¹河北工程大学地球科学与工程学院，河北 邯郸

²河北省地质矿产勘查开发局地质勘查技术中心，河北 石家庄

收稿日期：2023年10月23日；录用日期：2023年11月29日；发布日期：2023年12月12日

摘要

水力压裂是煤层气开采的有效手段，储层增透效果取决于裂纹扩展距离与形态复杂程度，而两者又受到层理的影响。为深入研究层理对压裂效果的影响，按照层理与压裂的方位(垂直和平行)，开展压裂试验，利用非金属超声探测仪和声发射对压裂过程中进行监测，从裂纹扩展形态、缝宽、渗透流量等方面对压裂效果进行综合评价。试验结果显示，垂直层理方位压裂效果明显优于平行层理方位压裂，裂纹扩展延伸长度最长，整体呈“人”字型，最大、小缝宽之比为24，过水断面渗透流量k = 7.50 × 10⁻⁴ cm³/s，分别为平行层理方位压裂的3倍、219.15%，建议在垂直层理方向上合理的布置压裂井，有利于提高煤层气储层的渗透性。

关键词

煤岩层理，水力压裂，裂纹扩展，压裂效果评价

Experimental Study on the Influence of Coal Bedding on Crack Propagation of Hydraulic Fracturing

Zhenbao Shao¹, Yaozong Wang², Huihao Wang¹, Yurong Guan¹, Jian Liu^1*

¹School of Earth Sciences and Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei

²Geological Exploration Technology Center, Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development, Shijiazhuang Hebei

Received: Oct. 23^rd, 2023; accepted: Nov. 29^th, 2023; published: Dec. 12^th, 2023

ABSTRACT

Hydraulic fracturing is an effective means of coalbed methane mining, and the permeability enhancement effect depends on the crack propagation distance and morphological complexity, which are also affected by the bedding Angle. In order to further study the effect of bedding Angle on fracturing, related fracturing tests were carried out according to the orientation of bedding and fracturing (vertical and parallel), non-metallic ultrasonic detector and acoustic emission were used to monitor the fracturing process, and the fracturing effect was comprehensively evaluated from the aspects of crack growth form, crack width and permeability flow rate. The test results show that the vertical bedding azimuth-oriented fracturing effect is significantly better than that of parallel bedding azimuth-oriented fracturing. The crack propagation and extension length is the longest, the overall shape is “human”, the ratio of the maximum and small crack widths is 24, and the seepage flow rate of the through water section k = 7.50 × 10⁻⁴ cm³/s, which are 3 times and 219.15% of the parallel bedding azimuth-oriented fracturing effect, respectively. It is suggested that rational placement of fracturing Wells in vertical bedding direction is conducive to improving the permeability of coalbed methane reservoir.

Keywords:Coal Bedding, Hydraulic Fracturing, Crack Propagation, Fracturing Effect Evaluation

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1. 引言

随着社会不断地发展，社会对能源的需求量也不断攀升，常规油气资源很难满足社会发展的需求。因此，对非常规油气资源的开采成为了当下各国学者研究的焦点 [1] 。煤层气是赋存在煤层及煤系地层中的烃类气体，是优质的清洁能源。该气体中甲烷占比含量可达80%~99%，是一种低碳，清洁，高效的非常规天然气资源 [2] 。煤层气作为非常规能源的补充,对我国能源结构的改善具有一定的现实意义。但我国的煤层气储层渗透率低，通常需要借助水力压裂技术对储层进行降压改造达到煤层气解吸的目的，实现高效可持续开采 [3] [4] [5] 。自水力压裂技术面世距今已有七十多年，水力压裂理论和应用不断的发展趋于成熟 [6] [7] [8] [9] ，已经成为了抽采煤层气的主要技术手段 [10] [11] [12] 。

煤体含有极为发育的层理、孔裂隙结构 [13] ，该结构的存在必对水力裂纹的扩展造成一定的影响 [14] 。针对层理面对水力裂纹扩展的影响情况，众学者开始物理试验进行研究分析。Daneshy [15] 通过理论与室内试验，研究水力裂纹在层状岩石中的扩展形态，指出水力裂纹往往会穿透层状之间的粘结面，最终止裂在非粘结处。周彤等 [16] 、何强 [17] 从CT和AE技术，展开页岩的真三轴水力压裂试验，研究表明：当水力裂纹扩展至层理面时，系统水压出现明显的波动，并伴随较强的AE信号。付海峰等 [18] 通过室内大型水力压裂试验，研究表明当水力裂纹扩展延伸至层理面时，会出现三种情况：偏转、穿过、止裂，并说明这三种情况是页岩储层压裂形成复杂裂纹的主要原因。Chang等 [19] 、Zhang [20] 通过研究水力压裂穿层试验，研究表明水力裂纹主要存在两种扩展方式：水力裂纹止裂于层理被层理“吞噬”、水力裂纹穿过层理。衡帅等 [21] 分析了页岩水力压裂裂纹形态，发现裂纹起裂与延伸存在四种基本模式(①：裂纹沿层理面起裂并延伸；②：裂纹沿最大地应力起裂延伸并穿过层理；③：裂纹沿最大地应力起裂经偏转后主裂缝沿层理面延伸；④：裂纹沿最大地应力起裂经偏转后主裂纹仍穿过层理面。)，层理等结构弱面对裂隙网的形成、发展与扩展有重要影响，为探究裂隙网形成机制提供了方向。王燚钊等 [22] 等通过三维裂纹扩展模拟试验，研究水力裂纹穿层特征，研究表明：水力裂纹在致密的砂岩中呈“十”字型扩展；在天然裂纹发育的砂岩中多呈“一”字型扩展；在层理发育的页岩中呈“阶梯”型扩展。

综上所述，水力裂纹在遇到层理面扩展延伸时，会发生各种情况的偏转。表明层理面的存在对水力裂纹的扩展存在极大的影响。在以往的研究中，仅仅研究水力裂纹遇到层理面时的偏转、止裂情况，并没有深入剖析层理对水力裂纹扩展的影响，也没有对压裂效果进行评价。因此为深入研究层理对水力裂纹扩展的影响，本研究按照压裂方向与层理方向的组合关系(垂直层理压裂和平行层理压力)设计进行水力压裂试验，并通过非金属超声探测仪和声发射对压裂过程中进行监测，从裂纹扩展形态、缝宽、渗透流量等方面对压裂效果进行综合评价，本研究对优化压裂设计，提高煤层气开采率具有重要意义。

2. 试验方案及方法

2.1. 试验方案设计

在水力压裂中，受到层理存在的影响，水力裂纹扩展过程中出现偏转、止裂等情况，但不同层理角度的压裂也会影响到水力裂纹的扩展情况。有鉴于此，本研究按照压裂方向与层理的相对位置关系(垂直和平行)展开试验。试验所用煤样取自邯郸九龙矿2#肥煤，将煤样(100 mm × 100 mm × 100 mm)置于模具中，并用混凝土浇筑封裹成立方体试件(200 mm × 200 mm × 200 mm)养护完成后，在试件表面中心部位进行钻孔作业，钻孔直径为φ14 mm，孔深为11 mm，选用外直径、内直径、长分别为φ12 mm、φ8 mm、150 mm的不锈钢管作为压裂管，利用高强度7102ab结构胶将不锈钢管封于钻孔内，钢管与孔底预留3 mm的自由段，待结构胶彻底凝固后进行压裂试验。

2.2. 试验方法

压裂设备选用Supcxt-20型水力压裂测试系统，为反演试件水力压裂裂纹的三维空间形态及裂缝开度，利用NM-4A型非金属超声无损探伤仪，将立方体试件表面按40 mm等距划分为5 × 5的网格，将试件上下、左右、前后六个表面依次编号为1~6面，然后将所有奇数面的小网格按照从左到右、从上到下依次编号1~25，按编号对压裂前后试样依次进行测试。为实时监测压裂过程中裂缝的形成与延伸扩展情况，利用DS5声发射测试系统对试验过程中声发射特征参数进行收集。

3. 试验结果

3.1. 垂直层理压裂

试件压裂管路与煤体层理垂直试验相关图示详见图1。红色实线代表压裂管路的布置，粉红色虚线代表煤块层理方位。

图2为试件压裂的压力–时间曲线及声发射特征参数，从压力–时间曲线来看，前期压力增长迅速为压裂液填充井筒所致，3 s左右出现的峰值0.6 MPa，为煤块中较脆弱部分起裂强度；3~38 s，为持续性憋压阶段；38 s时系统压力达到第一峰值2.7 MPa，分析为煤体垂直层理起裂压力；之后压力曲线短暂下降，说明煤体破坏导致失压；38~43 s，由于系统持续增压，且外围存在混凝土仍视为完整封闭空间，故压力曲线整体呈上升趋势；43 s时系统压力达到第二峰值3.6 MPa，分析为混凝土起裂压力；之后曲线短暂下降；46 s时系统压力达到第三峰值3.4 MPa，分析为试件完全破坏时的压力；之后压力曲线下降迅速，在48 s出现1.8 MPa，分析为混凝土破裂后的残余抗拉强度。另本次试验采用声发射特征参数即：

图1. 试件压裂加载示意图

累计振铃计数、累计能量、计数率和能量率来分析试验过程，其中累计振铃计数和计数率分别代表整个试验过程和单位时间内超过设定门槛值时间的振荡次数，累计能量和能量率分别代表整个试验过程和单位时间内声发射事件的相对能量强度。从图中可以看出：整个试验过程中声发射振铃和能量的相关参数随时间的变化规律与压力–时间曲线变化趋势近似，试验前期，压裂液填充井筒，试件无破损没有产生声发射信号；试验中期，试件憋压劈裂破坏，产生阶段性的声发射信号；试验后期，试件破坏，声发射信号减弱直至消失。

图2. 试件压力–时间曲线及声发射参数特征

图3中(a)、(b)分别为试件压裂后表面裂纹形态和超声波测试反演的裂隙延伸扩展形态。1#试件反演的裂缝三维内部形态和外部裂纹形态稍有偏差，反演的裂纹延伸扩展形态在5号面靠右边出现分叉，显示为两条裂缝，但实际情况为5号面仅出现一条裂缝；超声波数据反演其他点位的裂纹形态，基本上与外部的裂纹形态相一致。结合三维反演裂缝形态图来看，从试件表面没有看到裂缝贯穿整个试件，主要为试件内部产生相对复杂的裂缝，裂缝直接从内部向外延伸扩展，最终和外部裂缝交于一点，最终形成一个破裂面，导致试件失稳破坏。裂纹整体呈“人”字形。

图3. 试件压裂裂缝形态及超声波测试点位变化下反演裂缝形态

3.2. 平行层理压裂

试件压裂管路与煤体层理平行试验相关图示详见图4，其中红色实线代表压裂管路的布置，粉红色虚线代表煤块层理方位。

图4. 试件压裂加载示意图

图5为试件压裂的压力–时间曲线及声发射特征参数，从压力–时间曲线来看，较垂直层理压力也具有三个峰值强度：2.1、3.1、3.6 MPa。研究分析表明，起初压裂管路布置在煤体中，随着压裂的进行煤体最先破裂，故第一峰值2.1 MPa为平行煤块层理起裂压力；随后压裂液清水开始接触内部混凝土接触面并对混凝土进行压裂，故第二峰值3.1 MPa为混凝土的起裂压裂；随着试验的进行，裂隙不断朝外部扩展发展，最终压力会达到混凝土的极限破坏强度，故第三峰值3.6 MPa为混凝土的极限破坏压力。而声发射特征参数变化趋势与压力曲线变化相一致，在三个峰值点处都采集到较为强的声发射信号，其余时间点信号较为薄弱甚至没有信号产生。

图5. 试件压力–时间曲线及声发射参数特征

图6中(a)、(b)分别为试件压裂后表面裂纹形态和超声波测试反演的裂隙延伸扩展形态。整体上的反演裂缝三维内部和外部裂纹形态近似一致。两幅图综合得出：1#试件1、4、6号表面上均有裂缝的产生，推测水力裂纹从压裂管边缘起裂，然后主裂纹分别向着4、5、6号面延伸扩展。其中向5、6号面延伸扩展的裂纹都发生了小角度的偏转，最终裂纹止裂于1、6号表面；向着4号表面延伸扩展的裂纹没有发生大角度的偏转，而是直接越过1、4表面交界边缘向着2号表面延伸扩展，最终裂纹止裂于4号表面中部。从裂纹的整体形态上来看呈“工”字形。反演裂缝三维内部和外部裂纹形态近似一致。

图6. 试件压裂裂缝形态及超声波测试点位变化下反演裂缝形态

4. 压裂效果的评价

为了对上述试件的压裂效果作出评价，本节设计试验，通过压水试验：即在相同的压力下测得过水断面的流量，通过达西定律 [23] 计算压裂后煤岩渗透系数，对不同压裂试验试件进行定量的压裂效果评价。

$Q=k\left(\Delta h\right)/L$ (1)

式中：Q为渗流量； $\Delta h$ 为水头差；L为渗流流径，k为总过水断面的渗透流量。

压水试验过程中压力值恒定可将其视为静水压力即可写为：

$P=\rho g\Delta h$ (2)

式中：P为压强； $\rho$ 为水的密度；g为重力加速度； $\Delta h$ 为水头差。

联立式(1)，(2)即可求出其渗透流量。

本节利用Supcxt-20计算机水压测试系统装置设定压力值为2 MPa对试件进行压水试验，记录渗流量；另外利用非金属超声无损探伤仪来刻画裂纹间接描述了渗流流径。因此达西定律中所有的参数都已知，经过带入计算便可得出总过水断面的渗透流量。为了更好的描述裂纹缝宽，将声波在直线距离内单条裂纹的最小值定义为最小等效裂缝宽度(单位：mm)，将声波在直线距离内单条裂纹的最大值定义为最大等效裂缝宽度(单位：mm)。本节选取垂直层理压裂试件的压水试验数据及超声波数据，对煤层的压裂效果加以评价。压水试验得出垂直层理压裂试件单位时间内的渗流量为12.03 cm³/s。根据煤样的尺寸及浇筑位置，现取表1中的7-9，12-14，17-19等网格进行分析，经过计算可得该压裂条件下，最大缝宽为0.816 mm，最小为0.102 mm，渗流流经L为12.53 mm，将以上数据带入式(1)、(2)中即可得垂直层理压裂试件得渗透流量为k = 7.5 × 10⁻⁴ cm³/s。对于平行层理压力试件的渗透流量计算与垂直层理压裂试件计算过程类似，在此不再计算。相关试件的渗透流量及最大，最小缝宽计算结果详见表2。

表1. 垂直层理压裂试件3-4面超声波数据参数

表2. 渗透流量及缝宽计算结果

由表1、表2可知：垂直层理压裂时，煤体中产生的裂纹宽度范围区间为0.034~0.816 mm，最大的声时变化差为2.4 us；渗透流量k分别为7.50 × 10⁻⁴、2.35 × 10⁻⁴ cm³/s，产生的最大裂纹宽度均为0.816 mm，垂直层理压裂效果优于平行层理压裂。

5. 结论

针对层理角度对水力裂纹扩展及压裂效果的影响试验，综合分析现得出以下规律：

1) 在垂直层理方向上压裂，煤体起裂压力为2.7 MPa，较平行层理方向高约28.57%。且水力裂纹呈“人”字型，产生的裂纹长度长于水平层理压裂裂纹。

2) 在垂直层理方向上压裂，其总过水断面的渗透流量k = 7.50 × 10⁻⁴ cm³/s，较平行层理方向高约219.15%；最大、小缝宽之比为24，较平行层理方向高3倍，说明垂直层理方向压裂效果明显优于平行层理方向。

3) 建议在垂直层理方向上合理的布置压裂井，有利于提高煤层气储层的渗透性。

基金项目

河北省重点研发计划项目(21374104D)；河北省自然科学基金(E2019402361、E2020402075)；河北省教育厅科学研究项目(ZD2021309)。

文章引用

邵振宝,王耀宗,王会昊,关钰荣,刘 剑. 煤岩层理对水力压裂裂纹扩展影响试验研究
Experimental Study on the Influence of Coal Bedding on Crack Propagation of Hydraulic Fracturing[J]. 土木工程, 2023, 12(12): 1417-1425. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.1212161

参考文献