[发明专利]一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于煤岩气藏开发技术领域，具体涉及一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法。

背景技术

我国的煤岩气藏资源丰富、分布范围广、开采潜力巨大。煤岩具有低孔隙度和低渗透率的特点，若要高效开发此类非常规煤岩气藏，则需要大规模采用水力压裂技术才能获得工业气流。为了增加煤岩气藏的泄气面积，减小气运移阻力，通常采用定向井压裂开采，从而提高煤岩气体的采收率，获得更高的经济产量。

在定向井压裂过程中，近井筒裂缝的转向扩展形态和支撑剂的运移分布特征关系到水力裂缝的有效率和水力压裂施工的成功率，直接影响后续煤岩气藏的开采速率和经济效益。目前人们正积极寻求表征近井筒裂缝的转向扩展力学机理和支撑剂的运移规律，但大多偏离实际，对现场作业指导意义不大。而且大多通过数值模拟进行计算分析，模拟结果的准确性缺乏实验验证；还有一些人采用混凝土制备人造试件进行模拟，但是这种试件具有均质性，与天然裂缝及割理发育的煤岩在力学性质上存在显著差异，无法准确模拟水力裂缝在近井筒附近与天然弱面的干扰作用，也无法真实模拟定向井压裂在近井筒的裂缝扩展形态和支撑剂分布规律。因此，急需开发一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法。

申请公布号为CN104060976A的发明专利公开了一种对不同井型射孔井筒分段水力压裂的物理模拟方法，包括以下步骤：加工模拟井筒，并在井筒壁上布置射孔孔眼；将模拟井筒预制到人造岩芯试件中，利用真三轴水力压裂系统进行水力压裂物理模拟实验；观察模拟井筒井壁上的射孔孔眼处的水力裂缝扩展形态。该技术方案采用混凝土制备均质性人造岩芯，其力学性质与天然岩芯存在很大差异，而且压裂液中未加砂，因此模拟到的水力压裂裂缝的扩展形态不符合实际情况。

申请公布号为CN102279131A的发明专利公开了一种煤层水力压裂模拟实验方法，包括以下步骤：根据所要模拟地层中煤岩的天然裂缝形态特征，选取煤岩材料加工成块体；选择包裹层对块体外部进行浇筑，形成模拟试件；制备压裂液；利用真三轴水力压裂系统对模拟试件进行压裂实验，得到水力裂缝形态和压裂液波及区的图像信息。该技术方案为煤岩直井的压裂物理模拟实验，压裂液中未加砂，而且煤岩与包裹层直接接触，这将导致煤岩遇到包裹层中的水使煤岩膨胀，从而使模拟结果不准确。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：分析所要模拟地层中煤岩的弱面发育特征，根据分析结果选取煤岩材料，并将煤岩材料加工成煤岩块体；

步骤二：根据模拟地层定向井井眼的井斜角制备定向井模拟井筒；

步骤三：采用隔水层对煤岩块体进行包覆，同时选择包裹层对包覆了隔水层的煤岩块体进行外部浇筑，形成煤岩压裂物模试件；

步骤四：待包裹层固结后，在煤岩压裂物模试件上钻取定向井模拟井眼，同时根据模拟地层的方位角在煤岩压裂物模试件上钻取水平槽，将定向井模拟井筒粘固在定向井模拟井眼和水平槽内；

步骤五：制备含有支撑剂和示踪剂的压裂液，在定向井模拟井筒内充满该压裂液；

步骤六：采用真三轴水力压裂系统对充满压裂液的煤岩压裂物模试件进行煤岩定向井加砂压裂物理模拟实验；

步骤七：观测煤岩定向井加砂压裂过程中水力裂缝在近井筒的转向扩展形态和支撑剂的运移分布特征。

选取的作为模拟实验的煤岩材料应与地下实际煤岩的特征相接近，通常选取浅层煤矿开采出的未受风化的煤岩。

煤岩的弱面包括层理面、端割理、面割理和天然裂缝等不连续间断面。煤岩的弱面发育特征主要体现在弱面产状与储层地应力方向的空间关系。煤岩的层理面与水平面平行或近似平行；煤岩的面割理和端割理与层理面垂直或陡交。端割理发育在两条面割理之间，天然裂缝随机发育，这些发育的弱面在空间上交割成立体网状，将煤岩切割成一系列的斜方形基质块。

优选的是，所述步骤一中，将煤岩材料加工成煤岩块体的过程中，层理面、端割理和面割理与煤岩块体表面平行。

在上述任一方案中优选的是，所述煤岩块体为正方体形状，其边长为300mm。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，定向井模拟井筒包括依次连通的辅助垂直段模拟井筒、辅助水平段模拟井筒和倾斜段模拟井筒。

在上述任一方案中优选的是，所述定向井模拟井筒的外径为16-18mm、内径为10-12mm。