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(shù)在煤巖裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)中的應(yīng)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(guī)煤巖裂縫擴(kuò)展監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，從煤巖無損化角度出發(fā)，提出了應(yīng)用CT掃描技術(shù)對煤巖裂縫擴(kuò)展進(jìn)行分析的新方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：天然裂縫和割理等弱面對水力裂縫擴(kuò)展有重要影響；水力裂縫在穿透弱面擴(kuò)展過程時(shí)壓力曲線存在明顯的憋壓，產(chǎn)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(dòng)明顯。

煤巖 裂縫擴(kuò)展 CT掃描分析

1 CT掃描工作原理

CT掃描技術(shù)（Computerized Tomography）又稱為計(jì)算機(jī)層析識別技術(shù)，始于20世紀(jì)70年代初，其工作原理為：CT掃描機(jī)工作時(shí)，x射線管圍繞探測器中心旋轉(zhuǎn)，x射線管發(fā)出的x射線穿透物體層面后被探測器接收，然后通過進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的投影數(shù)據(jù)按一定數(shù)學(xué)算法進(jìn)行圖像的顯示與重建，最終可以得出反映掃描層面上各點(diǎn)物質(zhì)對x射線的吸收系數(shù)的數(shù)據(jù)，形成一幅掃描層面的數(shù)字掃描圖像。

2 裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)方法

鑒于煤巖特殊的力學(xué)性質(zhì)（割理發(fā)育，脆性大，彈性模量低），裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)困難，使得對煤巖裂縫形成及擴(kuò)展機(jī)理研究不夠深入。為了深入研究煤巖內(nèi)部孔隙、裂縫形成及縫間連通關(guān)系，提出了采用工業(yè)CT掃描方式對煤巖內(nèi)部孔隙及裂縫進(jìn)行描述的新方法。

2.1 常規(guī)裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)方法

目前，常用的試驗(yàn)方法是染色劑示蹤法。煤巖壓裂試驗(yàn)中將染色顏料與注入液混合，然后泵入煤巖中，試驗(yàn)完成后，將煤巖劈開，觀察煤巖內(nèi)部染色區(qū)域，了解煤巖裂縫擴(kuò)展情況。

該試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果直觀，能清晰的看出液體流過區(qū)域；缺點(diǎn)是破壞了煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且不能完全了解煤巖內(nèi)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(bǔ)常規(guī)裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)方法的不足，提出了采用CT掃描技術(shù)對煤巖裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究。主要方法是利用CT掃描設(shè)備對試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的煤巖分別掃描，然后對試驗(yàn)前后煤巖內(nèi)部孔隙及裂縫連通情況進(jìn)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(nèi)部孔隙及裂縫連通情況。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)中所用裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)備為巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，CT掃描設(shè)備為中國地質(zhì)大學(xué)（北京）CT掃描機(jī)（型號：450CT），基本參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用煤巖取自山西晉城3號煤層，埋深600～1000m。CT掃描數(shù)據(jù)解釋軟件為VGStudio MAX2.2工業(yè)CT處理軟件。

表1 CT掃描設(shè)備基本參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

為了實(shí)現(xiàn)三軸試驗(yàn)，將采自沁水盆地南部晉城地區(qū)的天然煤巖經(jīng)切割后（圖1），采用模具對煤巖周圍破損處進(jìn)行混凝土澆鑄填補(bǔ)（圖2）。考慮邊界效應(yīng)，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(xué)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(yàn)過程

將加工好的煤樣放入裂縫擴(kuò)展設(shè)備中，采用準(zhǔn)靜態(tài)的加載方式施加三個(gè)方向應(yīng)力，三軸應(yīng)力情況見表2。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值后，泵入模擬地層水進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄注入壓力的變化。

表2 試驗(yàn)煤樣施加圍壓

試驗(yàn)之前，利用工業(yè)CT對試件進(jìn)行掃描，了解煤巖內(nèi)部天然裂縫分布情況。圖3為試驗(yàn)前煤巖掃描數(shù)據(jù)經(jīng)VG軟件解釋處理后某一位置處的俯視圖和側(cè)視圖。從圖3放大的圖中可以看出煤巖中天然裂縫發(fā)育，并且向煤巖底部延伸一定深度。

圖4為壓裂試驗(yàn)過程中泵壓與時(shí)間的變化曲線圖。試驗(yàn)中注入排量恒定為20mL／min。從壓裂曲線可以看出，試驗(yàn)中壓力上、下波動(dòng)，有四個(gè)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(kuò)展進(jìn)而產(chǎn)生主裂縫。CF階段壓力波動(dòng)起伏較大，說明裂縫延伸過程中又形成了新的較為復(fù)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(kuò)展試驗(yàn)前煤巖內(nèi)部天然裂縫

圖4 試驗(yàn)中壓力曲線圖

圖5 注入水突破煤巖表面外溢

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對試驗(yàn)后煤樣進(jìn)行CT掃描，將掃描數(shù)據(jù)重建并解釋分析。圖6為試驗(yàn)后煤巖掃描數(shù)據(jù)經(jīng)VG軟件解釋處理后某一位置處的俯視圖、側(cè)視圖。試驗(yàn)后煤巖產(chǎn)生單翼水力裂縫，與砂巖水力壓裂產(chǎn)生裂縫對稱縫不同，并與天然裂縫溝通。天然裂縫張開后發(fā)生膨脹并沿天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展、延伸。隨著天然裂縫內(nèi)水壓持續(xù)增加天然裂縫在垂向發(fā)生破壞繼續(xù)延伸，表現(xiàn)為試驗(yàn)后裂縫在垂向擴(kuò)展深度大于試驗(yàn)前天然裂縫垂向深度。裂縫在擴(kuò)展過程中多次轉(zhuǎn)向，出現(xiàn)了沿割理方向擴(kuò)展的情況，形成了水平縫，裂縫形態(tài)較復(fù)雜，符合圖4試驗(yàn)壓力曲線中CE段壓力變化特征。

圖6 裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)后煤巖內(nèi)部天然裂縫

出現(xiàn)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(qiáng)度，煤巖破裂，裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展延伸，當(dāng)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(shí)撐開天然裂縫擴(kuò)展的壓力小于水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向起裂的壓力，水力裂縫沿天然裂縫擴(kuò)展。由于天然裂縫和割理等弱面的存在對水力裂縫形態(tài)有很大的影響，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到天然裂縫末端或延伸受阻，縫內(nèi)流體壓力升高（圖4中CD段），產(chǎn)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(dǎo)致水力裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向和分叉擴(kuò)展，形成復(fù)雜裂縫。裂縫的轉(zhuǎn)向和扭曲擴(kuò)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(dǎo)致加砂困難。因此，建議施工過程中采用段塞打磨技術(shù)。

［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(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（1）：868－872.

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

（責(zé)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(xiàn)從事油氣田壓裂酸化工作。