CN102279131A - 一种煤层水力压裂模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层水力压裂模拟实验方法，该方法包括下列步骤：a)分析所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的煤岩材料，根据所述的天然裂缝形态特征，将所述煤岩材料加工成六面体块体；选择包裹层对所述块体进行外部浇铸，形成模拟试件；b)选择荧光粉作为示踪剂，制作压裂液；c)利用所述模拟试件及所述压裂液进行模拟压裂实验；实验后获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。对于性质脆且易碎，加工困难的煤岩，通过该方法浇铸包裹层后，可使试件整体外观变得平整规则，并能很好地控制煤岩层理、割理的方位。实验结果采集时，荧光粉可清晰的显示出水力裂缝的范围，尤其可以显示出肉眼一般无法观察到的细微裂缝。

Description

一种煤层水力压裂模拟实验方法

技术领域

本发明是关于煤层气水力压裂增产技术，特别是关于一种煤层水力压裂模拟实验方法。

背景技术

大尺寸真三轴水力压裂实验是一种在实验室中研究水力压裂技术的方法。目前，随着煤层气资源开发的兴起，人们对煤层气开采及增产方面进行了广泛的研究。实践证明，水力压裂技术是一种适用于煤层气增产的技术。因此，为了研究煤层气水力压裂增产机理，就需要进行实验室模拟实验。

煤岩与油田油气储层岩石性质差异显著，煤岩具有大量层理、割理的结构特性及性脆质软的物理性质，要求在实验中对模拟试件进行改进。

另外，在水力压裂实验中，为了在实验结束后观察水力裂缝的形态及范围尺寸，常采用在压裂液中添加染色剂的方法来实现。对于不含复杂天然裂缝的模拟试件及只产生一条水力裂缝的模拟实验，这种方法可以满足实验要求。但是，对于煤岩等天然裂缝发育程度较高的岩石，有时光靠染色剂很难识别出微小水力裂缝，难以区分天然裂缝与水力裂缝。

发明内容

本发明提供一种煤层水力压裂模拟实验方法，该方法可以很好地控制煤岩层理、割理的方位，并清晰的显示出水力裂缝的范围。

为了实现上述目的，本发明提供一种煤层水力压裂模拟实验方法，该方法包括下列步骤：a)分析所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的煤岩材料，根据所述的天然裂缝形态特征，将所述煤岩材料加工成六面体块体；选择包裹层对所述块体进行外部浇铸，形成模拟试件；b)选择荧光粉作为示踪剂，制作压裂液；c)利用所述模拟试件及所述压裂液进行模拟压裂实验；实验后获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。

进一步地，所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征包括：煤岩层理面的走向、倾向、倾角，割理面与原位地应力方向的空间关系。

进一步地，在步骤a)中，要选取浅层煤矿开采出的煤岩材料，并将所述煤岩材料加工成各表面分别平行于层理面、割理面的六面体块体；浇铸包裹层时，控制煤岩的方位，使煤岩的层理及割理的方位角、倾角与实验设定值相同。

进一步地，在步骤b)中，选择白色或者黄色荧光粉作为示踪剂，压裂液的成分包括水、胍胶及荧光粉。

进一步地，在步骤c)中，首先将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架，根据实验参数进行模拟压裂实验，并在紫外线的照射下获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。

进一步地，在制作模拟试件时，设定层理面与水平面平行，面割理延伸方向与最大水平地应力方向相同。

进一步地，所述六面体块体的尺寸小于30cm×30cm×30cm，所述模拟试件的尺寸为30cm×30cm×30cm。

进一步地，所述的实验参数包括：三向围压，其中，垂直方向围压为15MPa，水平方向围压为8MPa、5MPa。

进一步地，所述的实验参数包括压裂液注入排量，排量值为0.3ml/s。

本发明的有益效果在于，对于性质脆且易碎，加工困难的煤岩，通过该方法浇铸包裹层后，可使试件整体外观变得平整规则，并能很好地控制煤岩层理、割理的方位。实验结果采集时，经过紫外线灯照射，荧光粉可清晰的显示出水力裂缝的范围，尤其可以显示出肉眼一般无法观察到的细微裂缝。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例煤层水力压裂实验方法流程图；

图2为本发明实施例煤岩裂隙分布示意图；

图3为本发明实施例煤岩模拟试件示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了对煤层进行水力压裂模拟实验，并在实验中更有效的观察水力裂缝形态及几何尺寸，克服现有技术在区分水力裂缝与天然裂缝及显示微小裂缝方面的不足，本发明提供一种煤层水力压裂实验方法，如图1所示，该方法包括下列步骤：

步骤S101：分析所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的煤岩材料，根据所述的天然裂缝形态特征，将所述煤岩材料加工成六面体块体；选择包裹层对所述块体进行外部浇铸，形成模拟试件；

步骤S102：选择荧光粉作为示踪剂，制作压裂液；

步骤S103：利用所述模拟试件及所述压裂液进行模拟压裂实验；实验后获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。

由上所述，本发明在浇铸包裹层后，可使试件整体外观变得平整规则，并能很好地控制煤岩层理、割理的方位。实验结果采集时，荧光粉可清晰的显示出水力裂缝的范围，尤其可以显示出肉眼一般无法观察到的细微裂缝。

在本发明实施方式中，所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征包括：煤岩层理面的走向、倾向、倾角，割理面与原位地应力方向的空间关系。

煤岩的非均质性和各向异性突出表现在，其组成成份在同一煤层中不同方向(纵向和横向)和不同深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显的层状构造和孔隙结构所体现出的差异。

煤岩是一种天然裂缝发育程度较高的岩石，在煤的形成过程中，受各种地质因素的影响，使煤体内含有大量裂隙。

层理为煤岩层的第一级弱结合面，割理为次一级弱结合面。这些弱结合面对煤岩试样的制备、力学物理性质的测试，以及对煤层水力压裂造缝机理和裂缝发育规律都有不容忽视的影响。从力学的观点客观地看，水力压裂目的岩层(特别是煤岩层)应视为正交各向异性体或横观各向同性体。

煤岩中内生裂隙有大致互相垂直的两组，其裂隙组中一组较发育，称为主要裂隙组；另一组则较稀疏，称为次要裂隙组，如图2所示，1为层理面，2为主要裂隙组，3为次要裂隙组。根据在层面上的形态和特征，可以将割理分为面割理(即主要裂隙组)和端割理(即次要裂隙组)，两组割理与煤层层面垂直或陡角相交。其中面割理与层面近似平行，一般呈板状延伸，连续性较好，是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间，与层面近似垂直，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次内生裂隙。由于煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，总体密度大，在空间上交割成立体网状，从而把煤体切割成一系列的斜方形基质块。

因此，在模拟试件的制作过程中，要充分考虑目标地层的裂隙形态特征，具体主要涉及到煤岩层理面的走向、倾向、倾角，割理面与原位地应力方向的空间关系。

在步骤S101中，选取煤岩材料时，一般要选取浅层煤矿开采出的煤岩材料，并将所述煤岩材料加工成各表面分别平行于层理面、割理面的六面体块体。这里需要注意的是，煤岩材料不一定必须在浅层煤矿取样，一般来说取样地点越接近实际研究地点越好，比如煤矿深井井下的煤岩，这里是考虑到取样的难易程度，所以选取浅层取样相对容易一些。

在水力压裂模拟实验中，模拟试件的材料选取十分重要。通常最佳的选择是使用目标地层的真实岩心制作试件，但水力压裂的施工对象为位于地表以下上千米的地层，一般情况下实际地层的岩心获取十分困难，且岩心的尺寸往往很难满足实验要求，因此很多时候只能采用浅部地层或岩层露头处的岩石。

本实施例中选取浅层煤矿开采出的煤岩作为制作模拟试件的材料。对于选定的煤岩岩块，根据对所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征的分析，将选定的煤岩岩块初步加工成各表面分别平行于层理面、割理面的六面体块体。煤块尺寸略小于30cm×30cm×30cm。

由于煤岩中裂隙发育程度较高，且性质较脆容易碎裂掉块，因此将其加工成实验要求的标准尺寸的立方体难度较大。为了克服这一困难，本发明采用在煤岩块体外部浇铸包裹层的方法来弥补煤岩加工中由于掉块造成表面的凹凸不平，使试件整体外观尺寸满足实验要求，同时包裹层还能在试件的搬运过程中起到保护层的作用。

包裹层的材料应选择与所用煤岩材料性质相近的物质，以防止由于材料性质差异过大而造成的实验结果偏差。本实施例中选择适当配比的水泥砂浆来充当包裹层材料。浇铸包裹层的过程中要控制好煤岩的方位，使试件中煤岩层理及割理的方位角、倾角与实验设定值相同。较佳地，制作完成后模拟试件的整体尺寸为30cm×30cm×30cm，本发明不以此为限，模拟试件的整体尺寸也为40cm×40cm×40cm或50cm×50cm×50cm。实施实验前试件要在适当条件下养护一段时间，以使包裹层强度达到要求值。

较佳地，在制作模拟试件时，设定层理面与水平面平行，面割理延伸方向与最大水平地应力方向相同。

制作完成模拟试件后，将模拟井筒锚固在模拟试件中，完成整个试件的制作。模拟试件示意图如图3所示，4为煤岩，5为包裹层，6为锚固在模拟试件中的模拟井筒。

由于常规的染色剂示踪剂在煤岩中使用效果不佳，无法在裂隙高度发育且基岩颜色较深的煤岩中清晰显示水力裂缝，因此在本发明实施例中使用荧光粉作为示踪剂，此方法同样适用于使用其它各种岩石材料的水力压裂模拟实验。

在本发明实施例中，在选择荧光粉时，首先要考虑实验所用的模拟试件材料，所用荧光粉的颜色与模拟试件材料颜色要对比鲜明，以便在实验结束后观察结果时能在试件中清晰的识别出水力裂缝。在本实施例中，对于煤岩水力压裂，考虑到煤岩颜色较深，选择白色或黄色荧光粉作为示踪剂。

另外一个要考虑的因素是压裂液的性质。与有机悬浮液不同，由于水是极性溶剂，以水为溶剂的悬浮液中的粒子常带有相反的电荷。带相反电荷的粒子将因静电力而相互吸引，容易引起悬浮液发生絮凝，这就导致荧光粉在水中分布不均匀。为防止悬浮液絮凝的发生，需要在悬浮液中添加表面活性剂，改变悬浮液中颗粒的表面特性，使它们带上相同的电荷，以避免悬浮液发生絮凝，得到稳定的分散良好的压裂液。而本实施例中，可以使用胍胶配置压裂液，荧光粉可以在液体中均匀分布，因此无需额外添加表面活性剂。

选定荧光粉后，按照实验要求的配比制备压裂液，并添加荧光粉进行充分搅拌，得到均匀的悬浮液。本发明压裂液的成分包括水、胍胶及荧光粉，水、胍胶及荧光粉的配比为200∶2∶1，200ml的水中需要加入2g胍胶及1g荧光粉。

在步骤S103中，首先将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架，根据实验参数进行模拟压裂实验，并在紫外线的照射下获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息，观察水力裂缝形态及压裂液波及区。

实验参数包括：压裂液注入排量及三向围压。可以设定垂直方向围压为15MPa，水平方向围压为8MPa、5MPa，压裂液注入排量为0.3ml/s，本发明的三向围压及压裂液注入排量不以此为限。

本发明的有益效果在于，对于性质脆且易碎，加工困难的煤岩，通过该方法浇铸包裹层后，可使试件整体外观变得平整规则，并能很好地控制煤岩层理、割理的方位。实验结果采集时，经过紫外线灯照射，荧光粉可清晰的显示出水力裂缝的范围，尤其可以显示出肉眼一般无法观察到的细微裂缝。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

a)分析所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征；选取制作模拟试件的煤岩材料，根据所述的天然裂缝形态特征，将所述煤岩材料加工成六面体块体；选择包裹层对所述块体进行外部浇铸，形成模拟试件；

b)选择荧光粉作为示踪剂，制作压裂液；

c)利用所述模拟试件及所述压裂液进行模拟压裂实验；实验后获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。

2.如权利要求1所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征包括：煤岩层理面的走向、倾向、倾角，割理面与原位地应力方向的空间关系。

3.如权利要求2所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤a)中，要选取浅层煤矿开采出的煤岩材料，并将所述煤岩材料加工成各表面分别平行于层理面、割理面的六面体块体；浇铸包裹层时，控制煤岩的方位，使煤岩的层理及割理的方位角、倾角与实验设定值相同。

4.如权利要求1所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤b)中，选择白色或者黄色荧光粉作为示踪剂，压裂液的成分包括水、胍胶及荧光粉。

5.如权利要求1所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，在步骤c)中，首先将所述模拟试件安装到大尺寸真三轴试验架，根据实验参数进行模拟压裂实验，并在紫外线的照射下获取水力裂缝形态及压裂液波及区的图像信息。

6.如权利要求1所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，在制作模拟试件时，设定层理面与水平面平行，面割理延伸方向与最大水平地应力方向相同。

7.如权利要求3所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，所述六面体块体的尺寸小于30cm×30cm×30cm。

8.如权利要求4所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，所述模拟试件的尺寸为30cm×30cm×30cm。

9.如权利要求5所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，所述的实验参数包括：三向围压，其中，垂直方向围压为15MPa，水平方向围压为8MPa、5MPa。

10.如权利要求5所述的煤层水力压裂模拟实验方法，其特征在于，所述的实验参数包括压裂液注入排量，排量值为0.3ml/s。

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