文摘

揭示了压裂液速度对水力压裂裂缝延伸的影响,建立了水力压裂数值模型基于煤层气(CBM)在中国的东北部。的压裂液速度对水力压裂裂缝延伸的影响主要是调查,和压裂液速度和裂缝尖端位移之间的关系。结果表明,断裂前呈现不同形态特征在不同时间的压裂。压裂液速度越大,裂缝长度和宽度越大后水力压裂的同时。然而,裂缝的长度不会无限期地增加;骨折时将停止传播注入流体达到一个平衡的液体渗透或从断口表面过滤。压裂液速度的增加,断裂长度增加对数和逐渐变得平缓。研究结论提供了一定的参考改善水力压裂裂缝延伸的效果。

1。介绍

煤层气的资源(CBM)在中国 米³,煤的煤层气含量煤储层 米³,占47%以上(1]。目前,煤层气井的生产在中国普遍较低,这在很大程度上是与穷人煤层气的储层条件。在中国煤层气储层是由储层压力低,generallycharacterized初始渗透率低,低气体饱和度和可怜的同质性,由于几个构造运动的影响。特别是对于浅煤层气储层,是道的煤层气的解吸和迁移,由于储层压力低。2]。在低渗透煤层,使用天然气渗流的影响移民法律preextract气差,所以它通常是有必要采取一些人工方法来增加煤的渗透率岩石。常用的方法主要有松动爆破方法和水力压裂方法(3]。水力压裂法是应用最广泛的方法。

水力压裂是使用高水压力在井下井壁围岩的破坏,导致井眼周围的裂纹的起始和发展,形成了一定规模的裂缝网络,形成一个减压区断裂,从而增加煤岩的渗透性。压裂后,许多广泛分布液压骨折可以出现在煤层,导致大面积的压降井孔周围气体提取。气体解吸的表面积引起的煤层的压降增加,这保证了煤层气的快速和相对持久的放电。天然气产量约为5 - 20倍压裂之前,和恢复效果是非常重要的4]。

在水力压裂的裂缝延伸机理方面,许多研究人员进行了大量的数值模拟研究和物理测试。Warpinski裂缝延伸压力环设备监控使用实时处理在我的测试,发现主要的断裂和分支断裂扩展同时压裂期间(5]。代表和诺尔特进行了三轴水力压裂试验研究,发现液压骨折将启动和扩大沿最小主应力的方向(6]。石城等人用CT观察和分析的内部骨折断裂的样品,发现位移和压裂液粘度压裂液有利于形成复杂的骨折在一定范围内,,要么过高或过低会有负面影响。低地应力差异时,液压骨折容易沿天然裂缝直接骨折(7]。高应力的影响差异有利于裂缝更自然的形成一个相对复杂的裂缝网络结构。侯等人研究了通信行为水力裂缝与天然裂缝在压裂,发现液压骨折是否可以穿透天然裂缝主要是有关自然的打开和胶结程度骨折(8]。自然骨折大开口、低胶结强度很容易把液压骨折和不容易形成复杂骨折。水力裂缝与天然裂缝相互作用形式空间空间的裂缝网络。

然而,实际的裂解骨折在煤层非常发达,和自然骨折,床上用品的飞机,飞机和结构有很大的影响水力裂缝的扩展形态,形成实际的三维水力裂缝储层,将会非常复杂,可能发生骨折和许多分支。液压骨折在煤储层的垂直扩展很容易受到煤层的厚度(9]。

一些学者发现,当井底压力超过垂直地应力水平裂缝组件之间的接口容易发生在煤层与相邻的屋顶和地板层,导致T -或h形骨折10,11]。Thiercelin等人发现岩层的断裂韧度越小,就越容易对水力裂缝传播(12]。相反,岩层的断裂韧性越大,断裂传播所需的压力就越大。根据线弹性断裂力学理论,西蒙森等人证明了水力裂缝在杨氏模量较高的岩层可以扩展到关键岩层较低的杨氏模量。相比之下,液压骨折的传播在岩石较低的杨氏模量受限于关键岩石高杨氏模量(13]。陈等人研究了t型的复杂骨折骨折由煤层生成通过建立一个数学模型,控制流,和单因素分析和扩展规则获得煤层(t型骨折的14]。邓等人利用格里菲斯理论和水力压裂方法分析岩体的水力裂缝延伸过程中孔隙壁应力场,原始应力场之间的关系,包含内部压力的传播压裂缝,围岩的力学性能15]。

之前的研究主要集中在水力裂缝几何和扩展的水力压裂测试。然而,压裂液速度是影响水力压裂的重要参数之一。在不同压裂液速度,开始破裂模式也不同;即压裂液速度和其他因素会影响水力压裂裂缝起始的演化特征。然而,当前研究压裂液速度之间的关系和液压骨折的萌生和扩展是不够的。

因此,本文以中国煤层气领域为研究背景,通过数值模拟方法研究不同的泵注入率的裂缝延伸过程中水力压裂与水力压裂和探索其规律性,具有一定的指导意义,必须改善水力压裂的效果。

2。工程概述

煤层气田位于吉林省延边朝鲜族自治州东部,毗邻图们江在西方,Hulu龟在东部,从村庄在北方,和中俄边境在南部,占地面积约630公里²。珲春河位于从东北整个盆地西南部,流入图们江。平原是21 - 80米,和丘陵地区海拔80 - 260米。它们中的大多数都是切成沟壑和脊南北流。在西方的盆地,有Baliancheng,城西,Sandaoling, Yingan矿业领域。在南方的详细勘探区白石# 1,# 2,# 3。在东方,有Tuohezi, Wujiazi普查区域,和妙乐矿区(图1)。其中,预测气田的煤层气资源可以达到 米³好的,这是一块煤煤煤层气的勘探和开发前景。

广泛开发煤层在整个地区包括19日,20日,21日,22日,23日,26日和30煤层。单层煤的厚度一般是0.2 - -3.0米,最大厚度是8.5米。累计厚度通常是有些米,最大厚度43.44米,特点是薄煤层和许多层(图2)。煤层的埋藏深度在西部比东部更大。从西到东,煤是长焰煤,长火焰coal-lignite,褐煤,和自底向上的煤是长焰煤、褐煤。煤炭积累中心位于Balancheng的东部,西部城市的中间,Banshi区北部的# 1区。累积的煤层厚度超过20米,煤炭层次很多,分布是稳定的。煤层变得更薄、更连续的东部。煤层的埋藏深度在西部大于东部,但主要煤层的埋藏深度一般小于600米,这是非常适合煤层气的开发。

3所示。煤层气领域的机械模型,水力压裂

3.1。Cohesion-Displacement方程结合元素

假设裂缝延伸控制键区模型(16,17]。模型需要一个预定义的断裂传播路径债券组成的元素,以及后来骨折将扩大在预定义的扩张路径。模型是基于Zheltov和Khristianovitch假设负荷作用于骨折应该确保裂纹尖端应力的有界性18]。债券区域模型由两部分组成:一个是cohesion-displacement方程控制裂缝延伸,另一个是水动力方程描述了流体在裂缝和岩石内部渗透过滤(19]。

债券区位于裂缝的顶端,和内聚力应该抵制裂缝内的张力和抵消应力奇异点小费。裂缝尖端附近的区域发生塑性变形和微裂缝过程液压张力的作用下,裂缝之间的过渡区和未损坏的岩石。在债券区域模型,裂缝尖端的形状并非完全锋利,可避免裂缝尖端应力奇异现象。

零厚度凝聚力元素被使用,即。,the geometric thickness of the element is set to zero, by which more accurate model results could be obtained. Figure3显示了债券与邻有限元元素及其关系(20.]。结合元素分享或绑定绑定约束节点的表面元素在邻近地区。不同的传统元素结合,有孔隙压力节点上下相邻节点之间的成键的元素,用于描述流体压力的力学特性作用于表面成键的元素。孔隙压力节点没有位移自由度只有孔隙压力自由度。

cohesion-displacement模型假定岩石是线性弹性损伤发生之前,损伤发生和发展一定位移/后应力状态。岩石的弹性本构关系所示以下方程: 在哪里是垂直于断裂表面的张力和和是两个方向的剪切力和断裂表面平行。

图4显示了cohesion-displacement结合元素的标准(20.]。在水力压裂的初始阶段,裂纹尖端的凝聚力增加线性增加的上下位移的断裂表面。当上、下表面位移的骨折 ,凝聚力达到临界应力,结合元素的键的强度 。当位移大于 ,裂缝尖端的内聚力是不可逆线性损伤演化律法由于物质损失。当位移 ,凝聚力是0,裂缝是完全分离的。以下地区cohesion-displacement曲线代表了断裂的能量, 。

岩石内部损伤发生时,力量也开始降低。当岩石内部的应力/应变达到指定的初始伤害准则,岩石的强度逐渐降低。摘要岩石的初始伤害准则是二次正应力准则(21),如图所示 在哪里 , ,和代表岩石的峰值强度的法向应力,裂纹扩展时应只沿垂直裂缝面或只沿两个剪切方向平行于裂缝面,分别。麦考利括号运算符“< >”用于指定压应力下岩石不会损坏或变形。

损伤演化规律描述了材料强度的退化率时指定的初始伤害标准是满足。岩石破坏后cohesion-displacement模型中应力分量如下: 在哪里 , ,和 ,分别代表压力组件决定根据cohesion-displacement标准假设没有损伤岩石材料,如图4。是损伤因子,它代表了岩石材料的损伤程度。岩石损伤后,损伤因素变化单调与负载的增加从0到1。摘要岩石材料符合线性损伤演化的规律。 在哪里代表有效的位移,和数学表达式如下:

在方程(4),代表岩石时有效位移完全破坏;代表了最初的岩石损伤的有效位移;代表的最大有效位移所经历过的岩石在加载历史。

3.2。流体动力学方程

流体在裂缝被认为是不可压缩的。流体流动的水力裂缝沿两个方向:一个是切向流,也就是说,方向平行于裂缝表面,用来模拟流体流动水力裂缝的扩展方向。,另一种是垂直流动方向垂直于裂缝表面,用于模型流体渗透断裂面之间的交换和多孔介质岩体。

流体平行断裂表面被认为是牛顿流体,以及流量由润滑控制方程来源于navier - stokes方程在以下表格22]:

根据雷诺方程,切向磁导率可以定义如下:

根据流体质量守恒方程,可以得到如下:

在哪里是流体的速度,切向磁导率,流体压力梯度沿裂缝方向,裂纹张开,流体的粘滞性,泵送流量,和垂直流速度流入上下断裂表面,分别反映了流体过滤损失从骨折到岩石。

垂直流表达如下: 在哪里和的滤失系数分别是上、下表面的粘结单元。和分别在岩石孔隙压力单位。是流体压力作用于断裂表面。

4所示。数值模拟

4.1。建模

开始破裂的规律和传播过程中储层水力压裂一直是许多学者关注的焦点。水力压裂的效果直接决定了煤层气的生产力和煤层气的回收率。在中国煤层气领域为背景,压裂液速度的变化特征研究了水力裂缝延伸过程中数值模拟(见图5)[23- - - - - -25]。煤样的渗透率在不同孔隙压力是由稳态渗透测试的测试方法。煤的孔隙度是通过压汞测试。模型的主要参数如表所示1。最小水平应力7.2 MPa,最大水平应力吗9.0 MPa,垂直压力为8.1 MPa。

4.2。结果和分析

图6显示了在煤层水力裂缝延伸的结果在不同的时间当压裂液速度是0.117米³/ s。PFOPENXFEM参数图中代表了裂缝宽度(骨折开放)每一点的骨折。在0.59秒,裂缝开始破裂。因为最小水平主应力沿 - - - - - -方向,破裂面平行飞机。在不同时期,断裂前呈现不同的形态特征:如图6 (b)煤层内部的断裂前;如图6 (c)上(或降低)煤层的一部分是与内部裂纹和在最前面;如图6 (d)最大缝长度,上下分煤层是相同的。然而,在任何情况下,由于薄煤层(5米)模拟本文几乎没有不同裂缝长度相应点的前部断裂过程中水力裂缝扩张,而且没有大区别上下裂缝长度和裂缝长度。每个点的缝宽缝高度的方向基本上是相同的。

裂缝传播在不同的时间在不同的压裂液速度计算。数据7和8显示的结果在注入点裂缝长度和裂缝宽度在不同压裂液速度,分别。从图可以看出,压裂液速度越大,裂缝长度和宽度越大后水力压裂的同时。然而,随着时间的增加,裂缝的长度不会无限期地增加;骨折时将停止传播注入流体达到一个平衡的液体渗透或从断口表面过滤。

如图7抽水时间的增加,裂缝的长度逐渐趋于某一极限值,和相应的极限值为不同压裂液速度是不同的。压裂液速度越大,裂缝长度限制越大,压裂液速度越高,因为需要更大的流体损失达到动态平衡。

图9显示了水力压裂的裂缝长度在1000年代在不同压裂液速度。从图可以看出,随着压裂液速度的增加,断裂长度增加一个对数模式(方程(10),最后逐渐趋于平坦。 在哪里裂缝长度(m)和吗是压裂液速度(理科硕士²)。

5。结论

基于煤层气的背景(CBM)在中国的东北,数值分析方法用于调查不同压裂液的断裂传播速度在水力压裂。以下主要结论是达到:(1)骨折方面提出了压裂的不同形态特征在不同的时间。压裂液速度越大,裂缝长度和宽度越大后水力压裂的同时(2)裂缝长度不会增加下去。骨折时将停止传播注入流体达到一个平衡的液体渗透或从断口表面过滤(3)压裂液速度的增加,断裂长度增加对数和逐渐变得平缓

数据可用性

所有数据期间使用本研究可从相应的作者的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由国家科技重大项目支持中国科技部(批准号2016 zx05042)。