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創新點
（1）通過對沁水盆地西南部3號煤儲層42個水力壓裂地應力測試分析，建立了研究區煤儲層最小水平主應力、最大水平主應力和垂直主應力以及煤儲層應力與埋藏深度之間的關係模型，揭示了研究區煤儲層應力和壓力隨埋藏深度的變化規律。
（2）煤儲層最大水平主應力和最小水平主應力、煤儲層壓力和煤的抗拉強度控制煤儲層破裂壓力的大小。 根據研究區 378口煤層氣井水力壓裂資料，計算了研究區煤儲層地應力分佈。 在此基礎上，建立了研究區煤儲層破裂壓力與最小水平主應力和抗拉強度之間相關關係和模型，揭示了研究區煤儲層可壓裂性特徵。
（3）採用研究區378口水力壓裂井資料，基於格里菲斯（Griffith）強度理論計算了研究區煤儲層單軸抗拉強度，根據單軸抗拉強度值將煤儲層可壓裂性劃分為4種類型，建立了基於Griffith強度理論的煤儲層水力壓裂有利區評價方法，對研究區煤儲層水力壓裂有利區進行了評價，為本區煤層氣開發水力壓裂改造提供了理論依據。
作 者
孟召平,雷鈞煥,王宇恆
作者單位
中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院
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研究背景
煤儲層屬於低孔低滲非常規儲層,由於煤儲層的 滲透率都很低,僅靠井眼圓柱側面作為排氣面是遠遠 不夠的,所以必須採取人工強化增產措施。利用以鑽 井水力壓裂為關鍵技術的一整套工藝過程對煤儲層進行改造,是當今世界開發煤層氣所用的主要技術。從壓裂機理上來說煤層氣井與常規油氣井的壓裂並無本質區別。
儘管水力壓裂是於1947年開始試驗並於1949年開始成功應用的一種成熟技術,但是已往的應用多是在砂岩等一些脆性岩石中,近些年該技術大面積應用於塑性較強的煤儲層壓裂改造中,取得了好的應用效果。煤儲層水力壓裂中裂縫的擴展其實質主要是脆性張破壞,採用格里菲斯(Griffith)強度理論能夠較好地描述其破壞機制。格里菲斯(Griffith)於1920年研究認為破壞是從微小裂紋處開始發生的,並提出了一套現今稱為格里菲斯強度理論的學說。
但從目前的研究狀況看,由於煤層氣井地應力和水力壓裂監測資料相對較少,針對煤儲層條件開展煤儲層水力壓裂有利區評價研究還相對薄弱,因此有必要對煤儲層水力壓裂條件及其可改造性進行深入研究,為煤層氣開發提供理論依據。
筆者通過對沁水盆地西南部3號煤儲層42個水力壓裂試驗數據統計,系統分析了研究區煤儲層地應力分佈規律,採用378口水力壓裂井資料,基於格里菲斯(Griffith)強度理論計算了研究區煤儲層單軸抗拉強度,建立了煤儲層破裂壓力與最小水平主應力和抗拉強度之間關係和模型,揭示了研究區煤儲層可壓裂性特徵,對煤儲層水力壓裂有利區進行了評價,為煤層氣開發工程設計和壓裂改造提供了理論依據。
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摘 要
水力壓裂有利區評價是煤儲層壓裂改造施工設計的基礎。 通過對沁水盆地西南部3號煤儲層42個水力壓裂地應力測試數據統計,系統分析了研究區煤儲層地應力分佈規律。
採用378 口水力壓裂井資料,基於格里菲斯(Griffith)強度理論計算了研究區煤儲層單軸抗拉強度,建立了煤儲層破裂壓力與最小水平主應力和抗拉強度之間關係和模型,揭示了研究區煤儲層可壓裂性特徵,建立了基於Griffith強度理論的煤儲層水力壓裂有利區評價方法,對煤儲層水力壓裂有利區進行了評價。
研究結果表明,研究區塊3號煤層最大水平主應力14.67~45.05MPa,平均為29.31MPa,最大水平主應力梯度為2.00 ~4.84MPa/100m,平均為3.27MPa/100m;最小水平主應力10.51~29.09MPa,平均為18.61MPa;最小水平主應力梯度為1.44~2.85MPa/100m,平均為2.09MPa/100m,煤儲層應力和壓力均隨深度的增加呈線性增大的規律。
基於格里菲斯(Griffith)強度理論計算的研究區3 號煤儲層單軸抗拉強度為0.15~1.10MPa,在平面上存在一定的差異性。根據單軸抗拉強度值將煤儲層可壓裂性劃分為4類,對於較高抗拉強度區和高抗拉強度區( Ⅲ和Ⅳ),煤儲層抗拉強度值大,煤層氣井水力壓裂改造中起裂壓力高,難以進行壓裂改造。對於低抗拉強度區和較低抗拉強度區(Ⅰ和Ⅱ),煤儲層抗拉強度值小,煤層氣井水力壓裂改造中起裂壓力小,易於進行壓裂改造,評價結果與實際水力壓裂情況相吻合。
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文中圖片
研究區3號煤層構造
研究區3號煤儲層應力、壓力與埋深的關係
橢圓裂縫端部開始破裂擴展方向
平面應力狀態下煤儲層抗拉強度分佈
破裂壓力與最小水平主應力之間關係
破裂壓力與煤的抗拉強度之間關係
孟召平,雷鈞煥,王宇恆. 基於Griffith 強度理論的煤儲層水力壓裂有利區評價[J]. 煤炭學報,2020,45(1):268-275.
MENG Zhaoping,LEI Junhuan,WANG Yuheng. Evaluation of favorable areas for hydraulic fracturing of coal reservoir based on Griffith strength theory[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):268-275.
審 核：常琛
End
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