｗ为缝口宽度，ｍ；Ｐｎｅｔ为净压力，
ＭＰａ；其他符号同前．
假设支撑剂充填整个裂缝，可以计算出压裂后
的平均支撑缝宽为
Ｗ＝Ｑ注砂量ＨＬ
，（１６
）式中：Ｗ为平均支撑缝宽，ｍ；Ｑｔ为泵入总液量，ｍ３；Ｑｓ为裂缝充满时的总液量，
可用裂缝体积表示，ｍ３；Ｑｆ为滤失液量，
ｍ３
．３ 模型的应用
３．１ 煤层的物性特征
沁水盆地南部的主采煤层为石炭系太原组的１５号煤和二叠系山西组的３号煤．其中１５号煤层
属于较稳定煤层，平均厚度约为３ｍ，埋深４５０～６００ｍ；
山西组３号煤层厚度较大，一般介于５～７ｍ，均厚６ｍ，埋深５００～６００ｍ，全区稳定分布，为区内煤层气勘探开发的煤层，也是本次研究的主要目的层．
３号煤的Ｒｏ，ｍａｘ介于３
．２％～４．０％之间，平均３．７％，
属于高变质的无烟煤．煤层含气量变化较大，介于１１．５１～３５．７０ｍ３／ｔ之间，平均２２．１５
ｍ３
／ｔ，含气饱和度６９．６５％～９８．１０％．
储层渗透率０．０１～５．７０ｍｄ，一般不超过２ｍｄ．
煤层气储层普遍处于欠压实状态，储层压力为２．１６～４．６４ＭＰａ，压力系数多小于０．８，压力梯度为０．２８～０．５９ＭＰａ／１００ｍ，平均０．４ＭＰａ／１００；
煤储层的有效孔隙度为２．１５％～７．０９％，一般小于５％［１６］
．
本次研究中，对３号煤层的１３件煤样进行了岩石力学参数测试，测得抗压强度（饱和）为１．４６～１
４．５５ＭＰａ，平均６．６３ＭＰａ，抗压强度（干燥）介于２．５１～２８．４５ＭＰａ之间，平均１２．６１ＭＰａ；抗拉强度（饱和）介于０．０６～１．２ＭＰａ之间，平均为０．３７ＭＰａ，抗拉强度（干燥）介于０．０９～１．２ＭＰａ
之间，平均为０．６１ＭＰａ；弹性模量介于２１０～２ ３３０ＭＰａ之间，平均为１
０２７．７７ＭＰａ；泊松比介于０．２８～０．３３之间，平均为０．３２．３．２ 施工参数
区内部分煤层气井的压裂施工参数见表１．由表１可知，区内煤层气井在压裂施工过程中，主要是采用活性水压裂液，煤岩破裂压力在１７．７８～２５．０９ＭＰａ之间，
不同煤层气井施工过程的停泵压力差别较大，最小的为５．８ＭＰａ，最大为２０．２６ＭＰａ．一定程度上反映了储层物性，以及压裂液在井底注入的不均一性．
６７５
第４期 张小东等：高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究
表１ ３号煤层煤层气井压裂施工参数
Ｔａｂｌｅ １ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ３＃ｃｏａｌ ｓｅａｍｆｏｒ ｓｏｍｅ ＣＢＭ ｗｅｌｌｓ ｉｎ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ
施工参数
井号
Ｆ１Ｆ２Ｆ３Ｆ４Ｆ５Ｆ６Ｆ７
煤厚／ｍ ６．３ ６ ６．１５ ５．７ ６．８ ６．８ ５．８压裂液类型活性水活性水活性水活性水活性水活性水活性水施工破裂压力／ＭＰａ ２０．４１ ２５．０９ １９．３１ ２０．２６ １７．７８ １８．３９ ３１．１９停泵压力／ＭＰａ １１．８４ ５．８０ １４．２７ １０．６１ ６．８５ ８．４５ ２０．２６施工排量／（ｍ３·ｍｉｎ－１）６．７６ ６．７６ ４．９４ ７．２６ ７．５３ ６．２４ ７．８１前置液量／ｍ３ １１３．６０ ５４．８０ １１７．９５ ２０１．１７ ７１．５５ ７１．４２ ３０．０７携砂液量／ｍ３ ３４６．１０ ３７７．５７ ２７２．６７ ２４１．４３ ３３４．８１ ３５３．２３ ２１９．８４总液量／ｍ３ ４６６．２３ ４３８．８３ ３９６．９９ ４４７．９０ ４１３．７６ ４３１．０４ ４３５．１５前置液／总液量／％２４．００ １３．００ ３０．００ ４５．００ １７．００ １７．００ ６．９０
３．３ 裂缝形态
依据计算公式（１），对区内７口煤层气井水力压裂后形成的裂缝形态进行了判别（见表２）．结果表明，研究区煤层气井压裂所形成的裂缝主要为垂直裂缝，与大地电位法的裂缝监测数据结果相符［９］．
表２ 煤层裂缝形态判断结果
Ｔａｂｌｅ ２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
井号泊松比盖层储层压力／ＭＰａεｍａｘ／ＭＰａεｍｉｎ／ＭＰａΔ裂缝形态Ｆ１０．２４泥岩４．５７ １３．９６ ８．１２－１．６７垂直缝Ｆ２０．２３粉砂质泥岩４．７０ １３．０９ ７．４７－１．５垂直缝Ｆ３０．２３粉沙质泥岩１３．２２ １３．５２ ７．７９－１．５８垂直缝Ｆ４０．２３泥岩６．３６ １１．６１ ６．０８－１．２６垂直缝Ｆ５０．２４泥岩６．６６ １２．４６ ５．９４－２．０８垂直缝Ｆ６０．２４泥岩５．８２ １２．９３ ７．３５－１．６７垂直缝Ｆ７０．２３泥岩１３．６０ １４．５９ ８．５９－１．３１垂直缝
３．４ 裂缝参数计算分析结果
３．４．１ 裂缝高度
根据晋试１～晋试６等６口煤层气井压裂监测资料（见表３），压裂后的裂缝高度为１６～２０ｍ，远大于煤层平均厚度．研究认为，区内３号、１５号煤层的顶底板多属于泥岩或粉砂质泥岩，杨氏模量和煤岩相差不大．因此可以推断，压裂后的裂缝不仅在煤层中扩展，同时会扩展到顶底板的泥岩中．在进行缝长、缝宽计算时，缝高取其中间值，即１７ｍ．
表３ 煤层气井压裂裂缝高度测试结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｈｅｉｇｈｔ ｕｎｄｅｒｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ＣＢＭ ｗｅｌｌｓ井号煤层射孔井段／ｍ射孔厚度／ｍ井温异常段／ｍ解释裂缝高度／ｍ上延高度／ｍ下延高度／ｍ晋试１ １５号６０６．６～６０９．６ ３．０ ６０２～６２０ １８ ４．６ １０．４晋试２ ３号５１４．２～５２０．６ ６．４ ５１１～５２８ １７ ３．２ ７．４晋试３ ３号５０９．２～５１５．２ ６．０ ５００～５１６ １６ ９．２ ０．８晋试４ １５号６１３．８～６１９．７ ５．２ ６１２～６３０ １８ １．８ １０．３晋试５ ３号８３７．８～８４３．２ ５．４ ８３２～８５２ ２０ ６．３ ８．３晋试６ ３号１ ０２３．０～１ ０２９．０ ６．０ １ ０１５～１ ０３５ ２０ ８．０ ６．６
注：资料来源文献［９］．
３．４．２ 缝长、缝宽
基于本文建立的煤层气井水力压裂的单裂缝数学扩展模型，对区内７２口采用常规的水力压裂施工工艺的煤层气井的裂缝长度和宽度进行了计算，得到了缝长、缝宽分布图见图２．
可以看出，水力压裂后的裂缝长度计算结果为４７．８～１７７ｍ，平均９０．６ｍ．缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．
３．４．３ 不同模型计算得到缝长比较
由于区内实测的裂缝参数特别是缝宽、缝长数据很少，因此难以直接判断计算结果的正确性，由此，可以根据单井日产气量与计算得到的缝长进行对比（图３），以此来评价模型的正确性．
７
７
５
中国矿业大学学报 第４
２
卷图２ 基于单裂缝数学模型的煤层气井裂缝参数分布散点
Ｆｉｇ．２ Ｓｃａｔｔｅｒ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ
ｓｉｎｇｌｅ－ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＣＢＭ ｗｅｌｌ
ｓ图３ 缝长与日产气量的关系
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ
ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ由图３可以看出，在缝长达到１５０ｍ之前，随着缝长的增加，平均日产气量与单井最大日产气量均有增大的趋势，说明了储层导流能力的增大；当缝长高于１５０ｍ，随着缝长的增加，产气量均有减小的趋势，
主要原因在于由于现有的工艺技术条件下，当井口水力压裂施工破裂压力在一定范围内的前提下，形成的裂缝长度与裂缝宽度成反比（见图４
），即：随着裂缝长度的增加，缝宽减小．因此，当缝长达到一定程度上，由于缝宽减小造成的储层导流能力下降效应显现，
从而致使产气量下降
．图４ 缝长与缝宽的关系
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍｅｄ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
另外，本次研究对数据较为齐全的晋试１井的水力压裂施工形成的裂缝参数，采用常规的ＰＫＮ动态模型、ＫＧＮ动态模型与多裂缝扩展模型进行了计算，并与实测值做了比较（见表４）．由表４可知，不同模型得出的缝长计算结果与实测值均有一定的误差，相比而言，本文构建的单
裂缝扩展模型多裂缝扩展模型与实测值更为接近．另外，该模型得到的缝宽实测值，也与实际较为吻合，一定程度上标明了该模型具有一定的适用性．
表４ 晋试１－
１井不同模型计算得到的裂缝参数比较Ｔａｂｌｅ ４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｊｉｎｓｈｉ １－１ ＣＢＭ ｗｅｌｌ计算模型
缝长／ｍ缝宽／ｍ缝长误差／％
ＰＫＮ（
动态）２４２ ０．０９０ ７８．２ＫＧＤ（动态）２７０ ０．０５２ ９７．３单裂缝扩展模型
１３２ ０．０１８
３．４实测值
１２７
—
—
４ 结 论
１
）基于沁水盆地南部煤储层的物性特征和压裂工程实践分析结果，
指出常规水力压裂工艺下，区内形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．
２）基于ＫＧＤ裂缝扩展模型，
提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，并构建了高煤级煤储层水力压裂的单裂缝扩展模型．３
）应用单裂缝扩展模型，得出区内煤层压裂后，常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．
根据计算得到的缝长与产气量，以及不同模型计算得到的缝长结果对比，发现本模型预测结果更为接近实测值，一定程度上表明了该模型的适用性．
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ｄｕｓｔｒｙ，２０００，２０（４）：２４－２６．
（责任编辑姚志昌）
９
７
５
图片简介: 本技术介绍了一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，包括以下步骤，获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型，根据实际工程问题确定水力裂缝扩展模拟相关参数，建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述模型开展数值计算，得到数值模拟结果，根据数值模拟结果进行压裂效果分析，本技术采用弹塑性本构方程描述深层油气藏压裂过程中的岩石非线性变形，耦合井筒内、裂缝内和基质中流体流动，实现深层油气藏水力裂缝扩展过程的精准模拟，并对压裂效果进行定量分析，为深层油气藏人工压裂的预测、评价和优化提供有效手段。 技术要求 1.一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤: S1.获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型； S2.确定所述水力裂缝扩展数值模拟的相关参数； S3.建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述深层油气藏水力裂缝扩展数学模型开展数值计 算，得到数值模拟结果； S4.根据所述数值模拟结果进行压裂效果分析。 2.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S1包括： 根据深层油气藏的实际地质数据和现有地质模型数据，获取在水平面上的所述天然裂缝分布信息，包括裂缝的中心点、长度、倾角信息； 根据所述天然裂缝分布信息，建立所述离散天然裂缝系统几何模型； 若地层中不发育有天然裂缝，则此步骤省略。
3.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： S2所述相关参数包括： 岩石弹性力学参数，包括杨氏模量和泊松比； 岩石塑性力学参数，包括内摩擦角、膨胀角和粘聚力； 岩石断裂力学参数，包括抗拉强度和断裂能； 岩石天然裂缝性质，包括内聚力和摩擦角； 岩石物理参数，渗透率和孔隙度； 储层参数，储层厚度、孔隙压力和水平主应力； 压裂液参数，粘度、密度和注入速率。 4.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述S3包括： S3.1.构建岩石非线性变形模型； S3.2.构建流体流动模型； S3.3.构建全局嵌入式内聚区模型； S3.4.多物理场耦合求解。 5.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建岩石非线性变形模型包括构建应力平衡方程、几何方程和弹塑性本构方程； 所述岩石非线性变形，采用德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则进行描述； 所述弹塑性本构方程，基于所述德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则，根据增量塑性理论推导获得。 6.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于： 所述构建流体流动模型包括构建井筒内流体流动模型、裂缝内流体流动模型和基质内流体流动模型；所述井筒内流体流动，被简化为一维流动，其流动规律符合基尔霍夫定律；
1 研究目的 在水力压裂过程中,当油气层很薄或上下隔层为弱应力层时,裂缝会沿着垂直方向上延伸,这会使裂缝超出生产层而进入隔层。这不但会导致裂缝高度过大、减少裂缝长度和影响压裂效果,而且当裂缝延伸进入邻近含水层时,会引起含水暴增。对存在气顶的油藏,也同样潜在着“引气入井”的危险。因此,如何将裂缝高度控制在油气层内是水力压裂能否成功的关键因素之一。 为了有效地控制裂缝高度,近年来国内外对裂缝高度延伸机理进行了大的研究,对影响裂缝高度的因素有了更广泛、更深入地认识,发展了多种人工控制裂缝高度的技术。目前控制缝高技术有人工隔层技术;变排量压裂技术;注入非支撑剂控制缝高;调整压裂液的密度控制缝高;冷却地层控制缝高。 在开采地层油气过程中, 水力压裂是一项重要的增产措施。但在实际水力压裂中, 裂缝会向上或向下延伸, 这都影响了压裂液效率和裂缝效率, 进而影响裂缝的导流能力和压裂效果, 造成横向发展短, 消耗泵压, 降低油气产量。甚至会导致压后完全无效或压开水层, 引起油井含水暴增。所以, 通常希望把裂缝限制在油层内, 且裂缝在横向达到合适的长度, 这样才能提高油气产量。 2 研究现状 在上世纪80年代初, 美国总结了棉花谷地区大量的压裂实践, 提出了缝高与排量的统计关系; Boit理论分析和实践调查分析了层间岩石力学性质差异(弹性模量和泊松比) 等对缝高延伸的影响, 提出了裂缝穿过层间界面的机理, 给出了其界面力学性质应满足的理论关系和力学准则;Bennaceur等人详细讨论了影响缝高的因素, 提出了多层介质中控制缝高的力学机理; Warp iniski等人着重从地应力角度讨论了缝高延伸规律。目前控制缝高技术: ①人工隔层技术; ②变排量压裂技术; ③注入非支撑剂控制缝高; ④调整压裂液的密度控制缝高; ⑤冷却地层控制缝高。本文主要研究和介绍了人工控制缝高技术。
哈里伯顿压裂裂缝微地震监测说明 2015年4月
1.微地震数据采集方式 井下微地震裂缝监测理论源于研究天然地震的地震学，主要为利用在水力压裂过程中储层岩石被破坏会产生岩石的错动（微地震）来监测裂缝形态的技术。井下微地震监测法将三分量地震检波器（图1）,以大级距的排列方式，多级布放在压裂井旁的一个或多个邻井的井底中（图2）。三分量微地震检波器在压裂井的邻井有两种放置方式：一种是放置在邻井中的压裂目的层以上，用于邻井压裂目的层已射孔生产情况，由于收集微地震信号的检波器非常灵敏；为防止监测井内的液体流动对监测造成井内噪音，必须在射孔段之上下入桥塞封隔储层，然后将检波器仪器串下入到桥塞之上的位置。另一种方法是将检波器放置在邻井中的压裂目的层位置上，这种情况检波器和水力裂缝都位于相同的深度和储层，此时声波传播距离最近、需要穿过的储层最少，属于最佳的观测位置，这种方式用于邻井的目的层未实施射孔生产的情况。 图1 三分量地震检波器
图2 三分量地震检波器下井施工现场 图3显示一个由5级检波器组成的仪器串在压裂井的邻井下入的两种布局方式：图中左边表示邻井已射孔的情况下，射孔段以上经过桥塞封堵，检波器仪器串放置在该井的目的层以上；图中右边表示邻井为新井的情况下，目的层未实施射孔，检波器仪器串放置在该井的压裂目的层位置上。井下微地震压裂测试使用的三分量检波器系统检波器以多级、变级距的方式，通过普通7-芯铠装电缆或铠装光缆放置在压裂井的邻井中。哈里伯顿使用采样速率为0.25ms的光缆检波器采集系统采集和传输数据。常规的电缆一方面数据传输速率低，另一方面对于低频震动信号易受电磁波的干扰大。采用铠装光纤进行数据传输不但传输速度快，并且允许连续记录高频事件，提高了对微小微地震事件的探测能力同时 对微地震事件的定位更加准确，监测到的裂缝形态数据最为可靠。 图3 多级检波器系统在邻井的两种放置方式 另外，由于检波器非常灵敏，井筒中的油气流动会很大程度的影响监测微地震事件的 信噪比，如果监测井为已经射孔的生产井，需要在射孔段以上20米的位置下入桥塞，检
第４２卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１３年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１３高煤级煤储层水力压裂裂缝扩展模型研究 张小东１，２，张 鹏１，刘 浩１，苗书雷１ （１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 ４５４００３； ２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 １０００８３） 摘要：为了研究煤层气井水力压裂后的裂缝扩展规律，以沁水盆地南部煤层气井为例，基于区内煤储层的物性特征和水力压裂工程实践，根据水力压裂原理，采用数值分析的方法，探讨了研究区的煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法，构建了高煤级煤储层水力压裂的裂缝扩展模型，并进行了验证．研究结果表明：区内煤层气井压裂后形成的裂缝一般扩展到顶底板的泥岩中，且以垂直缝为主，裂缝形态符合ＫＧＤ模型．区内常规压裂井的裂缝长为４７．８～１７７．０ｍ，平均９０．６ｍ．裂缝缝宽为０．０１３～０．０４９ｍ，平均０．０２８ｍ．模型计算结果与实测值、生产实践较为吻合． 关键词：高煤级煤；水力压裂；滤失系数；裂缝扩展模型 中图分类号：Ｐ ６１８．１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１３）０４－０５７３－０７ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ１，ＬＩＵ Ｈａｏ１，ＭＩＡＯ Ｓｈｕ－ｌｅｉ １ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔｏｏｋ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ｏｆ Ｑｉｎｓｈｕｉ ｂａｓｉｎ ａｓ ａ ｃａｓｅ ｉｎ ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌａｗ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｇａｓ ｗｅｌｌ ａｆｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄ ｐｒｏ－ｐｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｄｕｒ－ｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｎｅｓ；ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎ－ｆｏｒｍ ｔｏ ＫＧＤ ｍｏｄｅｌ；ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ ｖａｒｙ ｆｒｏｍ ４７．８ｍ ｔｏ １７７．０ｍ，ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ９０．６ｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ’ｗｉｄｔｈｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ０．０１３ｍｔｏ０．０４９ｍ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ０．０２８ｍ．Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎ－ 收稿日期：２０１２－０８－２１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２１１３）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目（ＳＫＬＣＲＳＭ１０ＫＦＢ０１） 通信作者：张小东（１９７１－），男，河南省温县人，副教授，工学博士，从事煤地球化学、煤层气地质与工程方面的研究． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚ＿ｗｅｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ Ｔｅｌ：０３９１－３９８７９０１
水平井压裂裂缝起裂与扩展 引言： 通过国内外研究人员实践表明：由于水平井具有单井产量高、穿透度大、泄油面积大、油气储量利用率高及能避开障碍与环境复杂的区域等特点。对于低渗透油藏、薄差储层油藏、储量较小的边际油藏以及稠油油气藏等，水平井压裂是这类油藏最佳的开采方式。最近一段时期，随着学者们的不断研究以及钻井完井等工艺技术水平的提高，水平井开发技术成为人们开发低渗透油田的研究重点并被广泛应用。 水平井与垂直井、普通定向井的裂缝起裂机理都有明显区别。水平井自身存在复杂性与特殊性，钻遇地层环境比较复杂，水力裂缝在发生破裂时所需的起裂压力比垂直井的破裂压力高得多，通常会发生裂缝不张开，导致压裂失败。深入研究水平井裂缝起裂机理，找出合理的起裂规律是水平井压裂施工成功前提保障。 第1章水平井井壁上的应力状态 水力压裂时裂缝的形成主要是决定于井壁的应力状态。一般认为：当井壁上出现有一个超过岩石抗拉强度的拉伸应力时，井壁便开始破裂。 1.1 由于地应力所产生的井壁应力 地应力是由地壳岩层的重力场或即上覆地层压力及地质构造应力场所组成的。一般可认为, 地应力中的一个主应力是垂直于地壳表面的,其余两个主应力则是水平的。如果只考虑上覆地层载荷引起的重力作用(即不存在地质构造运动力)，且认为地下岩石处于纯弹性状态,可将初始的地应力分解为垂道方向的正主应力σz和两个相等的水平方向的正主应力σx入和σy。 式中 h-底层的埋藏深度； ρ-上覆岩层的平均容重，其理论值可取。00231kg/cm3; μ-岩石的泊松比。
在有些构造运动活跃的地区会出现异常大的侧应力(水平应力) , 井且在通常的情况下三个原地主应力是不相等的。设取压应力的符号为正, 拉应力为负, 三个主应力分别表示为σ1,σ2和σ3 (σ1>σ2>σ3>0) , 根据地质构造形成时的受力特点, 正断层、逆断层和平推断层发育的区域里, 三个主应力的方向是不相同的(图1)。 图1 不同断层发育地区的顶应力分布情况 休伯特考虑到多数岩石的内摩擦角都接近于30°这个事实, 认为在正断层发育地区, 最大主应力σ1等于有效的上覆压力，最小水平主应力σ3最大的可能是等于1/3上覆压力;在逆断层发育的地区,最小主应力σ3等于有效的上覆压力, 而最大水平主应力σ1顶多会等于3倍的上覆压力; 而在平推断层活跃的区域里, 有效的上覆压力则为中一间主应力。 由于地壳中的岩层可视为弹性半无限体, 井壁上的应力状态可简化为平面向题来分析。如果两个水平方向的压缩地应力不相等(设为σ1>σ2> o )，可把井眼看成是在互相垂道的方向上分别作用有σ1和σ2两个压缩外应力的弹性平板中的一个小圆孔(图2 )，孔壁上的应力就相当于井壁上的水平应力。而井壁上的垂直应力分量仍可视为σz=ρh，为上覆岩层的压力。
收稿日期：20131204；改回日期：20140519 基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层低频脉冲水力压裂增渗机理研究”（51304258）；“863计划”页岩气勘探开发新技术“页岩气压裂裂缝微地震监测技术研究” （2013AA064503）作者简介：潘林华（1982－）， 男，工程师，2006年毕业于中国石油大学（北京）土木工程专业，2013年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要从事岩石力学、地应力和压裂裂缝起裂和扩展等方面的研究工作。 DOI ：10.3969/j.issn.1006－6535.2014.04.001 页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展 潘林华 1，2，3 ，程礼军1，2，3，陆朝晖1，2，3 ，岳 锋 1，2，3 （1.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室重庆地质矿产研究院，重庆400042；2.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心 重庆地质矿产研究院，重庆400042； 3.油气资源与探测国家重点实验室 重庆页岩气研究中心，重庆400042） 摘要：页岩储层低孔低渗，水平井多级压裂、重复压裂和多井同步压裂为主要的增产措施，压裂缝扩展和展布对于页岩压裂设计和施工、裂缝监测、产能评价至关重要。对大量相关文献进行了调研和分析，得出以下结论：①水力压裂室内实验是评价页岩复杂裂缝形态最直接的方法，但难以真实地模拟实际储层条件下的水力压裂过程；②扩展有限元、边界元、非常规裂缝扩展模型、离散化缝网模型、混合有限元法及解析和半解析模型为页岩气常用的复杂裂缝扩展模拟方法，但各种方法都有其优缺点和适用性，需要进一步改进和完善才能真实地模拟页岩复杂裂缝扩展；③天然裂缝分布和水平主应力差共同决定页岩复杂裂缝网络的形成，天然裂缝与水平最大主应力方向角度越小、水平主应力差越大，复杂裂缝网络形成难度越大；天然裂缝与水平最大主应力方向的角度越大、水平主应力差越小，越容易形成复杂裂缝网络。研究结果可以为页岩储层缝网压裂裂缝扩展模拟和水力压裂优化设计提供借鉴。 关键词：页岩气；水平井；水力压裂；压裂技术；裂缝扩展；室内实验；数值模拟中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1006－6535（2014）04－0001－06 引言 页岩储层孔隙度、 渗透率极低，给页岩气的经济高效开发带来了极大的困难和挑战，长水平井段钻井和多段大排量水力压裂施工是页岩气开发的关键和核心技术 ［1－2］ ，能最大程度地增加压裂裂缝 的改造体积和表面积，最终达到提高产量和采收率的目的。页岩储层脆性大，天然裂缝和水平层理发育，压裂过程中容易发生剪切滑移和张性破坏 ［3］ ， 压裂裂缝不再是单一对称的两翼缝，可能形成复杂的网状裂缝，给页岩水力压裂设计、裂缝监测及解释、压后产能预测等带来诸多不便。压裂裂缝的展布特征和裂缝形态可以通过室内实验和数值模拟方法进行评价。笔者广泛调研了目前页岩储层水平井压裂技术、复杂裂缝室内实验模拟和数值模拟方法的现状，分析了各种页岩水力压裂技术及压裂裂缝模拟方法的优缺点，对后续页岩储层水平井水 力压裂技术的选择以及压裂设计具有指导意义。 1页岩储层水力压裂技术 页岩储层水力压裂是个复杂的系统工程，用液 量大、施工车组多、耗时长、资金耗费量大。页岩储层水力压裂涉及压裂设计、压裂工艺选择、压裂液选择与配置、压裂设备和井下工具选择、压裂裂缝监测等问题，需要进行系统的考虑和处理。1.1 页岩储层水平井多级压裂技术 水平井多级压裂技术是页岩储层开发的关键技术，长水平井段、多级水力压裂使页岩储层能够形成多条压裂裂缝，可以增大页岩储层与井筒的渗流通道［4］ 。目前常见的页岩水平井压裂主要有4 种。 （1）水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 ［5－6］ 。该技术是国内外常用的页岩储层水力压
文章编号:1001-1986(2001)03-0020-03 煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析 郝艳丽,王河清,李玉魁 (中原石油勘探局井下特种作业处,河南濮阳 457061) 摘要:根据煤层气试验井的施工资料,分析了煤层压裂施工压力的特点以及井深、R o 与破压梯度的关系,并根据裂缝监测(测井温法、大地电位法和微地震法)测量的裂缝方位和缝高,对煤层压裂形成的裂缝特点进行了分类和总结,提出了指导性的建议。关 键 词:煤层气;压裂;施工压力;裂缝中图分类号:P 618.11 文献标识码:A 1 引言 煤层气是指形成于煤化作用过程中,目前仍储集在煤层中的优质天然气。它的开发是一个排水降压的过程,由于煤层的低渗透特点,决定了需要进行水力压裂激化才能有效地分配井孔附近的压降,加速脱水增加产能。本文针对煤层压裂的复杂性,从压裂施工压力与裂缝形态方面,对煤层压裂裂缝的扩展进行了分析和总结,希望能给以后的煤层气开发提供有益的帮助。2 煤层压裂施工压力分析 压裂主要是通过高压注入流体,破裂地层,从而在地层中形成高导流能力的裂缝。施工过程中流体在岩石中流动产生的压力变化在一定程度上反映了裂缝延伸的复杂现象,煤层压裂施工分析主要是针对压裂施工压力进行分析。2.1 煤层破裂压力分析 煤层的特殊性决定了其不同于常规储层的压裂特点。国外曾把煤层压裂的非常规性总结成4个方面:①异常高的压裂压力;②裂隙限制于煤层,即使裂隙中的压力远高于围岩带的原位应力;③伴随着孔底压力增加的支撑剂注入;④初始液体注入过程中闭合压力的显著增加。为此我们首先分析了试验区的破裂压力梯度情况,做出了井深、R o 与井底破压梯度的散点图。(图1,2)由图1中看出试验井的煤层破压梯度在0.017～0.064M Pa /m 之间,一般都为0.023～0.045M Pa /m 。而且根据我们收集的资料 表明,同一煤层测试压裂与加砂压裂的破压梯度存 在着大约0.002～0.007M Pa /m 的差别,也就是说煤层的高滤失特点会造成大约0.002～0.007M Pa /m 的压降,损失在流体注入煤层引起孔隙压力增高而产生的孔隙弹性效应上,也有一部分加砂压裂破压梯度小于测试压裂的破压梯度的情况,这与压裂流体对煤层的冲刷有关。另外,从煤层镜质体反射率与破压梯度的散点图上(图2)看出,煤层破压梯度有随镜质体反射率增大而增大的趋势,即变质程度高的煤层,其煤层不易破裂。而且从变化趋势看,R o 几乎与破压梯度呈线性相关关系,这是否是普遍规律,有待于进一步进行理论和实验数据的分析 。 图1 井深与破压梯度的散点图 图2 R o 与破压梯度的散点图 收稿日期:2000-05-15 作者简介:郝艳丽(1968—),女,河南清丰县人,中原石油勘探局井下特种作业处工程师,从事煤层气研究工作. · 20·煤田地质与勘探 CO A L G EO L O GY &EX PLO RA T ION V ol.29N o.3Jun.2001
基于能量理论的水力裂缝扩展模型研究与应用 摘要：为了能够准确地描述裂缝扩展规律，本文通过能量分布状态规律，探讨了在裂缝扩展过程中能量的变化规律，在对裂缝扩展的建立方面给出了新的思路，并由此对裂缝扩展驱动力给出了相对应的表达式。提出了有关裂缝扩展驱动力的裂缝扩展准则，建立了关于裂缝扩展速率计算模型。实例计算结果表明，该模型计算结果与实际吻合较好。 abstract： in order to accurately describe the law of fracture propagation， the article， from the energy distribution， presents a new idea about establishing the criterion of crack propagation， explores the regulation of energy changes in the fracture propagation process and then obtains the relevant expression of driving force of fracture propagation. at the same time， the criterion of crack propagation with the expression of driving force of fracture propagation is put forward， and the calculation model of crack propagation rates is built. the calculating result is accurate and agrees well with practical ones. 关键词：水力压裂；裂缝扩展；能量守恒 key words： hydraulic fracturing；crack propagation；conservation of energy 中图分类号：te371 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）
第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报 China Safety Science Journal Vol．21No．7 Jul．2011 定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用* 徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116 2中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116） 学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A 基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）； 国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。 【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己 15 －31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。 【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射 Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension in Directional Hydraulic Fracturing and Its Application XU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China） Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac- turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F 15 -31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value． Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase； RFPA2D-Flow software；acoustic emission *文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－20
压裂的基础知识 1、什么叫油层水力压裂？ 利用水力传压的作用，使埋藏在地层深部的油层形成裂缝的方法叫油层水力压裂。 2、油层水力压裂的基本原理是什么？ 油层水力压裂一般是指利用液体传压的原理，在地面用高压大排量的泵，将具有一定粘度的液体以大于油层所能吸收的能力向油层注入，使井筒压力逐渐增高，当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平的或是垂直的裂缝。当裂缝形成以后，随着液体的不断注入，裂缝还会不断地延伸和扩展，直到液体注入的速度与油层所能吸收的速度相等时为止，此时若取消外力裂缝还会重新闭合。为了保持裂缝处于张开的状态，随压裂液注入的同时混入一定比例的具有较高强度的固体颗粒做支撑剂来支撑裂缝。由于支撑是经过严格筛选的，它具有良好的粒度和强度，沉淀在裂缝中，使改变了井筒附近地层的导流能力，从而降低了液体由地层流入井筒的阻力。 3、油层水力压裂的目的是什么？ 油层水力压裂的目的在于改造油层的物理结构，人为地在油层中形成一条或几条高渗透能力的通道，以降低近井地带的流动阻力，增大渗流能力，使油井获得增产效果。 4、油层水力压裂有哪些作用? 对油层进行水力压裂有以下作用： ①解除钻井或修井过程中由于压井液造成的油层污染和堵塞。 ②改善厚油层上下渗透性不均匀的层内矛盾。 ③提高低渗透油层的渗透能力，调整油井的层间和平面矛盾，改善开发效果； ④扩展和沟通油层原有的裂缝和通道，提高油井的产油能力和注水井的吸水能力。 5、水力压裂所形成的油层裂缝有哪几种？ 油层通过水力压裂后所形成的裂缝，一般可以归纳为两种基本类型，即水平裂缝和垂直裂缝。与油层层面相平行的裂缝叫水平裂缝，与油层层面相垂直的裂缝叫垂直裂缝。 6、压裂液有几种类型？ 在压裂过程中向井内挤入的液体总称为压裂液。压裂液有很多种，大致可分为油基压裂液和不基压裂液两大类。油基压裂液通常用原油或成品油为基液；水基压裂液通常采用清水、田菁胶、海藻胶、稠化水和生活水平包油乳化液等。 7、压裂液应具有哪些基本性质? 压裂液要直到传压、劈开裂缝，携带支撑剂进入油层的作用。因此它要具有如下五个方面的基本性质： ①滤失量小，不易漏入油层，有利于造缝； ②摩擦阻力小，以减少设备的动力损失； ③悬浮能力好，能够大比例地携带支撑剂进入油层； ④与油层不发生化学反应，压裂后易于返排，不污染和堵塞油层； ⑤材料来源方便，配制简单，成本低。 8、什么叫支撑剂？有几种类型？ 在压裂过程中用于支撑和充填油层裂缝的固体颗粒称为支撑剂。常用的支撑剂有：石英砂、陶粒、玻璃球等多种类型。 9、压裂施工中压裂液分哪几部分使用？各有什么作用？