CT掃描技術在煤巖裂縫擴展試驗中的應用研究

吳剛飛王孝超車航徐慶豐李玉濤張麗娜

（1.中國石油華北油田公司采油工程研究院，河北 062552；2.渤海鉆探工程公司錄井公司，河北 062552）

CT掃描技術在煤巖裂縫擴展試驗中的應用研究

吳剛飛1王孝超1車航1徐慶豐2李玉濤1張麗娜1

（1.中國石油華北油田公司采油工程研究院，河北 062552；2.渤海鉆探工程公司錄井公司，河北 062552）

本文通過對常規煤巖裂縫擴展監測方法優缺點進行分析，從煤巖無損化角度出發，提出了應用CT掃描技術對煤巖裂縫擴展進行分析的新方法。試驗結果表明：天然裂縫和割理等弱面對水力裂縫擴展有重要影響；水力裂縫在穿透弱面擴展過程時壓力曲線存在明顯的憋壓，產生沿割理方向的水平縫，溝通割理過程中壓力曲線上下波動明顯。

煤巖 裂縫擴展 CT掃描分析

1 CT掃描工作原理

CT掃描技術（Computerized Tomography）又稱為計算機層析識別技術，始于20世紀70年代初，其工作原理為：CT掃描機工作時，x射線管圍繞探測器中心旋轉，x射線管發出的x射線穿透物體層面后被探測器接收，然后通過進行光電轉換，并通過模數轉換器進行模擬信號與數字信號的轉換，把轉換后的投影數據按一定數學算法進行圖像的顯示與重建，最終可以得出反映掃描層面上各點物質對x射線的吸收系數的數據，形成一幅掃描層面的數字掃描圖像。

2 裂縫擴展試驗方法

鑒于煤巖特殊的力學性質（割理發育，脆性大，彈性模量低），裂縫擴展試驗困難，使得對煤巖裂縫形成及擴展機理研究不夠深入。為了深入研究煤巖內部孔隙、裂縫形成及縫間連通關系，提出了采用工業CT掃描方式對煤巖內部孔隙及裂縫進行描述的新方法。

2.1 常規裂縫擴展試驗方法

目前，常用的試驗方法是染色劑示蹤法。煤巖壓裂試驗中將染色顏料與注入液混合，然后泵入煤巖中，試驗完成后，將煤巖劈開，觀察煤巖內部染色區域，了解煤巖裂縫擴展情況。

該試驗方法的優點是試驗結果直觀，能清晰的看出液體流過區域；缺點是破壞了煤巖內部結構，并且不能完全了解煤巖內部所有裂縫及縫間溝通情況，只能看到劈開部位的裂縫連通狀況。

2.2 CT掃描方法

為了彌補常規裂縫擴展試驗方法的不足，提出了采用CT掃描技術對煤巖裂縫擴展規律進行研究。主要方法是利用CT掃描設備對試驗前和試驗后的煤巖分別掃描，然后對試驗前后煤巖內部孔隙及裂縫連通情況進行分析研究。通過該方法，煤巖可以在不被人為破壞的情況下，直觀研究煤巖內部孔隙及裂縫連通情況。

2.3 試驗設備及試驗樣品

試驗中所用裂縫擴展試驗設備為巖石三軸試驗系統，CT掃描設備為中國地質大學（北京）CT掃描機（型號：450CT），基本參數見表1。試驗所用煤巖取自山西晉城3號煤層，埋深600～1000m。CT掃描數據解釋軟件為VGStudio MAX2.2工業CT處理軟件。

表1 CT掃描設備基本參數

3 試驗結果分析

3.1 試驗前準備

為了實現三軸試驗，將采自沁水盆地南部晉城地區的天然煤巖經切割后（圖1），采用模具對煤巖周圍破損處進行混凝土澆鑄填補（圖2）。考慮邊界效應，沿垂直層理方向在煤樣正中位置鉆取直徑20mm，長度為120mm的孔，采用特殊化學膠將塑料模擬井筒固定。

圖1 切割好的煤樣

圖2 澆鑄完成的試樣

3.2 試驗過程

將加工好的煤樣放入裂縫擴展設備中，采用準靜態的加載方式施加三個方向應力，三軸應力情況見表2。當應力達到設定值后，泵入模擬地層水進行試驗，并記錄注入壓力的變化。

表2 試驗煤樣施加圍壓

試驗之前，利用工業CT對試件進行掃描，了解煤巖內部天然裂縫分布情況。圖3為試驗前煤巖掃描數據經VG軟件解釋處理后某一位置處的俯視圖和側視圖。從圖3放大的圖中可以看出煤巖中天然裂縫發育，并且向煤巖底部延伸一定深度。

圖4為壓裂試驗過程中泵壓與時間的變化曲線圖。試驗中注入排量恒定為20mL／min。從壓裂曲線可以看出，試驗中壓力上、下波動，有四個明顯的壓力峰值。AB階段為煤巖開始破裂階段，初始破裂壓力為14.54MPa。BC階段水力裂縫延伸，溝通煤巖天然裂縫，并沿天然裂縫擴展進而產生主裂縫。CF階段壓力波動起伏較大，說明裂縫延伸過程中又形成了新的較為復雜的裂縫。FG階段為注入水突破煤巖表面（圖5），流體壓力迅速釋放。

圖3 裂縫擴展試驗前煤巖內部天然裂縫

圖4 試驗中壓力曲線圖

圖5 注入水突破煤巖表面外溢

3.3 試驗結果分析

對試驗后煤樣進行CT掃描，將掃描數據重建并解釋分析。圖6為試驗后煤巖掃描數據經VG軟件解釋處理后某一位置處的俯視圖、側視圖。試驗后煤巖產生單翼水力裂縫，與砂巖水力壓裂產生裂縫對稱縫不同，并與天然裂縫溝通。天然裂縫張開后發生膨脹并沿天然裂縫繼續擴展、延伸。隨著天然裂縫內水壓持續增加天然裂縫在垂向發生破壞繼續延伸，表現為試驗后裂縫在垂向擴展深度大于試驗前天然裂縫垂向深度。裂縫在擴展過程中多次轉向，出現了沿割理方向擴展的情況，形成了水平縫，裂縫形態較復雜，符合圖4試驗壓力曲線中CE段壓力變化特征。

圖6 裂縫擴展試驗后煤巖內部天然裂縫

出現圖4所示壓裂曲線的原因是，在初期AB段，隨著泵壓的提高，井底壓力大于煤巖抗張強度，煤巖破裂，裂縫沿最大水平主應力方向擴展延伸，當新縫與天然裂縫溝通后流體壓力快速降低，即圖4中BC段，此時撐開天然裂縫擴展的壓力小于水力裂縫沿最大主應力方向起裂的壓力，水力裂縫沿天然裂縫擴展。由于天然裂縫和割理等弱面的存在對水力裂縫形態有很大的影響，當裂縫擴展到天然裂縫末端或延伸受阻，縫內流體壓力升高（圖4中CD段），產生沿割理方向的水平縫，流體壓力“短暫卸載”（圖4中DE段）。弱面的影響導致水力裂縫發生轉向和分叉擴展，形成復雜裂縫。裂縫的轉向和扭曲擴展一方面會加劇縫面粗糙程度，提高裂縫的彎曲摩阻；另一方面也會導致加砂困難。因此，建議施工過程中采用段塞打磨技術。

［1］ 陳勉，龐飛，金衍.大尺寸真三軸水力壓裂模擬與分析［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（1）：868－872.

［2］ 單學軍，張士誠，李安啟，等.煤層氣井壓裂裂縫擴展規律分析［J］.天然氣工業，2005，25（1）：130－132.

（責任編輯 丁 聰）

Application Study on CT Scanning Technology in Coal Fracture Propagation

WU Gangfei1，WANG Xiaochao1，CHE Hang1，XU Qingfeng2，LIYutao1，ZHANG Lina1
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute，Petro China Huabei Oilfield Company，Hebei062552；2.CNPC Bohai Drilling Engineering Co.Ltd，Hebei062552）

Based on the analysis of the advantages and disadvantages of conventional detection methods for coal fracture propagation to，the paper proposes a new method of applying CT scanning technology for the analysis of coal fracture propagation from the point of view of non-destructive coal.The test results show that the weak sides such as cleats and natural fractures have an important influence on hydraulic fracture extension.When hydraulic fractures penetrate the weak side，hold pressure appears obviously in the pressure curve，generating horizontal fractures along the direction of the cleats，and the pressure curve fluctuates significantly during the communication of cleats.

Coal；fracture propagation；CT scanning technology

吳剛飛，男，高級工程師，現從事油氣田壓裂酸化工作。