煤岩体积压裂机理研究

发布时间：2018-01-09 09:21

  本文关键词：煤岩体积压裂机理研究　出处：《西南石油大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：煤层气是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规天然气。通常煤层气开发经历降压-解吸-扩散-渗流4个过程。我国沁水盆地南部煤层气储层具有高阶、低渗、低孔和高含气的特征。为了提高该地区的煤层气产量,水力压裂已成为增产的关键技术,但现有的常规压裂手段仅在一定程度上改善了煤层气的渗流通道,未对煤层气的解吸-扩散做出显著贡献,致使煤层气单井产量低和经济效益差。体积压裂是从页岩气开发发展起来的一种新型压裂技术,论文借鉴页岩体积压裂的成功经验结合沁水盆地南煤岩地质特征提出了煤层气水平井体积压裂思路,通过体积压裂将煤层打碎,增大煤层改造体积。体积压裂不仅可以改善煤层气的渗流通道,而且在一定程度上“缩短”了煤层气渗流距离,进一步加快井底压降向地层传递的速度,进而促进煤层气大面积解吸达到增加单井产量的目的。然而,目前国内外对于煤层体积压裂的研究较少,对煤层压裂后形成缝网的能力认识不足,缺少针对煤岩压裂裂缝扩展的模拟方法。因此,本文以沁水盆地南煤层水平井为研究对象,通过室内实验、理论研究等手段对煤岩工程地质分析、煤岩可压性评价、水平井破裂压力计算及复杂缝网模拟等方面展开研究,具体内容包括以下几个方面：(1)调研国内外煤层气改造技术,分析影响煤层气单井产量的因素,针对现有压裂工艺技术存在的问题,提出煤岩水平井体积压裂改造思路。通过室内实验测定沁水盆地南部煤岩的孔渗特征、微观结构特征、割理发育特征和煤岩力学特征,对比常规油气储层与煤层气储层间的差异,深入分析了煤层气储层在地质和开采方面的非常规特性,为煤层气开发提供思路。(2)提出了一种煤岩体积压裂可压性综合评价方法,该方法考虑了煤岩力学特征、储层地应力、煤岩割理密度以及压裂施工净压力对多裂缝形成的影响,通过定量化处理后形成综合可压指数。利用该参数可以在压裂前就对区块煤岩地质的优劣进行评价,为后期的压裂设计提供思路,具有较好的经济性。(3)采用断裂力学的方法,计算水力裂缝的尖端区域和侧面区域的应力场,建立水力裂缝和煤岩割理间的相互作用关系；计算不同位置处割理的剪切和张开程度,分析割理内聚力、割理内摩擦角、净压力、割理逼近角以及差应力系数等参数对割理发生起裂的影响。(4)考虑煤岩割理发育的特点,分别建立水平井裸眼完井和射孔完井情况下煤岩本体起裂、割理张开起裂、割理剪切起裂和射孔尖端起裂四种起裂模型,并针对不同起裂模式以VB编程的方式计算相应的破裂压力。在四种起裂模式中,沿着割理张开时的起裂压力最低,而本体起裂时的破裂压力最高；在沿着最小水平主应力方向钻进时,本体起裂压力、割理张开压力和射孔尖端起裂压力最高,而剪切起裂压力最低；不同大小的破裂压力在憋压、转向等条件下形成了近井地带的多裂缝。(5)利用断裂力学知识,建立裂缝干扰和起裂压力间的影响关系。通过计算表明先压裂缝所形成的应力阴影会影响后压地层的破裂压力；随着裂缝净压力的增加,后压裂缝的起裂压力相对增加。(6)基于煤岩中发育着正交分布的面割理和端割理的特点,建立煤岩裂缝扩展模拟方法。该方法以离散元软件3DEC为平台,通过FISH语言程序进行建模和条件设置。相对有限元和边界元等方法而言,离散元方法能够更好地考虑煤岩中非连续结构特征,使得模拟结果更加符合真实情况。(7)通过对同等条件下室内真三轴实验的数值模拟,得出数值模拟结果与实验结果较吻合,在一定程度上实现了物理模拟与数值模拟的统一。通过对不同的施工参数与地质参数进行模拟发现：①随着排量的增加,水力裂缝波及的面积增大；②低差应力系数有利于分支裂缝的形成；③割理密度越大,缝网越复杂；④在低方位角(面割理与最大水平主应力的夹角)下分支裂缝不易产生,而在方位角为30。-50。时易产生分支裂缝；⑤分段压裂簇间距越小,形成的体积缝网越复杂。
[Abstract]:In order to improve the yield of coal bed gas in Qinshui basin , this paper presents a new type of fracturing technology for coal bed methane production . ( 3 ) The fracture mechanics method is adopted to calculate the stress field of the tip region and the side region of the hydraulic fracture , and to establish the interaction relation between the hydraulic fracture and the coal rock cutting mechanism . ( 7 ) Through the numerical simulation of the indoor true triaxial tests under the same condition , it is concluded that the numerical simulation results are consistent with the experimental results , and the physical simulation and numerical simulation are unified to a certain extent .

【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE377

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本文编号：1400838