碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展规律及机制研究

摘要

碎软低渗煤层的煤层气地面抽采，多年来一直是制约我国煤矿瓦斯灾害防治和煤层气产业化发展的技术瓶颈，也是世界性技术难题。突破碎软低渗煤层的煤层气地面抽采技术，是当今亟待研究的重大科学技术命题。本文依托“十二五”国家油气科技重大专项“两淮矿区煤层群开采条件下煤层气抽采示范工程”项目(2011ZX05064)，应用煤地质学、石油天然气地质学、渗流力学、断裂力学、油气藏开发、储层模拟等理论和方法，通过理论研究、分析测试、物理模拟、数值模拟，开展了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采模式的压裂裂缝扩展规律及机制、高效水力压裂强化增产等理论和技术工艺研究，并通过淮北矿区芦岭煤矿碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采示范工程验证，取得了以下主要研究成果和认识。
　　(1)建立了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展规律研究分析的、展现顶板——煤层——底板力学性质、地应力特征和水平井层位的地质-工程模型。
　　(2)设计并进行了围压条件下多组表征碎软低渗煤层顶板水平井定向穿层压裂的物理模拟试验，揭示了在合理的水平井层位和合理的泵注排量条件下，顶板水平井压裂裂缝能够从人工顶板岩层向下穿层扩展并贯穿人工煤层，为顶板水平井分段压裂强化改造碎软低渗煤层的可行性提供了实验佐证。
　　(3)揭示了顶板岩层水平井在向下定向射孔约束条件下的水力压裂裂缝扩展规律及机制，并建立了相应的裂缝扩展模型。在紧邻煤层的顶板岩层进行水力压裂，不仅压裂裂缝能够从高应力值的顶板岩层向下伏较低应力值的碎软低渗煤层穿层扩展和贯穿，而且在下伏碎软低渗煤层中形成的裂缝长度，由于相对脆性的顶板岩层压裂缝在横向延伸同时对煤层产生的撕扯作用，要比直接在碎软低渗煤层中进行水力压裂形成的裂缝更长。在给定的地质-储层条件和压裂工艺参数条件下前者缝长是后者缝长的6.7倍。显然，在紧邻煤层的顶板岩层进行水力压裂，大大增加了碎软低渗煤层的强化增产效果。
　　(4)在排量为8m3/min等模拟条件下，确定出依次压裂的最优压裂分段间距为100m，交替压裂的最优压裂分段间距为70m。
　　(5)研究成果得到了淮北芦岭煤矿碎软低渗突出煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采示范工程的验证，取得了良好效果。该水平井的水平段长586m，分7段压裂，累计注入压裂液6627m3，石英砂541m3，加砂强度77 m3/段，煤层气最高日产气量10760m3、连续3个月日产气量10000m3以上、连续17月平均日产量高达7075m3、已累计产气量401万方，创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井水力压裂加砂量和产气量的新纪录。
　　我国晚古生代煤田碎软低渗煤层分布广泛，高瓦斯突出矿井众多。本论文研究成果对于该类煤层的煤矿区煤层气地面抽采，尤其是突出煤层的掘进煤巷条带瓦斯地面快速预抽和区域瓦斯消突，瓦斯灾害防治，具有借鉴和指导作用，应用前景良好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤层气(瓦斯)抽采技术研究现状

1．2．2 水平井分段压裂技术及应用研究现状

1．3 碎软煤层的煤层气地面抽采工程技术问题分析

1．3．1 钻井问题

1．3．2 压裂问题

1．3．3 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采模式面临的问题

1．4 研究目标及研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 研究方法及技术路线

第2章 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展地质-工程模型

2．1 含煤地层岩性沉积特征

2．2 含煤地层地应力及力学特征

2．2．1 地应力特征

2．2．2 煤、岩石力学特征

2．2．3 地应力与岩石力学性质的关系

2．3 顶板水平井压裂裂缝扩展的地质-工程模型

2．4 本章小结

第3章 碎软低渗煤层顶板水平井压裂裂缝扩展规律定性分析

3．1．1 地应力场与裂缝形态的关系

3．1．2 岩石力学、物理性质对裂缝扩展的影响

3．1．3 施工参数对裂缝扩展的影响

3．2 碎软煤层顶板水平井压裂裂缝扩展规律理论分析

3．2．1 裂缝扩展的理论控制方程

3．2．2 煤层顶板水平井压裂缝扩展规律分析

3．3 本章小结

第4章 碎软低渗煤层顶板水平井压裂物理模拟试验研究

4．1 试验目的与内容

4．1．1 试验目的

4．1．2 试验内容

4．1．3 压裂物理模拟试验技术路线及方案

4．2 煤、岩基本力学性质测试

4．2．1 原煤及其顶板岩样的采集与力学试样的制作

4．2．2 煤、顶板基本力学性质测试

4．3 相似性分析

4．3．1 模型相似

4．3．2 材料相似

4．3．3 边界条件相似

4．3．4 几何尺寸相似

4．3．5 压裂程序相似

4．4 相似材料试验研究及试件制备

4．4．1 相似材料试验研究

4．4．2 压裂试件的制备

4．5 试验设备

4．6 压裂物理模拟试验过程

4．7 压裂物理模拟试验结果与讨论

4．7．1 第1组试验结果

4．7．2 第2组试验结果

4．7．3 第3组试验结果

4．7．4 第4组试验结果

4．7．5 讨论

4．8 本章小结

第5章 碎软低渗煤层顶板水平井压裂裂缝扩展数值模拟研究

5．1 煤层顶板水平井水力裂缝横向扩展数值模拟研究

5．1．1 裂缝尖端塑性区大小研究

5．1．2 煤、岩石材料裂缝缝长研究

5．1．3 煤层顶板水平井压裂裂缝横向扩展数值模拟

5．2 煤层顶板水平井水力裂缝垂向扩展数值模拟研究

5．2．1 地应力差、力学性质差对缝高的影响

5．2．2 施工参数对缝高的影响

5．3 碎软低渗煤层顶板水平井压裂裂缝扩展模型

5．4 本章小结

第6章 水平井分段压裂间距优化研究

6．1 裂缝诱导应力场分布规律研究

6．1．1 单条裂缝诱导应力数值模拟

6．1．2 多条裂缝诱导应力数值模拟

6．2 水平井分段压裂间距优化研究

6．2．1 依次压裂裂缝间距优化

6．2．2 交替压裂裂缝间距优化

6．3 本章小结

第7章 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂优化设计

7．1．2 钻固井情况

7．1．3 地应力剖面测试

7．2．1 压裂选段及工艺选择

7．2．2 压裂施工参数优化设计

7．3 本章小结

第8章 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采工程试验验证及效果研究

8．1．1 构造特征

8．1．2 含煤地层及煤层特征

8．1．3 煤储层特征

8．2 煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采工程试验

8．2．1 钻井工程

8．2．2 煤层气测试工程

8．2．3 压裂工程

8．2．4 排采工程及产气效果评价

第9章 结论及展望

9．1 结论

9．2 创新点

9．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果