煤储层多级强脉冲加载压裂破岩机理理论研究

刘安邦

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）

煤储层多级强脉冲加载压裂破岩机理理论研究

刘安邦

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）

针对我国煤储层“三低”的特性及煤气井单井产量较低的难题，研究多级强脉冲压裂技术的加载压裂破岩机理。依据岩石破裂的第一强度理论，建立力学模型，为多级强脉冲加载下的煤岩体破裂提供了理论依据。研究结果表明：火药在井筒中燃烧产生大量高温、高压气体不断往射孔孔眼中喷射，致使射孔孔眼内压力不断升高。当其压力大于煤岩体破裂压力时，煤储层发生破裂产生裂缝，煤储层压力得到释放，煤层气得到解吸，解吸的煤层气通过产生的裂缝形成有效的渗流过程，从而提高了煤层气井的单井产量。

煤储层；多级强脉冲；压裂；破岩

1 煤储层压裂开发现状

现阶段，随着我国常规石油和天然气储量的不断减小，开采难度和成本的不断增加，煤层气作为非常规能源在我国能源消费结构中所占的比重愈来愈大。由于我国的煤层多为结构煤，其煤储层在成煤阶段后期多发生强烈的构造破坏作用，造成煤的原生结构破坏严重，这严重阻碍了煤层气的解吸，从而难以形成有效的渗流过程。同时，煤储层原地应力较大及其低含气饱和度、低渗透率、低压力的“三低”特性也极大地增强了其开发难度[1]。目前，我国煤层气开发主要运用传统的水力压裂技术产生裂缝，从而改善煤储层的渗流状况的储层改造措施。但由于其只能沿垂直最小主应力轴方向形成对翼的一条裂缝，裂缝的产生受地应力的影响比较大且水力压裂需要大型的压裂设备及合适的压裂液，其成本较高，这极大地制约了我国煤层气的有效开发。

截至2012年12月，美国累计完钻的煤层气井约38 000口，平均单井日产气量超过3 632 m3。而截至2013年12月，我国累计完钻煤层气井14 000余口，全国平均单井日产气约572 m3。平均单井产量低已成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈[2]。由于煤储层“三低”的特性，其储层产能较低甚至没有自然产能、储层渗流能力较差的特点决定了必须依靠通过进行煤储层改造技术才能维持正常生产的基本开发模式，而水力压裂井单井产量较低的矛盾就需要探索和发展新的储层改造技术以提高其单井产能。

2 多级强脉冲加载压裂技术作用原理

西安石油大学从1985年开始开展了高能气体压裂机理实验研究，经过近30年的发展，目前研究出的多级强脉冲加载压裂技术经过多年的现场实践运用，取得了较为良好的效果。其作用机理是以多种燃速复合压裂药优化组合匹配，结合特有的隔断延时控制技术[3]，通过其燃烧产生大量高温、高压气体的连续有序释放，形成多级高压脉冲波（多个峰值压力）（见图1）。首先在射孔层段产生第一级高压脉冲波，其压力大于地层破裂压力1.5～2.5倍，沿射孔通道进入地层，快速起裂压开地层，形成3～5条裂缝；随后的第二、三级高压脉冲波连续补充能量，对地层再实施2～3次高压冲击波加载压裂，继续促使裂缝快速延伸，以进一步延伸地层裂缝[4]；从而在地层形成较长的多裂缝体系，裂缝长度可达4 m～12 m（见图2）。通过对地层实施多次连续高压脉冲波加载压裂，使地层产生和形成多条较长的裂缝体系，提高了沟通天然裂缝的概率，扩大了有效的采油范围；其产生的大量热量，经过与地层流体传热后，可以使瞬间油井温度提高数百度[5]，具有融化蜡质、改善地层孔隙度和渗透性的作用，达到改善地层、提高油井产量的目的。

图1 多脉冲加载压裂压力-脉冲曲线（Ⅰ型）

图2 多脉冲加载压裂技术裂缝示意图

3 煤储层多级强脉冲加载压裂破岩机理

3.1 煤储层裂隙的破岩依据

（1）假定煤储层为各向同性弹性介质[6]，虽然煤储层中存在大量割理结构，但其宽度远小于多级脉冲压裂引起的应力波长，应力波传至微裂缝时将发生明显衍射现象，整体应力分布基本不会有明显变化，因此，可近似煤储层为各向同性弹性介质。

（2）假定位移沿重力方向不随方位改变而变化，即应力处于平面应变状态。

（3）假定体积力为零。

目前国内外学者提出了较多的破裂压力计算方法，如Eaton法、Stephen法、Anderson法、黄氏模式法等[7]，而压裂中应用较广泛的为最大拉应力准则，即第一强度理论。该理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就视为要发生脆性断裂。由此可知，煤储层在复杂应力状态发生脆性断裂破坏的临界条件是：σt=σb。

煤储层在原始状态下受最大水平主应力、最小水平主应力及垂向应力的作用而处于应力平衡状态。选取一个含有微裂隙的体积单元，建立力学模型（见图3），记裂隙方向角，即裂隙面与轴向应力夹角为α，轴向应力、水平应力分别为α1、α2，p为煤层气压力。则垂直于裂隙面的正应力、剪应力分别为：σ=σ1cos2α+σ2sin2α-p，。

煤储层裂隙受上述应力作用时，通常表现为压剪或拉剪破坏。研究指出[8]，煤储层的裂隙扩展受煤层气压力、原始地应力等综合因素的影响，裂面法向正应力的性质（拉力、压力）促使裂隙面表现为拉剪破坏或者压剪破坏。煤储层裂隙的扩展总是处于应力集中的方位。裂隙在地应力、煤层气压力作用下表现为压剪破坏，因此正应力表现为压应力。

图3 裂隙面力学分析

根据摩尔-库伦准则[9]，裂隙面产生摩擦滑动的有效剪应力τeff为：式中：τc-内聚力；μ-煤岩材料内摩擦系数。

根据材料力学理论，当裂纹表面的法向正应力为拉应力时，裂纹扩展问题属于断裂力学中Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹问题，当裂纹表面的法向正应力为压应力时，裂纹扩展问题属于纯Ⅱ型裂纹问题。根据断裂力学，Ⅱ型裂纹扩展判据为:KⅡ=KⅡC，其中，KⅡ为岩石Ⅱ型应力强度因子，KⅡC为岩石Ⅱ型断裂韧度值，a为裂纹半长。

3.2 多级强脉冲加载压裂破岩机理

如图4所示，火药在泄气管内燃烧产生高温、高压气体，并以1 000 m/s以上的速度从泄气孔中喷射而出，由于射流速度高，液流环空距离短，一般不会在环空射流断裂[10]。可以认为，从泄气孔喷射的全部气流流入射孔孔眼，在射孔孔眼内迅速聚集，并形成高压（见图4）。

图4 气流很高时形成连续的气体射流

从射孔孔眼喷射出的火药燃烧气体的质量流速为：

式中：k-燃气比热比；p-枪身内压力；s-射孔孔眼的面积；RT0-枪身内火药定压火药力；g-重力加速度。

可以看出，根号内数值基本上取决于泄气管内所装填火药的性质，当火药装药结构在一定的情况下基本是一个定量。通过射孔孔眼的质量流速主要取决于p和s，即泄气管内压力p和射孔孔眼的面积s。压力越大，射孔孔眼越大，质量流速越大。质量流量为：

式中：m-质量流速；W-总装药量；t-作用时间。

瞬时射孔孔眼内的压力为：

式中：pi-燃烧气体在第i个孔眼产生的压力；f-火药力；φi-火药燃烧压力pi时的质量分数；V-定孔眼容积；α-火药余容。

当井筒内的燃气压力pmax＞pi时，火药燃烧气流就不断往射孔孔眼中喷射，射孔孔眼压力不断升高。

运用煤储层裂隙破裂理论，即最大拉应力准则可知，当射孔孔眼内压力达到煤储层的破裂压力时，煤储层发生破裂产生大量的裂隙，从而降低煤储层应力使煤层气解吸并形成有效渗流，提高煤气井单井产能。射孔孔眼内的火药燃烧气体迅速泄入煤储层，射孔孔眼内压力下降，枪身内的气流继续向射孔孔眼内流动，这样就形成一个连续地多级强脉冲过程，促使煤储层裂隙的不断产生和延伸从而进一步增强其导流能力。

4 结论

（1）通过煤储层各向同性及平面应力状态的假定，运用储层裂隙破裂理论建立力学模型分析了储层的力学性质，为多脉冲加载压裂技术的破岩作用找到了其理论依据。

（2）煤储层中有着大量天然割理的存在，可通过储层改造技术产生裂缝并连接天然裂缝以提高其渗流及导流能力，提高煤层气井单井产量。多级强脉冲加载压裂技术可以破裂煤岩体，在储层中产生较多较长的多裂缝体系，并且其不受地应力影响，明显改善了煤储层的导流能力，从而达到了提高煤储层单井产量的目的。

（3）开展煤储层多级强脉冲加载压力破岩机理研究将有利于我国煤层气的有效开发，并为非常规天然气的开采提供新的思路。

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Theoretical study of multi-level strong pulse loading fracturing mechanism of rock fragmentation in coal reservoir

LIU Anbang
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aimed at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problem of low single gas well production,strong multistage pulse fracturing technology of loading the fracturing mechanism of rock fragmentation has been studied.According to the first strength theory of rock burst,mechanical model is set up and it provides a theoretical basis for coal and rock burst under the loading of in multistage strong pulse.The study shows gunpowder combustion produces a large number of high temperature and high pressure gas in well-bore and it jet perforation constantly,which lead to the pressure in perforation increasing.When the pressure is greater than the coal and rock burst,the coal reservoir fracture cracks and its pressure releases,which coal-bed methane get desorbed.Desorption of coal-bed methane formed effective seepage process through the cracks,which improve the single well production in CBM wells.

coal reservoir；multistage strong pulse；fracturing；rock breaking

TE357

A

1673-5285（2017）01-0033-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.010

2016－12-06

陆相页岩气储层压裂改造工艺技术攻关项目，项目编号：2012KTZB03-03-03-02。

刘安邦（1992-），硕士研究生，现就读于西安石油大学油气田开发工程专业，主要研究方向为采油气工程理论与技术，邮箱：1543361986@qq.com。