深部煤储层水力压裂改造效应及其能量控因

摘要

水力压裂过程涉及能量输入、释放和耗散，探究压裂过程中能量演化机理及其改造效应，可为深部煤储层压裂工艺优化提供理论依据和技术支撑.以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块2^#煤层为研究对象，在优化真三轴水力压裂物理模拟方法基础上，结合数值模拟及数学建模，分析了深部煤层水力压裂应力分布及裂隙起裂-扩展特征，揭示了输入能量演化机理及其对压裂效果的控制作用.结果表明：钻孔内部填充NaCl粉末、抗拉拔植筋胶加固、试样外侧橡胶垫片缓冲的真三轴水力压裂物理模拟优化方法降低了试样应力加载破碎概率及端部效应，满足深部煤岩水力压裂物理模拟的需要.随排量增大，造缝效果呈现出由小规模、低缝宽复杂缝网向大规模、中缝宽复杂缝网，再向超大规模、高缝宽简单裂缝的转变，排量9 mL/min可形成规模和裂隙复杂度均较高的裂隙体系，破裂压力点是裂隙带扩展由缓至快的转折点.综合考虑地应力和水压力影响，构建了水力压裂应力分布模型，发现环向应力由压应力转化为拉应力是压裂裂隙起裂的驱动力，对于深部正断型应力状态，裂隙不仅形成于垂向应力和最大水平主应力所在的平面，而且优先从平行于垂向应力方向的井筒附近起裂.水力压裂物理模拟裂隙起裂的能量来自于水压增大阶段（阶段Ⅱ）积累的输入能，其由压强能和动能组成，压强能是能量主体.排量与输入能、耗散能呈二次函数关系，与能量输入速率呈对数函数关系，增大排量能够提高能量输入速率，但能量输入效率降低.裂隙率与能量输入速率之间呈高斯分布，当阶段Ⅱ能量输入速率介于0.70～1.15 J/s时，物理模拟压裂改造效果最好.

关键词

深部煤层气 / 水力压裂 / 物理模拟 / 数值模拟 / 能量演化 / 改造效应