煤层气水力压裂网状裂缝形成机理及设计控制研究

Aiming at the key scientific issues in the initiation and prorogation of cracks in coalbed methane during hydraulic fracturing, tests are carried out on the typical coal rock samples, to get their property parameters. These experimental results afford the basement for the later theoretical and numerical calculations. The seepages of hydraulic fluid along the fracture height direction and a criterion used for the prediction of the crack initiation are included to improve the traditional Geertsma-de Klerk model, which can precisely depict the fracturing crack initiation and propagation. To verify and correct the proposed model, hydraulic fracturing physical simulation tests on large size raw coal rock are carried out. The distribution of the stresses on the bedding and natural fracture under the influence of the hydraulic fracturing is studied by using the proposed model. Moreover, the interactions between the main and secondary fractures are investigated. The critical conditions and parameters for the fracture initiations are discussed respectively when the wellbore is horizontal to, orthogonally crosses, and obliquely crosses the bedding. The impacts of reservoir parameters, completion method, completion parameters and construction parameters on network fracture morphology are studied to optimize the design parameters of the hydraulic fracturing in the coalbed reservoir. The research can provide theory basis and technology reference on hydraulic fracturing design and production evaluation in CBM reservoir.

针对煤层气藏水力压裂过程中裂缝起裂及扩展预测中的关键科学问题开展研究工作，对典型煤岩试样开展模拟水力压裂条件下岩石力学实验研究，获得煤岩力学性能参数及其破坏规律，为理论和数值计算提供基础数据。通过在Geertsma-de Klerk模型中引入流体沿着裂缝高度方向渗流项和起裂位置判据，实现对裂缝扩展的三维表征和描述，并利用室内大尺寸原煤水力压裂实验对理论结果进行校核和验证。将改进的Geertsma-de Klerk模型数值化并嵌入到煤层气藏水力压裂裂缝网络预测的三维地质力学模型中，研究在水力压裂裂缝、层理和天然裂缝面综合作用下的煤岩应力场分布特征，分析不同井眼方位时裂缝起裂的临界条件；确定储层参数、完井和施工参数对网状裂缝形态的影响规律与权重，实现对网状裂缝几何尺寸的设计控制。研究成果有望为我国煤层气井水力压裂优化提供参考。

水力压裂是提高煤层气井产量和增加煤层气采收率的有效手段。水力压裂过程中煤岩储层压裂裂缝扩展规律、尤其是网状裂缝的形成机理较为复杂，制约了煤层气水力压裂技术的高效实施。因此，充分认识煤层气藏水力压裂裂缝延伸规律，揭示网状裂缝的形成机理，对加快我国煤层气的开发具有重要意义。本项目紧紧围绕研究目标，以河南焦作某煤矿为依托，通过对现场地质条件调研和目标地层岩心的钻取，开展了对不同层理角度的巴西劈裂、单轴及三轴压缩、三点弯曲和渗透特性试验，获得了相应力学和物理参数。研究了不同力学实验的破坏模式与破裂机制的各向异性特征，探讨了层理在煤岩复杂破裂模式形成中的作用。通过大尺寸原煤水力压裂物理模拟试验，分析了煤岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律，揭示了网状裂缝的形成机理，得到煤岩储层水力裂缝起裂与延伸的四种基本模式。水力压裂裂缝垂直层理扩展时，会在层理处发生发叉和转向，产生与主裂缝相交的次生裂缝，且主裂缝在继续扩展过程中沟通层理或天然裂缝形成裂缝网络；地应力和压裂液排量是裂缝形态的主要控制因素。根据上述实验结果和目标地层的地质特征，建立了考虑煤岩各向异性影响的二维和三维水力裂缝数值模拟模型，分析了水力压裂微裂缝的扩展过程，给出了影响裂缝网络形成的主控因素。结果表明：射孔完井条件下煤层气藏更易形成网状裂缝，裂缝的起裂和延伸主要为张拉裂缝的失稳扩展；层理断裂韧性是控制微裂缝在层理处发生分叉和转向的关键；地应力主要影响微裂缝的延伸距离；压裂液排量对微裂缝形态和延伸距离均有较大影响。煤与层理的弹性模量和断裂韧性差异较大，对主裂缝延伸有较强的抑制作用，但有利于形成较多的诱导裂缝;较小的水平地应力差有利于形成横切裂缝网络。注入速率越大，裂缝尺寸越大，裂缝网络越复杂。研究成果可为煤层气储层水力压裂优化设计和缝网几何控制提供参考。