不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律_贾奇锋.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region Henan Province, Jiaozuo 454000, China; 3. College of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China Abstract To find out the fracture extension law of coal hydraulic fracturing with different coal body structures can lay a foundation for reasonable well pattern deployment. Taking Shizhuang block of Qinshui basin as the research object, the fracture of coal core was observed, and four kinds of coal with fracture development degree were di- vided. Based on the theory of rock mass mechanics, the stress field calculation model of fracture tip and the judg- ment criterion of whether hydraulic fracture can pass through natural fracture in hydraulic fracturing process were established. According to the measured data of CBM wells, the reliability of theoretical analysis was verified, and the fracture extension law of hydraulic fracturing of coal with different coal body structures was obtained. The re- sults show that the hydraulic fracture extension of two groups of natural fracture development is different before and after the induced stress is considered. With the increase of fracture length, the induced stress increases, and the hydraulic fracture extends from single direction to bidirectional direction. For a group of coal with natural fracture development, because the angle between the development direction of natural fracture and the direction of maxi- mum principal stress is small, the extension direction of hydraulic fracture before and after considering induced stress is not obvious, and the overall extension tends to the natural fissure development direction. Hydraulic frac- tures always extend along the direction of maximum principal stress for granular occasional and powdery fractured coal. The research results provide a theoretical basis for the reasonable arrangement of the well network under dif- ferent stress and fracture development in this area. Keywords crack extension; Shizhuang; hydraulic fracture; induced stress; natural fracture; Qinshui basin ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 47 卷 煤储层改造中水力压裂裂缝延伸特征将直接 影响着煤层气井的水压传播规律及气体运移产出 路径[1]。煤层天然裂隙发育程度、地质构造部位、 应力大小等的不同， 可能导致采用相同的压裂工艺 会产生不同的裂缝延伸规律。 关于压裂裂缝延伸规 律的研究， 国内外研究者主要采用了实验室模拟测 试法、FDEM-Flow 和 RFPA 等软件模拟法、扩展 有限元与白光散斑实验实时跟踪法等。 实验室主要 是通过在大尺寸真三轴实验系统模拟现场条件， 对 制作的煤样进行压裂裂缝延伸实验[2-5]，结果表明， 水力裂缝和天然裂隙的逼近角度是影响水力裂缝 走向的主要因素，逼近角度越大，水力裂缝越容易 穿过天然裂隙。但实验条件要求苛刻，制样时容易 造成样品损坏，观测范围有限，无法考虑诱导应力 对裂缝扩展的影响。 数值模拟方法是将影响裂缝扩 展的各参数赋予各单元[6-10]，认为裂缝的起裂、延 伸主要由最大主应力控制。当侧压系数 λ﹤1 时， 主要产生竖直裂隙， 且裂隙在拉应力集中的区域起 裂，该方法能够很好地反映材料的非均质性，理论 上较好地反映了裂缝延伸过程， 但由于现场实际条 件与理论分析存在一定差异， 使得部分模拟结果与 现场情况差距较大。 扩展有限元与白光散斑实验实 时跟踪法是在有限元框架下引入预设虚节点并利 用白光散斑对扩展裂缝延伸实时跟踪[11-13]， 结果表 明，裂缝层形态主要受到界面层力学性能的影响， 当储层与围岩层性质较接近时裂缝穿过界面扩展 方向变化较小，且扩展速率变化也不大[14]，该方法 实现了储层中裂缝复杂变化扩展的研究， 提供了较 为直观的裂缝扩展方式， 但由于该种方法是通过单 元边界与非连续边界相协调并在相应位置设置双 节点实现的， 裂缝的扩展极大程度上受到了人为的 限制。 以往研究主要是基于原始地应力下的数值模拟 或实验室实测研究，且没有考虑诱导应力对水力裂 缝延伸规律的影响，而水力压裂过程中随着缝长的 变化，产生的诱导应力会导致应力差值发生变化， 进而对裂缝延伸方位产生影响。为了研究不同裂隙 发育程度煤水力压裂整个过程裂缝延伸规律，笔者 以柿庄区块 3 号煤层为研究对象，在对不同裂隙发 育程度煤划分基础上，建立了水力裂缝穿过天然裂 隙、沿着天然裂隙延伸判断准则，考虑压裂过程中 诱导应力变化，得出了不同裂隙发育程度煤水力压 裂过程裂缝延伸变化规律，以期为煤储层合理井网 布置研究奠定基础。 1 柿庄区块不同煤体结构煤裂隙发育程度划分 柿庄区块是沁水盆地中南部煤层气开发活跃的 区块之一。该区块整体为西倾的单斜构造，地层由 老到新依次为古生界二叠系，中生界三叠系及新生 界古近系、新近系和第四系。目前主要开发 3 号煤 层。3 号煤埋深一般 4961 260 m，平均 780 m；煤 层厚度一般 311 m，平均 6.39 m；含气量一般 4.123.3 m3/t，从资源条件和埋深看，较适合进行煤 层气开发。3 号煤层形成后，依次经历了印支期、 燕山期、喜马拉雅期构造运动作用，煤层主要以碎 裂煤、碎粒煤为主，小范围内煤层变形差异较大。 大量研究表明，煤层煤体结构不同，裂隙发育程度 不同，水力压裂时裂缝延伸可能存在差异。通过对 研究区 20 口煤层气参数井的煤体结构进行观测描 述，并对取样煤心进行 GSI 标定，建立测井参数与 GSI 的关系模型，即 GSI72.9DEN1.2GR6.9CALX6.5CALY77.6 1 式中 GSI 为地质强度指标[15]；DEN 为视密度， g/cm3；GR 为自然伽马，API；CALX 和 CALY 分别 为井径 X 和井径 Y，cm。 依据式1将煤层裂隙发育程度分为 4 类，即 2 组天然裂隙发育煤45≤GSI60、1 组天然裂隙发 育煤GSI≥60、粒状偶见裂隙发育煤30≤GSI45 和粉状无裂隙发育煤GSI30。部分煤岩裂隙描述 见表 1，代表性裂隙发育煤心见图 1，典型煤层气井 测井曲线与 GSI 对应值见图 2。 2 水力压裂时裂缝能否穿过天然裂隙判断准则 水力压裂时，压裂裂缝能否沿天然裂隙延伸， 主要取决于剪切失稳、拉张破坏所需力的大小。 压裂过程中已形成裂缝的诱导应力与原有应力的 耦合作用，导致压裂裂缝形成条件可能发生变化， 进而导致裂缝延伸方向有所不同。为了更准确地 计算压裂形成了一定长度裂缝后裂缝延伸方向， 首先需对压裂裂缝引起的诱导应力进行表征，进 而提出水力压裂时裂缝能否穿过天然裂隙的判断 准则。 2.1 压裂裂缝周边诱导应力计算模型 水力压裂过程中已经形成的裂缝，其周围产 生的诱导应力与原始地应力共同决定了煤岩中的 应力状态。同时建立平面直角坐标系和极坐标系 如图 3 所示， 则极坐标系内任意一点 Pd,α的受力 状态为 ChaoXing 第 2 期 贾奇锋等 不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律 53 表 1 部分煤岩裂隙描述结果 Table 1 Results of fracture description of some coal and rock 井号 取心段/m 颜色、层理和粒度 煤体结构 煤岩裂隙描述 TS-006 558.50558.80 黑色， 金刚光泽。 煤岩成分以亮煤为主， 含镜煤条带， 带宽0.50.8 cm； 以厘米级块状为主， 块长1.07.0 cm。 棱角状，阶梯状断口 碎裂煤 发育2组裂隙，主裂隙58条/5 cm， 长0.83.5 cm， 次裂隙与主裂隙垂直， 79条/5 cm，长0.21.5 cm TS-004 766.03766.28 黑色，金刚光泽。煤岩成分以亮煤为主，厘米级块状 居多，块长1.06.5 cm，板状、六面体状、楔状断口 原生结构 煤 发育1组裂隙，78条/4 cm， 长36 cm，裂隙无填充 SN-005 891.00891.35 黑色，金刚光泽。煤岩成分以亮煤为主。以厘米级块 状为主，块的大小在13 cm，毫米级颗粒少量。层理 不清晰，板状断口 碎粒煤 裂隙不发育 SN-003 1 087.471 088.07 黑色，玻璃光泽。以粉末状为主，少量为块状大小 12 cm。煤体疏松，手捏易碎 糜棱煤 裂隙不发育 图 1 不同裂隙发育程度煤样 Fig.1 Coal sample with different fracture development degree 图 2 典型煤层气井测井曲线与 GSI 对应值 Fig.2 Well logs and corresponding GSI values of typical CBM well  22 αxxyyyx 22 2 αxxyzyyα cossinsincos cossinsin         2 式中 σa为 P 点的原始地应力，MPa；τa为 P 点的诱 导应力，MPa；σxx、σyy分别为 P 点在 x 轴和 y 轴方 向上的应力，MPa；τyx为 P 点在 x 轴方向的剪应力， MPa；τyz为 P 点在 z 轴上的剪应力。其中 22 xxxxhH 22 yyyyHh yxyxHh cossin cossin ππ sincos 22                 3 式中 σH、σh分别为地层原始最大、最小主应力， MPa；Δσxx、Δσyy、Δτyx分别为 P 点水力裂缝的诱导 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 47 卷 应力，MPa；β 为原始最大主应力 σH和 y 轴的夹角， 。 其中，水力裂缝诱导应力的计算属于二维平面应变 问题[16]，则水力裂缝周围诱导应力为    2 12 xxnet112 3 1 2 1 2 2 12 yynet12 3 1 2 1 2 2 yxnet12 3 1 2 33 cossinsin1 222 33 cossinsin1 222 33 sincos 22 ra r p rr rr ra r p rr rr a r p rr                                                    4 图 3 水力裂缝延伸端部应力分布 Fig.3 Stress distribution at extending end of hydraulic fracture 式中 θ 为受力点 P 和裂缝中点 S 连线与裂缝延伸方 向y 轴的夹角，；a 为裂缝半长，m；pnet为施工 净压力，MPa；θ1为受力点和裂缝右端点连线 PN 与裂缝延伸方向 y 轴的夹角；θ2为受力点和裂缝左 端点连线 PM 与裂缝延伸方向 y 轴夹角。 r 为受力点 P 到裂缝中点 S 的距离；r1为受力点 P 到裂缝右端 点 N 的距离； r2为受力点 P 到裂缝左端点 M的距离。 根据图 3 所示几何关系，其中   22 11 1111 11 22 11 21111 11 sin cossin,arctan cos sin 2cossin,arctan 2cos r rarr rd r rarr ar                  5 进而得出压裂裂缝延伸距离 a 后裂缝周围应力 大小为  2 xxyyxxyy 2 1yx 2 xxyyxxyy 2 3yx yx 1 2 2 xx3yx 22 22 sin                                 6 式中 σ1和 σ3分别为局部最大、 最小主应力， 当 σ30 时，σ3为局部最大拉应力，MPa；ψ 为最大拉应力 方向，单位是弧度。 2.2 水力压裂能否穿过天然裂缝判断准则 a. 水力压裂裂缝沿天然裂隙延伸判断准则 水力压裂形成的裂缝与天然裂隙斜交时，天然 裂隙面相交点两侧的受力状态不同。假设天然裂隙 和水力裂缝延伸方向呈锐夹角的一侧为 A 侧，钝夹 角的一侧为 B 侧，如图 4 所示。 图 4 水力裂缝和天然裂隙相交示意图 Fig.4 Schematic diagram of intersection of hydraulic fracture and natural fracture 当水力裂缝逼近天然裂隙的角度小于水力裂缝 穿过天然裂隙所需的临界角度时，水力裂缝会优先 在天然裂隙面发生剪切或者拉张破坏。根据莫尔 库伦剪切破裂准则，在水力裂缝逼近天然裂隙的过 程中，天然裂隙发生剪切失稳的条件为 n0fnp Kp 7 式中 Kf为天然裂隙内摩擦系数；pp为地层孔隙压 力，MPa；τ0为天然裂隙固有抗剪切强度，MPa。 压裂液进入天然裂隙的条件为 n0 p 8 b. 水力压裂裂缝穿过天然裂隙的判断准则 水力压裂裂缝能够穿过天然裂隙，必须同时满足 ① 该点处所受最大周向拉应力大于煤岩的抗拉强度； ② 该点未发生沿天然裂隙面的剪切或者拉张破坏。即 3t n0fnp n0 0 Kp           9 式中 σt和 σ0分别为煤岩和天然裂隙面的抗拉强度， MPa；σn和 τn分别为天然裂隙面所受到的正应力和 ChaoXing 第 2 期 贾奇锋等 不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律 55 剪应力。 3 不同裂隙发育程度下水力压裂裂缝延伸规律 煤层裂隙发育程度不同，天然裂隙走向与水平 最大主应力的夹角不同，导致压裂时裂缝延伸方向 也有所不同。对柿庄区块节理进行野外实测，得出 最大主应力方向约为 NE50。应用水力压裂曲线与 G 函数[17]结合法得出水平最大和最小主应力，进而 得出 σxx和 σyy。根据判断准则结合诱导应力，以柿 庄区块实际各参数为例，对不同裂隙发育程度煤的 裂缝延伸规律进行探讨。 3.1 2 组天然裂隙发育情况下水力压裂裂缝延伸 规律 2 组天然裂隙发育煤以柿庄 SZ1 井为例进行分 析， 该井 2 组裂隙发育方向分别为 NE48和 NW50。 由该井的水力压裂曲线可知施工压力为 14.35 MPa， 结合 G 函数法求得水平最大、最小主应力分别为 20.70 MPa 和 13.84 MPa，进而得出未考虑诱导应力 时的原 σxx和原 σyy分别为 13.31 MPa 和 15.86 MPa。 根据式2和式3，计算出不同裂缝长度下应力情 况，结合式6式8，得出了不同裂缝延伸长度下 的主裂缝延伸方向表 2。 表 2 SZ1 井不同延伸长度下水力裂缝与天然裂隙的关系 Table 2 Relationship between hydraulic fracture and natural fracture with different extension length in CBM well SZ1 夹角/ 裂缝半 长/m 原 σn/ MPa 与天然裂 隙关系 x 方向诱导应 力 Δσxx/MPa y 方向诱导应 力 Δσyy/MPa 正应力变化 量 Δσn/MPa x 方向应力 σxx/MPa y 方向应力 σyy/MPa 正应力 σn/MPa 与天然裂 隙关系 2 10 13.31 沿着 6.37 6.36 6.38 6.94 9.50 6.93 沿着 2 20 13.31 沿着 9.41 9.39 9.41 3.90 6.47 3.90 沿着 2 30 13.31 沿着 11.74 11.72 11.75 1.57 4.14 1.57 沿着 2 40 13.31 沿着 13.71 13.68 13.72 0.40 2.18 –0.40 沿着 2 50 13.31 沿着 15.44 15.41 15.45 2.13 0.45 –2.14 沿着 2 60 13.31 沿着 17.01 16.98 17.02 3.70 1.12 –3.71 沿着 80 2 15.78 穿过 2.94 0.21 0.15 10.37 15.65 15.63 穿过 80 5 15.78 穿过 5.20 0.81 0.72 8.11 15.05 15.06 穿过 80 10 15.78 穿过 7.75 1.52 1.39 5.56 14.34 14.39 沿着 80 20 15.78 穿过 11.38 2.53 2.36 1.93 13.33 13.42 沿着 80 30 15.78 穿过 14.16 3.32 3.11 0.85 12.54 12.67 沿着 80 40 15.78 穿过 16.51 3.98 3.74 3.20 11.88 12.04 沿着 由表 2 可知，诱导应力考虑前后水力裂缝延伸 情况不同，未考虑诱导应力时，整个压裂过程中水 力裂缝延伸趋势为穿过与最大主应力夹角较大的一 组天然裂隙，并沿着与最大主应力夹角较小一组天 然裂隙延伸。考虑诱导应力后，刚开始压裂时，水 力裂缝穿过了与最大主应力夹角较大的天然裂隙， 并沿着与最大主应力夹角较小的天然裂隙方向延 伸；随着压裂的进行，裂缝延伸方向由单一方向逐 渐变为双向延伸，即 2 组天然裂隙方向，之后水力 裂缝一直沿着 2 组方向延伸，并逐渐在煤层中形成 复杂裂缝网络。究其原因为刚开始压裂时由于缝长 较短，导致诱导应力较小，进而使水力裂缝穿过与 最大主应力夹角较大的一组天然裂隙并沿着与最大 主应力夹角较小的另一组天然裂隙方向延伸，随着 压裂的进行，水力裂缝缝长增大，促使诱导应力随 之增大，导致水力裂缝无法穿过与最大主应力夹角 较大的那组天然裂隙，从而水力裂缝延伸方向由单 一方向变为双向延伸。 通过对 SZ1 井进行裂缝监测，发现水力裂缝延 伸整体有两种趋势，即 NE48和 NW50，且在其他 方向未发现裂缝延伸趋势，说明基于诱导应力的变 化来判断 2 组天然裂隙发育煤的水力裂缝延伸情况 比较符合实际。SZ1 井微地震裂缝监测结果见图 5。 图 5 SZ1 井微地震监测结果 Fig.5 Microseismic monitoring results of CBM well SZ1 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 47 卷 3.2 1 组天然裂隙发育情况下水力压裂裂缝延伸 规律 1 组天然裂缝发育煤以柿庄 SZ2 井为例进行分 析，这口井的天然裂隙发育方向为 NE51，由该井 的水力压裂曲线可知施工压力为 12.64 MPa， 结合 G 函数法求得水平最大、 最小主应力分别为 19.36 MPa 和 11.90 MPa，进而得出未考虑诱导应力时的原 σxx 和原 σyy分别为 12.25 MPa 和 14.60 MPa。结合式 6式8，得出了不同裂缝延伸长度下的主裂缝延 伸方向，见表 3。 表 3 SZ2 井不同天然裂隙处水力压裂裂缝延伸方向 Table 3 Extension direction of hydraulic fractures at different natural fractures in CBM well SZ2 夹角/ 裂缝半 长/m 原 σn/ MPa 与天然裂 隙关系 x 方向诱导应 力 Δσxx/MPa y 方向诱导应 力 Δσyy/MPa 正应力变化 量 Δσn/MPa x 方向应力 σxx/MPa y 方向应力 σyy/MPa 正应力 σn/MPa 与天然裂 隙关系 1 10 12.25 沿着 –2.39 –2.39 –2.39 9.86 12.21 9.86 沿着 1 20 12.25 沿着 –3.53 –3.52 –3.53 8.72 11.08 8.72 沿着 1 30 12.25 沿着 –4.40 –4.40 –4.40 7.85 10.20 7.85 沿着 1 40 12.25 沿着 –5.14 –5.13 –5.14 7.11 9.47 7.11 沿着 1 50 12.25 沿着 –5.79 –5.78 –5.79 6.46 8.82 6.46 沿着 1 60 12.25 沿着 –6.37 –6.37 –6.38 5.88 8.23 5.87 沿着 注表中–2.39 中的负号表示即诱导应力与应力方向相反，其他负号相同。 由表 3 可知，诱导应力考虑前后水力裂缝延伸 的整体趋势均为沿着天然裂隙，此为柿庄区块的特 殊性所致，即 1 组天然裂隙发育煤的裂隙方向与最 大主应力方向的夹角较小，导致诱导应力考虑前后 水力裂缝延伸方向变化不明显。但如果天然裂隙发 育方向与最大主应力夹角较大时，诱导应力考虑前 后水力裂缝的延伸情况截然不同，因而针对任何区 块的实际判断过程中均应考虑诱导应力。 对 SZ2 井进行微地震实测，发现该井水力裂缝 延伸方向整体趋势为 NE51，且在其他方向未发现 水力裂缝延伸趋势，说明运用上述判断准则来验证 一组天然裂隙发育煤的水力裂缝延伸情况基本是正 确的。SZ2 井微地震监测结果见图 6。 图 6 SZ2 微地震监测结果 Fig.6 Microseismic monitoring results of CBM well SZ2 3.3 粒状偶见及粉状无裂隙发育情况下水力压 裂裂缝延伸规律 当煤层段主要以粒状偶见裂隙煤为主时，因煤 粒与煤粒之间的间隙较大，水力压裂时，压裂液容 易在煤粒间的空隙中流动。 根据最低能量原理可知， 压裂裂缝容易沿着水平最大主应力方向延伸。在这 样的煤层中压裂时，裂缝延伸方向几乎是与水平最 大主应力平行的。由于压裂液更多是在煤粒间的空 隙流动，煤层中营造出的大裂隙较多，煤层气赋存 空间及与外界沟通的微裂隙较少，排水降压时煤层 气基本以扩散形式运移，因此，粒状煤层采用水力 压裂时气体运移速度慢， 难以实现较高的日产气量。 当煤层段主要以粉状无裂隙煤为主时，水力压 裂过程中，煤粉容易与压裂液结合形成糊状物，容 易堵塞煤层气运移的裂隙通道，压裂时这些糊状物 会与压裂液一起流动，使流动阻力增加，进而施工 压力增加，当压力升高到一定程度后，能冲破这些 糊状物形成的“堵塞带”继续前进，因此施工压力容 易表现出“升高–下降–再升高–再下降”的波状曲线， 且裂缝容易沿着水平最大主应力方向延伸。 4 结 论 a. 2 组天然裂隙发育煤，诱导应力考虑前后水 力裂缝的延伸情况不同，缝长较小时，水力裂缝延 伸趋势为穿过与最大主应力夹角较大的天然裂隙， 并沿着与最大主应力夹角较小的天然裂隙方向延 伸；随着缝长的增大，促使诱导应力随之增大，水 力裂缝无法穿过天然裂隙，导致水力裂缝延伸方向 由单一方向变为双向延伸。 b. 1 组天然裂隙发育煤，当天然裂隙与最大主 应力夹角较小时，诱导应力考虑前后水力裂缝的延 伸方向变化不明显，整体延伸趋势均为沿着天然裂 隙发育方向。 ChaoXing 第 2 期 贾奇锋等 不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律 57 c. 粒状偶见及粉状无裂隙煤，因煤粒间的间隙 较大，水力裂缝总会沿着最大主应力方向延伸。 参考文献 [1] 陈勉. 页岩气储层水力裂缝转向扩展机制[J]. 中国石油大学 学报自然科学版，2013，37588–94. 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