基于损伤理论的煤系气储层改造缝网演化规律研究

摘要

含煤岩系中赋存有大量的非常规天然气，对其进行开采，不仅是对常规天然气的补充，而且是煤矿瓦斯灾害防治的重要途径，又降低了采煤过程中甲烷的排空，降低温室效应。以往人们关注的重点是煤层气，而煤层气以外的泥页岩气和致密砂岩气的可开发性没有给予足够重视，近期的研究表明这两类非常规天然气资源丰富，并且从技术上可以实现三气联合开发。为此，本文以实验室实验、理论分析、数值模拟和现场应用结合的研究方法，对煤系气储层缝网演化规律进行了系统分析：
　　（1）通过建立煤岩体结构GSI定量表征的自动识别方法，得到GSI与表面质量等级和煤岩体结构的比值呈线性关系，在此基础上并开发了识别软件，客观自动给定煤岩体GSI值。
　　（2）通过实验室测定岩样和煤样的渗透率，建立非完整煤岩体渗透率与GSI的函数关系，测试结果显示岩样破坏后渗透率远远高于煤样，表明岩石储层比煤储层更容易实现缝网改造，且改造后更易于煤层气的抽采；不管是煤体还是岩体，其达到碎裂或糜棱结构后，在有效应力的作用下渗透率都急剧下降，且再实施压裂也不可恢复，这表明严重破碎的煤岩体是不可进行水力压裂的。
　　（3）通过对煤岩在荷载作用下的力学响应特征，提出了一种基于GSI的煤岩弹脆性损伤本构关系，并将该模型扩展到三维应力状态；研究了渗流-应力耦合作用下，流体在孔隙内的流动和压力分布以及与固体介质的相互作用，通过张拉和滑动破坏准则，构建了水力耦合作用下煤岩体基于弹脆性损伤理论的数值计算方法；基于ANSYS平台，采用APDL语言编写了缝网改造计算程序，实现了对平面模型、三维倾斜储层、直井、水平井和斜井等不同工况条件下煤岩裂隙缝网的形成过程的数值模拟；在实验验证的基础上，进一步分析了煤岩裂隙缝网形成的力学机制。
　　（4）通过室内压裂实验，采用声发射监测，裂缝宏观观测等手段研究了裂隙缝网的形成过程。硬煤变围压条件下水力压裂实验结果表明，应力状态的改变将改变裂缝的扩展和延伸方向，因此改变应力场是实现缝网改造的有效方法；包含弱面的相似材料压裂实验表明，在水压作用下，当裂缝遇到弱面后，裂缝的扩展方向发生变化；相似材料分段压裂实验表明，分段压裂可以形成段与段之间的干扰，更容易形成缝网。通过对这些实验的模拟，验证了理论模型的正确性和程序的可靠性。
　　（5）根据五里堠的相关地质和工程资料，建立山西左权五里堠井田石炭二叠系的煤系大型地质计算模型；采用变排量技术对该煤系储气煤层的缝网改造展开计算分析，对缝网的扩展进行预测并用于压裂井的设计和施工；现场监测结果表明裂缝长度、高度、破裂压力等与数值模拟结果基本一致。两年来该井日产量仍然保持在1000 m3以上，且井底流压保持在1MPa左右，进一步验证了本文提出的理论模型及计算程序的准确性和实用性。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容和方法

2 煤岩体结构特征及其相关属性

2.1 煤岩体结构及定量表征

2.2 GSI自动判识

2.3 煤岩体力学性质

2.4 GSI与煤岩体渗透率关系分析

2.5 本章小结

3 煤系气储层缝网演化损伤机理

3.1 缝网改造增透机理

3.2 岩石弹脆性损伤模型

3.3 渗透率与应力场的关系

3.4 孔隙流体流动和压力分布

3.5 有效应力和劈裂准则

3.6 劈裂引起的孔弹性变化

3.7 劈裂引起的孔弹性各向异性

3.8 张拉劈裂引起的渗透率变化

3.9 滑动劈裂

3.10 本章小结

4 煤系气储层缝网演化数值模拟

4.1 缝网演化计算流程

4.2 水力压裂基本参数

4.3 缝网演化规律及影响因素

4.4 本章小结

5 煤系气储层缝网演化规律实验研究

5.1 应力状态对缝网演化的影响

5.2 弱面对缝网演化的影响

5.3 相似材料三轴状态下压裂裂缝演化

5.4 本章小结

7.1 结论

7.2创新

参考文献

附录

作者简历

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