本文格式为Word版，下载可任意编辑煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研究 煤层气 开发及开采 天 然 气 工 业 2022年12 月 煤层气井繁杂水力压裂裂缝模型研究 吴晓东1 席长丰1 王国强2 (1.中国石油大学 北京 2.中联煤层气有限公司) 3 吴晓东等.煤层气井繁杂水力压裂裂缝模型研究.自然气工业,2022,26(12):1242126. 摘 要 煤层与常规砂岩储层不同,煤层抗压强度低,易破碎变形,水力压裂时形成的水力裂缝系统也相对繁杂煤层水力压裂时常展现一些垂直裂缝与水平裂缝共存,或多条垂直(水平)裂缝存在的现象,形成所谓的繁杂裂缝系统繁杂裂缝系统是煤层割理,煤层与上下顶底板岩性较大的力学性质差异,煤岩构造应力,煤粉堵塞,不同岩性的界面效应等因素综合影响的结果当煤层垂直应力与水平应力相差较小时,煤层往往展现“T”字型或“工”字型裂缝系统,对“T”字型或“工”字型裂缝系统举行设计研究,根据繁杂裂缝形成机理,以“T”字型裂缝系统为例,建立了其数学模型,层气井组某口井举行了实例计算,井水力压裂施工起到了很好的作用,有较强的实际意义。
主题词 煤成气 水力压裂 应力 裂缝( 主要有三种形态[1:,;②以,多发育于深煤层,垂向应力大于两个水平应力;③繁杂裂缝系统,多发育中浅煤层,垂向应力与水平应力相差较小假设在煤层压裂时形成水平裂缝,可以用Penny模型对裂缝举行设计计算;假设形成水平裂缝,那么可以用CDK模型举行计算[2]而对于形成繁杂水力裂缝的煤层,其计算方法仍需进一步完善 图1 通过巷道挖掘查看察觉的“T”型裂缝系统图 一、繁杂裂缝形成机理 煤层水力压裂时常展现一些垂直裂缝与水平裂缝共存,或多条垂直(水平)裂缝存在的现象,即所谓的繁杂裂缝系统这种现象的展现是由于煤岩本身割理存在,煤岩与上下顶底板岩性有较大的力学性质差异,煤岩构造应力,煤粉堵塞,不同岩性的界面效应等因素综合影响的结果例如人们在对煤层水 一般来说,煤层具有埋深浅、割理发育等特点 产生繁杂裂缝系统的过程可描述为:煤层气井在举行压裂施工时,随着压力的不断升高,首先会展现一条裂缝,随着施工的举行,这条裂缝持续延迟;由于煤层压裂过程中会产生大量的煤屑,煤屑可能会引起裂缝端部的堵塞,造成裂缝顶部高阻力,使得缝内压力不断升高;又因煤层的水平方向上的应力与垂直方向上的应力相差不大,所以当井底压裂升高到 确定程度时煤层开头在另一个方向上发生破碎,即 力压裂后再通过开采煤矿直接举行巷道挖掘查看,产生了其次条裂缝。
煤层压裂施工产生所说的“T”分外直接地描述了在煤层压后形成“T”型裂缝(顶部字型裂缝或“工”字型裂缝的过程为:假设煤层的水为水平裂缝、煤层部位为垂直裂缝)的处境(见图1) 平方向上的应力为地层的最小主应力且水平抗张强 (编号:20220425001)片面研究内容 3本文属国家教导部博士基金工程“煤层气井数值模拟模型的研究” 简介:吴晓东,1959年生,教授,博士,博士生导师;长期从事油气田和中国煤层气开发研究工作地址:(102249)北京市昌平区中国石油大学石油自然气工程学院010)89734626E2mail:wuxd308@ 124 煤层气 第26卷第12期 天 然 气 工 业 开发及开采度较小,压裂开头后,地层压力升高,产生一条垂直裂缝,随着施工的举行,裂缝内产生大量的煤屑,导致压力升高,当井底压力升高到确定程度时,煤层开头在水平方向上产生另外一条裂缝由于煤层与上下夹岩之间的岩性差距较大,有确定的界面效应,这条水平裂缝经常会展现在煤层与上下夹层的交界面处当水平裂缝仅展现在上夹层处或仅展现在下夹层处时,这种裂缝系统就是所谓的“T”字型裂缝系统,当水平裂缝同时展现在上下夹层处时,这种裂缝系统就是所谓的“工”字型裂缝系统。
就是在计算压裂液的滤失时,会产生相当大的误差, 进而会对裂缝的几何尺寸产生重要的影响因此务必修正计算公式中的地层平均渗透率(K)在以往的压裂模型中,以水平缝模型为例,只是增加了一项端割理的滤失,没有包括面割理在径向方向上造成的滤失这里采用修正渗透率的方法来计算煤层的滤失系数用水平方向上的渗透率Kx和垂向上的 Ky计算出平均滤失系数,公式为K=KxKy,用之 二、数学模型 针对煤层压裂繁杂裂缝形成机理, 应用提升的KGD模型来举行裂缝计算设计,以煤层压裂中经常 计算受压裂液黏度操纵的滤失系数(C1)和受地层流 体压缩性操纵的滤失系数(C2),进而计算出综合滤失系数(C),即可抵消地层的各向异性的影响 (2)裂缝几何参数计算 垂直缝片面缝宽公式: Wmax展现的繁杂裂缝系统中的“T”字型裂缝系统为例进 行分析设计“,T”字型裂缝的水平缝和垂直缝片面如图2所示 2 p4 (2)( 3) Wmax4 : 2αLerfc(α-1+eL)(πWmax+8Sp)L= πHC232(4) 其中:αL= πWmax+8Sp =2.15 G W= 4 水平缝片面缝长公式: Wmax 图2 “T”字型缝示意图 (5)(6) Wmax15 水平缝片面半径公式: 1.根本假设 各种根本假设条件如下:①地层均质且各向同性;②裂缝高度是给定的常数,并受储层上下岩层操纵;③地层岩石变形为线弹性应变,储层与上下岩层之间产生相互滑移,裂缝剖面是矩形;④繁杂裂缝系统为“T”型缝,并且水平片面半径与垂直片面半长相一致;⑤流体在缝中作一维的层流滚动;⑥垂直剖面上,流体压力为常数,泵注排量保持恒定。
2.数学模型 (1)压裂液的综合滤失系数(C) 综合滤失系数的根本公式为[3]: C= R= 22 π30C (4Wmax+15Sp) α-1+eerfc(R) 2αR 2 (7) 其中:αR= 4Wmax+15Sp “T”字型裂缝系统中:Q=QV+QH;L=R 支撑缝长公式: 12 Xf= -VFq HW (8) 支撑缝宽: (1) Wf=W-Wemb-Wspa C1 + C2 + C3 (9) 式(1)是针对均质、各向同性地层的,而这个假设对于煤层,鲜明是不适合的煤层割理系统发育,各向异性强[4]而各向异性的直接和最主要的结果 裂缝导流才能(FRCD)[5]: 2 FRCD=-0.0039pc-0.2681pc+76.764 (10) 裂缝的渗透率: 125 煤层气 开发及 开采 天 然 气 工 业 2022年12月 Kf= Wf (11) 压裂一般会展现多条裂缝共存的现象。
计算结果显示,大施工排量可以得到对比梦想的缝长、缝宽,可以保证裂缝系统有较高的导流才能及渗透率 (2)“T”字型裂缝所得到的水平片面以及垂直片面的缝长、缝宽,相比于同等压裂规模的水平或垂直裂缝系统的缝长、缝宽来说要小说明“T”字型裂缝的压裂过程中,压裂液的滤失量大,压裂液被用做了水平缝、垂直缝两片面裂缝的扩展 (3)展现“T”字型裂缝的地层中,地层水平应力与垂直应力相差较小,水平缝片面与垂直缝片面的闭合压力根本相等,因此“T”型缝中水平缝和垂直缝的导流才能根本一致由于两条裂缝的缝宽不同,因此缝内的添砂浓度不同,透率有确定的区别 号,m/ ;C1为受压裂液粘度操纵 (3)施工参数计算 流体在管柱中的摩阻损失: 2pF= D (12) 计算地面最大井口压力: pW=pB-pH+pF (13) 计算施工所需功率(HHP): (14)HHP=16.67pWQ 繁杂裂缝系统的水平片面和垂直片面并不是相互独立的,而是相互制约的;水平裂缝的半径与垂直裂缝半长一致;总的施工排量被分别用做水平裂缝和垂直裂缝的扩展;水平裂缝和垂直裂缝的缝宽在裂缝的延迟方向上保持相等,在裂缝顶部闭合,是裂缝中的最大滚动阻力区。
三、计算实例 利用上述模型,行计算设计的模拟软件,4.50m3/min,2203T”字型繁杂裂缝:裂缝外形为“T”型缝;综合滤失系数为0.000136m/;水平片面支撑缝宽为0.00607m;垂直片面支撑缝宽为0.00730m;水平片面支撑半径为53.45m;垂直片面支撑半长为53.95m;水平片面裂缝渗透率为41.402μm2;垂直片面裂缝渗透率为35.200μm2;水平片面裂缝导流才能为25.133μm2 cm;垂直片面裂缝导流才能为25.713μm2 cm水平片面裂缝支撑半径长度(53.45m)和垂直裂缝片面支撑半长(53.95m)与该井组其他被压裂井层利用地面电位测试的结果(51～73m)相近;比较水平片面裂缝渗透率(41.402μm2)和导流才能(25.13μm2 cm)与水平片面裂缝渗透率(35.20μm2)和导流才能(25.71μm2 cm),可以看出前者有确定差异,后者根本相等 另外,在施工排量4.50m3/min和压裂液总量220m3一致、其他施工程序根本一致的的处境下,设计计算的单一水平缝支撑半径为69.90m,单一垂直缝支撑半长为112.13m,鲜明“T”字型裂缝所得到的水平片面以及垂直片面的缝长、缝宽,相比于同等压裂规模的单一水平、垂直裂缝系统的缝长、缝宽要小。
;C2为受地层流体压缩性操纵的滤失系数;C3为 ;Kx,Ky分别为水平方向渗透 μm2;μ为压裂液的地下黏度,MPa 率和垂直方向渗透率, s;Q为施工排量,m3/min;QV为用于垂直缝扩展的排量,m3/min;QH为用于水平缝扩展的排量,m3/min;L为垂直缝单翼 缝长,m;R为水平缝半径,m;p为施工终止时裂缝内的平均 压力,Pa;W为平均缝宽,m;Wmax为井底最大缝宽,m;Sp为初始滤失量,m3/m2;VF为停泵时裂缝的体积,m3;VFq为泵完前置液后垂直裂缝单翼的体积,m3;Wf为修正缝宽,即支撑缝宽,mm;Wemb为由于嵌入引起的缝宽损失,mm;D为支撑剂直径,mm;Wsqa为由于破碎引起的缝宽损失,mm;FRCD为裂缝导流才能μ,m2 cm;pc为未闭合压力,MPa;ρf为压裂液密度,g/cm3;f为摩阻系数,无因次;pB为井底破碎压力,MPa;pH为井筒液柱压力,MPa;pF为管柱沿程摩阻损失,MPa;HHP为施工功率,kW;pW为地面压力,MPa 参 考 文 献 [1]单学军,张士诚,李安启,等.煤层气井压裂裂缝扩展规律 分析[J].自然气工业,2022,25(1).[2]李文阳,王慎言,赵庆波.中国煤层气勘探与开发[M].徐 州:中国矿业大学出版社,2022:2292235. [3]张琪.采油工程原理与设计[M].东营:石油大学出版社. 2000:2822285。