松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法

摘要

本发明涉及地面煤层气开发的技术领域，尤其涉及一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法。本发明采用分层加载真三轴水力压裂模拟装置进行水平井穿层压裂模拟实验，实验结束后，综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析。本发明方法解决了实验条件下无法获取碎软煤层岩石力学参数、碎软煤层的“顶板‑煤层”胶结物理模型加工制作困难的难题，制作的基于岩石力学强度的“顶板‑煤层”胶结物理能够更真实的反映实际地层储层特征，具有定向穿层压裂物理模拟成功率高、效率高的特点，本发明的实验参数与真实地层参数更吻合，能够准确反映实际地层的压裂情况，实验结果指导性更强。

说明书

技术领域

本发明涉及地面煤层气开发的技术领域，尤其涉及一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法。

背景技术

目前关于松软煤层定向穿层压裂物理模拟实验研究还是一片空白，实验技术难题主要体现在以下三方面：(1)由于松软煤层的煤体结构破碎，无法获取大块煤心，也无法通过取心测试获取松软煤层的岩石力学参数，只能通过开展相似实验来研究定向穿层压裂裂缝扩展机理，造成松软煤层相似模型加工的实验参数确定困难；(2)目前的水力压裂物理模拟实验无法模拟水平井定向射孔条件，定向射孔水平井加工困难，压裂过程中要么存在压不开地层，要么存在水平井固井不严实、容易压窜水平井，定向穿层压裂物理模拟成功率低；(3)目前的水力压裂实验装置水平方向只能进行整体加载，尤其对于煤层顶板水平井穿层压裂物理模拟实验，不能进行顶板和煤层分层加载地应力，影响穿层压裂实验效果，难以准确全面查明顶板水平井的穿层压裂规律。

综上所述，目前松软煤层顶板泥岩水平井穿层压裂实验参数确定与模型制作困难、定向射孔水平井井筒加工和地应力分层加载困难，实验成功率和准确性低，实验结果难以真实反映实际地层的压裂情况，导致穿层压裂的实验结果理论指导性不强。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事水力压裂理论研究的经验和成果，研究设计出一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，提高穿层压裂相似物理模拟结果的真实性与可靠性，实现煤层气水平井压裂增产理论研究的实验新方法。

为解决上述问题，本发明公开了一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：确定实验参数，结合三轴实验测试和测井方法确定顶板和松软煤层的力学参数与三向应力值；

步骤2：优选相似材料，优选出与实际顶板和松软煤层的力学参数吻合的相似材料配方；

步骤3：加工物理模型，制备出基于力学强度的“顶板-煤层”胶结的相似物理模型；

步骤4：加工水平井完井管柱，制作带有定向射孔功能的射孔完井套管一体化模拟管柱；

步骤5：加工水平井压裂井筒，在顶板岩层合适位置钻水平井眼，并加工定向射孔压裂水平井井筒；

步骤6：定向穿层压裂模拟实验，采用分层加载真三轴水力压裂模拟装置进行水平井穿层压裂模拟实验；

步骤7：定向穿层压裂模拟结果分析，实验结束后，综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析；

其中，步骤1中所述的实验参数确定，顶板岩层参数通过实际顶板取心岩样三轴应力-应变实验，获取煤层顶板岩石的泊松比、杨氏模量、抗压强度参数。实验测试需选取煤层顶板纵向上至少3个取心点，3个点距离煤层的距离分别为1.0m、2.0m和3.0m，每个点不少于3块25mm×50mm岩心样品测试数据。

其中，步骤1中所述的实验参数确定，通过交叉偶极子声波测井获取顶板岩层和松软煤层的横波时差和纵波时差，结合密度测井曲线，计算顶板岩层和松软煤层的动态泊松比、杨氏模量、抗压强度等岩石物理参数，顶板岩层的最大水平主应力、最小水平主应力值，松软煤层的最大水平主应力、最小水平主应力值，以及煤-岩界面位置处的垂向应力值。

泊松比：

剪切模量：

杨氏模量：

抗压强度：σ＝5×10

垂向主应力采用公式：

水平主应力采用组合弹簧经验模型：

其中，步骤1中所述的实验参数确定，结合顶板岩层实验获得的静态力学参数和声波测井计算的动态力学参数，拟合出顶板岩层的动态力学参数和静态力学参数的函数关系，依据该函数关系计算出实际松软煤层的静态弹性模量、泊松比、抗压强度参数。

静态杨氏模量：E

静态泊松比：V

静态抗压强度：σ

其中，步骤2中所述的相似材料优选，优选与实际地层静态弹性模量、泊松比和抗压强度值相匹配的相似材料配方，优选标准为三项岩石力学参数值误差均＜10％。

其中，步骤3中所述的“顶板-煤层”胶结的物理模型，采用顶板居下、煤层居上的自然分层浇筑方法，确保煤-岩界面与试件表面平行，设定的顶板岩层厚度20cm、煤层的厚度10cm，加工成正方体尺寸为300mm×300mm×300mm的“顶板-煤层”胶结物理模型，模型试件养护温度为20°、养护时间要求大于21天。采用顶板居下、煤层居上的分层浇筑方法，顶板配方密度大、煤层配方密度小，采用顶板居下、煤层居上的自然分层浇筑方法的目的是为了保证模型的煤岩界面稳定。待模型加工凝固结束后翻转即可得到的顶板-煤层”胶结物理模型。

其中，步骤4中所述的定向射孔水平井完井管柱加工，定向射孔水平井完井管柱依次包括井底、井身、定向射孔孔眼、环形挡板和井口装置，井底、定向射孔孔眼、环形挡板和井口装置与井身连为一体，井底为密封结构；井身的外径为10mm、内径为8.8mm；定向射孔孔眼外径为5mm、内径为4mm，孔眼长度为5mm，布置3个定向射孔孔眼紧密排列为1组，射孔孔眼与水平井井底的距离为10mm；环形挡板的外径为15mm、环形挡板与射孔段中心的距离为80-100mm。

其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，水平井井筒位于顶板岩层内、与煤层的距离为2-10cm处，采用直径为18mm钻头钻出深度为160mm的水平井井筒，水平井井筒与煤岩界面平行。

其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，将定向射孔水平井完井管柱置于水平井筒内，定向射孔孔眼垂直于煤岩界面并指向煤层方向、且与水平井筒底部紧密接触，定向射孔孔眼的中心位置距离模型侧边界的距离均为150mm。

其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，按照由内往外分段封固的方法，采用长针注射器伸入井筒内对管线与钻孔之间的环空注入高强度树脂胶，模拟实际条件下水平井的固井状态。

其中，步骤6中所述的分层加载真三轴水力压裂模拟系统主要由具体所述的分层加载真三轴水力压裂模拟系统主要由高压缸系统 (分层加载缸、扁千斤顶和软连接)、数据采集系统、应力加载系统(5个轴向加载控制泵和应力加载伺服控制器)、注液控制系统(注液泵、油水隔离器和液压源伺服控制器)以及空气压缩机组成。

其中，步骤6中所述的分层加载真三轴水力压裂模拟系统中分层加载缸上下两层缸体之间侧面的扁千斤顶通过软连接实现对4个侧面的刚性加载，且上下两层缸体共拥有两个最小水平应力X1和X2、两个最大水平应力Y1和Y2、以及垂向Z方向5个轴向加载系统，5个加载系统均可独立加压，能更真实地模拟地下顶板和煤层的三向应力大小。

其中，步骤6中所述的穿层压裂模拟实验，采用顶板和煤层分层加载的实验方法，试件中顶板岩层由上层缸体分别施加步骤1中确定的顶板最大水平主应力和最小水平主应力值，试件中煤层由下层缸体分别施加步骤1中确定的煤层最大水平主应力和最小水平主应力值，试件的垂向应力施加步骤1中确定的煤层与顶板岩层界面位置处的垂向应力值。

其中步骤6中所述的穿层压裂模拟实验，注入的压裂液为带红色染料的活性水压裂液，压裂液注入速率为10-50ml/min。

其中步骤7中所述的穿层压裂实验结果分析，包括穿层压裂裂缝产状和压裂泵压曲线，以及裂缝在顶板岩层、煤-岩界面和松软煤层中的扩展特征与形态分布。

通过上述步骤可知，本发明的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法具有如下效果：

1、本发明方法解决了实验条件下无法获取松软煤层岩石力学参数、松软煤层的“顶板-煤层”胶结物理模型加工制作困难的难题，制作的基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理能够更真实的反映实际地层储层特征。

2、本发明的定向水平井完井管柱结构和定向射孔水平井加工工序简单，能够解决压裂过程中水平井固井不严实、容易压窜水平井的问题，具有定向穿层压裂物理模拟成功率高、效率高的特点。

3、本发明的煤层顶板水平井水力压裂分层加载实验方法能够实现对顶板和煤层分层加载水平地应力，实验参数与真实地层参数更吻合，能够准确反映实际地层的压裂情况，实验结果指导性更强。

4、本发明的顶板水平井穿层压裂模拟试验方法能够实现对松软煤层顶板水平井穿层压裂的相似实验研究，实验成功率和准确性高，可为松软煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律研究提供实验手段。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法流程示意图。

图2显示了本发明的“顶板-煤层”胶结物理模型加工实物图。

图3显示了本发明的水平井定向射孔完井管柱结构示意图。

图4显示了本发明的松软煤层顶板水平井加工示意图。

图5显示了本发明的松软煤层顶板水平井实物图，为图2模型翻转后加工得到顶板水平井物理模型。

图6显示了本发明的煤层顶板水平井分层加载示意图。

图7显示了本发明的分层加载水力压裂模拟装置结构图。

图8显示了本发明的松软煤层顶板水平井穿层压裂实验结果图。

附图标记：

1-顶板岩层；2-松软煤层；3-顶板水平井；4-定向射孔；5-水平井井口；6-井身；7-环形挡板；8-定向射孔孔眼；9-井筒底部；10-垂向应力控制泵；11-下层缸体最小水平应力控制泵；12-下层缸体最大水平应力控制泵；13-上层缸体最小水平应力控制泵；14-上层缸体最大水平应力控制泵；15-油水隔离器；16-应力加载伺服控制器；17- 压裂液注入泵；18-液压源伺服控制器；19-数据采集系统；20-空气压缩机；21-上下缸体软连接；22-扁千斤顶；23-分层加载缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

参见图1-图8，显示了本发明的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，用于在松软煤层顶板水平井煤层气开发和地面瓦斯强化抽采消突的穿层压裂实验研究。

本发明的目的在于提供一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，提高穿层压裂相似物理模拟结果的真实性与可靠性，实现煤层气水平井压裂增产理论研究的实验新方法。

为解决上述问题，本发明公开了一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：确定实验参数，结合三轴实验测试和测井方法确定顶板和松软煤层的力学参数与三向应力值；

具体所述的实验参数包括松软煤层和顶板岩层的泊松比、杨氏模量、抗压强度等岩石力学参数，以及松软煤层和顶板岩层的最大水平主应力、最小水平主应力以及煤岩界面处的垂向应力值等参数。

其中，顶板岩层实验参数通过实际顶板取心岩样三轴应力-应变实验，获取煤层顶板岩石的泊松比、杨氏模量、抗压强度参数。实验测试需选取煤层顶板纵向上至少3个取心点，3个点距离煤层的距离分别为1.0m、2.0m和3.0m，每个点不少于3块25mm×50mm岩心样品测试数据，最后取三个点数据的平均值，目的是提高岩石力学参数测试的实验准确度。

其中，通过交叉偶极子声波测井获取顶板岩层和松软煤层的横波时差和纵波时差，结合密度测井曲线，计算顶板岩层和松软煤层的动态泊松比、杨氏模量和抗拉强度等岩石物理参数。同时还计算出顶板岩层的最大水平主应力、最小水平主应力值，松软煤层的最大水平主应力、最小水平主应力值，以及煤-岩界面位置处的垂向应力值。顶板岩层及煤层的泊松比、杨氏模量和抗压强度等岩石力学参数，以及三向应力值可按照下面公式进行计算：

泊松比：

剪切模量：

杨氏模量：

抗压强度：σ＝5×10

垂向主应力采用公式：

水平主应力采用组合弹簧经验模型：

其中，利用交叉偶极子声波测井方法计算得到的顶板与松软煤层的动态泊松比、杨氏模量和抗压强度岩石力学参数，结合顶板岩层实验获得的静态泊松比、杨氏模量和抗压强度力学参数，拟合出顶板岩层的动态力学参数和静态力学参数的函数关系，依据该函数关系，计算出实际松软煤层的静态弹性模量、泊松比、抗拉强度参数。

弹性模量、泊松比、抗拉强度参数的动态力学参数和静态力学参数转化的函数关系按照如下公式进行拟合：

静态杨氏模量：E

静态泊松比：V

静态抗压强度：σ

式中，E为杨氏模量，MPa；V为泊松比，无量纲；G为剪切模量，MPa；α为Biot系数；ρ为地层密度，g/cm

步骤2：优选相似材料，优选出与实际顶板和松软煤层的力学参数吻合的相似材料配方；

具体而言，为使煤储层和顶板岩层的物理力学参数与室内压裂岩样具有一致性质，在相似试验原理基础上，对模拟顶板和煤岩的相似材料进行研究，选用煤粉、水泥、石膏作为煤岩骨料，选择砂子、水泥作为顶板岩层的骨料，分别获得不同配比试样的弹性模量、泊松比和抗压强度等岩石力学参数。优选得到与步骤1中确定的岩石力学参数范围基本吻合的顶板岩层和煤岩的配方，优选标准为三项岩石力学参数值误差均＜10％。

步骤3：加工物理模型，制备出基于力学强度的“顶板-煤层”胶结的相似物理模型(见图2)；

具体而言，基于步骤1中确定的实验参数和步骤2中优选的相似材料配方，建立基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结的物理模型，采用“顶板-煤层”分层的相似材料浇筑方法，由于顶板相似材料配方密度大、煤层相似材料配方密度小，为了防止相似材料浇筑时窜层、保证煤-岩界面的稳定，采用顶板居下、煤岩居上的浇筑方法，按照设定的顶板岩层厚度20cm将配制的顶板材料倒入预制模具中，预制模具的顶部剩余10cm空间充填煤层材料，得到“顶板-煤层”胶结的物理模型加载试样尺寸为300mm×300mm×300mm的正方体。模型加工过程中为减少不同试件之间的强度差异，相似材料配置搅拌时，使水泥与煤粉混合均匀，减少试件非均质性。同时对煤-岩界面进行平整确保煤-岩界面与试件表面平行，消除界面的胶结强度差异。模型试件养护温度为20°、养护时间要求大于21天。

步骤4：加工水平井完井管柱，制作带有定向射孔功能的射孔完井套管一体化模拟管柱(见图3)；

具体而言，定向射孔水平井完井管柱依次包括井底9、井身6、定向射孔孔眼8、环形挡板7和井口装置5，井底9、定向射孔孔眼8、环形挡板7和井口装置5与井身6连为一体，井底9为密封结构；井身6的外径为10mm、内径为8.8mm；定向射孔孔眼8外径为5mm、内径为4mm，孔眼长度为5mm，布置3个定向射孔孔眼8紧密排列为1组，目的是模拟水平井定向射孔功能，射孔孔眼8与水平井井底 9的距离为10mm；环形挡板7的外径为15mm、环形挡板7与射孔段中心的距离为80-100mm，目的是尽可能确保水平井井身居中、且与煤-岩界面平行，提高水平井的固井效果。

步骤5：加工压裂水平井井筒，在顶板岩层合适位置钻1口水平井眼，并加工定向射孔水平井井筒(见图4、图5)；

对制作的物理模型在距离煤层2顶界的距离为2-10cm处，使用水钻按照实验方案设定的方位钻出直径为18mm、深度为160mm的水平井筒，水平井井筒位于顶板岩层1内、与煤-岩界面平行。然后将定向射孔水平井完井管柱置于水平井筒底部，定向射孔4孔眼垂直于煤岩界面并指向煤层方向、且与水平井筒底部紧密接触，目的是模拟垂直向下定向射孔功能，且防止固井树脂胶进入射孔孔眼、堵塞射孔通道；定向射孔4孔眼的中心位置距离模型侧边界的距离均为 150mm。然后按照由内往外分段封固的方法，采用长针注射器伸入井筒内对管线与钻孔之间的环空注入高强度树脂胶，模拟实际条件下水平井的固井状态，提高水平井井筒的封固效果。顶板水平井3加工完毕后再对试样各面打磨光滑以消除局部应力影响。

步骤6：定向穿层压裂模拟实验，采用分层加载真三轴水力压裂模拟装置进行穿层压裂模拟实验(见图6、图7)；

具体所述的分层加载真三轴水力压裂模拟系统主要由高压缸系统(分层加载缸23、扁千斤顶22和软连接21)、数据采集系统、应力加载系统(5个轴向加载控制泵10、11、12、13、14和应力加载伺服控制器16)、注液控制系统(注液泵17、油水隔离器15和液压源伺服控制器18)以及空气压缩机20组成。

其中，分层加载缸23分成上下两层缸体，上下两层缸体之间侧面的扁千斤顶22通过软连接21实现对4个侧面的分开加载，上下两层缸体尺寸可以根据实验需求进行调整，其中扁千斤顶22由应力加载控制泵(10、11、12、13、14)提供液压，液压可以对试件施加刚性载荷，且上下两层缸体共拥有两个最小水平应力X1和 X2、两个最大水平应力Y1和Y2、以及垂向Z方向5个轴向加载系统，5个加载系统均可独立加压，能更真实地模拟地下顶板和煤层的三向应力大小。

其中，数据采集系统19在水力压裂物理模拟试验过程中能够实时获取水力压裂裂缝扩展的泵注压力、排量与时间数据。应力加载伺服控制器16在实验中的功能为控制三向应力的加载、卸载与维持，能够确保应力加载控制泵(10、11、12、13、14)提供液压稳定。注液控制系统由注液泵17、油水隔离器15及液压源伺服控制器18 组成，油水隔离器15的功能是将工作介质与压裂液分隔开，注液泵 17在实验中的功能为模拟压裂的注液过程，液压源伺服控制器18确保注液排量稳定。空气压缩机20主要为注液泵17和应力加载控制泵(10、11、12、13、14)提供压缩空气作为动力。

基于实际工况和相似性理论，采用顶板岩层1和煤层2分层加载的实验方法，试件的顶板岩层1分别施加步骤1中确定的顶板最大水平主应力和最小水平主应力值，试件的煤层2分别施加步骤1中确定的煤层最大水平主应力和最小水平主应力值，试件的垂向应力施加步骤1中确定的煤层与顶板岩层界面位置处的垂向应力值。利用应力加载伺服控制器16保持压力稳定，采用带红色染料活性水压裂液注入、压裂液注入速率为10-50ml/min，监测系统实时采集水力压裂过程中的泵注压力。

步骤7：定向穿层压裂模拟结果分析，实验结束后，综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析；

实验结束后，沿着裂缝面打开试件，根据染色剂的分布，观察试样内部裂缝形态。综合对比分析穿层压裂裂缝的形态、产状、泵压曲线，分析不同模拟条件下裂缝起裂位置的变化特征，分析裂缝在顶板岩层、界面和松软煤层中的扩展方向、扩展方式以及裂缝形态的分布特征，从物理角度对穿层压裂裂缝的扩展规律进行研究。

通过上述步骤可知，本发明的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法具有如下效果：

1、本发明方法解决了实验条件下无法获取松软煤层岩石力学参数的难题，也避免了松软煤层的“顶板-煤层”胶结物理模型加工制作困难，制作的基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理能够更真实的反映实际地层储层特征。

2、本发明的定向水平井完井管柱结构和定向射孔水平井加工工序简单，能够解决压裂过程中水平井固井不严实、容易压窜水平井的问题，具有定向穿层压裂物理模拟成功率高、效率高的特点。

3、本发明的煤层顶板水平井水力压裂加载实验方法能够实现对顶板和煤层分层加载水平地应力，实验参数与真实地层参数更吻合，能够准确反映实际地层的压裂情况，实验结果指导性更强。

4、本发明的顶板水平井穿层压裂物理模拟方法能够实现对松软煤层顶板水平井穿层压裂的相似实验研究，实验成功率和准确性高，可为松软煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律研究提供实验手段。显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。