基于声发射能量分析的周期注水应力改造下煤系页岩裂缝扩展规律试验研究
发布时间：2021-10-23 17:17
周期注水作为一种有效开采页岩气的应力改造技术,其对页岩裂缝起裂扩展影响机制尚不明确。基于页岩储层真实三维应力环境,研制了真三轴水力压裂试验系统,以黑龙江双鸭山矿区煤系页岩为研究对象,制作了煤系页岩相似材料模型,进行了先周期注水应力改造、后水力压裂的页岩裂缝扩展模拟试验。利用声发射技术监测了应力改造阶段和压裂阶段裂缝起裂扩展过程,根据声发射能量变化和频谱特征,分析了应力改造和水力压裂阶段的裂缝特征、起裂扩展规律,提出了基于声发射能量分析的水力压裂裂缝由起裂阶段进入扩展阶段的判别指标和判定方法。试验结果表明:应力改造阶段裂缝尺寸以微裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比减少,剪切型裂缝占比增加;压裂阶段裂缝尺寸以宏观裂缝为主,随周期注水压力增加,张拉型裂缝占比增加,剪切型裂缝占比减少,当周期注水压力为1.6MPa时为最优,易形成缝网。提出以平均声发射能量能率k作为裂缝起裂判据,发现当k降幅超过26.87%时,裂缝由起裂阶段进入扩展阶段。周期注水应力改造可以产生微裂缝,沟通水力裂缝降低压裂时裂缝起裂难度,从而提高页岩气开采率。所得结论可为水力压裂应力改造效果评价与裂缝控制提供参考。
【文章来源】：实验力学. 2020,35(04)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
煤系页岩岩样
表2 原岩与相似材料抗拉强度对比Tab.2 Comparison of tensile strength between original rock and similar model 组数 1 2 3 平均值 原岩 4.579 3.911 4.622 4.371 相似材料1 1.122 0.917 0.959 0.999 相似材料2 1.018 0.987 1.138 1.048 相似材料3 0.753 0.857 0.794 0.801 相似材料4 0.682 0.626 0.629 0.646 相似材料5 0.616 0.503 0.525 0.551 相似材料6 0.510 0.483 0.434 0.476图4 完成后的试件
图3 相似模型巴西劈裂试验基于相似性原理确定几何相似比为CL=10,应力比Cσ=10,抗拉强度比Ct=10。结合煤系页岩原岩的抗拉强度测定,经反复摸索相似材料配比进行抗拉强度测定试验,由表2可以发现,相似材料6配比模型抗拉强度σt=0.476MPa,与原岩抗拉强度相似比最为接近。该相似模型选择粒径小于1mm的石英砂作骨料,以水泥作胶结剂,并在其中添加一定量石膏模拟岩样的脆性,水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6。试验采用水平井模拟真实地矿,因此注水孔需要平行放置,从三轴加载腔处进行注水,在试件制作完成后制作注水孔,钻孔深度为120mm,钻孔直径为6mm,之后将注水孔上端部直径扩大至14mm,深度为12mm,用于放置内螺纹螺母。钻取完毕后,利用棉签清理钻孔。钻孔清理完毕后将带有卡套的注水管线放置固定于钻孔内,预留20mm的裸眼压裂段,注水管线与井壁之间的环空利用高强度环氧树脂胶封固。之后将内螺纹螺母固定于注水管线上,内螺纹螺母与井壁之间的空隙同样利用高强度环氧树脂胶封固,待高强度环氧树脂胶凝固后试件制作完毕,如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩石材料裂纹尖端起裂特性研究[J]. 唐世斌,张恒. 岩石力学与工程学报. 2017(03)
[2]含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析[J]. 孙可明,张树翠. 力学学报. 2016(05)
[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]页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响[J]. 孙可明,张树翠,辛利伟. 天然气工业. 2016(02)
[5]致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究[J]. 侯冰,谭鹏,陈勉,袁亮,熊振宇,许超兰. 岩土工程学报. 2016(02)
[6]页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究[J]. 郭印同,杨春和,贾长贵,徐敬宾,王磊,李丹. 岩石力学与工程学报. 2014(01)
[7]含水状态下油页岩非线性损伤蠕变特性研究[J]. 王俊光,梁冰,田蜜. 实验力学. 2014(01)
[8]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)
[9]页岩气吸附解吸规律研究[J]. 张志英,杨盛波. 实验力学. 2012(04)
[10]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)
本文编号：3453578
【文章来源】：实验力学. 2020,35(04)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
煤系页岩岩样
表2 原岩与相似材料抗拉强度对比Tab.2 Comparison of tensile strength between original rock and similar model 组数 1 2 3 平均值 原岩 4.579 3.911 4.622 4.371 相似材料1 1.122 0.917 0.959 0.999 相似材料2 1.018 0.987 1.138 1.048 相似材料3 0.753 0.857 0.794 0.801 相似材料4 0.682 0.626 0.629 0.646 相似材料5 0.616 0.503 0.525 0.551 相似材料6 0.510 0.483 0.434 0.476图4 完成后的试件
图3 相似模型巴西劈裂试验基于相似性原理确定几何相似比为CL=10,应力比Cσ=10,抗拉强度比Ct=10。结合煤系页岩原岩的抗拉强度测定,经反复摸索相似材料配比进行抗拉强度测定试验,由表2可以发现,相似材料6配比模型抗拉强度σt=0.476MPa,与原岩抗拉强度相似比最为接近。该相似模型选择粒径小于1mm的石英砂作骨料,以水泥作胶结剂,并在其中添加一定量石膏模拟岩样的脆性,水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6。试验采用水平井模拟真实地矿,因此注水孔需要平行放置,从三轴加载腔处进行注水,在试件制作完成后制作注水孔,钻孔深度为120mm,钻孔直径为6mm,之后将注水孔上端部直径扩大至14mm,深度为12mm,用于放置内螺纹螺母。钻取完毕后,利用棉签清理钻孔。钻孔清理完毕后将带有卡套的注水管线放置固定于钻孔内,预留20mm的裸眼压裂段,注水管线与井壁之间的环空利用高强度环氧树脂胶封固。之后将内螺纹螺母固定于注水管线上,内螺纹螺母与井壁之间的空隙同样利用高强度环氧树脂胶封固,待高强度环氧树脂胶凝固后试件制作完毕,如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩石材料裂纹尖端起裂特性研究[J]. 唐世斌,张恒. 岩石力学与工程学报. 2017(03)
[2]含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析[J]. 孙可明,张树翠. 力学学报. 2016(05)
[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]页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响[J]. 孙可明,张树翠,辛利伟. 天然气工业. 2016(02)
[5]致密灰岩储层压裂裂缝扩展形态试验研究[J]. 侯冰,谭鹏,陈勉,袁亮,熊振宇,许超兰. 岩土工程学报. 2016(02)
[6]页岩水力压裂物理模拟与裂缝表征方法研究[J]. 郭印同,杨春和,贾长贵,徐敬宾,王磊,李丹. 岩石力学与工程学报. 2014(01)
[7]含水状态下油页岩非线性损伤蠕变特性研究[J]. 王俊光,梁冰,田蜜. 实验力学. 2014(01)
[8]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)
[9]页岩气吸附解吸规律研究[J]. 张志英,杨盛波. 实验力学. 2012(04)
[10]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)
本文编号：3453578
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