煤层气藏水力裂缝扩展规律

李林地张士诚庚勐

1.中国石化石油勘探开发研究院 2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

煤层气藏水力裂缝扩展规律

李林地1,2张士诚2庚勐3

1.中国石化石油勘探开发研究院 2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

李林地等.煤层气藏水力裂缝扩展规律.天然气工业,2010,30(2):72-74.

由于水力压裂改造措施是煤层气藏增产的主要手段,故研究水力裂缝在煤层的扩展规律是高效开发煤层气的重要内容。煤层强度低且天然裂缝发育,其水力裂缝的扩展不同于常规天然气储层,为此应用损伤力学的方法研究了在流、固、热共同作用下的裂缝扩展规律。研究结果表明:与天然裂缝相遇后,水力裂缝会发生迂曲转向,部分水力载荷将消耗在非主裂缝的路径上,但迂曲一段距离之后,主裂缝仍会沿着平行于最大水平主应力方向延伸;主裂缝发生迂曲转向的临界条件随着天然裂缝数量、天然裂缝与最大水平主应力方向的夹角以及天然裂缝长度的不同而发生改变。该研究成果对煤层气藏进行水力压裂具有指导作用。

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0 引言

煤层气是一类赋存于煤层中的洁净能源,蕴藏量极为丰富。由于地质条件的复杂多变性,大部分煤层气田属于低渗透率、低压力、低饱和度的“三低”煤储层气藏[1],渗透率通常小于1×10-3μm2[2],水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段[3-4]。大量岩石力学性质测试结果表明,煤岩的抗拉强度、抗压强度和杨氏模量都低于常规砂岩储层,而泊松比则高于常规砂岩储层,同时煤岩储层天然裂缝和割理发育。因此压裂施工中其裂缝扩展规律不同于常规水力裂缝。目前煤层气的开发利用还处于起步阶段,了解水力裂缝在煤岩储层中的扩展规律,对有效地发挥压裂措施在煤层气藏生产中的作用是极其重要的。

1 模型的建立

煤层水力裂缝的形状主要受地层应力及岩石性质等的控制。据理论推断和实际挖掘观察,深煤层(指埋深超过800m的煤层)由于垂向应力多大于2个水平主应力,比较容易形成以垂直裂缝为主的裂缝系统[5]。

1.1 物理模型

为了研究煤层中垂直裂缝的扩展规律,假设水力裂缝的扩展是一个瞬态渐进过程,水力裂缝在渗流场、应力场和温度场的共同作用下实现扩展[6],应用有限元方法对煤层裂缝扩展进行数值模拟研究,建立物理模型如图1所示。

图1 水力裂缝扩展平面示意图(水平截面)

1.2 数学模型

3个物理场的控制方程、边界条件、不同物理场之间的耦合方程和裂缝扩展准则方程分别如下所述。

1.2.1 控制方程

传热方程:

渗流方程:

力场方程:

与常规应力应变方程相比,式(5)增加了热应变项、初始地应力项和流体压力项,以表征3个物理场之间的耦合作用。

1.2.2 裂缝扩展准则

对取自鄂尔多斯盆地井深1100m煤层的岩心进行岩石力学实验,煤岩在高应力下压实非常严重,即使在无围压时其应力—应变曲线也近似为直线,表现出良好的线弹性变形[7]。因此采用线弹性理论中的最大拉伸强度准则:

1.2.3 边界条件和初始条件

渗流场边界条件:固定边界地层压力恒定,射孔位置处压力为裂缝延伸压力,对称边界压力平衡,渗流速度为零。

温度场边界条件:固定边界温度恒定,对称边界无法向热流通过。

位移约束:固定边界上位移和对称边界上法向位移均为零。

初始条件:按照最大和最小水平主应力初始化地应力场,固定边界的温度和地层压力均为原始地层温度和压力。

2 模拟结果分析

根据上述模型,推导出有限元列式,利用MATLAB编程来模拟水力裂缝在煤层中的扩展规律。华北地区发育石炭—二叠系和侏罗系含煤地层,煤层埋深小于2000m适合煤层气勘探开发的面积约为12×104km2,是我国重点煤层气勘探区域,根据其某一区块的地质特点在数值模拟时选取参数如下:孔隙度为4%,渗透率为0.8×10-3μm2,弹性模量为4500MPa,泊松比为0.33,热传导系数为1×10 ℃ ,原始地层温度为50℃,原始地层压力为10MPa,裂缝延伸压力为30MPa,裂缝闭合压力为25MPa,破坏拉应力为3MPa。

天然裂缝对水力裂缝的扩展有重要影响。水力裂缝首先�genumber_ebook=23,pagenumber_book=38" class="content">在许多油气构造解释和分析中,一个常见的油气构造样式是逆冲相关的背斜圈闭,具体结构是“背冲断层”或“Y”形逆冲断层及其夹持的背斜形成“断隆构造”,即所谓的“两断夹一隆”构造样式;其中“两断”一般解释为高角度逆冲断层,这一解释缺乏理论支持,即根据地震资料解释的“陡倾逆冲断层”与断裂理论和岩石力学实验结果不相容[2-3],构造地质学中广泛采用摩尔—库伦准则解释脆性断裂的形成,即脆性断裂面或破裂面与主压应力(δ1)间的理论夹角为30°,共轭断裂面或破裂面间的夹角为60°;而自然界和实验模拟一致显示连续变形(韧性变形)不遵循摩尔—库伦准则,大量的野外地质构造观测表明共轭韧性变形带面对缩短(或挤压)方向的夹角总是钝角,Zheng等统计自然界和试验观测数据[2],表明共轭韧性变形带间缩短方向的夹角为95°～130°,最大有效力矩准则的理论预测角为109.4°[2]。由此推断以往被解释为“两断夹一隆”的构造式样实为连续变形,而非脆性构造,且 Zheng等利用最大有效力矩准则对共轭膝褶带的理论预测可以合理解释这一构造现象[2,11]。

新理论的实践以及新近地球物理资料解释已表明:最大有效力矩准则不但可以准确解释这类构造现象,更重要的启示是“两断夹一隆”的解释方案值得商榷,实际的构造样式更可能是大型共轭膝褶带,原先解释为高角度逆冲断层的地方可能是膝褶带的枢纽带。

膝褶带的几何学与运动学特征、形成机制等因素都决定其具备形成油气构造圈闭的有利条件,可以形成有利的油气富集区:①膝褶带枢纽处容易形成构造高点,膝褶带内发生陡倾变形且垂向增厚的岩层,即其本身发育一定宽度,无论是膝褶带自身还是共轭膝褶带之间的膝褶型褶皱的平直地层引起的大型楔体效应都具备形成有效构造圈闭的可能。②膝褶带自深部向浅部“纵向贯透”多套地层,膝褶带边界处横向保持与两侧岩层连续性和连通性,无大型贯穿性断层,因而比断层带更有利于流体的纵向和横向运移与聚集。③膝褶型褶皱两侧为陡倾的膝褶带,而非断层,这就为构造内部提供了油气运移和储集的驱动机制;如果褶皱的长度受控于大型所谓“背冲断层”,发生统一的流体压力系统被分隔的可能性就会增大,最终由于开采储层压力的消耗而影响采收率;相反,膝褶型褶皱陡倾侧翼可能提供强大的统一压力体系支持,进而大大增加储层产能和开采。④膝褶形成过程(或再次膝褶化)和膝褶带几何形态都决定了这种构造样式具备良好封闭能力,膝褶作用不可能破坏圈闭,因为在膝褶化过程中弯滑是主要的变形方式,软弱单元被认为发生了剪切变形而非延伸产生开启破裂(这种开启破裂对圈闭的封闭能力有伤害)。⑤膝褶带内由于岩层扭折而发育各种扩容空间,表明膝褶带为裂隙和张性空隙的密集带;扩容作用的存在,其断层阀的泵吸作用不断抽吸带外两侧储层和烃源岩中的油气,有利于油气运移和聚集成藏。

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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

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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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号:2002CB11700)。

李林地,女,1980年生,博士,在站博士后;从事油气田开发工程研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路31号。电话:(010)82312646,13811608752。E-mail:lilindi1999@yahoo.com.cn