水平地应力差对周期注水应力改造水力压裂影响的试验研究
发布时间：2020-12-19 11:07
为揭示地应力环境对周期注水应力改造提高压裂效果的影响规律,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,克服煤系页岩非均质性,利用相似比制作型页岩试件,开展了实验室真三轴水力压裂试验。利用声发射技术监测裂缝起裂和扩展特征,通过RA-AF散点分布特征给出了应力改造和压裂阶段主导裂缝类型,分析得到了周期注水应力改造下水平地应力差对裂缝特征以及裂缝起裂、扩展的影响规律,提出了起裂阶段与扩展阶段声发射判断指标。试验结果表明:应力改造阶段裂缝起裂与扩展以微裂缝为主,剪切型微裂缝占比波动上升,第2个周期裂缝主频范围最大,裂缝发育最为活跃;压裂阶段裂缝起裂与扩展以宏观裂缝为主,张拉型裂缝占比呈增加趋势,当水平地应力差与注水压力接近2.0MPa时,张拉型裂缝占比最大,分布范围最广,压裂效果最显著。另外,本文提出了裂缝起裂与扩展阶段声发射判断指标为平均声发射能率k。k降幅在37.74%以上时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以减小水平地应力差对裂缝扩展的约束能力,促进微裂缝大量发育、沟通天然裂缝形成缝网,从而提高页岩气开采率。
【文章来源】：应用力学学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
水平地应力差为2MPa时注水压力与声发射能量变化曲线Fig.6Changecurveofwaterinjectionpressureandacousticemissionenergywhenhorizontalstressdifferenceis2MPa
能性。本文以实际工程为背景，以煤系页岩为研究对象，利用课题组自主研制的真三轴试验系统进行试验，采用声发射进行实时检测，探究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律。2试验方法2.1试件制备黑龙江双鸭山矿区煤系页岩含量大，具有煤系页岩典型性，以此为研究对象研究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律，采集完成后用保鲜膜包裹并运至实验室。通过对原岩的加工发现，原岩不易切割、加工，不利于展开单因素研究，所以本文利用相似材料展开试验。煤系页岩岩样见图1。图1煤系页岩岩样Fig.1Coalshalerocksample原岩试件通过单轴压缩试验测得原岩弹性模量为0.76GPa，泊松比为0.213。由于抗拉强度是影响水力压裂裂缝起裂扩展的主要因素，以此为依据分别对原岩和相似材料进行巴西劈裂试验(如图2所示)，结果如表1所示，选最优配比方案。图2原岩与相似模型巴西劈裂试件Fig.2OriginalrockandsimilarmodelBrazilsplittingspecimens表1原岩与相似材料抗拉强度对比(单位：MPa)Tab.1Comparisonoftensilestrengthbetweenoriginalrockandsimilarmaterials(unit：MPa)组数(groupnumber)平均值123(averagevalue)原岩(originalrock)4.5793.9114.6224.371相似材料1(similarmaterials1)0.6820.6260.6290.646相似材料2(similarmaterials2)0.6160.5030.5250.551相似材料3(similarmaterials3)0.5100.4830.4340.476根据力学模型的相似理论，确定相似比为10，由表1可知相似材料3更符合原岩特性，因而确定相似材料质量比为水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6，添加石膏以模拟原岩脆性，石膏5%，选择粒径小
逞液?看螅?哂忻合?页岩典型性，以此为研究对象研究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律，采集完成后用保鲜膜包裹并运至实验室。通过对原岩的加工发现，原岩不易切割、加工，不利于展开单因素研究，所以本文利用相似材料展开试验。煤系页岩岩样见图1。图1煤系页岩岩样Fig.1Coalshalerocksample原岩试件通过单轴压缩试验测得原岩弹性模量为0.76GPa，泊松比为0.213。由于抗拉强度是影响水力压裂裂缝起裂扩展的主要因素，以此为依据分别对原岩和相似材料进行巴西劈裂试验(如图2所示)，结果如表1所示，选最优配比方案。图2原岩与相似模型巴西劈裂试件Fig.2OriginalrockandsimilarmodelBrazilsplittingspecimens表1原岩与相似材料抗拉强度对比(单位：MPa)Tab.1Comparisonoftensilestrengthbetweenoriginalrockandsimilarmaterials(unit：MPa)组数(groupnumber)平均值123(averagevalue)原岩(originalrock)4.5793.9114.6224.371相似材料1(similarmaterials1)0.6820.6260.6290.646相似材料2(similarmaterials2)0.6160.5030.5250.551相似材料3(similarmaterials3)0.5100.4830.4340.476根据力学模型的相似理论，确定相似比为10，由表1可知相似材料3更符合原岩特性，因而确定相似材料质量比为水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6，添加石膏以模拟原岩脆性，石膏5%，选择粒径小于1mm的石英砂为骨料，水泥为胶结剂。将以上材料均匀混合放置在内壁涂满油的200mm×200mm×200mm的ABS模具内，充分捣鼓以消除气泡，填满ABS模具并将表面抹平，放置于室内，静置24h脱模，在室内温度及适度条件下养护28天，
【参考文献】：
期刊论文
[1]大斜度井水力压裂裂缝扩展模拟实验分析[J]. 侯冰,张儒鑫,刁策,李良川,程谟骥. 中国海上油气. 2016(05)
[2]孔隙率对页岩相似材料破坏影响的试验研究[J]. 王永岩,朱羽萌,范夕燕,甘小南,郭鹏. 应用力学学报. 2016(04)
[3]煤系非常规天然气资源特征及分隔合采技术[J]. 傅雪海,德勒恰提·加娜塔依,朱炎铭,申建,李刚. 地学前缘. 2016(03)
[4]页岩宏观破裂模式与微观破裂机理[J]. 钟建华,刘圣鑫,马寅生,尹成明,刘成林,李宗星,刘选,李勇. 石油勘探与开发. 2015(02)
[5]地应力差对煤层水力压裂的影响[J]. 李树刚,马瑞峰,许满贵,徐刚. 煤矿安全. 2015(03)
[6]水力裂缝逼近时天然裂缝稳定性分析[J]. 赵金洲,杨海,李勇明,王刚,伍洲. 天然气地球科学. 2014(03)
[7]含气页岩破坏模式及力学特性的试验研究[J]. 李庆辉,陈勉,金衍. 岩石力学与工程学报. 2012(S2)
[8]我国大陆实测深部地应力分布规律研究[J]. 李新平,汪斌,周桂龙. 岩石力学与工程学报. 2012(S1)
[9]地应力与天然裂缝对煤储层破裂压力的影响[J]. 朱宝存,唐书恒,颜志丰,张佳赞. 煤炭学报. 2009(09)
[10]中国地应力场分布规律统计分析[J]. 赵德安,陈志敏,蔡小林,李双洋. 岩石力学与工程学报. 2007(06)
博士论文
[1]煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D]. 黄炳香.中国矿业大学 2009
硕士论文
[1]水力压裂裂缝扩展规律和破裂压力的数值研究[D]. 孙剑秋.大连理工大学 2015
本文编号：2925794
【文章来源】：应用力学学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
水平地应力差为2MPa时注水压力与声发射能量变化曲线Fig.6Changecurveofwaterinjectionpressureandacousticemissionenergywhenhorizontalstressdifferenceis2MPa
能性。本文以实际工程为背景，以煤系页岩为研究对象，利用课题组自主研制的真三轴试验系统进行试验，采用声发射进行实时检测，探究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律。2试验方法2.1试件制备黑龙江双鸭山矿区煤系页岩含量大，具有煤系页岩典型性，以此为研究对象研究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律，采集完成后用保鲜膜包裹并运至实验室。通过对原岩的加工发现，原岩不易切割、加工，不利于展开单因素研究，所以本文利用相似材料展开试验。煤系页岩岩样见图1。图1煤系页岩岩样Fig.1Coalshalerocksample原岩试件通过单轴压缩试验测得原岩弹性模量为0.76GPa，泊松比为0.213。由于抗拉强度是影响水力压裂裂缝起裂扩展的主要因素，以此为依据分别对原岩和相似材料进行巴西劈裂试验(如图2所示)，结果如表1所示，选最优配比方案。图2原岩与相似模型巴西劈裂试件Fig.2OriginalrockandsimilarmodelBrazilsplittingspecimens表1原岩与相似材料抗拉强度对比(单位：MPa)Tab.1Comparisonoftensilestrengthbetweenoriginalrockandsimilarmaterials(unit：MPa)组数(groupnumber)平均值123(averagevalue)原岩(originalrock)4.5793.9114.6224.371相似材料1(similarmaterials1)0.6820.6260.6290.646相似材料2(similarmaterials2)0.6160.5030.5250.551相似材料3(similarmaterials3)0.5100.4830.4340.476根据力学模型的相似理论，确定相似比为10，由表1可知相似材料3更符合原岩特性，因而确定相似材料质量比为水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6，添加石膏以模拟原岩脆性，石膏5%，选择粒径小
逞液?看螅?哂忻合?页岩典型性，以此为研究对象研究水平地应力差对周期注水应力改造下煤系页岩水力压裂规律，采集完成后用保鲜膜包裹并运至实验室。通过对原岩的加工发现，原岩不易切割、加工，不利于展开单因素研究，所以本文利用相似材料展开试验。煤系页岩岩样见图1。图1煤系页岩岩样Fig.1Coalshalerocksample原岩试件通过单轴压缩试验测得原岩弹性模量为0.76GPa，泊松比为0.213。由于抗拉强度是影响水力压裂裂缝起裂扩展的主要因素，以此为依据分别对原岩和相似材料进行巴西劈裂试验(如图2所示)，结果如表1所示，选最优配比方案。图2原岩与相似模型巴西劈裂试件Fig.2OriginalrockandsimilarmodelBrazilsplittingspecimens表1原岩与相似材料抗拉强度对比(单位：MPa)Tab.1Comparisonoftensilestrengthbetweenoriginalrockandsimilarmaterials(unit：MPa)组数(groupnumber)平均值123(averagevalue)原岩(originalrock)4.5793.9114.6224.371相似材料1(similarmaterials1)0.6820.6260.6290.646相似材料2(similarmaterials2)0.6160.5030.5250.551相似材料3(similarmaterials3)0.5100.4830.4340.476根据力学模型的相似理论，确定相似比为10，由表1可知相似材料3更符合原岩特性，因而确定相似材料质量比为水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6，添加石膏以模拟原岩脆性，石膏5%，选择粒径小于1mm的石英砂为骨料，水泥为胶结剂。将以上材料均匀混合放置在内壁涂满油的200mm×200mm×200mm的ABS模具内，充分捣鼓以消除气泡，填满ABS模具并将表面抹平，放置于室内，静置24h脱模，在室内温度及适度条件下养护28天，
【参考文献】：
期刊论文
[1]大斜度井水力压裂裂缝扩展模拟实验分析[J]. 侯冰,张儒鑫,刁策,李良川,程谟骥. 中国海上油气. 2016(05)
[2]孔隙率对页岩相似材料破坏影响的试验研究[J]. 王永岩,朱羽萌,范夕燕,甘小南,郭鹏. 应用力学学报. 2016(04)
[3]煤系非常规天然气资源特征及分隔合采技术[J]. 傅雪海,德勒恰提·加娜塔依,朱炎铭,申建,李刚. 地学前缘. 2016(03)
[4]页岩宏观破裂模式与微观破裂机理[J]. 钟建华,刘圣鑫,马寅生,尹成明,刘成林,李宗星,刘选,李勇. 石油勘探与开发. 2015(02)
[5]地应力差对煤层水力压裂的影响[J]. 李树刚,马瑞峰,许满贵,徐刚. 煤矿安全. 2015(03)
[6]水力裂缝逼近时天然裂缝稳定性分析[J]. 赵金洲,杨海,李勇明,王刚,伍洲. 天然气地球科学. 2014(03)
[7]含气页岩破坏模式及力学特性的试验研究[J]. 李庆辉,陈勉,金衍. 岩石力学与工程学报. 2012(S2)
[8]我国大陆实测深部地应力分布规律研究[J]. 李新平,汪斌,周桂龙. 岩石力学与工程学报. 2012(S1)
[9]地应力与天然裂缝对煤储层破裂压力的影响[J]. 朱宝存,唐书恒,颜志丰,张佳赞. 煤炭学报. 2009(09)
[10]中国地应力场分布规律统计分析[J]. 赵德安,陈志敏,蔡小林,李双洋. 岩石力学与工程学报. 2007(06)
博士论文
[1]煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D]. 黄炳香.中国矿业大学 2009
硕士论文
[1]水力压裂裂缝扩展规律和破裂压力的数值研究[D]. 孙剑秋.大连理工大学 2015
本文编号：2925794
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