基于RFPA-3D的煤层钻...力压裂裂缝扩展规律数值模拟_巩泽文.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：巩泽文 基于 的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟 科学技术与工程，（）：.，（）：.基于 的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟巩泽文（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，西安）摘 要 水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素，煤层受割理、层理和天然裂隙的影响，非均质性较强，对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。利用 数值模拟软件，研究非均匀分布的硬煤层和软煤层，在垂向主应力不变，不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律，研究发现硬煤层水平主应力差接近时，水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位，形成网状缝；水平主应力差较大时，水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展，其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸，随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段，注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压，煤层被挤压形成一个“大肚子”区域，待煤层挤压到一定程度，煤层开始起裂、裂缝扩展；水平主应力差接近时，注入段煤层压实后，起裂形成网状缝；水平主应力差较大时，注入段煤层压实后，压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成 夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田 煤层气水平井组进行应用，日产气突破 。关键词；数值模拟；硬煤层；软煤层；地应力；裂缝扩展；压裂工艺中图法分类号 .；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目（）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目（）作者简介：巩泽文（），男，汉族，陕西米脂人，博士，副研究员。研究方向：煤矿地质。：。（），），“”，；投稿网址：煤层受众多割理和天然裂隙等非连续软弱结构面的影响，储层各向异性显著，裂缝扩展形态复杂。影响煤层水力压裂缝起裂与扩展的因素除煤储层的物理力学性质和压裂工艺外，地应力的作用不容忽视。众多学者通过数值模拟二维软件、煤体相似物理模拟实验和煤体物理模拟实验研究现代地应力对水力压裂缝扩展的影响，许露露、赵锡震、杨焦生、张帆等、吴百烈认为水平主应力差较大时，易形成单一缝，水平主应力差较小时，易形成网状缝；康向涛、李林地等、等、李小龙、卜向前等研究认为水平主应力差较大时，水力压裂缝沿着水平最大主应力方向扩展。物理模拟实验由于成本高、条件要求苛刻和试件数量有限，以及二维数值模拟软件不能设置三维应力场等因素限制，煤层水力压裂裂缝扩展微观现象和规律无法捕捉。随着计算机技术的发展，和 等岩石力学数值模拟厂商相继开发了针对单一、均质储层的三维数值模拟软件，对于煤层非均质性强、各向异性强的特征无法得到体现，并且 和 软件形成的裂缝主要为平面缝，难以模拟压裂过程中相交、分叉缝的形成及扩展。导致对三向应力条件下，贴近煤层非均质性的水力压裂缝扩展规律还未形成一个系统认识，一定程度上影响了煤层气开发工程的成功率。为了能更真实地反映岩石的真实破裂过程，提高计算机模拟技术的准确性，现采用基于有限元应力分析和统计损伤理论，可设置储层参数和力学参数非均质特性的 软件，软件同时可满足煤层的非均质性和三向应力的空间相互作用，从实验模拟条件和数值分析的角度，更为贴近地下煤层钻孔水力压裂裂缝扩展过程。利用 软件，模拟和分析三向应力条件下，不同煤体结构煤层的水力压裂裂缝扩展规律，以期服务于储层改造，提高煤层气（瓦斯）的单井产量。裂缝扩展数值模拟特征真实 破 裂 过 程 分 析（，）是基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析软件，常用于处理非均匀、非连续介质的力学问题，可以模拟非均匀分布岩体在真三轴试验条件下三维裂纹的扩展过程，为了能充分模拟非均匀岩体的变形、破裂过程，软件引入 种特性基元，即基质基元、空气基元和接触基元，种基元不同条件下可以转化，在模拟水压裂缝前，首先将岩石介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，且离散化后的细观基元的力学性质（弹性模量、泊松比）服从正态分布、韦伯分布或均匀分布，以具有拉伸截断的摩尔库仑准则作为细观基元破坏的判别准则。随着基元应力增加，首先考察拉伸破坏，如果细观基元的最大拉伸应力达到其给定的拉伸应力阈值时，该基元开始发生拉伸破坏，在没有发生拉伸破坏的情况下，再考察细观基元的剪切破坏，压裂模拟过程符合煤层非均质性和以拉伸断裂为主的水力压裂破坏过程。软件包括前处理模块（网格划分、构建模型、参数赋值、边界条件赋值、控制条件、模型选择），求解运行模块，后处理模块。地质模型示意图如图、图 和图 所示。其中，以步数参数（）为例，表示模型按设定条件数值模拟过程中的总次数为 次，括号中的数字为模型数值模拟执行处于第几次，代表未开始计算。图 煤层地质模型三维示意图（网格 ）.（）图 煤层地质模型煤层气井平面示意图（网格 ）.（），（）巩泽文：基于 的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟投稿网址：图 煤层地质模型煤层气井垂直示意图（网格 ）.（）硬煤层水压裂缝扩展模拟为研究三向主应力对硬煤层水压裂缝扩展的影响，实验分别构建水平主应力差为 和水平主应力差为 的地质模型，模型 方向代表最大水平主应力方向，方向代表最小水平主应力方向，方向代表垂向主应力方向，模型尺寸设置为 ，煤层气井井筒半径设置为，井筒深度设置为 ，注入段位于井筒底部，长度设置为 ，力学参数和储层参数设置根据高平矿区赵庄井田 号煤硬煤分层实验室数据和注 入 压 降 试 井 数 据 确 定，弹 性 模 量 设 置 为，泊松比为.，内摩擦角为，抗拉强度为.，抗压强度为 ，储层压力设置为，渗透率设置为.，岩石力学参数均质度设置为，渗透率均质度设置为 ，压裂液采用清水，注入方式采用水头加载，初始水头为 ，单步加载 ，加载步数 步（表 和表）。观察硬煤层水平主应力差 时的水力压裂数值模拟结果（图、图）和水平主应力差 时的水力压裂数值模拟结果（图、图）可知，硬煤层水力压裂缝扩展有如下特征。（）最大水平主应力和最小水平主应力差为 时，水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位，形成网状缝。（）最大水平主应力和最小水平主应力差为 时，水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展，其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸，随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。（）水平主应力差值为 或者水平主应力差为 时，水力压裂垂直裂缝易向下延伸，且水平主应力相差越大，垂直缝发育越好。表 硬煤层水平应力差 地质模型参数表 模型参数数值模型参数数值 方向网格数量 个渗透率.方向网格数量 个弹性模量 方向网格数量 个泊松比.方向模型尺寸 抗压强度 方向模型尺寸 抗拉强度.方向模型尺寸 压拉比最大水平主应力 内摩擦角（）最小水平主应力 岩石力学参数均质度垂向主应力 渗透率均质度 储层压力 表 硬煤层水平应力差 地质模型参数表 模型参数数值模型参数数值 方向网格数量 个渗透率.方向网格数量 个弹性模量 方向网格数量 个泊松比.方向模型尺寸 抗压强度 方向模型尺寸 抗拉强度.方向模型尺寸 压拉比最大水平主应力 内摩擦角（）最小水平主应力 岩石力学参数均质度垂向主应力 渗透率均质度 储层压力 图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）软煤层水压裂缝扩展模拟为研究三向主应力对软煤层水压裂缝扩展的影响，实验分别构建水平主应力差为 和水平主应力差为 的地质模型，模型 方向代表最大水平主应力方向，方向代表最小水平主应力方向，方向代表垂向主应力方向，模型尺寸设置为 ，煤层气井井筒半径设置为，井筒深度设置为 ，注入段位于井筒底部，力学参数和储层参数设置根据芦岭井田 号煤层实验室数据和注入压降试井数据确定，弹性模量设置为 ，泊松比为.，内摩擦角为，抗拉强度为.，抗压强度为，储层压力设图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）置为 ，渗透率设置为.，力学参数均质度设置为，渗透率均质度设置为 ，压裂液采用清水，注入方式采用水头加载，初始水头为，单步加载 ，加载步数 步（表 和表）。从软煤层水平主应力差 时的水力压裂数值模拟结果（图 和图）和水平主应力差 时的水力压裂数值模拟结果（图 和图）观察，软煤层水力压裂缝扩展有如下特征。（）软煤层在水力压裂初始阶段，注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压，煤层被挤压形成一个“大肚子”区域，待煤层挤压到一定程度，产生水压裂缝，并逐步向前扩展。（）最大水平主应力和最小水平主应力差为 时，注入段附近待煤层挤压到一定程度，裂缝向各个方向延伸，形成网状缝。表 软煤层水平应力差 地质模型参数表 模型参数数值模型参数数值 方向网格数量 个渗透率.方向网格数量 个弹性模量 方向网格数量 个泊松比.方向模型尺寸 抗压强度 方向模型尺寸 抗拉强度.方向模型尺寸 压拉比最大水平主应力 内摩擦角（）最小水平主应力 岩石力学参数均质度垂向主应力 渗透率均质度 储层压力，（）巩泽文：基于 的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟投稿网址：表 软煤层水平应力差 地质模型参数表 模型参数数值模型参数数值 方向网格数量 个渗透率.方向网格数量 个弹性模量 方向网格数量 个泊松比.方向模型尺寸 抗压强度 方向模型尺寸 抗拉强度.方向模型尺寸 压拉比最大水平主应力 内摩擦角（）最小水平主应力 岩石力学参数均质度垂向主应力 渗透率均质度 储层压力 图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）图 在注入点附近沿 轴方向不同位置切片图（水平应力差 ）.（）（）最大水平主应力和最小水平主应力差为 时，注入段附近待煤层挤压到一定程度，压裂缝主要沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成 夹角的方向延伸。（）水平主应力差值为 或者水平主应力差为 时，垂直裂缝向上和向下延伸能力都较强。现场应用芦岭井田 水平井组 号煤层煤体结构以碎粒煤和糜棱煤为主，垂向主应力平均值为.，最大水平主应力平均值为.，最小水平主科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：应力平均值为.，结合软煤层水力压裂缝扩展规律，软煤层在压裂过程中，前期受水压和煤层力学特性的影响，煤层挤压形成大肚子，若压裂前期加石英砂，石英砂容易沉降，形成砂堵，为防止砂堵，压裂前期应给予高前置液的施工措施。压裂施工后期，煤层挤压到一定程度后，煤层开始起裂，形成水压裂缝。由于软煤层属于塑性岩层，压裂裂缝普遍较窄且不规则，压裂施工过程中，支撑剂镶嵌严重、压裂缝短，可能出现裂缝只过压裂液而不过石英砂的现象，导致施工压力高和砂比低，由于大排量施工可以降低沉砂风险和提高携砂效率，段塞式加砂有利于打磨裂缝、增加缝宽，降低施工风险。因此，井压裂施工前期采用“高前置液比”，后期采用“大排量、阶梯砂比、段塞式加砂”水力压裂技术，累计加砂.，累计注入液体 ，总体加砂完成率达到，压裂曲线如图 所示。水平井组 天累计产气，日产气突破 产气量数据图如图 所示。图 井第五段压裂施工曲线.图 水平井组产气量数据图.结论（）从 组硬煤层水力压裂三维数值模拟结果发现，水平主应力差接近时，水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位，形成网状缝；水平主应力差较大时，水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展，其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸，随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。（）从 组软煤层水力压裂三维数值模拟结果发现，软煤层水力压裂初始阶段，注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压，煤层被挤压形成一个“大肚子”区域，待煤层挤压到一定程度，煤层开始起裂、裂缝扩展；水平主应力差接近时，注入段煤层压实后，起裂形成网状缝；水平主应力差较大时，注入段煤层压实后，压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成 夹角方向产生两条优势裂缝。（）以软煤层裂缝扩展规律为基础，形成一套“高前置液比、大排量、阶梯砂比、段塞式加砂”水力压裂的煤层气开发高效技术，在芦岭井田进行应用，日产气量突破 。参考文献 陈庚，徐涛，唐春安，等 地应力对水压致裂裂纹扩展影响的数值模拟 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：唐书恒，朱宝存，颜志丰 地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响 煤炭学报，（）：，（）：许露露 沁水盆地南部郑庄区煤储层水力裂缝扩展规律研究 北京：中国地质大学，：，赵锡震 低渗透煤储层多缝压裂形成条件研究 焦作：河南理工大学，：，杨焦生，王一兵，李安启，等 煤岩水力裂缝扩展规律试验研究 煤炭学报，（）：，（）：张帆，马耕，冯丹 大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂，（）巩泽文：基于 的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟投稿网址：缝扩展分析 岩土力学，（）：，（）：吴百烈 煤层水力裂缝扩展判定模型建立及验证 科学技术与工程，（）：，（）：康向涛 煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究 重庆：重庆大学，：，李林地，张士诚，庚勐 煤层气藏水力裂缝扩展规律 天然气工业，（）：，（）：，（）：李小龙 基于扩展有限元的单径向井压裂裂缝扩展规律科学技术与工程，（）：，（）：卜向前，周大伟，李向平，等 地应力改变对水力裂缝扩展的模拟实验研究 科学技术与工程，（）：，（）：，：，：张瑛堃，陈尚斌，李学元，等 页岩气储层水力压裂扩展有限元模拟方法及应用 天然气地球科学，（）：，（）：姜婷婷，任高峰，张建华 煤层气藏水力压裂网状裂缝形成机理及扩展规律 武汉：武汉大学出版社，：，赵海军，马凤山，刘港，等 不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究 工程地质学报，（）：，（）：王宇，李晓，李守定，等 储层非均质性对水力压裂的影响 工程地质学报，（）：，（）：卢义玉，贾云中，汤积仁，等 非均匀孔隙压力场导向水压裂纹扩展机制 东北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：贾建称，陈晨，董夔，等 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂高效抽采煤层气技术研究 天然气地球科学，（）：，（）：方良才，李贵红，李丹丹，等 淮北芦岭煤矿煤层顶板水平井煤层气抽采效果分析 煤田地质与勘探，（）：，（）：科 学 技 术 与 工 程 ，（）