碳质页岩水力压裂模拟实验研究

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1、第27卷第1期安徽地质V_0l-27No．12017年3月GeologyofAnhuiMarch2017文章编号：1OO5—6157(2017)01—05O一4碳质页岩水力压裂模拟实验研究张健1，李良z，陈亮2，马海春3，钱家忠3(1中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京102209；2华能国际电力开发公司，北京10003l；3合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥2300271摘要：为了分析碳质页岩的水力压裂过程，采用天然页岩岩块，制作了边长30cm立方体试样，采用实验室大型实验设备，设置了两

2、种不同的割缝注射方向，对试样进行了水力压裂模拟实验。对比分析了试样的破坏形态；可以看出割缝注射方向对裂缝的发育有着重要影响；水力压裂的极限强度与裂纹和层面之间的夹角有一定的关系，当裂纹方向接近层面时，对应的水力压裂的强度较小。结合水力压裂的水压曲线，阐述了裂纹发育和压裂液压力之间的关系。声发射监测碳质页岩的水力压裂存在一定的不足，需要进一步提高探测精度。页岩水力压裂过程受多种因素影响，需要开展相应的模拟实验进行研究。关键词：碳质页岩；水力压裂；模拟实验；水压；裂纹中图分类号：TD315；TV13l；O2

3、41文献标识码：A0引言张旭等[8】以彭水地区龙马溪组地层机程序可以设置恒定排量的泵注液我国页岩气资源十分丰富，但页岩开展水力压裂物理模拟，研究体，试验过程中利用数据采集系统地质背景复杂性和页岩物理特性，发现当地应力差异系数减小或压裂工程实际采用水力压裂技术进行页液黏度降低时，水力裂缝易开启天岩体积改造，形成渗透路径，达到然裂缝。靳钟铭[9】、邓广哲叭、周油气增产效果”。]。但是页岩的水力健[1等也进行了相关的压裂物理模压裂涉及到复杂的地质力学因素，拟研究，但实验中采用的样品多为因此需要开展研究分析页岩

4、水力压裂缝性砂岩煤相似材料或固结散裂规律，评估压裂效果。页岩的水煤。室内模拟实验研究已经开展了力压裂实验很多学者都开展过室内很多的研究，但是很多研究对象是物理模型试验。郭印同等[4利用真对于人工试样进行研究的，成果多图1实验设备不意图三轴岩土工程模型试验机、Disp声针对均质性较好的砂岩或人工相似Fig．1Testequipmentsketch发射三维空间定位技术和工业CT扫配比材料试样，多采用直接观测的记录泵压、排量等参数。水力压裂描对水力压裂缝扩展形态进行监控方法描述裂缝，但随着技术发展，伺服泵压系

5、统和泵注加压系统结构和分析。陈勉等采用实验模型对声发射设备、工业CT扫描等技术也如图1所示。压裂试验中一般采用天然和人造岩样进行了水力压裂裂应用于裂缝信息监测。本文以天然定排量控制，即位移控制模式，压缝扩展机制模拟，研究了地应力、页岩为研究对象，对页岩进行水力裂模拟试验采用5mL／min的定排量节理和天然裂缝等因素对压裂缝扩压裂的效果分析，利用声发射设备水力压裂。展的影响。姜浒等研究了定向射监测破裂，并对不同的孔位位置角试件由采自安徽地区天然碳孔方位角、水平应力差和微环隙对进行了对比。质页岩加工而成，见

6、图2，考虑到裂缝孕育的影响。闫铁等建立水1实验介绍试件的不规则形状和易破碎性，采力压裂下局部裂缝张开、裂缝面错采用水力压裂伺服控制泵压系用尺寸30cm×30cm×30cm的模具动和裂缝面抗剪能力的计算模型。统进行水力压裂实验，通过计算对页岩周围进行混凝土浇铸填补。收稿日期：2016-09—01基金项目：本研究依托中国华能集团千人计划项目《CO：无水压裂技术研究(第三期)》，课题编号：CERI／TY一15一HJKO1；国家自然科学基金(11102205；41272251)；合肥丁业大学青年基金(2013H

7、GQC)作者简介：张健(1984-)，男，湖北随州人，工程师，主要从事页岩气开发技术研究。第27卷第1期张健，等：碳质页岩水力压裂模拟实验研究裂液，说明岩样内部必定发生一定的破裂，也赋存一定量的压裂液，试样内部产生裂缝的情况肯定也有所不同。页岩产生沿某一方向扩展和延伸，随着压裂液增加，岩样内部裂缝逐步演变成裂缝通道，从而在岩样表面的产生微小裂纹。2．2水力压裂水压分析在水力压裂的过程中，记录水压的变化情况，见网5(试件1)。从图5可以看，水乐刚开始从1．2MPa下降至0．9MPa，这说明应I2试样制备不

8、意I羽Fig．2Samplepreparationsketch该是开始压裂液进入小空隙时产生其中，页岩的强度4．5MPa，抗托连接好试样，利用实验室水力的降压，随着压裂液充满后，水压1．3MPa，混凝土按fl~c25标准进行压裂设备进行注水压裂，主要设开始增加，且增长速度很快，直至配制。然后，进行预制注水孑L，本置压裂液排量参数和压力泵行程，达到约3MPa，然后维持约90s后，试验所需模拟试样分2类预设割缝控制压裂液的排量；在模拟井筒中这对