大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验_姜伟.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. No.156 Coalfield Geological Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, rmqi 830000, China; 3. CNPC Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300000, China Abstract In order to study the hydraulic fracture geometry in high-dip coal seam, a large-scale true triaxial frac- turing simulation system was used to carry out physical simulation experiments, and the hydraulic fracture geome- try of the maximum horizontal principal stress along the strike direction and along the dip direction-in 60 dip coal seam were investigated respectively. Experimental results of the maximum principal stress direction along the strike direction show that hydraulic fracture initiation is easily; fracture height is limited in the whole time; frac- ture connectivity is good; fracture propagates mainly along bedding and natural fracture, vertical fracture is ed; the influence of high-dip on stimulation is relatively small; massive volume stimulation is needed. Experimental results of the maximum principal stress direction along the dip direction show that hydraulic fracture initiation is hard; fracture height is limited in the early time and out of control in the later period; fracture connectivity is poor; fracture is not easy to influenced by joint, and hydraulic fracture propagates difficultly; fracture diversion and multi-stage breakdown can be observed in the fracturing curve; small volume but multi-stage stimulation is needed. The experimental results have a good guiding effect on the stimulation model and scale determination of the high-dip coal seam in Xinjiang and other regions. Keywords coalbed methane; high-dip angle; stress direction; hydraulic fracture geometry; physical simulation; constraction scale; Xinjiang Fukang ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 48 卷 我国煤层气资源丰富，其中，新疆煤层气资源 占全国煤层气预测资源量的26[1]， 与国内外其他煤 层气藏相比， 新疆阜康白杨河矿区煤层具有低煤阶、 大倾角地层倾角一般4268，局部倒转的地质特 点[2]，煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地 区水平煤层有较大差异，水平煤层压裂一般形成水平 裂缝，裂缝高度扩展受限，大倾角煤层是否形成水平 缝，高度上如何扩展等问题需进一步研究。 目前， 对大倾角煤层压裂方面的研究工作较少， 程亮等[3]开展倾斜地层水力压裂数值模型推导和相 关试验，得到施工压力随煤层倾角增大而增大；谢 相军[4]统计了大量现场压裂施工井及裂缝监测结 果，采用压降分析方法对阜康白杨河矿区的大倾角 煤层水力裂缝形态、方位等参数进行研究，并提出 了相应的增产改造建议；罗骁[5]建立大倾角煤层 L 井破裂点及破裂压力计算模型，对大倾角煤层破 裂压力计算提供一定指导；高建成等[6]采用数值模 拟方法开展不同倾角煤层对水力压裂压力的影响， 水力压裂压力随煤层倾角增大而减小，达到一定值 后又随着煤层倾角的增大而增大；王志荣等[7]分析 了煤层倾角和埋深对压裂起裂压力和起裂位置影 响，起裂压力在埋深相同时不随煤层倾角的改变而 改变。前人研究主要是采用数值模拟方法，计算大 倾角煤层倾角变化导致的施工压力变化，并未考虑 最大主应力方向对施工压力和裂缝形态的影响。基 于前人的研究认识，为了研究大倾角煤层条件下， 水力压裂裂缝扩展过程、裂缝形态的演化规律，笔 者采用大尺寸真三轴压裂模拟系统，分别开展最大 水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60倾角煤 层水力裂缝形态物理模拟实验，探讨固定倾角下， 应力方向对施工压力和裂缝形态的影响，并对不同 应力方向下的水力压裂施工模式进行探讨。 1 实验设备及方法 1.1 实验装置与试样制备 大尺寸真三轴压裂模拟系统主要由真三轴岩样 模型、真三轴压力加载系统、恒流速恒压泵、电器控 制系统、数据采集系统、管阀件、辅助装置等部分组 成，如图 1 所示。应力加载系统在水平方向和垂直方 向最大应力分别可以达到 30 MPa 和 15 MPa，恒速恒 压泵采用双缸连续供液方式，最大注入压力 65 MPa。 实验煤样采集自新疆阜康乌东矿井 43 号煤， 采 集煤样标高 460480 m，煤层埋深 300 m 左右，煤 层裂隙长度 0.012.70 cm，高度 0.011.90 cm，宽度 1550 μm，密度 0.608.20 条/cm，裂隙系统多呈网 状和平行状， 煤层倾角 4268， 煤体结构以碎裂 碎粒煤为主。 图 1 大尺寸真三轴压裂模拟系统示意 Fig.1 Sketch map of large size true triaxial fracturing simulation system 采 用 环 形 全 封 闭 数 控 砂 线 切 割 机 床 型 号 DL7750切割煤样，沿着煤样层理和与层理呈 60方 向将煤块切割成倾斜煤样立方体，如图 2a 所示。在 煤样周围采用水泥包裹制成 38 cm38 cm38 cm 试 样包裹试样水泥采用煤粉和水泥按照 37∶比例制 作，尽可能模拟煤层周围岩石性质，并在煤样中心 钻孔，以模拟井眼至煤样中部、在距离井底 2 cm 处 下套管固井，如图 2b 所示。 1.2 实验方法 通过计算， 储层段最小水平主应力梯度为0.02 MPa/m， 井深 750 m，则实验加载最小水平主应力 15 MPa、 最大水平主应力 19 MPa、垂向应力 14.5 MPa。 采用速度相似准则，结合实验模型尺寸，确定实 验室物理模拟实验排量。 现场施工排量 12 m3/min， 套 管内径 124.26 mm，煤层平均厚度 17 m，实验室注入 管线内径 3 mm，实验室设定水力裂缝贯穿煤样，高 度取 38 cm。确定物理模拟实验排量为 150 mL/min。 1.3 实验步骤 开展 2 块试样的水力压裂模拟实验模拟压 裂液使用 1 KCl 活性水。模拟 60倾斜地层，分 别按最大主应力沿地层倾向和沿地层走向开展模拟 压裂实验。 实验流程按照制样入仓应力加载 压裂出仓外观观察剖开观察的顺序进行。 2 大倾角煤层水力压裂裂缝形态 2.1 最大主应力沿地层走向的水力裂缝形态 如图 3a 所示，恒定注入排量 150 mL/min，压裂 过程中压力沿一定斜率直线逐渐上升，从 2 MPa 逐 ChaoXing 第 3 期 姜伟等 大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验 47 渐上升到 6 MPa。双对数曲线[8-9]中图 3b，前期斜 率为 1.375，后期斜率为 0.303，反映了裂缝向前延 伸过程中缝高受限。停泵后压力很快降到零，说明 裂缝连通性较好。 图 2 模拟实验煤样 Fig.2 Coal samples for simutation experiment 图 3 最大主应力沿地层走向实验压裂曲线及双对数曲线 Fig.3 The fracturing curve and the logarithmic curve of maximum principal stress along the direction of the ation strike 试样从加压舱中取出后可以看到明显的水力裂 缝图 4a， 水力裂缝为沿最大主应力方向的垂直缝， 从试样外表来看，人工裂缝基本贯穿整个试样，且 裂缝宽度较大， 所以压裂停泵后的压力很快降到零。 煤样剖开后观察到明显的人工裂缝，染料铺满整个 裂缝面；裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝方向， 由于地层倾角较大，形成垂直缝形态图 4b。 2.2 最大主应力沿地层倾向的水力裂缝形态 由图 5a 可以看出，开始采用 150 mL/min 排量 恒流注入时， 压力上升特别快， 决定改用 50 mL/min 恒流注入尝试压裂，50 mL/min 注入后压力快速上 升到 19 MPa，后续采用 50 mL/min 完成压裂。注入 过程中压力缓慢下降， 由 19 MPa 降至 9.5 MPa； 其中 出现多次破裂，双对数曲线中图 5b前期斜率为 图 4 最大主应力沿地层走向模拟压裂后煤样的内外形态 Fig.4 Coal sample after simulated fracturing at maximum principal stress along the direction of the ation strike ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 48 卷 1.209，说明裂缝高度和长度扩展受限，后期斜率小 于零，缝高失控。停泵后压力缓慢下降，说明裂缝 连通性较差。 试样从加压舱中取出后可以看到明显的水力裂 缝，水力裂缝基本沿着煤与水泥的交界面，有一条垂 直交界面的水力裂缝图 6a。将煤样剖开，煤中裂缝网 络纵横交错，所有层理和割理基本都有颜料，任意选 择一个面剖开均可以看到颜料呈星点状分布图 6b。 图 5 最大主应力沿地层倾向实验压裂曲线及双对数曲线 Fig.5 The fracturing curve and the logarithmic curve of maximum principal stress along the dip of the strata 图 6 最大主应力沿地层倾向模拟压裂后煤样的内外形态 Fig.6 Coal sample after simulated fracturing at maximum principal stress along the dip of the strata 3 讨 论 水力压裂过程中，水力裂缝沿最大主应力方向 扩展，但同时受到层理的影响，尤其对于层理特别 发育的煤储层，水力裂缝的起裂和扩展都与层理面 密切相关[10]。当最大主应力方向沿煤层走向，即最 大主应力方向沿层理方向，水力裂缝沿最大主应力方 向扩展与层理弱面方向一致， 使得裂缝起裂较为容易， 且由于储层倾角较大，形成垂直缝形态，在整个扩展 过程中裂缝高度不断扩展，裂缝延伸较远[11-12]，故针 对此类储层建议开展活性水大规模大排量压裂，或 者采用低黏瓜胶提高液体携砂性能，提高较长裂缝 的远端支撑[13]。 对于最大主应力方向沿地层倾向，即最大主应 力方向沿节理方向，裂缝沿节理方向扩展与层理弱 面方向垂直，导致裂缝开启困难，且很快达到试样 的最大高度。裂缝在沿最大主应力节理方向与沿 层理弱面方向间来回转换，导致裂缝转向和多级破 裂较多。最终形成的裂缝为沿节理的近水平缝与沿层 理的垂直缝相互交织的复杂缝。裂缝长度较小，故针 对此类储层建议开展活性水小规模改造[14-15]，采用连 续油管拖动等分层工具，提高储层纵向动用程度。 4 现场试验 选取煤储层为大倾角的 Z-5煤层气井开展微地 震裂缝监测， Z-5井是一口沿地层倾向钻进的大斜度 井，地层走向 NE 向65，倾角65左右，采用连续油 管水力喷射环空加砂底部封隔器拖动压裂，共进 行4段压裂，每段平均液量800 m3，砂量45 m3，施工排 量78 m3/min，监测的裂缝走向 NE 向65100，裂缝 延伸方向主要沿地层走向，监测裂缝倾角90，全部为 垂直缝表1，现场监测与室内实验结果一致。 5 结 论 a. 大倾角煤样压裂物理模拟实验表明，最大主 应力方向沿煤层走向时，裂缝起裂容易，缝高受限， 裂缝连通性好， 裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝， 由于地层倾角较大，形成垂直缝，地层倾角对施工 影响相对较小。 ChaoXing 第 3 期 姜伟等 大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验 49 表 1 Z-5 井微地震监测结果 Table 1 Microseismic monitoring results of well Z-5 压裂层段 井深/m 垂深/m 走向/ 倾角/ 平面最大长度/m 垂向长度/m 裂缝面面积/万 m2 1 665 646 NE65 90 100 100 1 2 654 637 NE65 90 260 450 8 3 532 527 NE100 90 430 340 10 4 508 504 NE90 90 480 500 13 b. 最大主应力方向沿地层倾向时，裂缝起裂困 难，前期裂缝扩展受限，后期缝高失控，裂缝连通 性差；受节理影响，不易形成主缝，转向及多级破 裂较多。 c. 现场微地震裂缝监测证实，大倾角煤层沿地 层倾向钻进时，形成以垂直缝为主的裂缝形态。 d. 最大主应力方向沿地层走向时，沿地层倾向 钻进为优势钻进方向，形成横切井筒的垂直缝，建 议大规模改造，但大倾角煤层水力裂缝向上延伸距 离较远，建议适当控制施工排量；最大主应力方向 沿倾向时，受应力和层理的双重控制，水力压裂施 工难度较大，建议采用多级小规模改造。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 陶小晚，王俊民，胡国艺，等. 新疆煤层气勘探开发现状及展 望[J]. 天然气地球科学，2009，203454–459. 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