劉安邦

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

煤儲層多級強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理理論研究

劉安邦

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

針對我國煤儲層“三低”的特性及煤氣井單井產(chǎn)量較低的難題，研究多級強(qiáng)脈沖壓裂技術(shù)的加載壓裂破巖機(jī)理。依據(jù)巖石破裂的第一強(qiáng)度理論，建立力學(xué)模型，為多級強(qiáng)脈沖加載下的煤巖體破裂提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：火藥在井筒中燃燒產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體不斷往射孔孔眼中噴射，致使射孔孔眼內(nèi)壓力不斷升高。當(dāng)其壓力大于煤巖體破裂壓力時，煤儲層發(fā)生破裂產(chǎn)生裂縫，煤儲層壓力得到釋放，煤層氣得到解吸，解吸的煤層氣通過產(chǎn)生的裂縫形成有效的滲流過程，從而提高了煤層氣井的單井產(chǎn)量。

煤儲層；多級強(qiáng)脈沖；壓裂；破巖

1 煤儲層壓裂開發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，隨著我國常規(guī)石油和天然氣儲量的不斷減小，開采難度和成本的不斷增加，煤層氣作為非常規(guī)能源在我國能源消費結(jié)構(gòu)中所占的比重愈來愈大。由于我國的煤層多為結(jié)構(gòu)煤，其煤儲層在成煤階段后期多發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造破壞作用，造成煤的原生結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，這嚴(yán)重阻礙了煤層氣的解吸，從而難以形成有效的滲流過程。同時，煤儲層原地應(yīng)力較大及其低含氣飽和度、低滲透率、低壓力的“三低”特性也極大地增強(qiáng)了其開發(fā)難度[1]。目前，我國煤層氣開發(fā)主要運用傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)產(chǎn)生裂縫，從而改善煤儲層的滲流狀況的儲層改造措施。但由于其只能沿垂直最小主應(yīng)力軸方向形成對翼的一條裂縫，裂縫的產(chǎn)生受地應(yīng)力的影響比較大且水力壓裂需要大型的壓裂設(shè)備及合適的壓裂液，其成本較高，這極大地制約了我國煤層氣的有效開發(fā)。

截至2012年12月，美國累計完鉆的煤層氣井約38 000口，平均單井日產(chǎn)氣量超過3 632 m3。而截至2013年12月，我國累計完鉆煤層氣井14 000余口，全國平均單井日產(chǎn)氣約572 m3。平均單井產(chǎn)量低已成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸[2]。由于煤儲層“三低”的特性，其儲層產(chǎn)能較低甚至沒有自然產(chǎn)能、儲層滲流能力較差的特點決定了必須依靠通過進(jìn)行煤儲層改造技術(shù)才能維持正常生產(chǎn)的基本開發(fā)模式，而水力壓裂井單井產(chǎn)量較低的矛盾就需要探索和發(fā)展新的儲層改造技術(shù)以提高其單井產(chǎn)能。

2 多級強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)作用原理

西安石油大學(xué)從1985年開始開展了高能氣體壓裂機(jī)理實驗研究，經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前研究出的多級強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)經(jīng)過多年的現(xiàn)場實踐運用，取得了較為良好的效果。其作用機(jī)理是以多種燃速復(fù)合壓裂藥優(yōu)化組合匹配，結(jié)合特有的隔斷延時控制技術(shù)[3]，通過其燃燒產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體的連續(xù)有序釋放，形成多級高壓脈沖波（多個峰值壓力）（見圖1）。首先在射孔層段產(chǎn)生第一級高壓脈沖波，其壓力大于地層破裂壓力1.5～2.5倍，沿射孔通道進(jìn)入地層，快速起裂壓開地層，形成3～5條裂縫；隨后的第二、三級高壓脈沖波連續(xù)補充能量，對地層再實施2～3次高壓沖擊波加載壓裂，繼續(xù)促使裂縫快速延伸，以進(jìn)一步延伸地層裂縫[4]；從而在地層形成較長的多裂縫體系，裂縫長度可達(dá)4 m～12 m（見圖2）。通過對地層實施多次連續(xù)高壓脈沖波加載壓裂，使地層產(chǎn)生和形成多條較長的裂縫體系，提高了溝通天然裂縫的概率，擴(kuò)大了有效的采油范圍；其產(chǎn)生的大量熱量，經(jīng)過與地層流體傳熱后，可以使瞬間油井溫度提高數(shù)百度[5]，具有融化蠟質(zhì)、改善地層孔隙度和滲透性的作用，達(dá)到改善地層、提高油井產(chǎn)量的目的。

圖1 多脈沖加載壓裂壓力-脈沖曲線（Ⅰ型）

圖2 多脈沖加載壓裂技術(shù)裂縫示意圖

3 煤儲層多級強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理

3.1 煤儲層裂隙的破巖依據(jù)

（1）假定煤儲層為各向同性彈性介質(zhì)[6]，雖然煤儲層中存在大量割理結(jié)構(gòu)，但其寬度遠(yuǎn)小于多級脈沖壓裂引起的應(yīng)力波長，應(yīng)力波傳至微裂縫時將發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，整體應(yīng)力分布基本不會有明顯變化，因此，可近似煤儲層為各向同性彈性介質(zhì)。

（2）假定位移沿重力方向不隨方位改變而變化，即應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

（3）假定體積力為零。

目前國內(nèi)外學(xué)者提出了較多的破裂壓力計算方法，如Eaton法、Stephen法、Anderson法、黃氏模式法等[7]，而壓裂中應(yīng)用較廣泛的為最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，即第一強(qiáng)度理論。該理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂破壞的因素是最大拉應(yīng)力，無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力σb，材料就視為要發(fā)生脆性斷裂。由此可知，煤儲層在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生脆性斷裂破壞的臨界條件是：σt=σb。

煤儲層在原始狀態(tài)下受最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及垂向應(yīng)力的作用而處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。選取一個含有微裂隙的體積單元，建立力學(xué)模型（見圖3），記裂隙方向角，即裂隙面與軸向應(yīng)力夾角為α，軸向應(yīng)力、水平應(yīng)力分別為α1、α2，p為煤層氣壓力。則垂直于裂隙面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力分別為：σ=σ1cos2α+σ2sin2α-p，。

煤儲層裂隙受上述應(yīng)力作用時，通常表現(xiàn)為壓剪或拉剪破壞。研究指出[8]，煤儲層的裂隙擴(kuò)展受煤層氣壓力、原始地應(yīng)力等綜合因素的影響，裂面法向正應(yīng)力的性質(zhì)（拉力、壓力）促使裂隙面表現(xiàn)為拉剪破壞或者壓剪破壞。煤儲層裂隙的擴(kuò)展總是處于應(yīng)力集中的方位。裂隙在地應(yīng)力、煤層氣壓力作用下表現(xiàn)為壓剪破壞，因此正應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

圖3 裂隙面力學(xué)分析

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則[9]，裂隙面產(chǎn)生摩擦滑動的有效剪應(yīng)力τeff為：式中：τc-內(nèi)聚力；μ-煤巖材料內(nèi)摩擦系數(shù)。

根據(jù)材料力學(xué)理論，當(dāng)裂紋表面的法向正應(yīng)力為拉應(yīng)力時，裂紋擴(kuò)展問題屬于斷裂力學(xué)中Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋問題，當(dāng)裂紋表面的法向正應(yīng)力為壓應(yīng)力時，裂紋擴(kuò)展問題屬于純Ⅱ型裂紋問題。根據(jù)斷裂力學(xué)，Ⅱ型裂紋擴(kuò)展判據(jù)為:KⅡ=KⅡC，其中，KⅡ為巖石Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子，KⅡC為巖石Ⅱ型斷裂韌度值，a為裂紋半長。

3.2 多級強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理

如圖4所示，火藥在泄氣管內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫、高壓氣體，并以1 000 m/s以上的速度從泄氣孔中噴射而出，由于射流速度高，液流環(huán)空距離短，一般不會在環(huán)空射流斷裂[10]。可以認(rèn)為，從泄氣孔噴射的全部氣流流入射孔孔眼，在射孔孔眼內(nèi)迅速聚集，并形成高壓（見圖4）。

圖4 氣流很高時形成連續(xù)的氣體射流

從射孔孔眼噴射出的火藥燃燒氣體的質(zhì)量流速為：

式中：k-燃?xì)獗葻岜?；p-槍身內(nèi)壓力；s-射孔孔眼的面積；RT0-槍身內(nèi)火藥定壓火藥力；g-重力加速度。

可以看出，根號內(nèi)數(shù)值基本上取決于泄氣管內(nèi)所裝填火藥的性質(zhì)，當(dāng)火藥裝藥結(jié)構(gòu)在一定的情況下基本是一個定量。通過射孔孔眼的質(zhì)量流速主要取決于p和s，即泄氣管內(nèi)壓力p和射孔孔眼的面積s。壓力越大，射孔孔眼越大，質(zhì)量流速越大。質(zhì)量流量為：

式中：m-質(zhì)量流速；W-總裝藥量；t-作用時間。

瞬時射孔孔眼內(nèi)的壓力為：

式中：pi-燃燒氣體在第i個孔眼產(chǎn)生的壓力；f-火藥力；φi-火藥燃燒壓力pi時的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V-定孔眼容積；α-火藥余容。

當(dāng)井筒內(nèi)的燃?xì)鈮毫max＞pi時，火藥燃燒氣流就不斷往射孔孔眼中噴射，射孔孔眼壓力不斷升高。

運用煤儲層裂隙破裂理論，即最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則可知，當(dāng)射孔孔眼內(nèi)壓力達(dá)到煤儲層的破裂壓力時，煤儲層發(fā)生破裂產(chǎn)生大量的裂隙，從而降低煤儲層應(yīng)力使煤層氣解吸并形成有效滲流，提高煤氣井單井產(chǎn)能。射孔孔眼內(nèi)的火藥燃燒氣體迅速泄入煤儲層，射孔孔眼內(nèi)壓力下降，槍身內(nèi)的氣流繼續(xù)向射孔孔眼內(nèi)流動，這樣就形成一個連續(xù)地多級強(qiáng)脈沖過程，促使煤儲層裂隙的不斷產(chǎn)生和延伸從而進(jìn)一步增強(qiáng)其導(dǎo)流能力。

4 結(jié)論

（1）通過煤儲層各向同性及平面應(yīng)力狀態(tài)的假定，運用儲層裂隙破裂理論建立力學(xué)模型分析了儲層的力學(xué)性質(zhì)，為多脈沖加載壓裂技術(shù)的破巖作用找到了其理論依據(jù)。

（2）煤儲層中有著大量天然割理的存在，可通過儲層改造技術(shù)產(chǎn)生裂縫并連接天然裂縫以提高其滲流及導(dǎo)流能力，提高煤層氣井單井產(chǎn)量。多級強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)可以破裂煤巖體，在儲層中產(chǎn)生較多較長的多裂縫體系，并且其不受地應(yīng)力影響，明顯改善了煤儲層的導(dǎo)流能力，從而達(dá)到了提高煤儲層單井產(chǎn)量的目的。

（3）開展煤儲層多級強(qiáng)脈沖加載壓力破巖機(jī)理研究將有利于我國煤層氣的有效開發(fā)，并為非常規(guī)天然氣的開采提供新的思路。

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Theoretical study of multi-level strong pulse loading fracturing mechanism of rock fragmentation in coal reservoir

LIU Anbang
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aimed at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problem of low single gas well production,strong multistage pulse fracturing technology of loading the fracturing mechanism of rock fragmentation has been studied.According to the first strength theory of rock burst,mechanical model is set up and it provides a theoretical basis for coal and rock burst under the loading of in multistage strong pulse.The study shows gunpowder combustion produces a large number of high temperature and high pressure gas in well-bore and it jet perforation constantly,which lead to the pressure in perforation increasing.When the pressure is greater than the coal and rock burst,the coal reservoir fracture cracks and its pressure releases,which coal-bed methane get desorbed.Desorption of coal-bed methane formed effective seepage process through the cracks,which improve the single well production in CBM wells.

coal reservoir；multistage strong pulse；fracturing；rock breaking

TE357

A

1673-5285（2017）01-0033-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.010

2016－12-06

陸相頁巖氣儲層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)項目，項目編號：2012KTZB03-03-03-02。

劉安邦（1992-），碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，主要研究方向為采油氣工程理論與技術(shù)，郵箱：1543361986@qq.com。