煤儲層多級強脈沖加載壓裂破巖機理理論研究

劉安邦

（西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

煤儲層多級強脈沖加載壓裂破巖機理理論研究

劉安邦

（西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

針對我國煤儲層“三低”的特性及煤氣井單井產量較低的難題，研究多級強脈沖壓裂技術的加載壓裂破巖機理。依據巖石破裂的第一強度理論，建立力學模型，為多級強脈沖加載下的煤巖體破裂提供了理論依據。研究結果表明：火藥在井筒中燃燒產生大量高溫、高壓氣體不斷往射孔孔眼中噴射，致使射孔孔眼內壓力不斷升高。當其壓力大于煤巖體破裂壓力時，煤儲層發生破裂產生裂縫，煤儲層壓力得到釋放，煤層氣得到解吸，解吸的煤層氣通過產生的裂縫形成有效的滲流過程，從而提高了煤層氣井的單井產量。

煤儲層；多級強脈沖；壓裂；破巖

1 煤儲層壓裂開發現狀

現階段，隨著我國常規石油和天然氣儲量的不斷減小，開采難度和成本的不斷增加，煤層氣作為非常規能源在我國能源消費結構中所占的比重愈來愈大。由于我國的煤層多為結構煤，其煤儲層在成煤階段后期多發生強烈的構造破壞作用，造成煤的原生結構破壞嚴重，這嚴重阻礙了煤層氣的解吸，從而難以形成有效的滲流過程。同時，煤儲層原地應力較大及其低含氣飽和度、低滲透率、低壓力的“三低”特性也極大地增強了其開發難度[1]。目前，我國煤層氣開發主要運用傳統的水力壓裂技術產生裂縫，從而改善煤儲層的滲流狀況的儲層改造措施。但由于其只能沿垂直最小主應力軸方向形成對翼的一條裂縫，裂縫的產生受地應力的影響比較大且水力壓裂需要大型的壓裂設備及合適的壓裂液，其成本較高，這極大地制約了我國煤層氣的有效開發。

截至2012年12月，美國累計完鉆的煤層氣井約38 000口，平均單井日產氣量超過3 632 m3。而截至2013年12月，我國累計完鉆煤層氣井14 000余口，全國平均單井日產氣約572 m3。平均單井產量低已成為制約我國煤層氣產業發展的主要瓶頸[2]。由于煤儲層“三低”的特性，其儲層產能較低甚至沒有自然產能、儲層滲流能力較差的特點決定了必須依靠通過進行煤儲層改造技術才能維持正常生產的基本開發模式，而水力壓裂井單井產量較低的矛盾就需要探索和發展新的儲層改造技術以提高其單井產能。

2 多級強脈沖加載壓裂技術作用原理

西安石油大學從1985年開始開展了高能氣體壓裂機理實驗研究，經過近30年的發展，目前研究出的多級強脈沖加載壓裂技術經過多年的現場實踐運用，取得了較為良好的效果。其作用機理是以多種燃速復合壓裂藥優化組合匹配，結合特有的隔斷延時控制技術[3]，通過其燃燒產生大量高溫、高壓氣體的連續有序釋放，形成多級高壓脈沖波（多個峰值壓力）（見圖1）。首先在射孔層段產生第一級高壓脈沖波，其壓力大于地層破裂壓力1.5～2.5倍，沿射孔通道進入地層，快速起裂壓開地層，形成3～5條裂縫；隨后的第二、三級高壓脈沖波連續補充能量，對地層再實施2～3次高壓沖擊波加載壓裂，繼續促使裂縫快速延伸，以進一步延伸地層裂縫[4]；從而在地層形成較長的多裂縫體系，裂縫長度可達4 m～12 m（見圖2）。通過對地層實施多次連續高壓脈沖波加載壓裂，使地層產生和形成多條較長的裂縫體系，提高了溝通天然裂縫的概率，擴大了有效的采油范圍；其產生的大量熱量，經過與地層流體傳熱后，可以使瞬間油井溫度提高數百度[5]，具有融化蠟質、改善地層孔隙度和滲透性的作用，達到改善地層、提高油井產量的目的。

圖1 多脈沖加載壓裂壓力-脈沖曲線（Ⅰ型）

圖2 多脈沖加載壓裂技術裂縫示意圖

3 煤儲層多級強脈沖加載壓裂破巖機理

3.1 煤儲層裂隙的破巖依據

（1）假定煤儲層為各向同性彈性介質[6]，雖然煤儲層中存在大量割理結構，但其寬度遠小于多級脈沖壓裂引起的應力波長，應力波傳至微裂縫時將發生明顯衍射現象，整體應力分布基本不會有明顯變化，因此，可近似煤儲層為各向同性彈性介質。

（2）假定位移沿重力方向不隨方位改變而變化，即應力處于平面應變狀態。

（3）假定體積力為零。

目前國內外學者提出了較多的破裂壓力計算方法，如Eaton法、Stephen法、Anderson法、黃氏模式法等[7]，而壓裂中應用較廣泛的為最大拉應力準則，即第一強度理論。該理論認為引起材料脆性斷裂破壞的因素是最大拉應力，無論什么應力狀態，只要構件內一點處的最大拉應力σ1達到單向應力狀態下的極限應力σb，材料就視為要發生脆性斷裂。由此可知，煤儲層在復雜應力狀態發生脆性斷裂破壞的臨界條件是：σt=σb。

煤儲層在原始狀態下受最大水平主應力、最小水平主應力及垂向應力的作用而處于應力平衡狀態。選取一個含有微裂隙的體積單元，建立力學模型（見圖3），記裂隙方向角，即裂隙面與軸向應力夾角為α，軸向應力、水平應力分別為α1、α2，p為煤層氣壓力。則垂直于裂隙面的正應力、剪應力分別為：σ=σ1cos2α+σ2sin2α-p，。

煤儲層裂隙受上述應力作用時，通常表現為壓剪或拉剪破壞。研究指出[8]，煤儲層的裂隙擴展受煤層氣壓力、原始地應力等綜合因素的影響，裂面法向正應力的性質（拉力、壓力）促使裂隙面表現為拉剪破壞或者壓剪破壞。煤儲層裂隙的擴展總是處于應力集中的方位。裂隙在地應力、煤層氣壓力作用下表現為壓剪破壞，因此正應力表現為壓應力。

圖3 裂隙面力學分析

根據摩爾-庫倫準則[9]，裂隙面產生摩擦滑動的有效剪應力τeff為：式中：τc-內聚力；μ-煤巖材料內摩擦系數。

根據材料力學理論，當裂紋表面的法向正應力為拉應力時，裂紋擴展問題屬于斷裂力學中Ⅰ-Ⅱ型復合裂紋問題，當裂紋表面的法向正應力為壓應力時，裂紋擴展問題屬于純Ⅱ型裂紋問題。根據斷裂力學，Ⅱ型裂紋擴展判據為:KⅡ=KⅡC，其中，KⅡ為巖石Ⅱ型應力強度因子，KⅡC為巖石Ⅱ型斷裂韌度值，a為裂紋半長。

3.2 多級強脈沖加載壓裂破巖機理

如圖4所示，火藥在泄氣管內燃燒產生高溫、高壓氣體，并以1 000 m/s以上的速度從泄氣孔中噴射而出，由于射流速度高，液流環空距離短，一般不會在環空射流斷裂[10]。可以認為，從泄氣孔噴射的全部氣流流入射孔孔眼，在射孔孔眼內迅速聚集，并形成高壓（見圖4）。

圖4 氣流很高時形成連續的氣體射流

從射孔孔眼噴射出的火藥燃燒氣體的質量流速為：

式中：k-燃氣比熱比；p-槍身內壓力；s-射孔孔眼的面積；RT0-槍身內火藥定壓火藥力；g-重力加速度。

可以看出，根號內數值基本上取決于泄氣管內所裝填火藥的性質，當火藥裝藥結構在一定的情況下基本是一個定量。通過射孔孔眼的質量流速主要取決于p和s，即泄氣管內壓力p和射孔孔眼的面積s。壓力越大，射孔孔眼越大，質量流速越大。質量流量為：

式中：m-質量流速；W-總裝藥量；t-作用時間。

瞬時射孔孔眼內的壓力為：

式中：pi-燃燒氣體在第i個孔眼產生的壓力；f-火藥力；φi-火藥燃燒壓力pi時的質量分數；V-定孔眼容積；α-火藥余容。

當井筒內的燃氣壓力pmax＞pi時，火藥燃燒氣流就不斷往射孔孔眼中噴射，射孔孔眼壓力不斷升高。

運用煤儲層裂隙破裂理論，即最大拉應力準則可知，當射孔孔眼內壓力達到煤儲層的破裂壓力時，煤儲層發生破裂產生大量的裂隙，從而降低煤儲層應力使煤層氣解吸并形成有效滲流，提高煤氣井單井產能。射孔孔眼內的火藥燃燒氣體迅速泄入煤儲層，射孔孔眼內壓力下降，槍身內的氣流繼續向射孔孔眼內流動，這樣就形成一個連續地多級強脈沖過程，促使煤儲層裂隙的不斷產生和延伸從而進一步增強其導流能力。

4 結論

（1）通過煤儲層各向同性及平面應力狀態的假定，運用儲層裂隙破裂理論建立力學模型分析了儲層的力學性質，為多脈沖加載壓裂技術的破巖作用找到了其理論依據。

（2）煤儲層中有著大量天然割理的存在，可通過儲層改造技術產生裂縫并連接天然裂縫以提高其滲流及導流能力，提高煤層氣井單井產量。多級強脈沖加載壓裂技術可以破裂煤巖體，在儲層中產生較多較長的多裂縫體系，并且其不受地應力影響，明顯改善了煤儲層的導流能力，從而達到了提高煤儲層單井產量的目的。

（3）開展煤儲層多級強脈沖加載壓力破巖機理研究將有利于我國煤層氣的有效開發，并為非常規天然氣的開采提供新的思路。

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Theoretical study of multi-level strong pulse loading fracturing mechanism of rock fragmentation in coal reservoir

LIU Anbang
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aimed at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problem of low single gas well production,strong multistage pulse fracturing technology of loading the fracturing mechanism of rock fragmentation has been studied.According to the first strength theory of rock burst,mechanical model is set up and it provides a theoretical basis for coal and rock burst under the loading of in multistage strong pulse.The study shows gunpowder combustion produces a large number of high temperature and high pressure gas in well-bore and it jet perforation constantly,which lead to the pressure in perforation increasing.When the pressure is greater than the coal and rock burst,the coal reservoir fracture cracks and its pressure releases,which coal-bed methane get desorbed.Desorption of coal-bed methane formed effective seepage process through the cracks,which improve the single well production in CBM wells.

coal reservoir；multistage strong pulse；fracturing；rock breaking

TE357

A

1673-5285（2017）01-0033-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.010

2016－12-06

陸相頁巖氣儲層壓裂改造工藝技術攻關項目，項目編號：2012KTZB03-03-03-02。

劉安邦（1992-），碩士研究生，現就讀于西安石油大學油氣田開發工程專業，主要研究方向為采油氣工程理論與技術，郵箱：1543361986@qq.com。