裂纹扩展控制定向水力压裂研究基于液压铣槽和一个非均匀孔隙压力场

文摘

水力压裂技术发展中深埋地下的煤储层面临日常问题高初始压力和有限控制裂缝延伸方向。小说的方法定向水力压裂(DHF)基于液压插在提出了一种非均匀孔隙压力场。力学模型用于解决裂纹萌生和传播在非均匀孔隙压力场,在裂缝往往会破裂和传播对区域的高孔隙压力降低岩石有效应力。裂纹萌生的压力和传播形态分析了岩石破裂过程分析软件。数值结果表明,水力压裂裂缝的方向传播时可能水平应力差系数小于或等于0.5或开槽偏差角小于或等于30°。这些研究结果与实验结果有很好的一致性,这支持该方法的准确性和可靠性和理论。

1。介绍

2018年,煤炭消耗量的比例下降到27.2%,全球一次能源消费结构,天然气的比例上升至23.8%。天然气市场有很强的发展势头,生产和消费都实现了实质性的增长。高效开采煤层气(CBM),一个重要的非常规天然气,是重要的对全球煤炭安全生产的需求,提出了一个重要的战略能源结构优化(1,2]。中国仍然是世界上最大的能源消费国之一,占超过30%(34%)的全球净增长2018年能源消耗。尽管他们丰富的约36.81万亿³中国煤层气的赋存条件非常复杂,与低渗透的突出特点和高地应力。有效应力增加而CBM深度和可能导致抑制气体滑脱和压缩煤层裂缝,降低煤层渗透率和复杂勘探(3]。

随着科学的发展,工程技术已逐渐成为实际应用的精制。水力压裂是首先应用于石油工业,然后随后应用于煤矿(4]。现在,它是一种最有效的方法来提高煤层渗透率(5- - - - - -9]。理论上,水力裂缝方向是由垂直于最小地应力方向(10]。然而,某些问题由原始地面压力控制(例如,启动压力高,单裂纹扩展方向)继续构成现实的挑战[11,12]。在某些情况下,定向水力压裂(DHF)比常规水力压裂(更有利的和有效的13]。例如,治疗高开采煤层采空区的屋顶压力要求登革出血热把坚硬的岩石(14- - - - - -16]。煤矿巷道开车也需要登革出血热增加煤层的渗透率和preextract气体沿预定方向(17,18]。最初,学者使用多孔钻安排来缓解压力在一定方向在煤层内,同时,控制水力裂缝的扩展方向(19]。随后,一些学者提出了预制人工煤层的裂缝影响水力裂缝基于液压铣槽的影响(20.,21]。然后,登革出血热逐渐用于防止岩爆或增加渗透率定向在地下煤矿水力压裂和多孔钻或液压插(17,22,23]。与多孔钻孔相比,液压铣槽提供了改进的控制裂纹扩展的方向范围从单个钻孔。登革出血热实验首次探索Mizuta等人,但没有解决如何扩大骨折在所需的方向24]。燕等人表明,某些液压铣槽的安排可以提高断裂控制,已验证了气田开采实验(22]。然而,原位应力的变化和的角度最大水平主应力方向的液压位置布局没有考虑,这两个对裂纹扩展和偏转至关重要25]。物理实验和数值分析的关系也被用于调查一个液压位置和初始压力和裂纹扩展行为(26,27),而实际应用必须考虑多个钻孔或槽之间的相互作用。虽然许多学者在登革出血热的方法,取得了很大的突破方向裂纹扩展的条件可以控制因此仍然知之甚少,除了登革出血热裂纹扩展机制。

在这项研究中,提出了一种新的登革出血热方法基于集成液压铣槽和非均匀孔隙水压力梯度。我们已经设计了一个力学模型,演示了水力压裂的指导控制机制使用非均匀孔隙水压力梯度。数值分析是用来约束之间的关系登革出血热裂纹扩展方向和两个关键的参数:(1)水平应力差系数和(2)之间的角度液压铣槽和最大水平主应力的方向。结果与物理实验。

2。登革出血热方法和诱导非均匀孔隙水压力梯度理论

2.1。登革出血热的方法

裂纹扩展的技术原则控制使用登革出血热方法提出了在图所示1。第一次使用液压铣槽形成一个有序的和一致的槽煤层的布局。然后保持稳定的水压力在前开槽井压裂形成非均匀孔隙压力梯度场。然后实施水力压裂、水力裂缝得到所需的方向。

登革出血热方法基于集成液压铣槽和非均匀孔隙水压力梯度显示战略优势传统水力压裂。例如,周围的原始应力场槽可以重新分配水射流的援助。登革出血热区建立最大主应力超过原始应力,然后前的方向是来自原始水平方向偏转到开槽方向。最初的原位应力可以被克服,压裂裂纹扩展方向和控制可以获得28,29日]。这种方法的另一个优点是,非均匀孔隙压力梯度可以形成煤质量的注入水在不同的水井,这减少了有效应力和裂纹扩张所需的能量30.]。AlTammar等人已经证明液压骨折轨迹和压裂压力可以显著影响injection-induced压力通过一个实验研究[31日]。因此,孔隙压力场的影响的理论分析研究了裂缝萌生和扩展压力在这个研究。

该方法结合了液压铣槽和一个非均匀孔隙压力梯度扩大水力压裂裂缝和变换原位应力。钻孔布置合理、液压铣槽、注水、水力压裂、和其他措施,如以下部分所述,可以改善液压裂纹萌生、扩展裂纹扩展,满足工程要求的取向或指定位置裂缝传播提高煤层渗透率。

煤的变换身体的应力场液压铣槽已经详细描述了在文学和不包括(18]。以下部分是一个非均匀孔隙压力梯度的影响的理论解释的起始和裂缝延伸压力。

2.2。影响的非均匀孔隙压力梯度方向裂纹扩展机制

2.2.1。非均匀孔隙水压力对断裂的影响启动压力

钻孔应力状态的垂直于煤层如图2。附近的一套指导钻孔是水力压裂钻孔研究非均匀孔隙压力梯度的影响。高压水注入指导钻孔形成煤层非均匀孔隙压力梯度,从而影响水力压裂井的压力。

当非均匀孔隙水压力梯度的影响没有考虑,压裂井壁的应力状态可以表示为方程(1)[32- - - - - -34]。压裂钻孔壁的应力状态方程(1圆柱坐标的计算 ,从协调的原位岩石压力 (35]。 在哪里是垂直主应力,和最大和最小水平主应力在原位岩石应力的坐标,分别水力压裂井的水压力,然后呢 , , , , ,和径向、切向和轴向组件的正常和剪切应力在水力压裂钻孔壁倾斜一个角度吗与 ,分别。

图2显示了一个削减沿煤层飞机,压裂井壁的应力变化如图3。假设指导井眼保持一个稳定的高压水注入煤层储层的影响范围 。根据厚壁平面径向流理论,压力分布方程和边界条件从指导钻孔可以写成 在哪里是指导钻孔的半径,在指导钻孔控制水压,然后呢是原始煤层的孔隙水压力。孔隙压力变化指导钻孔可以获得的

根据有效应力原理,强调内液压井眼附近的变化 。由于孔隙水压力只会影响正常的压力,它没有对剪切应力的影响。正常的压力方程(1因此可以写成

在压裂流体损失可能发生井壁由于压裂井中的水压力之间的差异和煤层的孔隙压力,导致井眼周围的应力的变化。根据厚壁筒的热弹性应力解,切向应力的变化在墙上也可以获得 在哪里煤层的毕奥常数和吗泊松比。切向应力因此修改

当pressure-cracked洞的墙壁被破坏,方程(6根据最大抗拉强度)应该满足井壁的故障判据: 在哪里是井壁周围岩石的抗拉强度。

在存在非均匀孔隙水压力梯度,压裂井的临界裂缝起始压力可以表示为

岩石材料的泊松比总是小于0.5,这样 。当高压水注入指导钻孔,高于 。假设其他参数保持不变,形成的孔隙水压力梯度场指导钻孔将减少初始裂缝水力压裂井的压力,即钻孔将优先裂纹的方向定向钻孔,因为它是该地区孔隙压力增加更高的地方。

2.2.2。非均匀孔隙水压力对裂纹扩展的影响压力

压裂井裂缝传播是受非均匀孔隙压力梯度的影响。下面是一个扩展裂纹的分析压力。传播的应力状态任意宽度的裂缝图所示4。

通过改变坐标系统图4入裂缝坐标系统 ,裂纹的应力状态影响原位应力可以获得

以往的研究往往复杂应力状态下岩体特征作为i ii复合。这里,纯粹的II型裂缝并不强烈的挤压剪切作用下治疗。诱导孔隙的影响被忽略时,i ii的周向拉伸应变复合裂纹的长度(图24)获得 在哪里和是I型和II型裂纹的应力强度因子,分别在方程和应力强度因子(10)给出

根据最大周向拉应变理论,裂缝扩展时到达临界值 ,即:

这样的水压力传播裂纹可以获得 在哪里 和 。

方程的比较(8)和(13)表明,非均匀孔隙水压力梯度的影响指导井眼形成的裂纹萌生的裂纹扩展压力是一致的压力。由于裂纹扩展的自组织行为,裂缝将扩大最低的方向传播的压力减少扩张所需的能量。非均匀孔隙水压力梯度的形成可以有效地诱导裂纹扩展。值得注意的是,高水压力在指导井眼和近距离水力压裂钻孔导致更强的裂纹萌生和propagation-induced指导井眼的影响。

3所示。登革出血热裂纹形貌的数值分析

流和固体力学的耦合分析(RFPA岩石破裂过程分析软件^二维流式)是用于研究初始压力和登革出血热裂纹扩展36,37]。的RFPA^二维侧是由大连力学软件有限公司(中国),设计模拟quasibrittle材料的断裂和失效过程(22]。在RFPA岩石^二维流式被假定为脆性与残余强度弹性材料,及其装卸行为按照弹性损伤力学。此外,流体在岩石下面毕奥的理论。

3.1。材料参数

作者发表了相关的物理模拟实验使用砂岩,以避免过度的影响煤成本机关节指导裂缝或裂缝。砂岩是取自Songzao煤矿区在重庆,中国。结果可以在引用(17,18]。为了便于比较,本文中使用的数值模拟参数也符合物理模拟实验。图5显示了一个 标准由砂岩组成的圆柱形试样单轴压缩和结果失败后在前面的物理模拟实验。砂岩模型中使用的基本力学参数表中列出1。

3.2。数值模型的过程

模型设计和应力加载方法如图所示6。模型的大小是 ,和网格分为总计 部分。模型的水平方向与最大水平主应力加载。三个液压槽排列在一条直线,和所有插槽将注入水压力同时作为水力压裂钻孔。槽是椭圆轴3和30毫米,每个槽之间的间距30毫米。最初的注水压力在每个槽设置为2 MPa 0.1 MPa在每个步长后增加。加载停止传播裂纹的稳定形态。

之前的研究表明,最重要的登革出血热裂纹扩展的影响因素不同水平应力和最大主应力之间的角度和开槽方向25,38),以下简称槽偏差角。在这项研究中,水平应力差系数用来反映在加载水平主应力不同。水平应力差系数计算

中国煤层气开发的深度一般400 - 1000米,在这个范围和水平应力差系数通常是0.4 - -1.2。开槽偏差角为0°时,液压开槽方向平行于最大水平主应力方向和90°时,方向垂直于另一个。

我们设计了24集模型有四个水平应力差系数值(0.5,0.75,1.0和1.25)和五个槽偏差角(15°、30°、45°,60°、75°和90°)。数量模型设计和特定应力加载大小表中列出2。

4所示。数值结果与讨论

4.1。登革出血热裂纹扩展形态

的裂纹扩展形态后24数值模型模拟分析了扩展研究水平应力差系数和开槽偏差角影响登革出血热,如图7。选择两个代表性的裂纹扩展组进行比较。第一组包括型号5 - 8固定槽偏差角为30°。的水平应力差系数从0.5增加到1.25,直接在水力压裂裂缝开始传播区,逐步向外传播。第二组包含型号2、6、10、14、18、22日与一个固定的水平应力差系数为0.75。随着槽偏差角的增加从15°- 90°,裂缝逐渐传播的定向水力压裂区。这些研究结果表明,较大的水平应力差系数和开槽偏差角度更容易产生裂缝的不利偏差以外的登革出血热感应区。

为了更好地说明登革出血热的可行性方法,我们进行了对照组的模拟。第一列中的所有模型图7登革出血热的选择,即模型1 #、5 #、9 #、13 #、17 #、21 #,相比之下,开槽的偏向角变化从15°- 90°与一个固定的水平应力差系数为0.5。中央开槽和高频钻孔中保存数值模型意味着应力场和孔隙水压力梯度场相邻插槽不考虑诱发裂纹扩展。对比结果如图8。可以看出,当附近没有其他槽槽时,水力裂缝最初可能破裂并扩大沿着液压铣槽由于一定角度的插槽。然而,最大水平应力迅速控制裂纹扩展的方向。这意味着一个液压铣槽不足以实现登革出血热但需要一系列槽之间的相互作用。

此外,我们单独的裂纹扩展的结果为三个基于形态学分类类型,如图9。第一个裂纹扩展类型包括直接(即。,parallel) propagation in the DHF zone, demonstrating the best induction effects. Although the second crack pattern shows indirect crack propagation, the orientation is mostly parallel to the DHF inducing zone. The third crack type does not show a clear effect of the guiding borehole, and cracks tend to propagate along the direction of initial maximum principal stress. It is worth noting that a crack is still mainly controlled by the原位强调传播登革出血热诱导区和后将扩大沿最大主应力的方向。

24的裂纹扩展形态结果模型模拟基于上述分类进行统计分析。前两个被视为有效的定向压裂裂缝形态类型,如图10。可以看出,登革出血热裂缝只开槽时传播定向偏差角小于或等于30°或水平应力差系数小于或等于0.5。裂缝形式在其他条件下仍主要受初始最大主应力的影响。

4.2。声发射事件和初始压力评估

我们用声发射(AE)图像来确定和比较每个模型运行的破裂压力。图11在压裂过程中显示了AE模式变化的模型1 #槽偏差15°角和水平应力差系数为0.5。图中的红色和白色的圆圈代表了AE能量产生的拉伸和压缩应力,分别。圆直径代表AE能量大小,和圆的数量显示AE事件的数量。图11(b)展示了一些典型的拉伸破坏AE事件位置提示,代表开始破裂。在这一步我们考虑注水压力破裂压力。

4.3。比较分析裂纹萌生的压力和传播形态与实验结果

我们之前报道和相关物理登革出血热的实验结果相似。然而,实验涉及到只有中央槽填满水,尽管这里给出的数值计算涉及三个槽的同时注入水和孔隙水压力梯度的影响。然而,与实验数据进行比较是很重要的检查计算结果的有效性。

所有模型的裂缝起始压力模拟(表2)从AE-related获得信息和变化规律如图12(一个)。逐渐增加的初始压力观察增加两个槽的偏向角和水平应力差系数。图12 (b)总结了主要的初始压力登革出血热实验获得的数据。数值结果与实验数据吻合较好。然而,起始压力数值分析计算是略低于实验值相同的条件下获得的。这种差异可以解释为三个模型中的孔隙压力梯度,形成槽水井由于同时注射用水。以下部分描述的理论分析2孔隙压力梯度场,可以减少初始压力,这解释了低价值来源于模型与实验。

同样,我们比较裂纹扩展形态通过数值计算与实验结果在相同槽偏向角和水平应力差系数。物理实验和数值模型之间的对应关系如表所示3。

图13显示了实验裂缝和数值模型的CT图像裂纹扩展形态。研究预设槽和非均匀孔隙压力场的影响在断裂传播全面,三个槽骨折同时在数值模型中只有中心槽骨折在以前的物理实验。由数值计算结果因此裂纹扩展提供更详细深入的控制过程。总的来说,这两个数据集显示类似的裂纹扩展形态和方向。裂缝方向传播条件总结部分4.1因此,验证了实验结果。

尽管物理实验和数值模拟的裂纹扩展形态有很高的相似性,他们是不完全相同的孔隙水压力梯度的存在。随着水平应力差系数的增加(样品2、5、6和7),实验中的裂缝逐渐向最大水平主应力偏转,而数值模拟在相同的条件下获得的裂缝扩展的登革出血热诱导区,即使没有直接的联系。因此,诱导裂纹扩展效果明显改善孔隙水压力梯度的形成。

5。结论

基于这项研究,可以得出的主要结论如下:(我)基于液压铣槽和登革出血热的新方法提出了一种非均匀孔隙压力场。面向液压裂纹和扩展使用两个因素打扰当地的岩石的应力场。我们已经建立了一个力学模型的裂纹萌生和传播一个非均匀孔隙压力场,这揭示了非均匀孔隙压力场诱导的影响。力学模型表明,孔隙水压力梯度降低了岩石有效应力和裂纹倾向于破裂和传播对高孔隙压力区(2)裂缝方向传播条件澄清。时,水平应力差系数是小于或等于0.5或开槽偏差角小于或等于30°,裂缝可以实现定向扩张。开槽偏差越小角度和水平应力差系数,登革出血热的定向效果就越好(3)数值结果与相关实验数据比较验证了。我们比较和分析裂纹萌生的压力和裂纹扩展形态的变化从数值分析和物理实验。增加开槽偏差角的值和/或导致更高的初始压力,水平应力差系数和孔隙压力梯度场可以减少初始压力。实验和数值结果的比较表明,诱导效应改善孔隙压力梯度场的存在

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51904049),重庆市自然科学基金(通用程序,没有。cstc2019jcyj-msxmX0702),重庆科技创新人才支持计划(没有。重庆CSTCCXLJRC201712),基础科学和前沿技术研究项目(cstc2017jcyj BX0076)。

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