CN105181927B - 多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，包括以下步骤：前期准备、应力加载、水力压裂、结束一次试验、同组其他试验。从而在实验室内模拟现场工况的低渗煤层水力压裂，再现实际工况中煤层参数的变化情况，研究水力压裂应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析水力压裂与压裂区域的位置、压裂段的长度之间的关系，分析水力压裂裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律。并且，对于低渗松软煤层，在试件成型过程中煤层用压制的型煤模拟，顶板用水泥或石膏等材料模拟，外管预先埋在顶板中，通过改变外管与煤层之间的法向距离可以研究低渗松软煤层顶板压裂的合适距离。

Description

多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，主要用于在实验室模拟研究低渗煤层的水力压裂。

背景技术

目前，煤层中含有大量的煤层气，又称为瓦斯，它不仅是宝贵的资源，也是煤矿地下开采中煤与瓦斯突出潜能的重要组成部分。我国是煤炭资源大国，随着煤炭工业的高速发展和规模骤增，瓦斯涌出量增大，因瓦斯突出、爆炸引起的煤矿事故迅速上升。同时，煤层气又是一种优质、洁净的燃料，如果得到合理的开发、回收和利用，不仅可以减少煤矿事故的发生，保障煤矿的正常生产，还可以解决我国能源紧缺的问题。但是，我国地质条件复杂，煤岩渗透率低，渗透率恰恰是反应煤岩中流体运移难易程度的标志，同时，也是地层损害评价与天然气开采设计的重要参数。现有的提高煤层瓦斯抽采率的主要技术方案有：大直径密集钻孔、水力冲孔、水力压裂架支撑剂技术、水力割缝等。其中水力压裂主要是在选定压裂的煤层钻孔注入高压水流，把煤层中原有的裂缝撑开，并继续压入水流，使煤层中被撑开的裂缝向四周发展，与此同时，在水中加入支撑剂，送进煤层中被撑开的裂缝里，当压裂结束，压裂用水返排后沙子仍然留在煤层中支撑开的裂缝中。水力压裂造成瓦斯流动的通道从钻孔底部向四周延伸到一百多米远的地方。使煤层的钻孔排放瓦斯范围扩大，因而瓦斯涌出量也增加。

现有对煤层气开采的试验研究主要是模拟研究假三轴条件下煤层渗透率随着应力、瓦斯压力、温度变化而变化的关系，并在此基础上提出各种提高煤层渗透性的方法。虽然这些渗流模拟试验在一定程度上说明了各种影响因素对煤层气流动的影响作用，但鉴于煤层气开采工作的复杂性，这些模拟状态与现场实际情况相差较远，并不能全面地说明实际条件下的煤层气抽采受到各因素的作用。本申请人于2013年提出的申请号为“201310025093.9”的发明专利公开了一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，公开了主要由试件箱、外管和内管组成的实验装置，为在实验室进行多煤层联合开采过程中煤层气抽采和多场耦合煤层气抽采的模拟研究提供了切实可行的方法。但是并没有对多场耦合低渗煤层水力压裂提出研究方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，用于模拟低渗煤层水力压裂，为现场作业提供理论指导。

本发明的技术方案如下：一种多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一、前期准备

1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，并添加一定的粘结剂；

1b)在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和外管；

1c)密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；

1d)将试件箱置于加载系统中，然后在外管中装配内管；

1e)在内管的外端连接高压泵；

步骤二、应力加载

密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件各压杆施加预定的应力水平；

步骤三、水力压裂

打开高压水泵并调整至大于试件起裂压力的压力值，监测水力压裂曲线变化情况；

步骤四、结束一次试验

观测水力压裂曲线出现峰值后波动下降，并不再上升，关闭高压水泵，停止三向应力加载，结束水力压裂试验；取出压裂管，高压注入石膏监测压裂裂缝扩展形态；

步骤五、同组其他试验

改变压裂区域的位置、压裂段的长度保持其他试验参数不变，重复上述步骤二至步骤四。

所述外管的外径为33mm。

为了研究低渗松软煤层的水力压裂，可进行顶底板压裂，避免压裂裂缝较快闭合，在步骤一的煤岩层成型过程中煤层用压制的型煤模拟，顶板用水泥或石膏浇筑模拟，所述外管预埋安装在顶板中；并且在步骤五的同组其他试验中改变外管与煤层之间的法向距离，从而研究低渗松软煤层顶板压裂的合适距离。

有益效果：本发明可在实验室内模拟现场工况的低渗煤层水力压裂，再现实际工况中煤层参数的变化情况，从而研究水力压裂应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析低渗煤层水力压裂与压裂区域的位置、压裂段的长度之间的关系，分析水力压裂裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律。对于低渗松软煤层，为避免压裂裂缝较快闭合，可进行顶底板压裂：在试件成型过程中煤层用压制的型煤模拟，顶板用水泥或石膏等相似材料模拟，用作压裂管的外管预先埋在顶板中，通过改变外管与煤层之间的法向距离来实现压裂孔与煤层之间法向距离的改变，从而研究低渗松软煤层顶板压裂的合适距离。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。

实施例一：

如图1所示，本发明包括以下步骤：：

步骤一、前期准备

1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，并添加一定的粘结剂；

1b)在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和外管；所述试件箱和外管的结构与申请号为“201310025093.9”的发明专利中公开的试件箱结构相同，在此不做赘述。所述外管的外径为33mm；

1c)密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；

1d)将试件箱置于加载系统中，然后在外管中装配内管，利用内管的抽采内区作为压裂区；所述内管的结构与申请号为“201310025093.9”的发明专利中公开的试件箱结构相同，在此不做赘述。

1e)在内管的外端连接高压泵。

步骤二、应力加载

密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件各压杆施加预定的应力水平。

步骤三、水力压裂

打开高压水泵并调整至大于试件起裂压力的压力值，监测水力压裂曲线变化情况。

步骤四、结束一次试验

观测水力压裂曲线出现峰值后波动下降，并不再上升，关闭高压水泵，停止三向应力加载，结束水力压裂试验；取出压裂管，高压注入石膏监测压裂裂缝扩展形态。

步骤五、同组其他试验

改变压裂区域的位置、压裂段的长度保持其他试验参数不变，重复上述步骤二至步骤四。

表一：水力压裂模拟试验方案

通过进行表一所示多组试验方案，研究水力压裂应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析低渗煤层水力压裂与压裂区域的位置、压裂段的长度之间的关系，分析水力压裂裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律。

实施例2：

如图1所示，在步骤一的煤岩层成型过程中煤层用压制的型煤模拟，顶板用水泥或石膏浇筑等相似材料模拟，所述外管预埋安装在顶板中；并且在步骤五的同组其他试验中改变外管与煤层之间的法向距离。本实施例的其他步骤与实施例1相同，在此不做赘述。

表二：虚拟储层水力压裂模拟试验方案

对于低渗松软煤层，通过进行表二所示多组试验方案，改变压裂孔与煤层之间的法向距离来研究低渗松软煤层顶板压裂的合适距离。

Claims (3)

1.一种多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、前期准备

1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，并添加一定的粘结剂；

1b)在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和外管；并且，煤层用压制的型煤模拟，顶板用水泥或石膏浇筑模拟，所述外管预埋安装在顶板中；

1c)密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；

1d)将试件箱置于加载系统中，然后在外管中装配内管；

1e)在内管的外端连接高压泵；

步骤二、应力加载

密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件各压杆施加预定的应力水平；

步骤三、水力压裂

打开高压水泵并调整至大于试件起裂压力的压力值，监测水力压裂曲线变化情况；

步骤四、结束一次试验

观测水力压裂曲线出现峰值后波动下降，并不再上升，关闭高压水泵，停止三向应力加载，结束水力压裂试验；取出压裂管，高压注入石膏监测压裂裂缝扩展形态；

步骤五、同组其他试验

改变压裂区域的位置、压裂段的长度保持其他试验参数不变，重复上述步骤二至步骤四。

2.根据权利要求1所述的多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，其特征在于：所述外管的外径为33mm。

3.根据权利要求1所述的多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法，其特征在于：在步骤五的同组其他试验中改变外管与煤层之间的法向距离。