煤岩层水力压裂造缝机理分析-天然气工业.PDF

第 17 卷第 4 期 天 然 气 工 业 煤岩层水力压裂造缝机理分析* 李同林* * ( 中国地 大学) .煤岩层水力压裂造缝机理分析.天然气工业, 1997; 17(4): 53~ 56 储集岩层通常具有明显的层状 构, 煤岩层尤其如此。为提高煤层气井水力压裂施工的有效性, 合 实际对水力压裂目的岩层采用横观各向同性体这 一力学模型来进行研究, 从而运用弹性力学理论和材料强度理论, 对煤层横观各向同性体水压致造缝机理进行了深入的认识和探讨,认为形成裂缝的关键因素是地应力及其分布和 岩层力学的固有特性, 压裂液的性质和注入方式同时也对裂缝形成有 一定影响;在岩石力学物理性质测试中,应充 分考虑岩石的各向异性特性, 以便取得各项弹性参数;所获研究 果对水力压裂设计与施工有指导意义。 煤成气 气井 水力压裂 水平层理 压裂裂缝 机理 分析 1 水力压裂是油气井增产、水井增注 以及煤层 方向上的力学物理性 相比较, 则差异较大。因此, 气开采中的一项十分重要的切实可行的技术措施。 在研究其受力产生的力学响应时, 一般应将沉积岩 它的做法是: 由一对跨接式封隔器密封一段钻孔,然 层,尤其是煤岩层,视为横观各向同性体7,8。 后由地面高压泵组对密封段以大大超过地层吸收能 7, 8 力的排量注入压裂液增压,直到在该段承压超过井 壁附近地应力和岩石的抗张强度, 使井壁产生张破 无论是各向同性体, 还是各向异性体, 在三向应 裂, 即在地层中造成裂缝。随着压裂液的注入, 裂缝 力状态下, 只要处于弹性范围内, 其应力应变关系都 逐渐向前扩展。压裂中破裂产生、传播扩展、保持或 服从广义虎克定律。按此定律, 弹性体 内任一点处 重新张开所需的流体压力,均与岩层中客观存在的 的本构方程可写成矩阵形式: 地应力场 以及岩层( 石)本身的力学物理性 密切相 { } = [ D] { } ( 1) 2,3 T 关 。 式中: { } = [ x y z xy yz zx] 为应力列阵; { } = 一般认为, 地壳浅部的岩层( 石) 大多处于脆性 [ ] T 为应变列阵; [ D] 则为 66阶 x y z xy yz zx 状态, 其应力与应变间的关系接近于弹性关系。实 的弹性矩阵,它 由式( 1) 中的系数组成,矩阵中的各 际上与油气或煤层气储层相关的地块是由具层状结 元素都是常数, 数值 由材料的弹性性 决定。 构的沉积岩层( 例如砂岩层和煤岩层等,一般岩层产 由弹性理论知, 横观各向同性体的应变主方向 状较平缓)所组成。从宏观上看其力学物理性 具 与应力主方向相重合。设 z 轴为垂直层理的弹性主 有明显的各向异性。通常, 沉积岩层的弹性模量 E 方向, x 、y 轴分别为平行层理的两弹性主方向。可 在垂直层理方向上要比平行层理方向上大,且泊松 证明,横观各向同性体的独立弹性常数从极端各向 比 和各种强度参数也有明显的差异5, 6。这类具 异性体的21个降至 5 个。如果取 E 、 和 G 分别