CN115450599B - 一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法，包括以下步骤：将压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的柱体，计算出压裂液在平面上的防突面积；将防突面积的形态设定为椭圆形，确定防突椭圆形的长轴方向和长短轴比；根据目标煤层防突区的区域总体形态和面积，以防突椭圆形的中心点为地面井的压裂靶点，按照椭圆形紧密排列方式部署井网。煤层属于裂缝型储层或者地层，以天然裂缝作为导流通道符合压裂液的流动特征，同时以椭圆形形态作为设计依据能够客观反映压裂液作用范围。总的来说，本发明所公开的一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法为以防突为目的的煤层气井井位部署提供了科学依据，有利于减小防突盲区。
Description
技术领域
本发明涉及煤层瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一。突出煤体指煤层透气性差，瓦斯含量和瓦斯压力较高，在生产过程中容易发生煤的喷出、瓦斯急剧涌出的地质体。它是由构造应力、煤体结构和瓦斯三个因素综合共同控制的。煤体变形破坏后，吸附态瓦斯解吸后转变为游离态，贮存在构造煤内部，受自身破碎煤体或者围岩的圈闭作用，不能逸散出去，故形成瓦斯聚集带。一旦瓦斯聚集带的圈闭被打开，瓦斯急速释放从而发生突出事故。
地面水力压裂技术主要用于非常规煤层气资源的储层改造，但是对于构造煤区域的煤储层改造适应性较差。然而，将该技术用于防治煤层瓦斯突出是一种创新性的技术模式。水力压裂防突的主要原理为增加煤岩含水率润湿煤层，抑制瓦斯快速解吸和涌出，瓦斯驱赶，调整地应力与瓦斯压力等。通常，在较大的区域内往往是通过具有多个靶点的井网部署达到区域防突的效果。其中，靶点间距如何控制和确定是目前面临的关键科学难题。
以往地面井的压裂影响范围被视为均一圆形，这与压裂产生的双翼裂缝和微地震监测裂缝形态不符。而通过微地震监测获取的压裂影响范围一方面不能够真实反映压裂液波及范围，另一方面该监测手段是在压裂期间实施，仅仅是作为施工结果的参考。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法，为以防突为目的的煤层气井井位部署提供了科学依据，有利于减小防突盲区。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法，包括以下步骤：
S1、将压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的柱体，计算出压裂液在平面上的防突面积；
S2、将防突面积的形态设定为椭圆形，确定防突椭圆形的长轴方向和长短轴比；
S3、根据目标煤层防突区的区域总体形态和面积，以防突椭圆形的中心点为地面井的压裂靶点，按照椭圆形紧密排列方式部署井网。
进一步的，根据施工的压裂液的设计液量、煤层吸水率、煤层厚度三个参数计算出压裂液在平面上的防突面积，计算公式如下：
防突面积=压裂液的设计液量÷煤层厚度÷煤层吸水率。
进一步的，煤层吸水率与压裂时间、注入压力、煤岩润湿性、煤岩孔裂隙特征有关，利用流体压力传递模拟得出，其确定方法如下：
S1.1、将目标煤层防突区获取的天然保湿煤心固定在岩心流动设备的夹持器内，出口端关闭，并施加等同于煤层埋深的有效应力；
S1.2、在入口端向煤心注入压裂液，实时监测出口端和入口端压力，待出口端与入口端的压力相当时停止注液；
S1.3、取出煤心，计算出注液后压裂液占煤心的体积比或者质量比，即为吸水率。
进一步的，防突椭圆形的长轴方向受到煤层内一类裂缝的控制，其确定方法如下：
S2.1、选取目标煤层已揭露的工作面进行天然裂缝测量，记录产状、规模、充填特征；
S2.2、选取记录的穿层未充填裂缝作为一类裂缝，通过统计并确定其优势方位，即防突椭圆形的长轴方向。
进一步的，防突椭圆形的长短轴比受到二类裂缝和煤体结构的影响，计算公式如下：
防突椭圆形的长短轴比=导流能力长轴÷导流能力短轴×煤体结构指数；
其中，导流能力与裂缝开度三次方和裂缝数量成正比；
由上可得，防突椭圆形的长短轴比=单位长度内所有一类裂缝开度三次方之和÷单位长度内所有二类裂缝开度三次方之和×煤体结构指数。
进一步的，煤体结构指数取值为0~1。
进一步的，原生结构的煤体结构指数为1，碎裂煤的煤体结构指数为0.75，碎粒-糜棱煤的煤体结构指数为0.5。
本发明的有益效果为：
（1）将水力压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的椭圆形柱体，其长轴方位为压裂裂缝的延展方位，受到一类裂隙方位的控制，更符合施实际压裂作用的真实范围；
（2）在防突椭圆形方位确定条件下，其长短轴长度决定了压裂靶点间距，长短轴的确定方法中利用了煤层天然裂缝导流能力和煤体结构指数，获取简单，参数较少，方便计算；
（3）与传统圆形或者圆柱状防突区域模型相比，椭圆形防突形态可以为工程师提供科学指导。水力压裂期间，靶点处流体压力最高，向外围逐渐降低，压力呈倒扣的漏斗形态分布；压裂结束后流体压力逐渐扩散，区域平衡状态；后续在井口排水降压时，靶点处流体压力最低，呈漏斗形态。因此，压裂形态和范围的变化一方面井网靶点位置和数量得到优化，另一方面产生的边际效应和压力漏斗形态可以为地面井压裂后期的压降制度设计和井下煤炭开采设计提供可靠指导。
附图说明
图1为本发明中水力压裂防突的区域椭圆形形态示意图（长轴方位角为90°）；
图2为本发明中水力压裂防突的区域靶点部署示意图（长轴方位为北东向）；
图3为本发明中水力压裂防突椭圆形区域中心盲区范围（长轴方位角为90°）；
图4为本发明中水力压裂防突椭圆形区域中心盲区范围（长轴方位角为0°）。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法，其技术适用范围为：地面井的压裂靶点位于煤层内，压裂裂缝在目的煤层内垂向扩展，压裂液在目的煤层内流动而不会窜层，我国大部分高瓦斯煤矿符合这样的条件。主要步骤如下：
S1、将压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的柱体。根据施工的压裂液的设计液量（体积）、煤层吸水率、煤层厚度三个主要参数计算出压裂液在平面上的防突面积，计算公式如下：
防突面积=液量÷煤层厚度÷煤层吸水率。
其中，煤层吸水率与压裂时间、注入压力、煤岩润湿性、煤岩孔裂隙特征等因素有关，具体确定方法为利用流体压力传递模拟得出：
S1.1、将目标煤层防突区获取的天然保湿煤心固定在岩心流动设备的夹持器内，出口端关闭，并施加等同于煤层埋深的有效应力；
S1.2、在入口端向煤心注入压裂液，实时监测出口端和入口端压力，待出口端与入口端的压力相当时停止注液；
S1.3、取出煤心，计算出注液后压裂液占煤心的体积比或者质量比，即为吸水率。
S2、将防突面积形态设定为椭圆形，防突椭圆形的长轴方向主要受到煤层内天然大型裂缝（一类裂缝）的控制，其确定方法如下：
S2.1、选取目标煤层已揭露的工作面进行天然裂缝测量，记录产状、规模、充填特征等参数；
S2.2、选取记录的穿层未充填裂缝作为一类裂缝，通过统计并确定其优势方位，即防突椭圆形的长轴方向。
S3、防突椭圆形的长短轴比受到天然次级裂缝（二类裂缝）和煤体结构的影响，其计算公式如下：
防突椭圆形的长短轴比=导流能力长轴÷导流能力短轴×煤体结构指数；
其中，导流能力与裂缝开度三次方和裂缝数量成正比，煤体结构指数取值为0~1（原生结构、碎裂煤和碎粒-糜棱煤的煤体结构分别为1、0.75、0.5，可以适当调整）；
由上可得，防突椭圆形的长短轴比=单位长度内所有一类裂缝开度三次方之和÷单位长度内所有二类裂缝开度三次方之和×煤体结构指数。
S4、根据目标煤层防突区的区域总体形态和面积，以防突椭圆形的中心点为地面井的压裂靶点，按照椭圆形紧密排列方式部署井网。
具体的，下表为采用本发明确定地面井压裂靶点间距的计算例：
| 序号 | 压裂液量 | 煤层厚度 | 吸水率 | 防突面积 | 圆形直径 | 圆形靶点间距 | 一类裂缝等效开度 | 一类裂缝数量 | 二类裂缝等效开度 | 二类裂缝数量 | 煤体结构指数 | 长短轴之比 | 短轴长度 | 长轴长度 | 长轴方位角 | 横向靶点间距 |
| m3 | m | % | m2 | m | m | mm | 条/5m | mm | 条/5m | m | m | ° | m | |||
| 1 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 1 | 3.2 | 141 | 451 | 90 | 451 |
| 2 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 0.75 | 2.4 | 163 | 391 | 90 | 391 |
| 3 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 0.5 | 1.6 | 200 | 319 | 90 | 319 |
| 4 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 1 | 3.2 | 141 | 451 | 0 | 141 |
| 5 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 0.75 | 2.4 | 163 | 391 | 0 | 163 |
| 6 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.4 | 5 | 0.1 | 100 | 0.5 | 1.6 | 200 | 319 | 0 | 200 |
| 7 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.5 | 3 | 0.05 | 300 | 0.5 | 5.0 | 113 | 564 | 90 | 564 |
| 8 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.6 | 2 | 0.05 | 300 | 0.5 | 5.8 | 105 | 606 | 90 | 606 |
| 9 | 3000 | 3 | 2 | 50000 | 252 | 252 | 0.7 | 1 | 0.05 | 300 | 0.5 | 4.6 | 118 | 540 | 90 | 540 |
煤层属于裂缝型储层或者地层，以天然裂缝作为导流通道符合压裂液的流动特征，同时以椭圆形形态作为设计依据能够客观反映压裂液作用范围。总的来说，本发明所公开的一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法为以防突为目的的煤层气井井位部署提供了科学依据，有利于减小防突盲区。
下面对本发明的优点进行具体说明：
（1）将水力压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的椭圆形柱体，其长轴方位为压裂裂缝的延展方位，受到一类裂隙方位的控制，更符合施实际压裂作用的真实范围；
（2）在防突椭圆形方位确定条件下，其长短轴长度决定了压裂靶点间距，长短轴的确定方法中利用了煤层天然裂缝导流能力和煤体结构指数，获取简单，参数较少，方便计算；
（3）与传统圆形或者圆柱状防突区域模型相比，椭圆形防突形态可以为工程师提供科学指导。水力压裂期间，靶点处流体压力最高，向外围逐渐降低，压力呈倒扣的漏斗形态分布；压裂结束后流体压力逐渐扩散，区域平衡状态；后续在井口排水降压时，靶点处流体压力最低，呈漏斗形态。因此，压裂形态和范围的变化一方面井网靶点位置和数量得到优化，另一方面产生的边际效应和压力漏斗形态可以为地面井压裂后期的压降制度设计和井下煤炭开采设计提供可靠指导。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种用于煤层防突的地面井压裂靶点间距的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将压裂防突范围的三维空间视为具有煤层厚度等高的柱体，计算出压裂液在平面上的防突面积；
根据施工的压裂液的设计液量、煤层吸水率、煤层厚度三个参数计算出压裂液在平面上的防突面积，计算公式如下：
防突面积=压裂液的设计液量÷煤层厚度÷煤层吸水率；
煤层吸水率与压裂时间、注入压力、煤岩润湿性、煤岩孔裂隙特征有关，利用流体压力传递模拟得出，其确定方法如下：
S1.1、将目标煤层防突区获取的天然保湿煤心固定在岩心流动设备的夹持器内，出口端关闭，并施加等同于煤层埋深的有效应力；
S1.2、在入口端向煤心注入压裂液，实时监测出口端和入口端压力，待出口端与入口端的压力相当时停止注液；
S1.3、取出煤心，计算出注液后压裂液占煤心的体积比或者质量比，即为吸水率；
S2、将防突面积的形态设定为椭圆形，确定防突椭圆形的长轴方向和长短轴比；
防突椭圆形的长轴方向受到煤层内一类裂缝的控制，其确定方法如下：
S2.1、选取目标煤层已揭露的工作面进行天然裂缝测量，记录产状、规模、充填特征；
S2.2、选取记录的穿层未充填裂缝作为一类裂缝，通过统计并确定其优势方位，即防突椭圆形的长轴方向；
防突椭圆形的长短轴比受到二类裂缝和煤体结构的影响，二类裂缝为天然次级裂缝，计算公式如下：
防突椭圆形的长短轴比=导流能力长轴÷导流能力短轴×煤体结构指数；
其中，导流能力与裂缝开度三次方和裂缝数量成正比；
由上可得，防突椭圆形的长短轴比=单位长度内所有一类裂缝开度三次方之和÷单位长度内所有二类裂缝开度三次方之和×煤体结构指数；
煤体结构指数取值为0~1，其中，原生结构的煤体结构指数为1，碎裂煤的煤体结构指数为0.75，碎粒-糜棱煤的煤体结构指数为0.5；
S3、根据目标煤层防突区的区域总体形态和面积，以防突椭圆形的中心点为地面井的压裂靶点，按照椭圆形紧密排列方式部署井网。
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