CT扫描技术在煤岩裂缝扩展试验中的应用研究

吴刚飞王孝超车航徐庆丰李玉涛张丽娜

（1.中国石油华北油田公司采油工程研究院，河北 062552；2.渤海钻探工程公司录井公司，河北 062552）

CT扫描技术在煤岩裂缝扩展试验中的应用研究

吴刚飞1王孝超1车航1徐庆丰2李玉涛1张丽娜1

（1.中国石油华北油田公司采油工程研究院，河北 062552；2.渤海钻探工程公司录井公司，河北 062552）

本文通过对常规煤岩裂缝扩展监测方法优缺点进行分析，从煤岩无损化角度出发，提出了应用CT扫描技术对煤岩裂缝扩展进行分析的新方法。试验结果表明：天然裂缝和割理等弱面对水力裂缝扩展有重要影响；水力裂缝在穿透弱面扩展过程时压力曲线存在明显的憋压，产生沿割理方向的水平缝，沟通割理过程中压力曲线上下波动明显。

煤岩 裂缝扩展 CT扫描分析

1 CT扫描工作原理

CT扫描技术（Computerized Tomography）又称为计算机层析识别技术，始于20世纪70年代初，其工作原理为：CT扫描机工作时，x射线管围绕探测器中心旋转，x射线管发出的x射线穿透物体层面后被探测器接收，然后通过进行光电转换，并通过模数转换器进行模拟信号与数字信号的转换，把转换后的投影数据按一定数学算法进行图像的显示与重建，最终可以得出反映扫描层面上各点物质对x射线的吸收系数的数据，形成一幅扫描层面的数字扫描图像。

2 裂缝扩展试验方法

鉴于煤岩特殊的力学性质（割理发育，脆性大，弹性模量低），裂缝扩展试验困难，使得对煤岩裂缝形成及扩展机理研究不够深入。为了深入研究煤岩内部孔隙、裂缝形成及缝间连通关系，提出了采用工业CT扫描方式对煤岩内部孔隙及裂缝进行描述的新方法。

2.1 常规裂缝扩展试验方法

目前，常用的试验方法是染色剂示踪法。煤岩压裂试验中将染色颜料与注入液混合，然后泵入煤岩中，试验完成后，将煤岩劈开，观察煤岩内部染色区域，了解煤岩裂缝扩展情况。

该试验方法的优点是试验结果直观，能清晰的看出液体流过区域；缺点是破坏了煤岩内部结构，并且不能完全了解煤岩内部所有裂缝及缝间沟通情况，只能看到劈开部位的裂缝连通状况。

2.2 CT扫描方法

为了弥补常规裂缝扩展试验方法的不足，提出了采用CT扫描技术对煤岩裂缝扩展规律进行研究。主要方法是利用CT扫描设备对试验前和试验后的煤岩分别扫描，然后对试验前后煤岩内部孔隙及裂缝连通情况进行分析研究。通过该方法，煤岩可以在不被人为破坏的情况下，直观研究煤岩内部孔隙及裂缝连通情况。

2.3 试验设备及试验样品

试验中所用裂缝扩展试验设备为岩石三轴试验系统，CT扫描设备为中国地质大学（北京）CT扫描机（型号：450CT），基本参数见表1。试验所用煤岩取自山西晋城3号煤层，埋深600～1000m。CT扫描数据解释软件为VGStudio MAX2.2工业CT处理软件。

表1 CT扫描设备基本参数

3 试验结果分析

3.1 试验前准备

为了实现三轴试验，将采自沁水盆地南部晋城地区的天然煤岩经切割后（图1），采用模具对煤岩周围破损处进行混凝土浇铸填补（图2）。考虑边界效应，沿垂直层理方向在煤样正中位置钻取直径20mm，长度为120mm的孔，采用特殊化学胶将塑料模拟井筒固定。

图1 切割好的煤样

图2 浇铸完成的试样

3.2 试验过程

将加工好的煤样放入裂缝扩展设备中，采用准静态的加载方式施加三个方向应力，三轴应力情况见表2。当应力达到设定值后，泵入模拟地层水进行试验，并记录注入压力的变化。

表2 试验煤样施加围压

试验之前，利用工业CT对试件进行扫描，了解煤岩内部天然裂缝分布情况。图3为试验前煤岩扫描数据经VG软件解释处理后某一位置处的俯视图和侧视图。从图3放大的图中可以看出煤岩中天然裂缝发育，并且向煤岩底部延伸一定深度。

图4为压裂试验过程中泵压与时间的变化曲线图。试验中注入排量恒定为20mL／min。从压裂曲线可以看出，试验中压力上、下波动，有四个明显的压力峰值。AB阶段为煤岩开始破裂阶段，初始破裂压力为14.54MPa。BC阶段水力裂缝延伸，沟通煤岩天然裂缝，并沿天然裂缝扩展进而产生主裂缝。CF阶段压力波动起伏较大，说明裂缝延伸过程中又形成了新的较为复杂的裂缝。FG阶段为注入水突破煤岩表面（图5），流体压力迅速释放。

图3 裂缝扩展试验前煤岩内部天然裂缝

图4 试验中压力曲线图

图5 注入水突破煤岩表面外溢

3.3 试验结果分析

对试验后煤样进行CT扫描，将扫描数据重建并解释分析。图6为试验后煤岩扫描数据经VG软件解释处理后某一位置处的俯视图、侧视图。试验后煤岩产生单翼水力裂缝，与砂岩水力压裂产生裂缝对称缝不同，并与天然裂缝沟通。天然裂缝张开后发生膨胀并沿天然裂缝继续扩展、延伸。随着天然裂缝内水压持续增加天然裂缝在垂向发生破坏继续延伸，表现为试验后裂缝在垂向扩展深度大于试验前天然裂缝垂向深度。裂缝在扩展过程中多次转向，出现了沿割理方向扩展的情况，形成了水平缝，裂缝形态较复杂，符合图4试验压力曲线中CE段压力变化特征。

图6 裂缝扩展试验后煤岩内部天然裂缝

出现图4所示压裂曲线的原因是，在初期AB段，随着泵压的提高，井底压力大于煤岩抗张强度，煤岩破裂，裂缝沿最大水平主应力方向扩展延伸，当新缝与天然裂缝沟通后流体压力快速降低，即图4中BC段，此时撑开天然裂缝扩展的压力小于水力裂缝沿最大主应力方向起裂的压力，水力裂缝沿天然裂缝扩展。由于天然裂缝和割理等弱面的存在对水力裂缝形态有很大的影响，当裂缝扩展到天然裂缝末端或延伸受阻，缝内流体压力升高（图4中CD段），产生沿割理方向的水平缝，流体压力“短暂卸载”（图4中DE段）。弱面的影响导致水力裂缝发生转向和分叉扩展，形成复杂裂缝。裂缝的转向和扭曲扩展一方面会加剧缝面粗糙程度，提高裂缝的弯曲摩阻；另一方面也会导致加砂困难。因此，建议施工过程中采用段塞打磨技术。

［1］ 陈勉，庞飞，金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（1）：868－872.

［2］ 单学军，张士诚，李安启，等.煤层气井压裂裂缝扩展规律分析［J］.天然气工业，2005，25（1）：130－132.

（责任编辑 丁 聪）

Application Study on CT Scanning Technology in Coal Fracture Propagation

WU Gangfei1，WANG Xiaochao1，CHE Hang1，XU Qingfeng2，LIYutao1，ZHANG Lina1
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute，Petro China Huabei Oilfield Company，Hebei062552；2.CNPC Bohai Drilling Engineering Co.Ltd，Hebei062552）

Based on the analysis of the advantages and disadvantages of conventional detection methods for coal fracture propagation to，the paper proposes a new method of applying CT scanning technology for the analysis of coal fracture propagation from the point of view of non-destructive coal.The test results show that the weak sides such as cleats and natural fractures have an important influence on hydraulic fracture extension.When hydraulic fractures penetrate the weak side，hold pressure appears obviously in the pressure curve，generating horizontal fractures along the direction of the cleats，and the pressure curve fluctuates significantly during the communication of cleats.

Coal；fracture propagation；CT scanning technology

吴刚飞，男，高级工程师，现从事油气田压裂酸化工作。