CN110080725A - 煤层脉动压裂最优施工频率确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是煤层脉动压裂最优施工频率确定方法，它包括:一、进行预期压裂煤层现场取芯，开展煤岩力学参数测试实验，获取煤岩的基本力学参数、三向地应力数据；二、建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型；三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，在一定的脉动频率下模拟计算煤层应力场，确定煤层脉动压裂扰动应力场分布；四、利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力；五、重复步骤三‑四，得到不同应力水平和不同脉动施工频率下的裂缝尖端最大拉应力变化规律，确定最优脉动施工频率。应用本发明确定的煤层脉动压裂最优施工频率，在较低的施工压力下即可实现与常规水力压裂相同的压裂效果，降低施工压力有利于降低安全施工风险。
Description
技术领域：
本发明涉及的是煤层脉动压裂储层改造技术，具体涉及的是煤层脉动压裂最优施工频率确定方法。
背景技术：
煤层气作为煤的伴生矿产资源，在我国具有相当大的资源储量，煤层气是以甲烷为主要成分的烃类气体，通过吸附作用吸附在煤基质颗粒表面，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，属于非常规天然气，是近几十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。当煤层气的浓度达到5％-16％时，遇明火就会***，这是煤矿瓦斯***事故的根本原因，若直接将煤层气排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境具有极强的破坏性。如果在采煤之前率先开采煤层气，煤矿瓦斯发生***的几率将降低70％-85％。可见，煤层气的开发利用具有一举多得的功效，既降低了煤矿安全生产风险，保护了环境，又提高了清洁能源的利用率，同时也带来巨大的经济效益。
从我国煤层气开采发展现状来看，煤层的低透气性这一因素大大的制约了煤层气的产量，为提高煤层的透气性，水力压裂技术常常被应用于煤层气开采当中。目前，水力压裂技术在石油与天然气开采中广为应用，其相应的基础理论和技术对煤层气的有效开采也具有一定的借鉴意义。
煤层脉动压裂作为一项煤层气开发利用的新技术，与常规水力压裂技术相比具有更多的优势。脉动压裂能够在煤层内部形成更为复杂的裂缝网络，有效增加泄压面积，降低气体渗流阻力，实现提高煤层气产能的目的。
研究发现对于某一特定岩石，其本身存在固有频率，该固有频率仅受岩石自身组分与结构影响，当外界施加的脉动载荷等于这一频率时达到共振状态，使岩石内部损伤迅速加剧，这一频率即为最优脉动施工频率。
但目前在煤层脉动压裂最优施工频率研究方面，技术人员根据现场经验选取，没有相应的理论指导依据或技术方法，这样在不同煤层区块开展脉动压裂后效果差异明显，需要提供一种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法，确定不同区块煤层脉动压裂最优施工频率值，改善脉动压裂的储层改造效果。
发明内容：
本发明的目的是提供煤层脉动压裂最优施工频率确定方法，这种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法用于解决煤层脉动压裂过程施工参数的合理选取问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法:
步骤一、进行预期压裂煤层现场取芯，开展煤岩力学参数测试实验，获取煤岩的基本力学参数、三向地应力数据，基本力学参数包括弹性模量、泊松比、抗拉强度；
步骤二、应用comsol商用有限元软件，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，模型中包含压裂井组井身结构信息、煤层各种割理和天然裂缝结构信息，在模型中预设脉动压裂裂缝尺寸和裂缝形态，煤岩的基本力学参数、三向地应力数据、孔隙压力数据以步骤一中实验结果为依据；
步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型计算结果为初始值，对压裂井施加一定应力水平脉动压力，在一定的脉动频率下模拟计算煤层应力场，确定煤层脉动压裂扰动应力场分布；
步骤四、利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力，拉应力计算公式如下；
式中：σx为x方向正应力；σy为y方向正应力；τxy为剪应力；
提取步骤三脉动压裂扰动应力场有限元模拟结果数据，带入拉应力计算公式，计算确定一定脉动应力水平和固定脉动频率下的裂缝尖端最大拉应力。
步骤五、重复步骤三、步骤四，得到不同应力水平和不同脉动施工频率下的裂缝尖端最大拉应力变化规律，在保证施工管柱和设备安全的极限压力下，以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率，或根据现场施工压力要求，在特定应力水平下，以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率。
本发明具有以下有益效果：
1、应用本发明确定的煤层脉动压裂最优施工频率，可使煤层脉动压裂施工后内部天然缺陷有效沟通，更有效增加储层改造体积，增强煤层透气性。
2、通过本发明确定的煤层脉动压裂最优施工频率，有效提高了脉动压裂煤层气井产能，带来了巨大的经济效益。
3、通过本发明确定的煤层脉动压裂最优施工频率，在相同的施工压力下，可以获取优于常规水力压裂的压裂效果，有效提高煤层气开采效率。
4、应用本发明确定的煤层脉动压裂最优施工频率，在较低的施工压力下即可实现与常规水力压裂相同的压裂效果，降低施工压力有利于降低安全施工风险。
5、本发明提供的煤层脉动压裂最优施工频率确定方法根据要进行压裂施工目的区块煤岩岩心力学实验结果进行设计，可以对不同区块的煤岩进行力学参数测试，通过改变力学参数来获取不同压裂施工目的区块的最优施工脉动频率，从而确保该方法确定的最优脉动频率适用于不同区块。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的说明：
这种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法如下：
步骤一、开展预期压裂煤层现场取芯，制备力学参数测试标准岩样，包括50*100mm和50*25mm岩芯，应用获取的煤岩岩芯开展包括单轴、三轴压缩和巴西劈裂以及变角剪切等力学参数测试，获取煤岩单轴和三轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度等基本力学参数，应用全尺寸岩样加工实验试件开展地应力测试实验，获取水平地应力数据，根据密度测井等数据计算垂向地应力数值,孔隙压力数据通过测井数据计算得到。
步骤二、应用comsol等商用有限元软件，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，模型中同时建立压裂井的模型、压裂煤层割理***模型以及天然裂缝分布模型，同时预设脉动水力压裂所要形成裂缝尺寸和裂缝形态，给煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型施加约束条件；
煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型中煤岩基本力学参数、原地应力数据以及孔隙压力数据等以步骤一中实验结果为依据进行输入，输入参数以后对模型进行网格划分，并对局部区域进行网格加密处理；
步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型计算结果为初始值，对压裂井施加脉动压力，并且在模型边界添加完美匹配层消除脉动应力波反射的影响，模拟并绘制煤层脉动压裂扰动应力场分布；
步骤四、利用拉应力计算公式(公式(1))求取裂缝尖端最大拉应力；
式中：σx为x方向正应力；σy为y方向正应力；τxy为剪应力；
提取步骤三脉动压裂扰动应力场有限元模拟结果数据，带入公式(1)计算确定一定脉动应力水平和固定脉动频率下的裂缝尖端最大拉应力。
步骤五、重复步骤三、四，可得到不同应力水平和不同脉动施工频率下的裂缝尖端最大拉应力变化规律。在保证施工管柱和设备安全的极限压力下，以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率。也可以根据现场施工压力要求，在特定应力水平下，同样以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率。
本发明用于煤层脉动压裂过程最优脉动施工频率的确定，从而使煤层内部天然缺陷有效沟通，增强煤层的透气性，提高煤层气开采效率，降低施工安全风险。既可以减小由于脉动频率设计不合理而造成的经济损失，也可以降低盲目增加脉动频率所带来的施工安全风险。
Claims (1)
1.一种煤层脉动压裂最优施工频率确定方法，其特征在于：
步骤一、进行预期压裂煤层现场取芯，开展煤岩力学参数测试实验，获取煤岩的基本力学参数、三向地应力数据和孔隙压力数据，基本力学参数包括弹性模量、泊松比、抗拉强度；
步骤二、应用comsol商用有限元软件，建立煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型，模型中包含压裂井组井身结构信息、煤层各种割理和天然裂缝结构信息，在模型中预设脉动压裂裂缝尺寸和裂缝形态，煤岩的基本力学参数、三向地应力数据、孔隙压力数据以步骤一中实验结果为依据；
步骤三、建立煤层脉动压裂扰动应力场有限元模型，以步骤二煤层脉动压裂三向地应力作用下有限元模型计算结果为初始值，对压裂井施加一定应力水平脉动压力，在一定的脉动频率下模拟计算煤层应力场，确定煤层脉动压裂扰动应力场分布；
步骤四、利用拉应力计算公式求取裂缝尖端最大拉应力，拉应力计算公式如下；
式中：σx为x方向正应力；σy为y方向正应力；τxy为剪应力；
提取步骤三脉动压裂扰动应力场有限元模拟结果数据，带入拉应力计算公式，计算确定一定脉动应力水平和固定脉动频率下的裂缝尖端最大拉应力；
步骤五、重复步骤三、步骤四，得到不同应力水平和不同脉动施工频率下的裂缝尖端最大拉应力变化规律，在保证施工管柱和设备安全的极限压力下，以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率，或根据现场施工压力要求，在特定应力水平下，以获取目标压裂煤层裂缝尖端最大应力值为目标，确定最优脉动施工频率。
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