煤層氣藏水力裂縫擴展規(guī)律

李林地張士誠庚勐

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室3.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

煤層氣藏水力裂縫擴展規(guī)律

李林地1,2張士誠2庚勐3

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室3.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

李林地等.煤層氣藏水力裂縫擴展規(guī)律.天然氣工業(yè),2010,30(2):72-74.

由于水力壓裂改造措施是煤層氣藏增產(chǎn)的主要手段,故研究水力裂縫在煤層的擴展規(guī)律是高效開發(fā)煤層氣的重要內(nèi)容。煤層強度低且天然裂縫發(fā)育,其水力裂縫的擴展不同于常規(guī)天然氣儲層,為此應用損傷力學的方法研究了在流、固、熱共同作用下的裂縫擴展規(guī)律。研究結(jié)果表明:與天然裂縫相遇后,水力裂縫會發(fā)生迂曲轉(zhuǎn)向,部分水力載荷將消耗在非主裂縫的路徑上,但迂曲一段距離之后,主裂縫仍會沿著平行于最大水平主應力方向延伸;主裂縫發(fā)生迂曲轉(zhuǎn)向的臨界條件隨著天然裂縫數(shù)量、天然裂縫與最大水平主應力方向的夾角以及天然裂縫長度的不同而發(fā)生改變。該研究成果對煤層氣藏進行水力壓裂具有指導作用。

煤層氣 裂縫(巖石) 裂縫擴展 水力能源 數(shù)學模擬 應力 壓裂

0 引言

煤層氣是一類賦存于煤層中的潔凈能源,蘊藏量極為豐富。由于地質(zhì)條件的復雜多變性,大部分煤層氣田屬于低滲透率、低壓力、低飽和度的“三低”煤儲層氣藏[1],滲透率通常小于1×10-3μm2[2],水力壓裂改造措施是國內(nèi)外煤層氣井增產(chǎn)的主要手段[3-4]。大量巖石力學性質(zhì)測試結(jié)果表明,煤巖的抗拉強度、抗壓強度和楊氏模量都低于常規(guī)砂巖儲層,而泊松比則高于常規(guī)砂巖儲層,同時煤巖儲層天然裂縫和割理發(fā)育。因此壓裂施工中其裂縫擴展規(guī)律不同于常規(guī)水力裂縫。目前煤層氣的開發(fā)利用還處于起步階段,了解水力裂縫在煤巖儲層中的擴展規(guī)律,對有效地發(fā)揮壓裂措施在煤層氣藏生產(chǎn)中的作用是極其重要的。

1 模型的建立

煤層水力裂縫的形狀主要受地層應力及巖石性質(zhì)等的控制。據(jù)理論推斷和實際挖掘觀察,深煤層(指埋深超過800m的煤層)由于垂向應力多大于2個水平主應力,比較容易形成以垂直裂縫為主的裂縫系統(tǒng)[5]。

1.1 物理模型

為了研究煤層中垂直裂縫的擴展規(guī)律,假設(shè)水力裂縫的擴展是一個瞬態(tài)漸進過程,水力裂縫在滲流場、應力場和溫度場的共同作用下實現(xiàn)擴展[6],應用有限元方法對煤層裂縫擴展進行數(shù)值模擬研究,建立物理模型如圖1所示。

圖1 水力裂縫擴展平面示意圖(水平截面)

1.2 數(shù)學模型

3個物理場的控制方程、邊界條件、不同物理場之間的耦合方程和裂縫擴展準則方程分別如下所述。

1.2.1 控制方程

傳熱方程:

滲流方程:

力場方程:

與常規(guī)應力應變方程相比,式(5)增加了熱應變項、初始地應力項和流體壓力項,以表征3個物理場之間的耦合作用。

1.2.2 裂縫擴展準則

對取自鄂爾多斯盆地井深1100m煤層的巖心進行巖石力學實驗,煤巖在高應力下壓實非常嚴重,即使在無圍壓時其應力—應變曲線也近似為直線,表現(xiàn)出良好的線彈性變形[7]。因此采用線彈性理論中的最大拉伸強度準則:

1.2.3 邊界條件和初始條件

滲流場邊界條件:固定邊界地層壓力恒定,射孔位置處壓力為裂縫延伸壓力,對稱邊界壓力平衡,滲流速度為零。

溫度場邊界條件:固定邊界溫度恒定,對稱邊界無法向熱流通過。

位移約束:固定邊界上位移和對稱邊界上法向位移均為零。

初始條件:按照最大和最小水平主應力初始化地應力場,固定邊界的溫度和地層壓力均為原始地層溫度和壓力。

2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述模型,推導出有限元列式,利用MATLAB編程來模擬水力裂縫在煤層中的擴展規(guī)律。華北地區(qū)發(fā)育石炭—二疊系和侏羅系含煤地層,煤層埋深小于2000m適合煤層氣勘探開發(fā)的面積約為12×104km2,是我國重點煤層氣勘探區(qū)域,根據(jù)其某一區(qū)塊的地質(zhì)特點在數(shù)值模擬時選取參數(shù)如下:孔隙度為4%,滲透率為0.8×10-3μm2,彈性模量為4500MPa,泊松比為0.33,熱傳導系數(shù)為1×10 ℃ ,原始地層溫度為50℃,原始地層壓力為10MPa,裂縫延伸壓力為30MPa,裂縫閉合壓力為25MPa,破壞拉應力為3MPa。

天然裂縫對水力裂縫的擴展有重要影響。水力裂縫首先?genumber_ebook=23,pagenumber_book=38" class="content">在許多油氣構(gòu)造解釋和分析中,一個常見的油氣構(gòu)造樣式是逆沖相關(guān)的背斜圈閉,具體結(jié)構(gòu)是“背沖斷層”或“Y”形逆沖斷層及其夾持的背斜形成“斷隆構(gòu)造”,即所謂的“兩斷夾一隆”構(gòu)造樣式;其中“兩斷”一般解釋為高角度逆沖斷層,這一解釋缺乏理論支持,即根據(jù)地震資料解釋的“陡傾逆沖斷層”與斷裂理論和巖石力學實驗結(jié)果不相容[2-3],構(gòu)造地質(zhì)學中廣泛采用摩爾—庫倫準則解釋脆性斷裂的形成,即脆性斷裂面或破裂面與主壓應力(δ1)間的理論夾角為30°,共軛斷裂面或破裂面間的夾角為60°;而自然界和實驗模擬一致顯示連續(xù)變形(韌性變形)不遵循摩爾—庫倫準則,大量的野外地質(zhì)構(gòu)造觀測表明共軛韌性變形帶面對縮短(或擠壓)方向的夾角總是鈍角,Zheng等統(tǒng)計自然界和試驗觀測數(shù)據(jù)[2],表明共軛韌性變形帶間縮短方向的夾角為95°～130°,最大有效力矩準則的理論預測角為109.4°[2]。由此推斷以往被解釋為“兩斷夾一隆”的構(gòu)造式樣實為連續(xù)變形,而非脆性構(gòu)造,且 Zheng等利用最大有效力矩準則對共軛膝褶帶的理論預測可以合理解釋這一構(gòu)造現(xiàn)象[2,11]。

新理論的實踐以及新近地球物理資料解釋已表明:最大有效力矩準則不但可以準確解釋這類構(gòu)造現(xiàn)象,更重要的啟示是“兩斷夾一隆”的解釋方案值得商榷,實際的構(gòu)造樣式更可能是大型共軛膝褶帶,原先解釋為高角度逆沖斷層的地方可能是膝褶帶的樞紐帶。

膝褶帶的幾何學與運動學特征、形成機制等因素都決定其具備形成油氣構(gòu)造圈閉的有利條件,可以形成有利的油氣富集區(qū):①膝褶帶樞紐處容易形成構(gòu)造高點,膝褶帶內(nèi)發(fā)生陡傾變形且垂向增厚的巖層,即其本身發(fā)育一定寬度,無論是膝褶帶自身還是共軛膝褶帶之間的膝褶型褶皺的平直地層引起的大型楔體效應都具備形成有效構(gòu)造圈閉的可能。②膝褶帶自深部向淺部“縱向貫透”多套地層,膝褶帶邊界處橫向保持與兩側(cè)巖層連續(xù)性和連通性,無大型貫穿性斷層,因而比斷層帶更有利于流體的縱向和橫向運移與聚集。③膝褶型褶皺兩側(cè)為陡傾的膝褶帶,而非斷層,這就為構(gòu)造內(nèi)部提供了油氣運移和儲集的驅(qū)動機制;如果褶皺的長度受控于大型所謂“背沖斷層”,發(fā)生統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)被分隔的可能性就會增大,最終由于開采儲層壓力的消耗而影響采收率;相反,膝褶型褶皺陡傾側(cè)翼可能提供強大的統(tǒng)一壓力體系支持,進而大大增加儲層產(chǎn)能和開采。④膝褶形成過程(或再次膝褶化)和膝褶帶幾何形態(tài)都決定了這種構(gòu)造樣式具備良好封閉能力,膝褶作用不可能破壞圈閉,因為在膝褶化過程中彎滑是主要的變形方式,軟弱單元被認為發(fā)生了剪切變形而非延伸產(chǎn)生開啟破裂(這種開啟破裂對圈閉的封閉能力有傷害)。⑤膝褶帶內(nèi)由于巖層扭折而發(fā)育各種擴容空間,表明膝褶帶為裂隙和張性空隙的密集帶;擴容作用的存在,其斷層閥的泵吸作用不斷抽吸帶外兩側(cè)儲層和烴源巖中的油氣,有利于油氣運移和聚集成藏。

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.018

Li Lindi,born in1980,is working at the postdoctoral station.She is now engaged in research of oil&gas field development engineering.

Add:No.31,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing100083,P.R.China

Tel:+86-10-82312646 Mobile:+86-13811608752 E-mail:lilindi1999@yahoo.com.cn

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coalbed gas,fracture(rock),fracture propagation,hydraulic energy,numerical simulation,stress,fracturing

book=72,ebook=32

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.018

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(編號:2002CB11700)。

李林地,女,1980年生,博士,在站博士后;從事油氣田開發(fā)工程研究工作。地址:(100083)北京市海淀區(qū)學院路31號。電話:(010)82312646,13811608752。E-mail:lilindi1999@yahoo.com.cn