煤层压裂复杂裂缝形成机理与压后裂缝导流能力评价研究

Hydraulic fracturing is one of the main technical means for the development of coalbed methane, it can form complex fractures in coalbed and make pressure drop in a large area around the wellbore to guarantee the coalbed methane releases quickly and relatively persistent. Coal rock is a kind of fractured rock masses with low elastic modulus and high poisson's ratio in which lots of cleats, fractures and weak planes develop, it breaks and compresses easily. Its unique mechanical properties make the mechanism of hydraulic fracturing different from that of other kinds of rocks. And the extension of fracturing fractures is extremely complex, which makes the description of fracture geometry and the test of fracture conductivity difficult. This research, which is based on multi-field coupling theory, studies the dynamic stress distribution surround the fractures during the extension process of hydraulic fractures, and put forward a discriminant calculation method of the initiation and extension of complex fractures. Combined with the experimental evaluation of fracture conductivity, and through the simulation analysis of the changes of fracture conductivities for different fractures, fundamentally reveals the physical connotation of the hydraulic complex fractures system of coalbed and the changing mechanism of fracture conductivity and seepage characteristics of fractured complex fractures. This research provides a scientific basis for the development project design of coalbed gas fields and the reasonable rapid extraction of CBM Wells.

水力压裂是目前煤层气开发的主要技术手段，通过压裂能够在煤层内部形成复杂裂缝，在井筒周围形成大面积的压力下降，保证煤层气迅速并相对持久地泄放。煤岩发育大量的割理裂隙等结构弱面，弹性模量低、泊松比高，易破碎易受压缩，独特的力学特性导致其水力压裂机理与非煤岩石存在较大差别，压裂裂缝的延伸形态极其复杂，使压裂后裂缝形态的描述和裂缝导流能力的测试评价成为难点。本项目基于多场耦合理论，研究煤岩裂缝延伸过程的裂缝周围动态应力场分布，提出复杂裂缝启裂扩展的判别计算方法，结合煤岩裂缝导流能力实验评价，通过模拟分析不同形态裂缝导流能力的变化，从根本上揭示煤层水力压裂复杂裂缝系统形成的物理内涵以及压后复杂裂缝导流能力和渗流特性的变化机理，为现场煤层气田开发方案设计和煤层气井合理快速开采提供科学依据。

由于煤强度较低且内部层理、裂隙和割理系统发育，这使得煤层水力压裂裂缝延伸机理与常规油气储层存在较大差别，水力裂缝可能沿割理弱面开裂，使裂缝延伸形态极其复杂，甚至形成复杂裂缝延伸区域。通过研究揭示煤层水力压裂复杂裂缝系统形成的物理内涵并准确评价压后复杂裂缝导流能力对煤层气井压裂施工具有重要指导意义。. 本研究首先描述分析了煤层内部割理的发育情况，其次，通过室内实验测定了煤样抗拉强度、抗剪切强度及抗压强度等基本力学参数；假设煤层渗透率与有效应力之间满足指数关系建立了井周应力计算公式；结合位移不连续法与水力裂缝延伸过程的缝内流体压力分布模型，建立了动态诱导应力计算模型，该模型反映了水力裂缝延伸的非平面特征和诱导应力的动态变化。. 研究建立了能够反映裂纹尖端附近位移模式的特殊的尖端单元，推导了水力裂缝延伸过程的动态应力强度因子。将井周应力、动态诱导应力及裂缝尖端应力进行叠加，对水力裂缝延伸路径的割理弱面受力进行了分析，推导了水力裂缝与割理、裂隙等天然裂缝相交时的转向延伸判定准则，并将判定准则与流量分配方程引入复杂裂缝网络裂缝延伸模型，实现对煤层压后所形成的复杂裂缝区进行计算。.开展了大尺寸煤样真三轴水力压裂裂缝扩展室内模拟实验研究，分析了煤样压裂不同裂缝形态形成的机理，建立了压裂形成不同裂缝形态的理论计算模型。实验测试评价了相同铺砂浓度下煤层水平裂缝、T型裂缝和工型裂缝的长期导流能力，研究了闭合压力和支撑剂类型等因素对煤层裂缝导流能力的影响，分析了煤层不同裂缝形态下导流能力的变化规律。. 本研究以煤层压裂裂缝延伸过程的应力场变化问题为切入点，开展水力压裂煤层复杂裂缝延伸机理研究，揭示水力压裂煤层裂缝网络系统形成的物理内涵，并研究压后复杂裂缝导流能力变化，研究成果为现场煤层压裂方案设计和压后产能预测提供科学依据，为煤层水力压裂裂缝扩展机理的相关研究提供理论借鉴。