CN110147638A - 煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，它包括一、获取煤岩的基本力学参数和地应力数据；二、建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型；三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，在一定的脉动幅值或频率下模拟计算煤层应力场，利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力；四、求取不同脉动幅值或频率条件下裂缝尖端最大拉应力，拟合裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值或频率关系曲线；五、当步骤四中计算的裂缝尖端最大拉应力达到步骤一中测得煤岩抗拉强度时，裂缝发生起裂延伸，反推预测不同脉动幅值或频率下煤层压裂裂缝起裂和延伸压力。本发明可以降低煤层脉动水力压裂过程盲目增加脉动载荷振幅产生施工压力过高的风险。

Description

煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法

技术领域：

本发明涉及的是煤层脉动压裂储层改造技术，具体涉及的是煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法。

背景技术：

煤层气作为煤的伴生矿产资源，在我国具有相当大的资源储量，煤层气是以甲烷为主要成分的烃类气体，通过吸附作用吸附在煤基质颗粒表面，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，属于非常规天然气，是近几十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。当煤层气的浓度达到5％-16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根本原因，若直接将煤层气排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境具有极强的破坏性。如果在采煤之前率先开采煤层气，煤矿瓦斯发生爆炸的几率将降低70％-85％。可见，煤层气的开发利用具有一举多得的功效，既降低了煤矿安全生产风险，保护了环境，又提高了清洁能源的利用率，同时也带来巨大的经济效益。

从我国煤层气开采发展现状来看，煤层的低透气性这一因素大大的制约了煤层气的产量，为提高煤层的透气性，水力压裂技术常常被应用于煤层气开采当中。目前，水力压裂技术在石油与天然气开采中广为应用，其相应的基础理论和技术对煤层气的有效开采也具有一定的借鉴意义。

煤层脉动压裂作为一项煤层气开发利用的新技术，与常规水力压裂技术相比具有更多的优势。脉动压裂能够在煤层内部形成更为复杂的裂缝网络，有效增加泄压面积，降低气体渗流阻力，实现提高煤层气产能的目的。

对于煤层脉动压裂来说，更多关注的是裂缝起裂和扩展延伸问题，起裂是形成裂缝的首要条件，而裂缝扩展是形成复杂缝网，提高储层透气性的关键。根据最大拉应力准则，当裂缝尖端拉应力大于岩石抗拉强度时，裂缝即发生起裂延伸。

目前在煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方面的研究较为欠缺，没有相应的理论指导依据和技术方法，需要提供一种煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，为现场煤层气井脉动压裂施工设计提供依据，实现改善煤层脉动压裂效果的目的。

发明内容：

本发明的目的是提供煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，这种煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法用于解决现场煤层气井脉动压裂施工设计缺乏技术指导的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法:

步骤一、进行预期压裂煤层现场取芯，开展煤岩力学参数测试实验，获取煤岩的基本力学参数和地应力数据，基本力学参数包括弹性模量、泊松比、抗拉强度[σ]；

步骤二、应用商用有限元软件comsol，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，该模型中包含压裂井组井身结构信息、煤层各种割理和天然裂缝结构信息，在该模型中预设脉动压裂裂缝尺寸和裂缝形态，煤岩基本力学参数、地应力数据以及孔隙压力数据通过步骤一获得；

步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型计算结果为初始值，对压裂井施加脉动压力，在一定的脉动幅值或频率下模拟计算煤层应力场，提取模拟结果的数据，利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力，拉应力计算公式如下：

式中：σ_x为x方向正应力；σ_y为y方向正应力；τ_xy为剪应力；

步骤四、重复步骤三，得到不同脉动幅值或频率条件下的裂缝尖端最大拉应力，运用最小二乘法拟合裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值或频率的关系曲线；

步骤五、当步骤四中计算得到的裂缝尖端最大拉应力达到步骤一中测得煤岩抗拉强度[σ]时，σ_t≥[σ]，裂缝发生起裂延伸，此时利用步骤四中拟合的裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值或频率的曲线关系，反推预测不同脉动幅值或频率下煤层压裂裂缝起裂和延伸压力。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，可以在煤层脉动压裂施工前对裂缝起裂和延伸压力进行预测，可有效提高压裂施工成功率；

2、通过本发明提供煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，能够准确预估压裂施工压力，提高施工效率；

3、通过本发明提供的煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，可以降低煤层脉动水力压裂过程依靠经验盲目增加脉动载荷振幅产生施工压力过高的风险，提高施工的安全性；

4、本发明提供的煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法根据要进行压裂施工目的区块煤岩岩心力学实验结果进行设计，可以对不同区块的煤岩进行力学参数测试，通过改变力学参数和脉动压裂幅值(或频率)来预测不同压裂施工目的区块的压裂裂缝起裂和延伸压力，从而确保该方法确定的压裂裂缝起裂和延伸压力适用于不同区块。

附图说明：

图1为煤层脉动压裂裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值的拟合曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

这种煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法如下：

步骤一、开展预期压裂煤层现场取芯，制备力学参数测试标准岩样，包括50*100mm和50*25mm岩芯，应用获取的煤岩岩芯开展包括单轴、三轴压缩和巴西劈裂以及变角剪切等力学参数测试，获取煤岩单轴和三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度[σ]等基本力学参数，应用全尺寸岩样加工实验试件开展地应力测试实验，获取水平地应力数据，根据密度测井等数据计算垂向地应力数值，孔隙压力数据通过测井数据计算得到。

步骤二、应用comsol等商用有限元软件，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，模型中同时建立压裂井的模型、压裂煤层割理系统模型以及天然裂缝分布模型，同时预设脉动水力压裂所要形成裂缝尺寸和裂缝形态，给模型施加约束条件；

有限元模型中煤岩基本力学参数、原地应力数据以及孔隙压力数据等以步骤一中获得的结果为依据进行输入，输入参数以后对模型进行网格划分，并对局部区域进行网格加密处理；

步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二模型计算结果为初始值，对压裂井施加脉动压力，在一定的脉动幅值(或频率)下模拟计算煤层应力场，提取模拟结果的数据，利用拉应力计算公式(公式(1))求取裂缝尖端最大拉应力；

式中：σ_x为x方向正应力；σ_y为y方向正应力；τ_xy为剪应力。

步骤四、重复步骤三，可得到不同脉动幅值(或频率)条件下的裂缝尖端最大拉应力，运用最小二乘法拟合裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值(或频率)的关系曲线(如图1)。

步骤五、当步骤四中计算得到的裂缝尖端最大拉应力达到步骤一中测得煤岩抗拉强度[σ]时(公式(2))，裂缝即发生起裂延伸，此时利用步骤四中拟合的裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值(或频率)的曲线关系，即可反推预测不同脉动幅值(或频率)下煤层压裂裂缝起裂和延伸压力。

σ_t≥[σ] (2)

本发明用于煤层脉动压裂前裂缝起裂和延伸压力的预测，可有效提高压裂施工成功率，既可以防止由于脉动参数设计不合理而造成的经济损失，也可以降低盲目增加脉动幅值或频率所带来的施工安全风险。

Claims (1)

1.一种煤层脉动压裂裂缝起裂和延伸压力预测方法，其特征在于：

步骤一、进行预期压裂煤层现场取芯，开展煤岩力学参数测试实验，获取煤岩的基本力学参数和地应力数据，基本力学参数包括弹性模量、泊松比、抗拉强度[σ]；

步骤二、应用商用有限元软件comsol，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，该模型中包含压裂井组井身结构信息、煤层各种割理和天然裂缝结构信息，在该模型中预设脉动压裂裂缝尺寸和裂缝形态，煤岩基本力学参数、地应力数据以及孔隙压力数据通过步骤一获得；

步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型计算结果为初始值，对压裂井施加脉动压力，在一定的脉动幅值或频率下模拟计算煤层应力场，提取模拟结果的数据，利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力，拉应力计算公式如下：

式中：σ_x为x方向正应力；σ_y为y方向正应力；τ_xy为剪应力；

步骤四、重复步骤三，得到不同脉动幅值或频率条件下的裂缝尖端最大拉应力，运用最小二乘法拟合裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值或频率的关系曲线；

步骤五、当步骤四中计算得到的裂缝尖端最大拉应力达到步骤一中测得煤岩抗拉强度[σ]时，σ_t≥[σ]，裂缝发生起裂延伸，此时利用步骤四中拟合的裂缝尖端最大拉应力与脉动幅值或频率的曲线关系，反推预测不同脉动幅值或频率下煤层压裂裂缝起裂和延伸压力。