煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究_张帆.pdf

第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Research Institute of Henan Energy Resource and Chemical Industry Group Co., Ltd., Zhengzhou 450046, China; 3. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454003, China; 4. State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China Abstract To study the hydraulic fracturing initiation pressure and mechanism of fracture propagation in coal and rock mass, the physical simulation experiment program “rting three-dimensional stresses-injecting fluid from the top” of coalbed hydraulic fracturing was established based on engineering applications by using briquette sam- ples and self-developed hydraulic fracturing testing system. According to the above program combining the exist- ing experimental conditions, the water pressure and hydraulic fracture were analyzed under varied conditions. The experimental results show that initiation pressure increases in the process of increasing flow rate. Hydraulic frac- tures propagate along the direction perpendicular to σh under the condition of σHσvσh . With the increase of σH , the initiation pressure of coal rock increases at first and then decreases when σv and σh are constant, in addition, the fracture propagation path becomes more straight. As σH is much larger than σv and σh, the fracture propagation path gets more complex and the angle of bifurcate fractures is larger. The results are of significance and importance for the improvement of hydraulic fracturing theory in coal rock mass. Keywords coalbed; true triaxial; hydraulic fracturing; initiation pressure; fracture propagation; physical simulation 我国煤层气资源丰富且分布广泛，与常规天然气资源储量规模相当，埋深 2 000 m 以浅的煤层气 ChaoXing 第 6 期 张帆等 煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究 85 资源储量约为 36.8 万亿 m3，位居世界第三[1-2]。由 于我国煤层赋存具有低压、低渗的特点，导致煤层 气预抽采困难，煤层气井无法实现大规模产业化开 发[3]。水力压裂技术是针对低渗煤层，实现增透卸 压、煤层气高效开采的一种非常重要的水力化增透 技术手段[4-6]。但由于煤储层埋藏较深、煤岩体结构 和应力条件复杂、现场缺乏有效的监测手段，无法 直接观察煤储层水力压裂效果[7]，水力压裂裂缝扩 展路径、裂缝形态及其尺寸难以观测，导致施工参 数的选取存在一定的盲目性[8]。所以，探究复杂煤 储层中起裂压力及水力压裂裂缝展布规律，对于合 理设计压裂参数、提高煤层气开采效率具有十分重 要的意义。 限于现场压裂难以直接观测，为了研究水力压 裂裂缝扩展机制及起裂压力，国内外学者大都借助 理论分析、物理模拟等手段探讨水力压裂技术对煤 储层改造的影响规律。李明等[9]采用 ABAQUS 软件 进行了多种条件下含有硬包裹体分布的岩石材料的 数值模拟试验，探讨了基岩材料性质和注水速率对 峰值注水压力、平均注水压力和裂缝开度的影响。 严成增等[10]基于 FDEM-Flow 方法研究了不同地应 力条件下，地应力对水力压裂裂缝的走向和形态的 影响。孙可明等[11]，Guo Tiankui 等[12]研究了页岩水 力压裂裂缝的影响因素及扩展规律。郭印同等[13]利 用声发射对水力压裂裂缝进行了实时监测，并对水 力压裂裂缝的扩展形态进行了描述。张双斌等[14]利 用煤片和兰州石英砂，实验模拟了排采过程中煤储 层压裂裂缝的导流能力变化规律。Wang Tao 等[15] 用颗粒流程序对水力压裂问题进行了研究，并取得 了较好的效果。马耕等[16]采用理论分析与现场试验 相结合的方法，系统分析了水力压裂过程中径向引 张、周缘引张和剪切裂缝等多级、多类裂缝形成的 力学机制，揭示了围岩煤储层缝网改造的增透机 理。M M Hossain 等[17]采用弹性力学的方法对任意 方位井筒射孔、不射孔两种情况下压开地层所需的 起裂压力，裂缝起裂方向以及射孔对裂缝起裂与延 伸的影响进行了研究。 邱德才等[18]提出了“钻扩一体 化水力压裂”复合水力化增透技术，在现场进行了 工程试验，有效地提高了瓦斯抽采量。程亮等[19]根 据最大拉应力理论，建立压裂钻孔周围煤岩体起裂 压力计算模型及判断准则，并在煤矿井下进行了验 证，得出了倾斜煤层对水力压裂起裂压力的影响规 律。辛新平等[20]研究了水力强化对硬煤储层和软煤 层中瓦斯渗透率的影响，分析了水力强化对煤体渗 透率的作用及增透机理，并进行了现场效果应用。 从上述研究成果可以看出，关于煤岩水力压裂 的研究多集中于理论分析、数值模拟或现场施工， 但限于理论研究的局限性、数值模拟设定的条件与 实际煤岩存在差异，导致对水力压裂裂缝扩展规律 以及压裂液与煤岩体间耦合作用机理研究还不够完 善。因此，笔者运用自主研发的真三轴水力压裂实 验系统，以型煤作为压裂试样，开展了水力压裂实 验，重点分析泵压曲线、观察剖开试样，研究了真 三轴作用下煤岩起裂压力及水力压裂裂缝扩展机 制，研究结果补充和完善了煤岩体水力压裂理论。 1 水力压裂实验 1.1 水力压裂实验装置 应力加载装置如图 1a 所示，由压裂主框架、千 斤顶、应力传力板等装置构成，应力可单独分级加 载。当按照实验方案加载三向应力时，应力可通过 应力传力板均匀地传送至试样表面；待应力加载完 成 5 min 后，打开泵源装置图 1b，泵注压裂液开 始水力压裂模拟试验。泵注压力通过与泵源装置连 接的水压传感器传输至多通道采集卡，通过 True triaxial testaid 软件实时显示和储存。 图 1 水力压裂实验系统 Fig.1 Experiment system for hydraulic fracturing 1.2 实验方案 通过水力压裂实验，重点分析了泵注排量、三 向应力对起裂压力、水力压裂裂缝扩展影响规律。 实验方案及参数设置如表 1 所示。其中 X 为左右方 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第 45 卷 向，加载最大主应力 σH；Y 为前后方向，加载最小 主应力 σh；Z 为上下方向，加载垂向应力 σv图 2。 表 1 水力压裂模拟实验参数 Table 1 Testing parameters for hydraulic fracturing simulation 应力/MPa 实验方案 σH σv σh Δσ 流量/mLs-1 方案1 1.50 1.25 0.750.75 3.2 方案2 1.50 1.25 0.750.75 4.0 方案3 1.75 1.25 0.751.00 3.2 方案4 2.00 1.25 0.751.25 3.2 方案5 2.25 1.25 0.751.50 3.2 注主应力差 ΔσσH–σh 图 2 压裂试样及应力加载示意图 Fig.2 Sketch of samples and stress loading 1.3 试样制备 在制备压裂试样之前，选用水泥、石膏、煤粉 制作成不同规格的型煤，通过测定不同配比型煤的 力学性能，选定合适的配比使型煤的力学性能与原 煤最为接近。选定的 5 组试样材料配比分别为A 组，水泥石膏煤粉水1112；B 组，水泥石膏 煤粉水111.52；C 组，水泥石膏煤粉水 1.5112；D 组，水泥石膏煤粉水1212；E 组， 水泥石膏煤粉水2112。每组各制备 3 个样品。 利用日本 AGI 250 电子精密材料实验机装置， 采取自由落体法、贴“T”形应变片，测定不同配比型 煤的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、坚固性系 数，测试结果见表 2。 通过对比型煤与原煤的力学参数，结合相似模 型模拟矿井所在煤层受力状况及实验加载要求，选 定 E 组配比样进行水力压裂实验。 1.4 实验流程验流程 ① 按照配比水泥石膏煤粉水2112，利用 专用模具成型试件，成型尺寸为 200 mm200 mm 200 mm 的立方体试样图 3。2 d 后脱模，养护 28 d 后，准备水力压裂实验。 ② 运用砂轮打磨试件端面， 使端面的平整度符 合实验要求，然后运用酒精、棉花球等清理压裂孔。 ③ 待压裂孔壁干燥后， 用 AB 胶将压裂管与孔 壁粘合。 表 2 型煤的力学参数 Table 2 Mechanical parameters of coal briquettes 试样组 单轴抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 坚固性系数 A 2.933.05/3.01 0.450.74/0.55 0.210.23/0.22 0.510.72/0.61 B 5.015.77/5.41 0.650.85/0.75 0.170.18/0.17 C 4.986.32/5.47 0.500.83/0.65 0.330.36/0.35 0.490.78/0.65 D 2.993.21/3.13 0.560.79/0.66 0.250.33/0.28 0.560.60/0.58 E 4.595.98/5.36 0.841.13/0.95 0.240.26/0.25 0.750.90/0.82 注2.933.05/3.01 表示最小值最大值/平均值，其他数据同。 图 3 压裂试样 Fig.3 Samples for fracturing ④ 运用应力传力板等将试样安装到压裂主框 架内，根据实验方案加载实验所需应力。 ⑤ 在压裂液中添加示踪剂， 通过剖开试样观察 水力压裂裂缝特征，待应力稳定 5 min 后打开泵源 装置及电脑，泵注压裂液，开始水力压裂实验。 ⑥ 当试样表面有压裂液流出时，说明裂缝扩展 完成， 保存数据， 关闭泵源装置， 卸载三向应力至 0。 ⑦ 卸载试样，对试样的表面及剖面进行观察， 并使用数码相机进行拍照处理，获得水力压裂裂缝 扩展规律及形态。 ⑧ 分析泵注水压数据，结合三向应力条件，对 起裂压力等相关信息进行分析。 2 实验结果及分析 2.1 泵注压力分析 2.1.1 泵注排量对起裂压力的影响规律 按表 1 实验方案 1 和方案 2，使试样所受应力 σH1.50 MPa，σv1.25 MPa，σh0.75 MPa相同， ChaoXing 第 6 期 张帆等 煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究 87 泵注排量不同分别为 3.2 mL/s、4.0 mL/s，研究排 量对起裂压力的影响规律图 4。 以活塞位移方式泵 注压裂液。 图 4 泵压–时间曲线 Fig.4 Curve of water pressure with time 由图 4 可知，泵注排量为 3.2 mL/s 时，打开泵 源装置后，随着压裂液的持续泵注，泵压快速上升， 型煤中原先没有初始裂缝，当泵压达到型煤的起裂 压力时，初始裂缝产生。压裂液在初始裂缝中积累， 随着压裂管中压裂液的不断进入，新注入的压裂液 大于型煤的滤失速率，泵压开始锯齿状波动，表明 不断有新的水力压裂裂缝在型煤内产生且扩展延 伸。当裂缝扩展至压裂试样边缘后，有压裂液从端 面流出，说明水力压裂裂缝在压裂试样内已完全成 形，关闭泵源装置，结束实验。 当泵注排量为 4.0 mL/s 时，实验开始后，压裂 液进入模拟井筒内，泵压迅速上升，在约 10.8 s 时 达到型煤的起裂压力 1.32 MPa，有初始裂缝产生。 由于泵压排量较大，后续泵注的压裂液充满初始裂 缝后，泵注压力开始下降。观察压裂试样发现，在 24.8 s 左右时有压裂液流出，此时水力压裂裂缝停 止扩展，裂缝通道成形。新泵注的压裂液从已成形 的裂缝通道流出，水压不再变化。分析原因尽管 压裂液从模拟井筒中持续泵注，但由于裂缝体积和 滤失速率与新泵注的压裂液体积相一致，所以泵压 不再波动。 对比图 4 中不同泵注排量条件下的泵压–时间曲 线 当三向应力一定时， 煤岩起裂压力随着压裂液排 量的增大而变大。 不同泵注排量作用下， 压裂试样的 压力降不尽相同，泵压曲线变化也不完全相同。 2.1.2 围压对起裂压力的影响规律 按表 1 中的实验验方案 3–5，泵注排量均为 3.2 mL/s，实验过程中记录的水力压裂泵压–时间曲 线如图 5 所示。 图 5 中，随着压裂液持续泵注入压裂管中，由 于型煤中没有原始裂缝，压裂液在裸眼段聚积，由 于憋压效果，导致水压力均快速上升。当达到试样 的起裂压力时，型煤中产生了初始裂缝，之后进入 图 5 泵压–时间曲线 Fig.5 Curve of water pressure with time 的压裂液首先充满初始裂缝，水压力开始下降。此 时，由于水压力的下降，水力压裂裂缝停止扩展。 随着压裂液源源不断地进入压裂管内，压裂液在初 始裂缝中积累，水力压裂裂缝继续扩展延伸，水压 力出现锯齿状上下波动， 水力压裂裂缝在试样中不断 产生、扩展延伸。当裂缝扩展至试样表面后，压裂液 沿着贯穿的水力压裂裂缝通道流出，水压力不再变 化，新裂缝不再产生，关闭泵源装置，实验完成。 观察图 5 发现， 当主应力差分别为 0.75 MPa、 1.00 MPa、1.25 MPa、1.50 MPa 时，试样的起裂压力分别 为 0.88 MPa、3.58 MPa、5.59 MPa、2.76 MPa，即垂 向应力一定，随着主应力差的增大，试样起裂压力先 增大后减小。分析原因可能与三向应力、水力压裂 裂缝形态及其扩展路径、破裂面表面特征等有关。 2.2 裂缝扩展机制分析 水力压裂实验结束后， 通过观察剖开试样表面， 获取水力压裂裂缝形态及扩展路径，以研究三向应 力作用下水力压裂裂缝的扩展规律。图 6 分别为按 照实验方案 1、3、4、5 压裂后的裂缝形态。 图 6 压裂后的裂缝形态 Fig.6 Fracture morphology after hydraulic fracturing ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 45 卷 压裂后的裂缝形态表明，水力压裂裂缝均沿着 垂直于最小主应力方向扩展。图 6a 中，主应力差为 0.75 MPa 时，有明显的贯穿裂缝；图 6b 中，主应 力差为 1.00 MPa 时，裂缝与图 6a 相比较为平直； 图 6c 中，主应力差为 1.25 MPa 时，产生平行于最大 主应力方向的“Y”形裂缝，分叉角度较小；图 6d 中， 主应力差为 1.50 MPa 时，“Y”形分叉缝角度较大。 对比图 6a 和图 6b 中的三向应力值可知，随着 最大主应力值增大，即主应力差越大，水力压裂裂 缝越平直。图 6c 和图 6d 中最大主应力逐渐增大， 水力压裂裂缝扩展路径变得复杂，但依旧沿着垂直 于最小主应力方向扩展，分叉缝角度也随着最大主 应力值增大而增大。 分析原因 由于垂向应力值 1.25 MPa、最小主应力值 0.75 MPa 均远远小于最大主应 力值 2.00 MPa、2.25 MPa，与最大主应力值相比， 垂向应力、最小主应力可视为相近。即两向应力值 一定时，第三向应力值越大，水力压裂裂缝扩展路 径变得越随机、多变，分叉缝间的角度也越大。 图 7 为利用煤岩断面三维扫描系统[21]，对按照 实验方案 3 压裂后的试样破裂面进行非接触式三维 立体扫描，并经过相应的软件处理，获得试样破裂 面三维扫描直观图。水力压裂实验中压裂液的泵注 排量、三向应力值不同，导致泵注压力、水力压裂 裂缝扩展路径、破裂面表面特征等方面存在差异， 影响了压裂液的流动路径及水力压裂裂缝的起裂、 扩展延伸。三维扫描不仅可以获取破裂面上每个点 的三维坐标，而且三维扫描得到的图形更加清晰直 观，能够多角度、全方位地了解破裂面的起伏变化， 为进一步研究破裂面表面特征粗糙度、表面积、破 裂试样体积与压裂液排量、泵注压力、三向应力值 间的相互联系提供参考和技术支撑。 3 结 论 a. 通过测定型煤力学参数，选用合理的原料配 比水泥石膏煤粉水2112，制成水力压裂实验 试样。 b. 压裂液泵注排量越大，起裂压力越大。垂向 应力、最小主应力值一定，随着最大主应力值的增 大，起裂压力先增大后减小。 c. 地应力值决定水力压裂裂缝的扩展方向，水 力压裂裂缝均沿着垂直于最小水平主应力的方向扩 展延伸。最大水平主应力越大，水力压裂裂缝扩展 路径越平直。当最大水平主应力远大于垂向应力、 最小水平主应力值时，水力压裂裂缝产生分叉；差 值越大，水力压裂裂缝扩展路径越随机，分叉缝间 图 7 三维扫描直观图 Fig.7 Pictorial diagrams after 3D scanning 的夹角越大。 d. 采用煤岩三维扫描系统对裂缝表面特征进 行了测定，更加清晰、直观地观测到破裂面的特征， 为深入探究破裂面特征等信息提供了技术支撑。 参考文献 [1] 林柏泉. 矿井瓦斯防治理论与技术[M]. 第二版. 徐州中国 矿业大学出版社，2010. [2] 谢和平，周宏伟，薛东杰，等. 我国煤与瓦斯共采理论、技 术与工程[J]. 煤炭学报，2014，3981391–1397. XIE Heping，ZHOU Hongwei，XUE Dongjie，et al. Theory， technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China[J]. Journal of China Coal Society， 2014， 398 1391–1397. ChaoXing 第 6 期 张帆等 煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究 89 [3] 程远平， 张晓磊， 王亮. 地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制 作用研究[J]. 采矿与安全工程学报，2013，303408–414. CHENG Yuanping， ZHANG Xiaolei， WANG Liang. Controlling effect of ground stress on gas pressure and outburst disaster[J]. Journal of Mining Safety Engineering， 2013， 303 408–414. [4] 吕闰生，倪小明，刘高峰，等. 煤层气井水力压裂有效消突边 界物理模型[J]. 煤炭学报，2016，4192273–2280. LYU Runsheng，NI Xiaoming，LIU Gaofeng，et al. A physical model of outburst elimination boundary after hydraulic fracturing in coalbed methane well[J]. Journal of China Coal Society， 2016，4192273–2280. [5] 林柏泉，孟杰，宁俊，等. 含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征 研究[J]. 采矿与安全工程学报，2012，291106–110. LIN Baiquan， MENG Jie， NING Jun， et al. Research on dynamic characteristics of hydraulic fracturing in coal body containing gas[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2012，291 106–110. [6] 陶云奇， 刘晓， 蔺海晓. 煤矿井下钻孔吞吐压裂增透抽采瓦斯 技术研究[J]. 煤炭科学技术，2014，42745–48. TAO Yunqi，LIU Xiao，LIN Haixiao. Study on gas drainage technology of throughput fracturing permeability improvement by borehole in underground mine[J]. Coal Science and Technol- ogy，2014，42745–48. [7] 蔡峰， 刘泽功. 深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强化增透 技术[J]. 煤炭学报，2016，411113–119. CAI Feng，LIU Zegong. Simulation and experimental research on upward cross-seams hydraulic fracturing in deep and low- permeability coal seam[J]. Journal of China Coal Society，2016， 411113–119. [8] 石欣雨，文国军，白江浩，等. 煤岩水力压裂裂缝扩展物理模 拟实验[J]. 煤炭学报，2016，4151145–1151. SHI Xinyu，WEN Guojun，BAI Jianghao，et al. A physical simulation experiment on fracture propagation of coal petrogra- phy in hydraulic fracturing[J]. Journal of China Coal Society， 2016，4151145–1151. [9] 李明，郭培军，梁力，等. 含有硬包裹体分布的非均质岩石水 力压裂特性研究[J]. 岩土力学，2016，37111–7. LI Ming，GUO Peijun，LIANG Li，et al. Study on the charac- teristic of hydraulic fractures in heterogeneous rock material with hard inclusions distributed[J]. Rock and Soil Mechanics，2016， 37111–7. [10] 严成增，郑宏，孙冠华，等. 基于 FDEM-Flow 研究地应力对 水力压裂的影响[J]. 岩土力学，2016，371237–246. YAN Chengzeng， ZHENG Hong， SUN Guanhua， et al. Effect of in-situ stress on hydraulic fracturing based on FDEM-Flow[J]. Rock and Soil Mechanics，2016，371237–246. [11] 孙可明， 张树翠， 辛利伟. 页岩气储层层理方向对水力压裂裂 纹扩展的影响[J]. 天然气工业，2016，36245–51. SUN Keming，ZHANG Shucui，XIN Liwei. Impacts of bedding direction of shale gas reservoirs on hydraulically induced crack propagation[J]. Natural Gas Industry，2016，36245–51. [12] GUO Tiankui，ZHANG Shicheng，QU Zhanqing，et al. Ex- perimental study of hydraulic fracturing for shale by stimulated reservoir volume[J]. Fuel，2014，128373–380. [13] 郭印同，杨春和，贾长贵，等. 页岩水力压裂物理模拟与裂缝 表征方法研究[J]. 岩石力学与工程学报，2014，33152–59. GUO Yintong， YANG Chunhe， JIA Changgui， et al. Research on hydraulic fracturing physical simulation of shale and fracture characterization s[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33152–59. [14] 张双斌，苏现波，郭红玉，等. 煤层气井排采过程中压裂裂缝 导流能力的伤害与控制[J]. 煤炭学报，2014，391124–128. ZHANG Shuangbin，SU Xianbo，GUO Hongyu，et al. Con- trolling the damage of conductivity of hydraulic factures during the process of drainage in coalbed methane well[J]. Journal of China Coal Society，2014，391124–128. [15] WANG Tao，ZHOU Weibo，CHEN Jinhua，et al. Simulation of hydraulic fracturing using particle flow and application in a coal mine[J]. International Journal of Coal Geology，2014， 12111–13. [16] 马耕，苏现波，蔺海晓，等. 围岩–煤储层缝网改造增透抽采 瓦斯理论与技术[J]. 天然气工业，2014，34853–60. MA Geng， SU Xianbo， LIN Haixiao， et al. A theory and technical system of permeability enhancement to extract coal gas by frac- ture network stimulating in adjacent rocks and coal reservoirs[J]. Natural Gas Industry，2014，34853–60. [17] HOSSAIN M M，RAHMAN M K，RAHMAN S S. Hydraulic fracture initiation and propagation roles of wellbore trajectory, perforation and stress regimes[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2000，27129–149. [18] 邱德才，武贵生，陈冬冬，等. 复合水力化增透技术在低渗突 出煤层瓦斯抽采中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2015，431 13–16. QIU Decai，WU Guisheng，CHEN Dongdong，et al. Com- pound-hydraulic technology enhancing permeability in lowly permeable and outburst-prone seam[J]. Coal Geology Explo- ration，2015，43113–16. [19] 程亮，卢义玉，葛兆龙，等. 倾斜煤层水力压裂起裂压力计算 模型及判断准则[J]. 岩土力学，2015，362444–450. CHENG Liang， LU Yiyu， GE Zhaolong， et al. Initiation pressure calculation model and judgment criterion for hydraulic fracturing of inclined coal seam[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 362 444–450. [20] 辛新平， 高建良， 马耕. 穿层孔吞吐压裂水力强化抽采技术研 究及应用[J]. 采矿与安全工程学报，2014，316995–1000. XIN Xinping，GAO Jianliang，MA Geng. Research and appli- cation of gas drainage with hydraulic reinforcement of water stimulation fracture in borehole through strata[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2014，316995–1000. [21] 许江，刘义鑫，尹光志，等. 煤岩剪切–渗流耦合试验装置研 制[J]. 岩石力学与工程学报，2015，34增刊 12987–2995. XU Jiang，LIU Yixin，YIN Guangzhi，et al. Development of shear-flow coupling test device for coal rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2015， 34S1 2987–2995. 责任编辑 范章群 ChaoXing