發(fā)布時(shí)間：2018-01-09 09:21

  本文關(guān)鍵詞：煤巖體積壓裂機(jī)理研究　出處：《西南石油大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：煤層氣是在成煤過程中形成并賦存于煤層中的一種非常規(guī)天然氣。通常煤層氣開發(fā)經(jīng)歷降壓-解吸-擴(kuò)散-滲流4個過程。我國沁水盆地南部煤層氣儲層具有高階、低滲、低孔和高含氣的特征。為了提高該地區(qū)的煤層氣產(chǎn)量,水力壓裂已成為增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),但現(xiàn)有的常規(guī)壓裂手段僅在一定程度上改善了煤層氣的滲流通道,未對煤層氣的解吸-擴(kuò)散做出顯著貢獻(xiàn),致使煤層氣單井產(chǎn)量低和經(jīng)濟(jì)效益差。體積壓裂是從頁巖氣開發(fā)發(fā)展起來的一種新型壓裂技術(shù),論文借鑒頁巖體積壓裂的成功經(jīng)驗(yàn)結(jié)合沁水盆地南煤巖地質(zhì)特征提出了煤層氣水平井體積壓裂思路,通過體積壓裂將煤層打碎,增大煤層改造體積。體積壓裂不僅可以改善煤層氣的滲流通道,而且在一定程度上“縮短”了煤層氣滲流距離,進(jìn)一步加快井底壓降向地層傳遞的速度,進(jìn)而促進(jìn)煤層氣大面積解吸達(dá)到增加單井產(chǎn)量的目的。然而,目前國內(nèi)外對于煤層體積壓裂的研究較少,對煤層壓裂后形成縫網(wǎng)的能力認(rèn)識不足,缺少針對煤巖壓裂裂縫擴(kuò)展的模擬方法。因此,本文以沁水盆地南煤層水平井為研究對象,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論研究等手段對煤巖工程地質(zhì)分析、煤巖可壓性評價(jià)、水平井破裂壓力計(jì)算及復(fù)雜縫網(wǎng)模擬等方面展開研究,具體內(nèi)容包括以下幾個方面：(1)調(diào)研國內(nèi)外煤層氣改造技術(shù),分析影響煤層氣單井產(chǎn)量的因素,針對現(xiàn)有壓裂工藝技術(shù)存在的問題,提出煤巖水平井體積壓裂改造思路。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定沁水盆地南部煤巖的孔滲特征、微觀結(jié)構(gòu)特征、割理發(fā)育特征和煤巖力學(xué)特征,對比常規(guī)油氣儲層與煤層氣儲層間的差異,深入分析了煤層氣儲層在地質(zhì)和開采方面的非常規(guī)特性,為煤層氣開發(fā)提供思路。(2)提出了一種煤巖體積壓裂可壓性綜合評價(jià)方法,該方法考慮了煤巖力學(xué)特征、儲層地應(yīng)力、煤巖割理密度以及壓裂施工凈壓力對多裂縫形成的影響,通過定量化處理后形成綜合可壓指數(shù)。利用該參數(shù)可以在壓裂前就對區(qū)塊煤巖地質(zhì)的優(yōu)劣進(jìn)行評價(jià),為后期的壓裂設(shè)計(jì)提供思路,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。(3)采用斷裂力學(xué)的方法,計(jì)算水力裂縫的尖端區(qū)域和側(cè)面區(qū)域的應(yīng)力場,建立水力裂縫和煤巖割理間的相互作用關(guān)系；計(jì)算不同位置處割理的剪切和張開程度,分析割理內(nèi)聚力、割理內(nèi)摩擦角、凈壓力、割理逼近角以及差應(yīng)力系數(shù)等參數(shù)對割理發(fā)生起裂的影響。(4)考慮煤巖割理發(fā)育的特點(diǎn),分別建立水平井裸眼完井和射孔完井情況下煤巖本體起裂、割理張開起裂、割理剪切起裂和射孔尖端起裂四種起裂模型,并針對不同起裂模式以VB編程的方式計(jì)算相應(yīng)的破裂壓力。在四種起裂模式中,沿著割理張開時(shí)的起裂壓力最低,而本體起裂時(shí)的破裂壓力最高；在沿著最小水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí),本體起裂壓力、割理張開壓力和射孔尖端起裂壓力最高,而剪切起裂壓力最低；不同大小的破裂壓力在憋壓、轉(zhuǎn)向等條件下形成了近井地帶的多裂縫。(5)利用斷裂力學(xué)知識,建立裂縫干擾和起裂壓力間的影響關(guān)系。通過計(jì)算表明先壓裂縫所形成的應(yīng)力陰影會影響后壓地層的破裂壓力；隨著裂縫凈壓力的增加,后壓裂縫的起裂壓力相對增加。(6)基于煤巖中發(fā)育著正交分布的面割理和端割理的特點(diǎn),建立煤巖裂縫擴(kuò)展模擬方法。該方法以離散元軟件3DEC為平臺,通過FISH語言程序進(jìn)行建模和條件設(shè)置。相對有限元和邊界元等方法而言,離散元方法能夠更好地考慮煤巖中非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征,使得模擬結(jié)果更加符合真實(shí)情況。(7)通過對同等條件下室內(nèi)真三軸實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬,得出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了物理模擬與數(shù)值模擬的統(tǒng)一。通過對不同的施工參數(shù)與地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)：①隨著排量的增加,水力裂縫波及的面積增大；②低差應(yīng)力系數(shù)有利于分支裂縫的形成；③割理密度越大,縫網(wǎng)越復(fù)雜；④在低方位角(面割理與最大水平主應(yīng)力的夾角)下分支裂縫不易產(chǎn)生,而在方位角為30。-50。時(shí)易產(chǎn)生分支裂縫；⑤分段壓裂簇間距越小,形成的體積縫網(wǎng)越復(fù)雜。
[Abstract]:In order to improve the yield of coal bed gas in Qinshui basin , this paper presents a new type of fracturing technology for coal bed methane production . ( 3 ) The fracture mechanics method is adopted to calculate the stress field of the tip region and the side region of the hydraulic fracture , and to establish the interaction relation between the hydraulic fracture and the coal rock cutting mechanism . ( 7 ) Through the numerical simulation of the indoor true triaxial tests under the same condition , it is concluded that the numerical simulation results are consistent with the experimental results , and the physical simulation and numerical simulation are unified to a certain extent .

【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE377

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本文編號：1400838