CN108442913B - 煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，先设计煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II，再进行组装，最后清理场地，进行电子点火线起爆，通过径向泄气孔定向泄气产生高压脉冲压力作用于煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I，煤层气煤岩试验靶快速启裂裂缝并延伸裂缝，且裂缝随机产生3～6条裂缝，清晰规整，包覆的煤岩并未破碎，裂缝界面反映十分清晰；P‑t曲线完整，很好的反映出压力随时间的动态作用过程，完成了大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶试验，证明高能气体压裂能够使煤岩产生裂缝，同时也说明在煤层气井采用高能气体多脉冲压裂可以随机在煤层中产生多条裂缝。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气压裂开发的增产技术，特别涉及一种大尺寸煤气层的煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法。
背景技术
针对我国煤层气煤层的地质具有低压、低渗、低孔的特征及煤层气吸附性强的开发难题，开展了把高能气体多脉冲加载压裂用于煤层气开发技术研究与探索。近多年来煤层气高能气体多脉冲压裂技术得到进一步试验和应用，取得初步效果，但在作用机理及效果评价方面还需要进一步加强，尤其在作用机理的试验与认识进一步开展实验研究方面还处于探索阶段。结合前期煤气层多脉冲压裂实验设计模型与方法，进行煤气层小尺寸实验煤样的试验模型设计，并进行了部分煤气层试制煤样多脉冲压裂模拟试验，其实验方法是首先直接在煤岩进行钻孔，采用多脉冲压裂火药直接放置孔内进行多脉冲压裂实验。通过这类实验发现在地面煤岩靶中无论药量控制多少，试验煤岩几乎完全破碎，完全没有形成多裂缝状态，难以准确反映裂缝形态及实验效果，难以进行作用机理方面分析研究。
发明内容
为了克服和解决煤层气煤岩多脉冲压裂实验机理研究的问题，本发明的目的在于提供采用大尺寸煤气层的煤岩煤样包覆型水泥靶进行多脉冲压裂地面模拟的方法，研究分析大尺寸煤气层煤岩产生多裂缝形态的形成机制及松弛地应力机理，完善与优化煤层煤岩样多脉冲压裂合理组配的设计试验方案；为煤层气煤层多脉冲压裂造缝机理研究奠定基础。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤一、设计大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶，实验靶包括煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II；
所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I设计步骤包括：
(1)确定好煤层气煤岩煤样7，煤样尺寸不小于300×100×200mm；
(2)筛选包覆型水泥靶的材料配比组成，混凝土6所用水泥：干河砂：水质量比为(0.8～1.5)：(1.5～2.5)：(0.4～0.6)；
(3)制作煤岩煤样包覆型水泥靶厚度为300～600mm，模拟靶浇筑制作时将煤层气煤岩煤样7包覆镶嵌于水泥靶中，制作大型模拟水泥靶，并标记煤岩煤样7在水泥靶中三维位置；
(4)混凝土靶浇筑成型后保持24小时，在靶面上加入清水；温度高于0℃度，养护28天，在养护期内，靶面清水高度不应小于50mm；
所述的煤层气多脉冲压裂装置II包括钢制泄气管3，钢制泄气管3内置起爆装置2，起爆装置2一端连接电子点火线1，另一端通过铝制中心传爆管体14连接压裂药12，铝制中心传爆管体14内部放置辅助点火药13，钢制泄气管3末端连接堵头11构成钢制泄气管管内密封；所述的钢制泄气管3上通过金属钻头开有至少一排径向泄气孔9，泄气孔设置方式与所试验煤岩煤样形态相匹配，所述钢制泄气管3外壁连接铜柱测压装置4和传感器测试P-t装置15；
步骤二、所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II通过水钻钻孔后进行组装，钻孔位置为煤岩煤样7的偏心孔或对称孔，然后在开孔位置处通过水钻钻孔贯穿整个试验靶，形成模拟井井眼，清理靶面、确认井筒内没有异物，最后将煤层气多脉冲压裂装置II置于模拟井井眼中心；钢制泄气管3末端连接的堵头11通过螺栓10，及螺栓10内置厚垫片8相连接与煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I构成尾部密封；钢制泄气管3与试验靶模拟井井筒环空挤入密封胶5密封，确保试验过程中压裂药12产生高能气体能量能够通过定向泄气孔充分作用于煤岩；
步骤三、所述的煤岩包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟试验通过铝制中心传爆管体14连接压裂药12下放置钢制泄气管3内预先设计好的位置，铝制中心传爆管体14内部放置辅助点火药13，铝制中心传爆管体14与起爆装置2一端连接，起爆装置2另一端连接电子点火线1；钢制泄气管3外壁连接铜柱测压装置4和传感器测试P-t装置15；最后待检测无误后，在基坑上部覆盖木板，用编织袋装满沙土堆积于木板上，防止爆破飞散物；清理场地，进行电子点火线1与起爆装置2连接，点火线1通电点火后瞬间引燃压裂药12，压裂药12爆燃后产生高温高压气体，通过径向泄气孔9定向泄气产生高压脉冲压力作用于煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I，煤层气煤岩试验靶快速启裂裂缝并延伸裂缝，且裂缝随机产生3～6条裂缝。
发明试验产生3～6条裂缝，清晰规整，包覆的煤岩并未破碎，裂缝界面反映十分清晰；P-t曲线完整，很好的反映出压力随时间的动态作用过程，完成了大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶试验，证明高能气体压裂能够使煤岩产生裂缝，同时也说明在煤层气井采用高能气体多脉冲压裂可以随机在煤层中产生多条裂缝。
本发明可根据煤岩本身较脆易碎的特性，在没有外围围压的作用时实施多脉冲压力快速冲击的情况下，必然形成整体破坏的碎块；如果在无限大的煤层气煤岩下才有可能形成多裂缝，但实际中这样的煤层气煤岩在地面上很难找到。因此，采用大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶地面模拟的实验设计原理及方法，能够研究分析大尺寸煤气层煤岩产生多裂缝形态的形成机制及松弛地应力机理，进一步确定适应于多脉冲压裂实验的煤气层煤岩力学特性及煤岩类型；初步掌握了适应于煤气层压裂开发的多脉冲压裂药性能参数的匹配条件及设计方法。
本发明的特点是采用煤层气煤岩包覆型模拟水泥靶实验，能够代替无限大的煤层气煤岩形成多裂缝的模拟实验，模拟较为真实的储层环境，对煤层气多脉冲压裂产生多裂缝的形成与扩展规律研究有重要的指导意义。
附图说明
图1煤层气多脉冲压裂试验煤岩煤样。
图2是包覆型水泥靶装置I的示意图。
图3煤岩煤样包覆镶嵌水泥靶多脉冲压裂试验前后照片。
图4煤岩煤样包覆镶嵌水泥靶多脉冲压裂试验P-t测试曲线。
图5是本发明的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，参照图5，包括以下步骤：
步骤一、设计大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶，实验靶包括煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II；
所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I设计步骤包括：
(1)确定好煤层气煤岩煤样7，分析标定设计尺寸一般不小于300×100×200mm。
(2)结合煤层气煤岩来源区块煤层气地层特征，煤层顶板、底板层地层地质特征及岩性力学特性参数，筛选包覆型水泥的材料配比组成，混泥土6所用水泥：干河砂：水质量比配比为(0.8～1.5)：
(1.5～2.5)：(0.4～0.6)；设计包覆型水泥固化的性能力学参数，确定使其达到与煤层顶板或底板层岩层的破裂强度基本一致的加工方法。
所述步骤(2)考虑到煤层煤岩与油层岩层力学特性有明显区别，如煤层地层破裂压力明显低，压裂方法与产生裂缝的形式不同，因此，外围水泥靶设计的抗压强度应尽量与煤岩强度有可比性，包覆水泥靶强度参照煤层气顶板层强度设计。
(3)模拟靶结构设计，确定足够大的模拟靶外围尺寸、制作煤岩煤样包覆型水泥靶厚度为300～600mm，模拟靶浇筑制作时将煤层气煤岩煤样7包覆镶嵌于水泥模拟靶中，制作大型模拟水泥靶，并标记煤岩煤样7在水泥靶中三维位置；
模拟靶模板设计、混凝土6胶结固化后的包覆厚度、外观形态，以及抗压强度(煤层气顶板接近)等参数设计与试制养护方法；由于《SY/5891.1-1999》油气井射孔检测用混凝土靶制作规范要求混凝土靶外径因能保证射孔后混凝土层未穿透部分平均厚度不小于76mm，该数据明显对于高能气体压裂工艺不适合，且考虑到地面没有围压，在实验中可能存在压力憋不住及地面安全问题，因此试验混凝土靶的包覆层厚度为300～600mm。
(4)制作煤岩煤样为包覆型水泥靶，模拟靶浇筑制作，把煤层气煤岩煤样7包覆镶嵌于水泥模拟靶中，制作大型模拟水泥靶，并标记煤岩煤样7在水泥靶中三维位置。混凝土靶浇筑成型后保持24小时，在靶面上加入清水；温度高于0℃度，养护28天，在养护期内，靶面清水高度不应小于50mm。养护好后的煤岩包覆型水泥靶如图2所示。
将基坑内放置靶壳位置铲平、夯实，放上靶壳，壳内撒上一层细砂，开始进行混凝土6底部浇筑，水泥、砂、水应充分搅拌均匀后浇筑、震动、待不出气泡不下沉为止，按规范浇筑底部后，放入煤层气煤岩煤样，然后继续进行浇筑至预先设计好的厚度时将靶面抹平，并标记日期以及煤岩煤样在水泥靶中三维位置。
所述的煤层气多脉冲压裂装置II包括钢制泄气管3，钢制泄气管3内置起爆装置2，起爆装置2一端连接电子点火线1，另一端通过铝制中心传爆管体14连接压裂药12，铝制中心传爆管体14内部放置辅助点火药13，钢制泄气管3末端连接堵头11构成钢制泄气管管内密封。所述的钢制泄气管3上通过金属钻头开有至少一排径向泄气孔9，泄气孔设置方式与所试验煤岩煤样形态相匹配，所述钢制泄气管3外壁连接铜柱测压装置4和传感器测试P-t装置15；
步骤二、所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II通过水钻钻孔后进行组装，钻孔位置为煤岩煤样7的偏心孔或对称孔，即开孔位置设计结合煤样的形状(图1所示)以及在制作大型模拟水泥靶时所标明煤岩煤样7在水泥靶中的三维位置加工为偏心孔或对称孔(图2所示)。然后在开孔位置处通过水钻钻孔贯穿整个试验靶，形成模拟井井眼，清理靶面、确认井筒内没有异物，最后将煤层气多脉冲压裂装置II置于模拟井井眼中心；钢制泄气管3末端连接的堵头11通过螺栓10，及螺栓10内置厚垫片8相连接与煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I构成尾部密封；钢制泄气管3与试验靶模拟井井筒环空挤入密封胶5密封，确保试验过程中压裂药12产生高能气体能量能够通过定向泄气孔充分作用于煤岩；
步骤三、所述的煤岩包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟试验通过铝制中心传爆管体14连接压裂药12下放置钢制泄气管3内预先设计好的位置，所述的压裂药12装药量不少于25g，铝制中心传爆管体14内部放置辅助点火药13，铝制中心传爆管体14与起爆装置2一端连接，起爆装置2另一端连接电子点火线1；钢制泄气管3外壁连接铜柱测压装置4和传感器测试P-t装置15。最后待检测无误后，在基坑上部覆盖木板，用编织袋装满沙土堆积于木板上，防止爆破飞散物；清理场地，确认实验区所有人员离开在安全距离之外后，由专人进行电子点火线1与起爆装置2连接，点火线1通电点火后瞬间引燃压裂药12，压裂药12爆燃后产生高温高压气体，通过径向泄气孔9定向泄气产生高压脉冲压力作用于煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I，煤层气煤岩试验靶快速启裂裂缝并延伸裂缝，且裂缝随机产生3～6条裂缝，清晰规整，包覆的煤岩并未破碎，裂缝界面反映十分清晰。P-t曲线完整，很好的反映出压力随时间的动态作用过程，完成一种大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶试验，证明高能气体能够使煤岩产生裂缝，同时也说明在煤层气井采用高能气体多脉冲压裂可以随机在煤层中产生多条裂缝。
地面靶试验效果分析
从煤层气多脉冲压裂试验装置试验效果分析，煤层气多脉冲压裂试验装置实验效果如图3所示。煤样如图1所示，煤样的形状特征决定煤层气多脉冲压裂装置泄气管设计成双排对称孔定向泄气，装药量30.45g，测试最大压力30.0MPa。测试P-t曲线如图4所示，测试过程顺利正常，P-t曲线完整，很好的反映出压力随时间的完整作用过程。通过测试曲线分析，大尺寸煤层气煤岩包覆水泥靶地面试验设计较为理想。
从煤层气煤岩的包覆型水泥靶压裂形成的裂缝分析，裂缝趋势基本3～6条随机产生，试验裂缝均为贯穿缝，如图3所示，试验产生的3条裂缝清晰规整，包覆的煤岩并未破碎，裂缝界面反映十分清晰。由此可见，采用一种大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的包覆型水泥靶实验，能够代替地面无限大的煤层气煤岩形成多裂缝的模拟实验，对煤层气多脉冲压裂产生多裂缝的形成与扩展规律研究有重要的指导意义。
Claims (3)
1.煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设计大尺寸多脉冲压裂激励煤层气煤岩的实验靶，实验靶包括煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II；
步骤二、所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I和煤层气多脉冲压裂装置II通过水钻钻孔后进行组装，钻孔位置为煤岩煤样(7)的偏心孔或对称孔，然后在开孔位置处通过水钻钻孔贯穿整个试验靶，形成模拟井井眼，清理靶面、确认井筒内没有异物，最后将煤层气多脉冲压裂装置II置于模拟井井眼中心；钢制泄气管(3)末端连接的堵头(11)通过螺栓(10)，及螺栓(10)内置厚垫片(8)相连接与煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I构成尾部密封；钢制泄气管(3)与试验靶模拟井井筒环空挤入密封胶(5)密封，确保试验过程中压裂药(12)产生高能气体能量能够通过定向泄气孔充分作用于煤岩；
步骤三、所述的煤岩包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟试验通过铝制中心传爆管体(14)连接压裂药(12)下放置钢制泄气管(3)内预先设计好的位置，铝制中心传爆管体(14)内部放置辅助点火药(13)，铝制中心传爆管体(14)与起爆装置(2)一端连接，起爆装置(2)另一端连接电子点火线(1)；钢制泄气管(3)外壁连接铜柱测压装置(4)和传感器测试P-t装置(15)；最后待检测无误后，在基坑上部覆盖木板，用编织袋装满沙土堆积于木板上，防止爆破飞散物；清理场地，进行电子点火线(1)与起爆装置(2)连接，点火线(1)通电点火后瞬间引燃压裂药(12)，压裂药(12)爆燃后产生高温高压气体，通过径向泄气孔(9)定向泄气产生高压脉冲压力作用于煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I，煤层气煤岩试验靶快速启裂裂缝并延伸裂缝，且裂缝随机产生3～6条裂缝。
2.根据权利要求1所述的煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，其特征在于，
所述的煤层气煤岩包覆型水泥靶装置I设计步骤包括：
(1)确定好煤层气煤岩煤样(7)，煤样尺寸不小于300×100×200mm；
(2)筛选包覆型水泥靶的材料配比组成，混凝土(6)所用水泥：干河砂：水质量比为(0.8～1.5)：(1.5～2.5)：(0.4～0.6)；
(3)制作煤岩煤样包覆型水泥靶厚度为300～600mm，模拟靶浇筑制作时将煤层气煤岩煤样(7)包覆镶嵌于水泥靶中，制作大型模拟水泥靶，并标记煤岩煤样(7)在水泥靶中三维位置；
(4)混凝土靶浇筑成型后保持24小时，在靶面上加入清水；温度高于0℃度，养护28天，在养护期内，靶面清水高度不应小于50mm。
3.根据权利要求1所述的煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法，其特征在于，所述的煤层气多脉冲压裂装置II包括钢制泄气管(3)，钢制泄气管(3)内置起爆装置(2)，起爆装置(2)一端连接电子点火线(1)，另一端通过铝制中心传爆管体(14)连接压裂药(12)，铝制中心传爆管体(14)内部放置辅助点火药(13)，钢制泄气管(3)末端连接堵头(11)构成钢制泄气管管内密封；所述的钢制泄气管(3)上通过金属钻头开有至少一排径向泄气孔(9)，泄气孔设置方式与所试验煤岩煤样形态相匹配，所述钢制泄气管(3)外壁连接铜柱测压装置(4)和传感器测试P-t装置(15)。
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