王 芳，王煒華，張長(zhǎng)江(1.油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.全國(guó)石油和化工行業(yè)油氣太赫茲波譜與光電檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10072；.華北油田公司未動(dòng)用儲(chǔ)量合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目部，內(nèi)蒙古 二連浩特 012600)

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煤巖裂縫寬度可視化模擬及影響因素分析

王 芳1，2，王煒華1，2，張長(zhǎng)江3
(1.油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.全國(guó)石油和化工行業(yè)油氣太赫茲波譜與光電檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100732；3.華北油田公司未動(dòng)用儲(chǔ)量合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目部，內(nèi)蒙古 二連浩特 012600)

為了觀察和研究煤巖水力壓裂過(guò)程中裂縫的形態(tài)，采用真三軸壓裂模擬系統(tǒng)，對(duì)煤巖巖樣進(jìn)行了室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后對(duì)采集的數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行模擬，得到了裂縫的三維圖像。觀察三維圖像發(fā)現(xiàn)：裂縫的寬度近似符合PKN模型。針對(duì)裂縫不閉合的情況，通過(guò)建立新的數(shù)值模型，修正了原有的寬度方程。然后采用樣條插值法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擬合值與利用新方程得到的理論值十分接近。最后分析了影響水力壓裂裂縫寬度的影響因素(滲透率、天然裂隙寬度、吸附變形及溫度)，同時(shí)對(duì)水力裂縫相關(guān)的寬度方程進(jìn)行了相應(yīng)的推導(dǎo)，得到了裂縫寬度與每個(gè)影響因素的關(guān)系式。關(guān)系式表明：裂縫寬度分別隨著滲透率、天然裂隙寬度、吸附變形的增大而減小，會(huì)表現(xiàn)出閉合的趨勢(shì)。

煤巖；水力壓裂；裂縫寬度；影響因素

近幾年，水力壓裂在煤層氣井的壓裂施工中應(yīng)用的越來(lái)越頻繁，已經(jīng)成為煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)常用而且有效的增產(chǎn)措施[1]。對(duì)它的研究特別是對(duì)壓裂過(guò)程中裂縫的起裂和擴(kuò)展機(jī)理就變得至關(guān)重要，而關(guān)于機(jī)理的研究不可避免要涉及到裂縫的幾何形態(tài)(包括長(zhǎng)度、寬度和高度)[2-3]。在具體的實(shí)施過(guò)程中，水力裂縫的幾何形態(tài)也是影響壓裂效果的主要因素之一。通過(guò)可視化物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，我們可以直觀地觀測(cè)水力壓裂后裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，這對(duì)于我們正確認(rèn)識(shí)煤層裂縫的擴(kuò)展機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上建立更符合實(shí)際的數(shù)值模型，提高水力壓裂效率及提高煤層氣產(chǎn)量都有重要意義[4-8]。

本文從大型物理模擬實(shí)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)優(yōu)選在室溫可固化型的液體材料作為壓裂液，對(duì)采集來(lái)的煤巖樣本進(jìn)行真三軸物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，研究水力裂縫在煤巖中的擴(kuò)展規(guī)律。在室溫下通過(guò)對(duì)可固化材料的取模，來(lái)達(dá)到水力裂縫可視化的目標(biāo)。

裂縫寬度作為水力壓裂中的一個(gè)重要的參數(shù)，決定了裂縫的導(dǎo)流能力[9]，而水力裂縫的導(dǎo)流能力是影響產(chǎn)能的關(guān)鍵因素[10]，因此對(duì)裂縫寬度的研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

采用大型真三軸模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，利用MTS伺服增壓泵把油水分離器中的壓裂液注入到模擬井筒。同時(shí)，用MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)記錄壓裂液的壓力、排量等相關(guān)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)煤巖樣本的力學(xué)基本參數(shù)見(jiàn)表1。煤巖樣本用混凝土包裹煤巖原始樣本的方式，制成30cm×30cm×30cm的實(shí)驗(yàn)樣本。其中混凝土由水泥和石英砂澆鑄而成，預(yù)定比例 1∶1(重量比)，水泥為牌號(hào)425的建筑水泥，砂子是細(xì)河砂。實(shí)驗(yàn)中采用鉍錫合金(熔點(diǎn)為70℃)作為壓裂液，其固化收縮率約為0.051%。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，等待2小時(shí)直至試樣完全冷卻以后，卸下試樣。用鐵釬、錘子等小心撬開(kāi)試樣，取出固體合金塊，并用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 主應(yīng)力對(duì)煤層裂縫擴(kuò)展的影響

試樣被壓裂后，可以觀察到典型的T型裂縫形狀。一方面，當(dāng)垂向加載為最大主應(yīng)力時(shí)，在煤層中產(chǎn)生一條垂向的裂縫面。另一方面，由于煤層中層理弱面的存在，在水力壓裂的作用下，壓裂液沿著煤層的層面向前擴(kuò)展，從而產(chǎn)生了一條水平的裂縫面。

2.2 裂縫寬度的測(cè)試與分析

由圖1可知，模擬井眼左側(cè)的裂縫從上到下、從左到右逐漸變薄。由于裂縫凹凸所致，中心厚度大于邊緣厚度，近似符合PKN模型。在PKN模型中，橫截面為橢圓的裂縫的平均寬度的方程(式(1))。

(1)

但要計(jì)算兩端不閉合裂縫的平均寬度，顯然需要對(duì)上式進(jìn)行修正。在此，假設(shè)裂縫的形狀為橢圓的一部分與梯形的結(jié)合體。

已知裂縫左側(cè)寬度平均值為m，右側(cè)寬度平均值為n，中心處最大寬度為d，樣品半長(zhǎng)為L(zhǎng)。假設(shè)點(diǎn)(m/2，s1)和點(diǎn)(n/2，s2)都在橢圓上。

設(shè)橢圓方程為式(2)，其中橢圓部分面積S1為式(3)。

(2)

(3)

作變量代換，得式(4)。

x=asinθ，α≤θ≤β

(4)

其中

asinα=s1，asinβ=s2

(5)

式(3)化為

(6)

所以修正后的裂縫平均寬度ω1的方程，如式(7)所示。

(7)

代入相關(guān)數(shù)值計(jì)算得ω1為1.49cm。

對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行擬合(圖2)，利用樣條插值法積分求得主裂縫左側(cè)平均寬度ω2為1.54cm，與理論值ω1很接近，其相對(duì)誤差為3.4%。

對(duì)于水平裂縫，由圖3可知從上到下裂縫寬度逐漸變薄，靠近井眼處變厚，右下側(cè)最薄。可能由于弱面結(jié)構(gòu)的影響，其凹凸情況不是很明顯，曲線平滑，近似平行線。

2.3 裂縫寬度影響因素分析

2.3.1 滲透率對(duì)裂縫寬度的影響。

在實(shí)際水力壓裂模型中采用PKN模型，如式(8)所示。

圖1 垂直裂縫左側(cè)

圖2 裂縫擬合曲線

圖3 水平裂縫

(8)

Mckee(1998)等給出了煤儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力σ的關(guān)系(式(9))。

Ke=K0·e-3c▽?duì)?/p>

(9)

式中：Ke為一定應(yīng)力條件下的絕對(duì)滲透率；K0為無(wú)應(yīng)力條件下的絕對(duì)滲透率；c為煤的孔、裂隙壓縮系數(shù)；▽?duì)覟閺某跏嫉侥骋粦?yīng)力狀態(tài)下的有效應(yīng)力變化值。令▽?duì)?σm-σ0，對(duì)式(9)變形后左右兩邊取對(duì)數(shù)，得式(10)。

(10)

由式(10)可知，得式(11)。

Ink=-3cσ

(11)

而

pe=σ

(12)

把式(11)、式(12)式代入式(8)得到裂縫寬度與滲透率的如式(13)所示的表達(dá)式。

(13)

由式(13)可知，得式(14)。

(14)

式(14)表明，裂縫寬度與滲透率對(duì)數(shù)的負(fù)值成成正比，隨滲透率的增加，裂縫寬度將會(huì)減小。

2.3.2 天然裂隙寬度對(duì)裂縫寬度的影響。

Mckee等人認(rèn)為，滲透率與天然裂隙寬度W的三次方成正比，即

k∝W3

(15)

由式(14)、式 (15)可知，裂縫寬度與天然裂隙寬度的表達(dá)式見(jiàn)式(16)。

(16)

式(16)表明，裂縫寬度與天然裂隙寬度的負(fù)值成正比，隨天然裂隙寬度的增大，裂縫寬度將會(huì)減小。2.3.3 煤質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)裂縫寬度的影響。

考慮到在煤層氣開(kāi)發(fā)活動(dòng)中煤基質(zhì)收縮的正、負(fù)效應(yīng)，相關(guān)學(xué)者[11]給出了滲透率和吸附變形之間的關(guān)系，見(jiàn)式(17)。

(17)

式中，εV為體積應(yīng)變；εP為吸附應(yīng)變。

由式(14)、式 (17)知，得式(18)。

(18)

式(18)表明了瓦斯的吸附對(duì)裂縫寬度的影響，隨著煤層瓦斯的解吸，孔隙壓力降低，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，吸附變形變小，滲透率將增大，裂縫寬度會(huì)變小[11]。2.3.4 溫度對(duì)裂縫寬度的影響(適用于頁(yè)巖，對(duì)煤巖有一定參考價(jià)值)

由于溫度差異會(huì)造成頁(yè)巖內(nèi)部差異性膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，所以有效應(yīng)力σi需要修正，見(jiàn)式(19)。

σi=σ+σT

(19)

考慮到頁(yè)巖內(nèi)不同礦物組分的差異性膨脹，劉小川(2014)給出了熱應(yīng)力σT與溫度的關(guān)系式，如式(20)所示。

(20)

式中：υi為不同物質(zhì)占總體積的百分比；αi為不同物質(zhì)的線膨脹系數(shù)；E為彈性模量；μ為泊松比；T為溫度變化[12]。

又因?yàn)闇囟纫矔?huì)影響滲透率，所以需要重新定義σ，劉小川(2014)利用熱流固耦合應(yīng)力場(chǎng)平衡微分方程求解第三類熱應(yīng)變位移確定解，得到了頁(yè)巖滲透率的修正系數(shù)ψ(式(21))。

(21)

式中：η為地溫梯度；fx為水平地應(yīng)力；fz為垂直地應(yīng)力。

把式(21)式代入式(11)式，得式(22)。

(22)

同時(shí)溫度對(duì)彈性模量E也會(huì)造成影響，溫度與彈性模量的關(guān)系式見(jiàn)式(23)。

E=E0-k2T

(23)

式中：E0為0℃時(shí)巖石的彈性模量；k2為溫度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響系數(shù)[13]。

由式(8)、式(12)、式(19)、式(20)、式(22)和式(23)，可得到溫度與裂縫寬度的關(guān)系式，如式(24)所示。

(24)

3 結(jié) 論

利用真三軸水力壓裂系統(tǒng)，對(duì)煤巖巖樣進(jìn)行了室內(nèi)物理模擬。同時(shí)用MATLAB軟件對(duì)水力裂縫進(jìn)行可視化模擬，直觀地再現(xiàn)了水力壓裂裂縫的形態(tài)。在PKN模型中，針對(duì)裂縫兩端不閉合的情況，修正了原有的平均寬度方程，得到了新的平均寬度ω1，如式(7)所示。

對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，用樣條插值法積分求得裂縫平均寬度ω2，發(fā)現(xiàn)ω2與理論計(jì)算值ω1很接近。

通過(guò)分析裂縫寬度與滲透率、天然裂隙寬度、吸附變形及溫度之間的關(guān)系，得到了它們與裂縫寬度的關(guān)系式，表明在煤巖中裂縫寬度分別與滲透率、天然裂隙寬度、吸附變形對(duì)數(shù)的負(fù)值成正比，即裂縫寬度隨著滲透率、天然裂隙寬度、吸附變形的增大而減小，表現(xiàn)出閉合的趨勢(shì)。而在頁(yè)巖中裂縫寬度與溫度的關(guān)系符合式(24)所示方程。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)改變相關(guān)因素來(lái)達(dá)到對(duì)裂縫寬度的控制。

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The visual simulation of hydraulic crack width in coal rock and the analysis of influencing factors

WANG Fang1，2，WANG Wei-hua1，2，ZHANG Chang-jiang3

(1.Beijing Key Laboratory of Optical Detection Technology for Oil and Gas，China University of Petroleum(Beijing)， Beijing 102249，China；2.Key Laboratory of Oil and Gas Terahertz Spectroscopy and Photoelectric Detection，China Petroleum and Chemical Industry Federation(CPCIF)，Beijing 100732，China；3.Undeveloped reserves to cooperate in the development of project department，Erenhot 012600，China)

To observe and study the geometry of hydraulic fractures directly in coal rock，a hydraulic fracturing simulation experiment was done using the large-scale triaxial fracturing test system in a laboratory.And the MATLAB software was used to simulate the geometry of fractures to obtain the images of cracks.The images of cracks indicate that the width of cracks is suitable for the PKN model.When the cracks are open，a new model was built to get a new equation of the width.Then a Spline Interpolation method was employed to get a fitted value.The comparison show that the fitted value is close to the theoretical value that we get from the new equation.Finally，the relationships between the width of cracks and the factors (permeability，the width of natural fissure，adsorption deformation，temperature) were analyzed and deducted，which indicates the width of hydraulic cracks will decrease with the increasing value of permeability，the width of natural fissure and adsorption deformation respectively.

coal rock；hydraulic fracturing；crack width；influencing factor

2015-02-02

國(guó)家重大科技專項(xiàng)資助(編號(hào)：2011ZX05013-004)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51234006)

王芳(1969-) ,女,博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事固體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)力學(xué)方面的研究。E-mail：wangfang6402@163.com。

TE357

A

1004-4051(2015)11-0158-04