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煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究

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　第26卷第1期2009年03月采矿与安全工程学报JournalofMining&SafetyEngineeringVol.26No.1March2009　

收稿日期:2008208213

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400);国家自然科学基金项目(50574090);国家自然科学基金重点项目(50634050)作者简介:王　鹏(19852),男,辽宁省本溪市人,研究生,从事力学与采矿工程方面的研究.

E2mail:xbmao@cumt.edu.cn Tel:0516283885058　

文章编号:167323363(2009)0120031205

煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究王　鹏1,茅献彪1,杜春志2,孙风娟1(1.中国矿业大学理学院,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州　221116;

2.中国民航大学交通工程学院,天津　300300)

摘要:煤层钻孔水压致裂是提高地面煤层气抽采效果的有效方法之一,借助于数值模拟方法对煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律进行了分析.研究表明:当两个方向水平地应力值相等时,煤层钻孔围岩裂缝起裂角和扩展方向呈随机性,而当两个方向水平地应力值不相等时,则裂缝起裂角和扩展垂直于数值较大的水平地应力方向;钻孔围岩主裂缝的扩展长度随水平应力系数和注水压力的增大而增大;地面煤层气井的合理布置方式宜为菱形,且菱形对角线应平行于最大和最小水平地应力方向.

关键词:煤层;水压致裂;地应力;煤层气抽采;数值模拟中图分类号:TD712 文献标识码:A

StudyonthePropagationMechanismoftheCrackfortheBoreholeHydraulicFracturinginCoalSeam

WANGPeng1,MAOXian2biao1,DUChun2zhi2,SUNFeng2juan1(1.SchoolofSciences,StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,

ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China;2.TheTransportationEngineeringCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

Abstract:Hydraulicfracturingforcoalseamthroughboreholesisoneeffectivemethodtoin2creaseextractionefficiencyontheground.Inthispaper,propagationmechanismofhydraulicfracturingcracksincoalseamwasanalyzedbyusingnumericalstimulation.Researchresultsindicatethat1)starting2crackangleandpropagationdirectionofcracksinsurroundingrockbe2haverandomlywhenhorizontalgroundstressesintwodirectionareequal,buttheywillplumbthedirectionofthehorizontalgroundstresswithabiggervaluewhengroundstresshavediffer2entvalue;2)propagationlengthofmaincrackinsurroundingrockincreaseswiththegrowthofhorizontalstresscoefficientandinjectionpressure;3)thereasonableboreholepatternformeth2anewellsonthegroundisrhombus,whosediagonalsshouldparallelthedirectionsofthemaxi2mumandminimumhorizontalgroundstress.Keywords:coalseam;hydraulicfracturing;groundstress;methanedrainage;numericalsimu2lation

我国煤层气资源极其丰富,据测算,其资源量约为43×1012m3,居世界第2位,与常规天然气资源量大约相当,且基本分布于西气东输管运沿线,开采潜力巨大[123].

近年来,美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等许多国家对煤层气资源已经给予充分重视[425].采矿与安全工程学报第26卷　由于美国等国家的煤层渗透好,地面抽采无需进行人工增渗措施,因而,此项技术迅速得以推广.而在我国,煤层气抽采技术的应用尚属起步阶段,且由于我国煤层受地质构造影响,普遍存在低压、低渗、低饱和现象[6211],孔隙率低,吸附瓦斯难解吸,如不采取人工增渗措施将无法实现工业化抽采,严重制约了煤层气(瓦斯)的抽采效果.煤层钻孔水压致裂技术是煤层人工增渗、提高抽采效果的有效方法之一.但是,煤层钻孔水压致裂的裂缝起裂与扩展机理有待进一步研究.本文旨在通过数值模拟方法对煤层钻孔水压致裂裂缝形成及扩展规律进行研究,为对煤层钻孔水压致裂技术的应用及提高煤层气抽采效率提供参考.1　煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展特征煤层钻孔在高压水的作用下发生起裂后,水在泵的驱动下进入煤层中的层理面、切割裂隙.煤体产生空间上的膨胀,促使该级弱面继续扩展和延伸、逐步在煤层中相互连通形成贯通网络,并造成煤层的压裂崩解.这一过程都是通过各级弱面的内水压力来完成,如图1所示.图1　水压致裂过程Fig.1　Processofhydraulicfracturing各级弱面在内水压力作用下的扩展和延伸,首先应满足注入水压力大于滤失水压力这一条件.其次,各级弱面在水压力作用下的扩展和延伸必须借助于弱面边缘端部封堵带的形成.压力水携带大小不均的颗粒向前移动过程中,相对大的颗粒在弱面四周先停滞下来,后面小的颗粒受其作用也逐步充填堆积下来形成封堵带.水压力逐渐增高,造成弱面空间高度的增加,导致封堵带的封堵作用减小,颗粒会再一次向四周移动,形成第二次封堵.循环下去便形成一级弱面的连续扩展延伸,如图2[12].图2　弱面扩展过程Fig.2　Propagationprocessoffissure每一次封堵过程中都会导致在弱面充水空间壁面切线方向上产生拉应力.当该切向拉应力达到能使与其相连的次级弱面起裂的条件时,次级弱面将起裂,水便进入到次级弱面中,从而形成与上一级弱面同样的扩展延伸过程.如此下去,最终在煤层中形成原生弱面之间相互连通的贯通网络,表现出煤层在高压水作用下被压裂崩解.

2　煤层钻孔水压致裂的数值分析岩石损伤破裂过程渗流2应力耦合分析系统(RFPA

2D

2Flow)将岩石材料的非均质性参数引入

到计算单元,认为宏观破坏是单元破坏的积累过程;认为单元的性质是线弹脆性的,单元的弹性模量和强度等力学参数服从Weibell分布;认为当单元强度达到破坏准则时发生破坏,破坏后单元的弹模比其它单元低;认为岩石的损伤量与破坏单元数成正比,故可以用连续介质力学方法处理物理非连续介质问题[13215].

2.1　单钻孔水压致裂情形2.1.1　数值计算模型由于煤层在整个钻孔和压裂过程中铅垂方向的位移受上覆中岩层的限制,相对于水平方向的位移变化较小,可忽略不计,因此,将模型视为平面应变模型.取边长为20m×20m的正方形区域,划分为400×400=160000个单元,模型的中部开挖一直径为200mm的圆孔,表示钻井井筒.将模型的水平地应力以位移边界条件的方式施加于模型的两边,如图3所示,

σ

1,σ2为煤层水平面内的两个

地应力.注入水压作用于孔的内部边缘,水压力p

以0.1MPa的步长递增.初始水压p0视各模型的初始边界条件而定.

图3　计算模型Fig.3　Calculatingmodel

模型中单元的力学参数:弹性模量E,抗压强度σc,渗透系数K,泊松比μ等,都是按照Weibell

分布进行随机赋值.m是用来描述试样均匀性的参数,考虑到煤岩体的特殊结构,这里取m=3.表1

列出了煤岩体的力学模型计算参数.

23　第1期王　鹏等:煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究表1　煤岩的力学参数Table1　Mechanicalparametersofcoal/rock

力学参数参数值力学参数参数值均质度m3

残余强度系数ρ

R0.1

弹性模量E/GPa13

孔隙水压力系数

ρ

p0.8

摩擦角φ/(°)33渗透系数K/(m・d

-1)

1.0

抗压强度σc/MPa20泊松比μ0.35

压拉比ρσ17孔隙率n0.15

2.1.2　数值计算方案及参数选取1)根据晋城寺河矿区的煤层埋深,设置模型的煤层埋深分别为:300,400,500m,对应的最小水平地应力分别为:6,8,10MPa;

2)设置煤层水平面内的两个水平地应力

σ

1

与σ2的关系为:σ1=kσ2.在数值分析中,系数k的

取值为:1.0,1.05,1.1,1.4,1.8,2.0,以考察不同水平地应力状况对煤层钻孔压裂裂缝扩展效果的影响.

根据最大拉应力准则,当井底压力一旦达到最小地应力(对垂直缝则是最小水平地应力,水平缝则是垂向应力)和煤层岩石抗拉强度(R

t

)之和,煤

层即被压开,此压力称为起裂压力,用pcr表示pcr=Rt+min{3σ2-σ1,3σ1-σ2}. 由上式可知:当σ2=σ1时,在孔壁上任意位置

都可能首先出现裂纹,也即起裂失去方向性,pcr=

2σ2+Rt.当σ2首先出现裂缝的位置应位于孔壁上切向应力最大处,也即竖轴位置上θ=90°和θ=270°处,此时pcr=3σ2-σ1+Rt.当σ2>σ1时,首

先出现裂缝的位置发生在孔壁的水平中点处,即θ=0和θ=180°,且pcr=3σ1-σ2+Rt.2.1.3　应力差对裂缝扩展的影响根据以上分析,利用RFPA

2D

2Flow软件分别

模拟煤层埋深为300,400,500m条件下不同地应力状态中裂缝的扩展过程.图4给出了最小水平地应力σ2=6MPa时,水压致裂煤层在不同水平应

力系数k情况下裂缝的产生、扩展和延伸过程.

图4　裂缝的起裂和扩展规律(p=14MPa)Fig.4　Fractureappearedandpropagation

煤层埋深300m情况下,对6组模型的计算结果进行统计分析,得到不同地应力系数情况下的起裂角和起裂压力值,如表2所示.

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煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告

煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告

煤矿井下钻孔高压压裂技术研究与应用研究报告**股份**2010年10月15日研究报告一、概况***************************************************************** ***************************************************************** ***************************************************************** ***************************************************************** ***************************************************************** ***************************************************************** ************************************************************煤与瓦斯突出进行有效的防治，我们进行了水力压裂技术在煤矿突出煤层中的研究与应用这一课题。

对防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要现实意义。

二、突出煤层区域性消除突出的意义瓦斯事故是制约集团公司安全状况好转的最主要因素。

瓦斯事故对矿井安全的威胁主要有瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。

结合国家煤矿安全生产监察局提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，集团公司致力于建立防范瓦斯长期有效机制，因此，不把瓦斯事故控制住，就不能实现安全生产状况的稳定好转，也无法保障矿井的持续健康发展,而防治煤与瓦斯突出最根本的技术措施就是矿井瓦斯抽放。

关于煤层气压裂裂缝起裂扩展方式的思考

关于煤层气压裂裂缝起裂扩展方式的思考

我国是一个煤层气资源较为丰富的国家。

煤层气的储量与天然气的储量大致相同。

煤层气是一种具有高效化、清洁化特征的新型能源。

煤层气资源的有效开发，可以在一定程度上化解我国的能源需求。

针对我国煤层所具有的低饱和、低渗透和低压特点，利用水力压裂技术等技术进行增产改造，可以让煤层气井的开采量得到有效提升。

由于煤层的自身介质结构、生成环境和物性特征与常规地层之间存在着一定的差异，因而煤层气气压裂裂缝起裂扩展方式成为了人们在煤层气研究领域所要关注的问题。

1 煤岩压裂的主要影响因素1.1 天然裂缝割理天然裂缝、割理是煤层中的主要裂隙系统[1]。

它们对压裂裂缝的形态复杂性有着较为重要的影响。

天然裂缝与割理对水利裂缝的形态的影响具有一定的差异性。

天然割理的影响主要集中于水力裂缝的延伸过程，天然裂缝对水力裂缝的起裂和延伸过程均有影响。

在天然裂缝的影响下，煤层气也裂缝在延伸过程中也会出现突然转向和次生裂缝。

1.2 地应力地应力大小是煤层气井水利压裂裂缝的起裂压力、其列位置和裂缝形态的主要影响因素。

根据学者对煤岩压裂问题的研究情况，煤层地应力差与起裂压力之间存在着一种接近于负相关的关系。

煤层气气压裂缝的起裂压力与水平主应力差系数之间存在着正相关关系。

一般而言，破裂压力的影响因素主要为天然裂缝与最大水平主应力见的夹角，在随机裂缝性储层压裂下，高水平应力茶会产生较为品质的水利主缝；低水平应力差会让裂缝起裂扩展方式表现为网状扩展模式。

1.3 煤岩力学性质煤岩的力学性质主要涉及到了以下内容：一是煤岩的密度和硬度；二是煤岩的弹性和强度；三是煤岩的断裂特征等内容。

根据一些学者的煤样测试结果，弹性模量地、脆性大、易破碎和易受压缩是煤岩的主要特点。

煤岩结构所具备有的非均质性特征会让煤岩的原生裂缝系统和次生裂缝系统表现出复杂性的特点，因而煤层气压裂裂缝的物理力学性质具有着较为显著的各向异性特征。

相比于常规的压裂结果，煤层气压裂裂缝起裂扩展所形成的裂缝与会表现出缝面粗糙和不规则网络状特点。

水力压裂缝间距及压裂顺序对裂缝扩展影响研究

水力压裂缝间距及压裂顺序对裂缝扩展影响研究

第16卷增刊2地下空间与工程学报Vol．16 2020年11月Chinese Journal of Underground Space and Engineering Nov．2020水力压裂缝间距及压裂顺序对裂缝扩展影响研究*张进科，苟利鹏，吴文瑞，杨金峰(长庆油田分公司第五采油厂，西安710000)摘要:水平井多级水力压裂技术是提高非常规油气资源采收率的重要技术手段之一，而水力压裂规模和裂缝几何形态是决定单井产量的重要影响因素。

受水力裂缝扩展过程中形成的诱导应力场影响，水力裂缝间会发生相互干扰从而降低储层改造体积。

本文基于扩展有限元理论，构建了全耦合水力压裂裂缝扩展模型。

基于该模型分析了裂缝间距及压裂顺序对裂缝扩展影响。

研究结果表明:在水力裂缝同步扩展过程中，由于诱导应力场作用水力裂缝会发生明显偏转，并发生相互排斥现象。

对比同步压裂和顺序压裂两种压裂模式下裂缝扩展动态发现:采用顺序压裂不仅能够有效降低诱导应力场造成的裂缝偏转，同时增加裂缝宽度，使得水力裂缝能够充分满足油气渗流要求。

通过对比优化前后两口井的产量发现，采用该理论对裂缝间距进行优化后，优化井单井产量为邻井的1．7倍，改造体积增加了44．5%。

关键词:水力压裂;非常规;裂缝;应力;扩展中图分类号:TE353文献标识码:A文章编号:1673-0836(2020)增2-0603-07 Study on the Influence of Hydraulic Fracturing Interval and Fracturing Sequence on the Propagation of FracturesZhang Jinke，Gou Lipeng，Wu Wenrui，Yang Jinfeng(The Fifth Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company，Xi’an710000，P．Ｒ．China) Abstract:Horizontal well multi-stage hydraulic fracturing technology is one of the important technical means to improve the recovery of unconventional oil and gas resources，and the hydraulic fracturing scale and fracture geometry are the important factors to determine the single well production．Under the influence of induced stress field formed in the process of hydraulic fracture propagation，mutual interference between hydraulic fractures will occur，thus reducing the volume of reservoir reconstruction．Based on the extended finite element theory，this paper constructs a fully coupled hydraulic fracture propagation model．Based on this model，the influence of cluster spacing and fracturing sequence on fracture propagation in multi well hydraulic fracturing is analyzed．The research results show that in the process of synchronous expansion of hydraulic fractures，the induced stress field will lead to obvious deflection and mutual exclusion of hydraulic fractures．Compared with the two fracturing modes of synchronous fracturing and sequential fracturing，it is found that sequential fracturing can not only effectively reduce the deflection of fractures caused by induced stress field，but also increase the width of fractures，so that the hydraulic fractures can fully meet the requirements of oil and gas seepage．By comparing the production of two wells before and after optimization，it is found that the production of single well is1．7times of that of adjacent well，and the volume of reconstruction is increased by44．5%after optimization of fracture spacing by using this theory．Keywords:hydraulic fracturing;unconventional;crack;stress;expansion*收稿日期:2020-07-19(修改稿)作者简介:张进科(1984—)，男，陕西西安人，工程师，主要从事油水井井下增产增注工作。

含夹矸煤层水力裂缝在煤岩界面的扩展规律

含夹矸煤层水力裂缝在煤岩界面的扩展规律

含夹矸煤层水力裂缝在煤岩界面的扩展规律石应东;康天合;李立功【摘要】针对含夹矸煤层中裂缝在煤岩界面的扩展问题,应用线弹性断裂力学的理论和方法,分析了含夹矸煤层水力裂缝缝高在煤层与夹矸界面处的扩展路径及其判别准则,着重讨论缝高穿透煤岩界面的扩展距离与缝内水压的关系.研究表明:缝高在煤岩界面有3种扩展方式,即裂缝被限制在煤层中停止扩展、裂缝沿煤岩界面扩展及裂缝穿透界面扩展.当裂缝穿过煤层与夹矸之间的界面进入夹矸层,用叠加法计算应力强度因子,得到缝高穿透界面后在夹矸中扩展距离的计算方法.由工程实例可知,随水力裂缝缝内水压的升高,缝高穿透界面扩展距离急剧增大.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2018(049)012【总页数】4页(P173-176)【关键词】夹矸;厚煤层;水力压裂;缝高扩展;应力强度因子;煤层气井【作者】石应东;康天合;李立功【作者单位】太原理工大学采煤工艺研究所,山西太原 030024;太原理工大学采煤工艺研究所,山西太原 030024;太原理工大学采煤工艺研究所,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TD712煤层气井的水力压裂来源于传统常规油气井开发的水压致裂技术。

乌效鸣[1]指出煤层气井水力压裂和常规油气井水压致裂原理具有诸多相似之处，因此，常规油气井的水力裂缝扩展理论可以用于煤层气井水力裂缝扩展的研究。

相较于常规油气储层，煤层气储层具有较低弹性模量、较高泊松比、天然裂隙分布复杂等特点。

尤其在厚煤层中，夹矸厚度较大，层位趋于稳定，使煤层分层明显，导致水力裂缝在高度方向的扩展不只局限在煤层内部，通常要穿越煤层与夹矸之间的界面[2]。

因此，有必要解决含夹矸煤层中裂缝在煤岩界面的扩展问题。

裂缝在含夹矸煤层中的扩展主要受地应力差、断裂韧性差、压裂液的分布与滤失以及作业压力等因素作用[3]。

另外，含夹矸煤层层间界面强度、煤层中的天然裂缝也对裂缝在煤层与夹矸之间的扩展产生一定的影响[4]。