煤儲層高能氣體加載壓裂下裂縫擴展研究

武進壯，鞏芳軍

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065；2.中國石油天然氣集團公司油藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室，陜西西安710065）

煤儲層高能氣體加載壓裂下裂縫擴展研究

武進壯1，2，鞏芳軍1

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065；2.中國石油天然氣集團公司油藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室，陜西西安710065）

針對我國煤儲層的“三低”特性及水力壓裂過程中所產生壓降損耗過快及成本較高的難題，開展煤儲層的高能氣體壓裂下的裂縫擴展研究。研究表明：高能氣體壓裂可在煤儲層中產生以3～8為主體的裂縫網絡體系，且裂縫方位不受地應力的控制，只與壓裂藥燃燒釋放能量的方位有關，與最大能量釋放的角度基本一致。這對煤層氣儲層的壓裂開發以促進其解吸、擴散、滲流過程提供了新的研究思路。

煤儲層；高能氣體壓裂；裂縫；擴展

目前，在國際油價持續下跌以及常規油氣資源儲量持續減小地背景下，常規油氣開采的成本不斷增加，因此應大力發展以煤層氣為代表的“自生自儲”式的非常規能源。水平井的水力壓裂技術是目前最常用的方法，該技術通過壓裂造縫填砂而形成垂直于最小主應力方向的對翼的一條裂縫。但由于我國煤儲層在形成后期受到強烈的構造作用，其原生結構遭到嚴重的破壞，具有低滲透率、低孔隙度及低原始地層壓力的“三低”特性[1]，這嚴重增加了水力壓裂的成本及煤層氣的有效開采。高能氣體壓裂技術可產生不受地應力控制的多裂縫體系且成本較低，因此開展高能氣體壓裂下的裂縫擴展研究對于煤層氣的開采具有重要意義。

1 煤儲層中的高能氣體壓裂技術

高能氣體壓裂（High Energy Gas Fracturing，簡稱HEGF）技術是利用火炸藥等火工手段在煤儲層爆燃的作用機理[2]，以提高煤層氣井產量的煤氣田特種增產技術。其作用原理[3]是利用固體、液體火藥在煤層氣井目的儲層燃燒產生大量高溫、高壓氣體快速膨脹壓裂煤儲層，以脈沖加載作用使儲層產生多裂縫網體系，且裂縫延伸初期不受地應力的約束，并溝通更多天然裂縫，擴大煤層氣井控制煤層氣區的半徑，提高和改善煤儲層滲透性，達到增產、增注的目的。其特點是升壓迅速，壓力高，在有足夠外壓的條件下，能保證有效快速地壓開煤儲層產生裂縫，而且成本低（見圖1）。

圖1 高能氣體壓裂中的p～t曲線

2 高能氣體壓裂中裂紋擴展的能量釋放率準則

在高能氣體壓裂過程中伴隨著大量能量的釋放，釋放的能量在儲層中產生較大的壓力，當其壓力達到地層破裂壓力后則開始在地層中產生裂縫縫網體系，從而松弛地層應力達到降低儲層壓力的目的。當儲層壓力降至煤層氣解吸壓力之下時，煤層氣開始發生解吸作用。

利用爆燃藥在燃燒時的能量平衡定律來考察裂隙在擴展過程中的能量轉化，從而得到表征裂紋擴展時能量變化的參量-能量釋放率G。

圖2 Ⅰ型裂紋

Ⅰ型裂紋擴展問題（見圖2），假設板厚為B，裂紋長為2a。若所加載荷P緩慢增加，則裂紋也隨載荷緩慢擴展。裂紋在失穩開裂前，擴展了面積dA=Bda。設2γ為裂紋擴展單位面積所需要的表面自由能，則產生面積dA需要外界提供的能量為dΓ=2γdA。此時，所加載荷P對裂紋板所作的功dW，一部分轉化為彈性應變能dV，另一部分由形成裂紋新表面所消耗，轉化為表面能dΓ。依據能量守恒的觀點，可知：

若轉換為單位時間的能量平衡，則有：

考慮到W、V是所加載荷P和裂紋表面積A的函數，表面能Γ僅僅是裂紋表面積A的函數，而P、A又是時間t的函數。假設所加載荷的加載方式為準靜態加載，則上式可表示為：

從而，裂紋擴展單位面積所需要的表面能為：

在裂紋擴展過程中，若外加載荷不做功，則裂紋體會釋放出一部分彈性應變能用以形成新的裂紋表面，此時。在裂紋擴展過程中，若外加載荷做功不為零，則裂紋體的彈性應變能會增加，外加載荷做功的一部分為新裂紋表面提供表面能，另一部分則使裂紋體的彈性應變能增加。這時。

式（4）中右側是裂紋擴展單位面積時，整個受力系統所釋放的能量，稱為“能量釋放率”，用G表示：

Study of coal reservoir fracture extension under the loading of high energy gas fracturing

WU Jinzhuang1，2，GONG Fangjun1
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.Key Laboratory of China National Petroleum Corporation Reservoir Reconstruction，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aim at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problemsthat pressure drops too fast in the process of hydraulic fracturing and the high cost.We conduct the study to study the fracture under the loading of high energy gas fracturing in the coal reservoir.The study shows,the technology can develop the fracture network system with 3～8 the main body and the fracture azimuth is not controlled by the in-situ stress.It is only associated with the azimuth of fracturing burning drug release energy and it is consist with the azimuth of fracturing burning drug release energy.So it provides a new idea to the fracture development of the coalbed methane reservoir so as to promote its desorption,diffusion and percolation process.

coal reservoir；high energy gas fracturing；fracture；extension

TE357.11

A

1673-5285（2016）01-0015-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.004

2015－11-27

國家自然科學基金項目，項目編號：51274164；中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術開發項目，項目編號：2011D-5008-05。

武進壯，現就讀于西安石油大學油氣田開發專業碩士研究生，主要研究方向為油氣田特種增產技術的開發，郵箱：1578838564@qq.com。