煤岩层水力压裂造缝机理分析

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1、第17卷第4期天然气工业钻采工艺与装备3煤岩层水力压裂造缝机理分析33李同林(中国地质大学)李同林.煤岩层水力压裂造缝机理分析.天然气工业,1997;17(4):53～56摘要储集岩层通常具有明显的层状结构,煤岩层尤其如此。为提高煤层气井水力压裂施工的有效性,结合实际对水力压裂目的岩层采用横观各向同性体这一力学模型来进行研究,从而运用弹性力学理论和材料强度理论,对煤层横观各向同性体水压致造缝机理进行了深入的认识和探讨,认为形成裂缝的关键因素是地应力及其分布和岩层力学的固有特性,压裂液的性质和注入方式同时也对裂缝形成有一定影响;在岩石力学物理性质测试中,应充分

2、考虑岩石的各向异性特性,以便取得各项弹性参数;所获研究结果对水力压裂设计与施工有指导意义。主题词煤成气气井水力压裂水平层理压裂裂缝机理分析〔1〕水力压裂是油气井增产、水井增注以及煤层方向上的力学物理性质相比较,则差异较大。因此,气开采中的一项十分重要的切实可行的技术措施。在研究其受力产生的力学响应时,一般应将沉积岩〔7,8〕它的做法是:由一对跨接式封隔器密封一段钻孔,然层,尤其是煤岩层,视为横观各向同性体。后由地面高压泵组对密封段以大大超过地层吸收能〔7,8〕各向同性体的弹性本构方程力的排量注入压裂液增压,直到在该段承压超过井壁附近地应力和岩石的抗张强度,使

3、井壁产生张破无论是各向同性体,还是各向异性体,在三向应裂,即在地层中造成裂缝。随着压裂液的注入,裂缝力状态下,只要处于弹性范围内,其应力应变关系都逐渐向前扩展。压裂中破裂产生、传播扩展、保持或服从广义虎克定律。按此定律,弹性体内任一点处重新张开所需的流体压力,均与岩层中客观存在的的本构方程可写成矩阵形式:地应力场以及岩层(石)本身的力学物理性质密切相{σ}=[D]{ε}(1)〔2,3〕式中:{σ}=[σσσσττ]T为应力列阵;{ε}=关。xyzxyyzzxT一般认为,地壳浅部的岩层(石)大多处于脆性[εxεyεzγxyγyzγzx]为应变列阵;[D]则为6

4、×6阶状态,其应力与应变间的关系接近于弹性关系。实的弹性矩阵,它由式(1)中的系数组成,矩阵中的各际上与油气或煤层气储层相关的地块是由具层状结元素都是常数,数值由材料的弹性性质决定。构的沉积岩层(例如砂岩层和煤岩层等,一般岩层产由弹性理论知,横观各向同性体的应变主方向状较平缓)所组成。从宏观上看其力学物理性质具与应力主方向相重合。设z轴为垂直层理的弹性主有明显的各向异性。通常,沉积岩层的弹性模量E方向,x、y轴分别为平行层理的两弹性主方向。可在垂直层理方向上要比平行层理方向上大,且泊松证明,横观各向同性体的独立弹性常数从极端各向〔5,6〕比μ和各种强度参数也

5、有明显的差异。这类具异性体的21个降至5个。如果取E1、μ1和G1分别层状结构岩体的特点是:在平行于层理的各个方向为xy平面内(即平行层理方向上)的弹性模量、泊松上(即所谓横向)力学物理性质较为相近,可近似地比和剪切弹性模量,取E2、μ2和G2分别为z方向认为相同。而在岩层层理面的任一方向与垂直层理(即垂直层理方向)上的弹性常数,则横观各向同性3本文由国家“八五”重点科技攻关(852102211205202)课题资助。33李同林,1955年生,副教授;1978年毕业于中国地质大学(原武汉地质学院),1993年获硕士学位;现主要从事力学教学和力学在探矿工程中应

6、用的科研工作,曾获地质矿产部科技成果三等奖,并发表论文多篇。地址:(430074)湖北省武汉市武昌喻家山中国地质大学。电话:(027)7801481转2269。·53·钻采工艺与装备天然气工业1997年7月体的5个独立的弹性常数分别为E1、E2、μ1、μ2和E12σÊx=2εÊx+An(nμ2+μ1)εÊy;G2。由于在xy平面内各向同性,则知G1=1-μ1E1E12;由式(1)推得横观各向同性体的本构方σÊy=2εÊx+An(1-nμ2)εÊy。2(1+μ1)1-μ1程为:(6)22σx=A[n(1-nμ2)εx+n(nμ2+μ1)εy+nμ2(1+μ1)

7、εz]22σy=A[n(nμ2+μ1)εx+n(1-nμ2)εy+nμ2(1+μ1)εz]井壁上的应力、水压致裂2σz=A[nμ2(1+μ1)εx+nμ2(1+μ1)εy+(1-μ1)εz]造缝条件和破裂压力E1τxy=γxy;τyz=本G2γ身yz;τzx=G2γzx2(1+μ1)1.井筒对地应力及其分布的影响、注入压力所(2)产生的应力和井壁上的总应力E2E1式中:A=2;n=。钻井之后,由于井眼的存在,影响了原地应力的(1+μ1)(1-μ1-2nμ2)E2分布,这种影响可根据弹性理论中无限大平板钻一岩层中一点处的应力状态孔洞,受双向应力作用下圆孔周围各

8、点的应力计算〔8〕公式给予说明。在地应力作用下,孔壁