一種煤層水力壓裂模擬實驗方法

2023-11-07 07:01:27

專利名稱：一種煤層水力壓裂模擬實驗方法
技術領域：
本發明是關於煤層氣水力壓裂增產技術，特別是關於一種煤層水力壓裂模擬實驗方法。
背景技術：
大尺寸真三軸水力壓裂實驗是一種在實驗室中研究水力壓裂技術的方法。目前， 隨著煤層氣資源開發的興起，人們對煤層氣開採及增產方面進行了廣泛的研究。實踐證明， 水力壓裂技術是一種適用於煤層氣增產的技術。因此，為了研究煤層氣水力壓裂增產機理， 就需要進行實驗室模擬實驗。煤巖與油田油氣儲層巖石性質差異顯著，煤巖具有大量層理、割理的結構特性及性脆質軟的物理性質，要求在實驗中對模擬試件進行改進。另外，在水力壓裂實驗中，為了在實驗結束後觀察水力裂縫的形態及範圍尺寸，常採用在壓裂液中添加染色劑的方法來實現。對於不含複雜天然裂縫的模擬試件及只產生一條水力裂縫的模擬實驗，這種方法可以滿足實驗要求。但是，對於煤巖等天然裂縫發育程度較高的巖石，有時光靠染色劑很難識別出微小水力裂縫，難以區分天然裂縫與水力裂縫。

發明內容
本發明提供一種煤層水力壓裂模擬實驗方法，該方法可以很好地控制煤巖層理、 割理的方位，並清晰的顯示出水力裂縫的範圍。為了實現上述目的，本發明提供一種煤層水力壓裂模擬實驗方法，該方法包括下列步驟a)分析所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵；選取製作模擬試件的煤巖材料，根據所述的天然裂縫形態特徵，將所述煤巖材料加工成六面體塊體；選擇包裹層對所述塊體進行外部澆鑄，形成模擬試件；b)選擇螢光粉作為示蹤劑，製作壓裂液；C)利用所述模擬試件及所述壓裂液進行模擬壓裂實驗；實驗後獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像 fn息ο進一步地，所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵包括煤巖層理面的走向、傾向、傾角，割理面與原位地應力方向的空間關係。進一步地，在步驟a)中，要選取淺層煤礦開採出的煤巖材料，並將所述煤巖材料加工成各表面分別平行於層理面、割理面的六面體塊體；澆鑄包裹層時，控制煤巖的方位， 使煤巖的層理及割理的方位角、傾角與實驗設定值相同。進一步地，在步驟b)中，選擇白色或者黃色螢光粉作為示蹤劑，壓裂液的成分包括水、胍膠及螢光粉。進一步地，在步驟C)中，首先將所述模擬試件安裝到大尺寸真三軸試驗架，根據實驗參數進行模擬壓裂實驗，並在紫外線的照射下獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖
像信息。進一步地，在製作模擬試件時，設定層理面與水平面平行，面割理延伸方向與最大水平地應力方向相同。進一步地，所述六面體塊體的尺寸小於30cmX30cmX 30cm，所述模擬試件的尺寸為 30cmX30cmX30cmo進一步地，所述的實驗參數包括三向圍壓，其中，垂直方向圍壓為15MPa，水平方向圍壓為8MPa、5MPa。進一步地，所述的實驗參數包括壓裂液注入排量，排量值為0. 3ml/So本發明的有益效果在於，對於性質脆且易碎，加工困難的煤巖，通過該方法澆鑄包裹層後，可使試件整體外觀變得平整規則，並能很好地控制煤巖層理、割理的方位。實驗結果採集時，經過紫外線燈照射，螢光粉可清晰的顯示出水力裂縫的範圍，尤其可以顯示出肉眼一般無法觀察到的細微裂縫。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中圖1為本發明實施例煤層水力壓裂實驗方法流程圖；圖2為本發明實施例煤巖裂隙分布示意圖；圖3為本發明實施例煤巖模擬試件示意圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。為了對煤層進行水力壓裂模擬實驗，並在實驗中更有效的觀察水力裂縫形態及幾何尺寸，克服現有技術在區分水力裂縫與天然裂縫及顯示微小裂縫方面的不足，本發明提供一種煤層水力壓裂實驗方法，如圖1所示，該方法包括下列步驟步驟SlOl 分析所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵；選取製作模擬試件的煤巖材料，根據所述的天然裂縫形態特徵，將所述煤巖材料加工成六面體塊體；選擇包裹層對所述塊體進行外部澆鑄，形成模擬試件；步驟S102 選擇螢光粉作為示蹤劑，製作壓裂液；步驟S103 利用所述模擬試件及所述壓裂液進行模擬壓裂實驗；實驗後獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像信息。由上所述，本發明在澆鑄包裹層後，可使試件整體外觀變得平整規則，並能很好地控制煤巖層理、割理的方位。實驗結果採集時，螢光粉可清晰的顯示出水力裂縫的範圍，尤其可以顯示出肉眼一般無法觀察到的細微裂縫。在本發明實施方式中，所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵包括煤巖層理面的走向、傾向、傾角，割理面與原位地應力方向的空間關係。煤巖的非均質性和各向異性突出表現在，其組成成份在同一煤層中不同方向(縱向和橫向)和不同深度上的差異，以及在其生成過程中所形成的明顯的層狀構造和孔隙結構所體現出的差異。煤巖是一種天然裂縫發育程度較高的巖石，在煤的形成過程中，受各種地質因素的影響，使煤體內含有大量裂隙。層理為煤巖層的第一級弱結合面，割理為次一級弱結合面。這些弱結合面對煤巖試樣的製備、力學物理性質的測試，以及對煤層水力壓裂造縫機理和裂縫發育規律都有不容忽視的影響。從力學的觀點客觀地看，水力壓裂目的巖層(特別是煤巖層)應視為正交各向異性體或橫觀各向同性體。煤巖中內生裂隙有大致互相垂直的兩組，其裂隙組中一組較發育，稱為主要裂隙組；另一組則較稀疏，稱為次要裂隙組，如圖2所示，1為層理面，2為主要裂隙組，3為次要裂隙組。根據在層面上的形態和特徵，可以將割理分為面割理(即主要裂隙組)和端割理 (即次要裂隙組)，兩組割理與煤層層面垂直或陡角相交。其中面割理與層面近似平行，一般呈板狀延伸，連續性較好，是煤層中的主要內生裂隙。端割理只發育於兩條面割理之間， 與層面近似垂直，一般連續性較差，縫壁不規則，是煤層中的次內生裂隙。由於煤巖中面割理和端割理都比較發育，單體規模小，總體密度大，在空間上交割成立體網狀，從而把煤體切割成一系列的斜方形基質塊。因此，在模擬試件的製作過程中，要充分考慮目標地層的裂隙形態特徵，具體主要涉及到煤巖層理面的走向、傾向、傾角，割理面與原位地應力方向的空間關係。在步驟SlOl中，選取煤巖材料時，一般要選取淺層煤礦開採出的煤巖材料，並將所述煤巖材料加工成各表面分別平行於層理面、割理面的六面體塊體。這裡需要注意的是， 煤巖材料不一定必須在淺層煤礦取樣，一般來說取樣地點越接近實際研究地點越好，比如煤礦深井井下的煤巖，這裡是考慮到取樣的難易程度，所以選取淺層取樣相對容易一些。在水力壓裂模擬實驗中，模擬試件的材料選取十分重要。通常最佳的選擇是使用目標地層的真實巖心製作試件，但水力壓裂的施工對象為位於地表以下上千米的地層，一般情況下實際地層的巖心獲取十分困難，且巖心的尺寸往往很難滿足實驗要求，因此很多時候只能採用淺部地層或巖層露頭處的巖石。本實施例中選取淺層煤礦開採出的煤巖作為製作模擬試件的材料。對於選定的煤巖巖塊，根據對所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵的分析，將選定的煤巖巖塊初步加工成各表面分別平行於層理面、割理面的六面體塊體。煤塊尺寸略小於 30cmX 30cmX 30cmo由於煤巖中裂隙發育程度較高，且性質較脆容易碎裂掉塊，因此將其加工成實驗要求的標準尺寸的立方體難度較大。為了克服這一困難，本發明採用在煤巖塊體外部澆鑄包裹層的方法來彌補煤巖加工中由於掉塊造成表面的凹凸不平，使試件整體外觀尺寸滿足實驗要求，同時包裹層還能在試件的搬運過程中起到保護層的作用。包裹層的材料應選擇與所用煤巖材料性質相近的物質，以防止由於材料性質差異過大而造成的實驗結果偏差。本實施例中選擇適當配比的水泥砂漿來充當包裹層材料。澆鑄包裹層的過程中要控制好煤巖的方位，使試件中煤巖層理及割理的方位角、傾角與實驗設定值相同。較佳地，製作完成後模擬試件的整體尺寸為30cmX 30cmX 30cm，本發明不以此為限，模擬試件的整體尺寸也為40cmX40cmX40cm或50cmX50cmX50cm。實施實驗前試件要在適當條件下養護一段時間，以使包裹層強度達到要求值。較佳地，在製作模擬試件時，設定層理面與水平面平行，面割理延伸方向與最大水平地應力方向相同。製作完成模擬試件後，將模擬井筒錨固在模擬試件中，完成整個試件的製作。模擬試件示意圖如圖3所示，4為煤巖，5為包裹層，6為錨固在模擬試件中的模擬井筒。由於常規的染色劑示蹤劑在煤巖中使用效果不佳，無法在裂隙高度發育且基巖顏色較深的煤巖中清晰顯示水力裂縫，因此在本發明實施例中使用螢光粉作為示蹤劑，此方法同樣適用於使用其它各種巖石材料的水力壓裂模擬實驗。在本發明實施例中，在選擇螢光粉時，首先要考慮實驗所用的模擬試件材料，所用螢光粉的顏色與模擬試件材料顏色要對比鮮明，以便在實驗結束後觀察結果時能在試件中清晰的識別出水力裂縫。在本實施例中，對於煤巖水力壓裂，考慮到煤巖顏色較深，選擇白色或黃色螢光粉作為示蹤劑。另外一個要考慮的因素是壓裂液的性質。與有機懸浮液不同，由於水是極性溶劑， 以水為溶劑的懸浮液中的粒子常帶有相反的電荷。帶相反電荷的粒子將因靜電力而相互吸引，容易引起懸浮液發生絮凝，這就導致螢光粉在水中分布不均勻。為防止懸浮液絮凝的發生，需要在懸浮液中添加表面活性劑，改變懸浮液中顆粒的表面特性，使它們帶上相同的電荷，以避免懸浮液發生絮凝，得到穩定的分散良好的壓裂液。而本實施例中，可以使用胍膠配置壓裂液，螢光粉可以在液體中均勻分布，因此無需額外添加表面活性劑。選定螢光粉後，按照實驗要求的配比製備壓裂液，並添加螢光粉進行充分攪拌，得到均勻的懸浮液。本發明壓裂液的成分包括水、胍膠及螢光粉，水、胍膠及螢光粉的配比為 200 2 1，200ml的水中需要加入2g胍膠及Ig螢光粉。在步驟S103中，首先將所述模擬試件安裝到大尺寸真三軸試驗架，根據實驗參數進行模擬壓裂實驗，並在紫外線的照射下獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像信息， 觀察水力裂縫形態及壓裂液波及區。實驗參數包括壓裂液注入排量及三向圍壓。可以設定垂直方向圍壓為15MPa，水平方向圍壓為8MPa、5MPa，壓裂液注入排量為0. :3ml/s，本發明的三向圍壓及壓裂液注入排量不以此為限。本發明的有益效果在於，對於性質脆且易碎，加工困難的煤巖，通過該方法澆鑄包裹層後，可使試件整體外觀變得平整規則，並能很好地控制煤巖層理、割理的方位。實驗結果採集時，經過紫外線燈照射，螢光粉可清晰的顯示出水力裂縫的範圍，尤其可以顯示出肉眼一般無法觀察到的細微裂縫。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟a)分析所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵；選取製作模擬試件的煤巖材料，根據所述的天然裂縫形態特徵，將所述煤巖材料加工成六面體塊體；選擇包裹層對所述塊體進行外部澆鑄，形成模擬試件；b)選擇螢光粉作為示蹤劑，製作壓裂液；c)利用所述模擬試件及所述壓裂液進行模擬壓裂實驗；實驗後獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像信息。
2.如權利要求1所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵包括煤巖層理面的走向、傾向、傾角，割理面與原位地應力方向的空間關係。
3.如權利要求2所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，在步驟a)中，要選取淺層煤礦開採出的煤巖材料，並將所述煤巖材料加工成各表面分別平行於層理面、割理面的六面體塊體；澆鑄包裹層時，控制煤巖的方位，使煤巖的層理及割理的方位角、傾角與實驗設定值相同。
4.如權利要求1所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，在步驟b)中，選擇白色或者黃色螢光粉作為示蹤劑，壓裂液的成分包括水、胍膠及螢光粉。
5.如權利要求1所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，在步驟c)中，首先將所述模擬試件安裝到大尺寸真三軸試驗架，根據實驗參數進行模擬壓裂實驗，並在紫外線的照射下獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像信息。
6.如權利要求1所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，在製作模擬試件時， 設定層理面與水平面平行，面割理延伸方向與最大水平地應力方向相同。
7.如權利要求3所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，所述六面體塊體的尺寸小於 30cmX30cmX30cm。
8.如權利要求4所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，所述模擬試件的尺寸為 30cmX30cmX30cm。
9.如權利要求5所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，所述的實驗參數包括三向圍壓，其中，垂直方向圍壓為15MPa，水平方向圍壓為8MPa、5MPa。
10.如權利要求5所述的煤層水力壓裂模擬實驗方法，其特徵在於，所述的實驗參數包括壓裂液注入排量，排量值為0. 3ml/So
全文摘要
本發明提供一種煤層水力壓裂模擬實驗方法，該方法包括下列步驟a)分析所要模擬地層中煤巖的天然裂縫形態特徵；選取製作模擬試件的煤巖材料，根據所述的天然裂縫形態特徵，將所述煤巖材料加工成六面體塊體；選擇包裹層對所述塊體進行外部澆鑄，形成模擬試件；b)選擇螢光粉作為示蹤劑，製作壓裂液；c)利用所述模擬試件及所述壓裂液進行模擬壓裂實驗；實驗後獲取水力裂縫形態及壓裂液波及區的圖像信息。對於性質脆且易碎，加工困難的煤巖，通過該方法澆鑄包裹層後，可使試件整體外觀變得平整規則，並能很好地控制煤巖層理、割理的方位。實驗結果採集時，螢光粉可清晰的顯示出水力裂縫的範圍，尤其可以顯示出肉眼一般無法觀察到的細微裂縫。
文檔編號G01N3/12GK102279131SQ201110201399
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者張廣清, 範鐵剛, 陳勉 申請人:中國石油大學(北京)