不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测

在2017和2018两年中,我们对新疆18口煤层气井的水力压裂,应用微地震向量扫描技术,实施了微震监测.这批井的特点是,除3口井煤层的倾角小于30°外,余均为高倾角,其中6口井的倾角大于70°,近乎直立.由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低,因而压裂设计预期裂缝沿煤层延展.然而,经反复校核,尽管多数井的裂缝带满足预期(占总井数的72％),还是确认了3口井(17％)的裂缝延展面同已知煤层在倾向上有一个40°～60°的夹角;另一类特例是2口井(11％)的类似X型的破裂,即一个裂缝面满足了预期的倾向和倾角,同时也有一个倾向相反、倾角相似的破裂面.因而在机理上,若视煤层为已有断层,在构造应力场作用下,煤层的压裂破裂面有三种可能性:(1)仅沿煤层延展;(2)仅沿已有断层裂隙面延展;(3)同时沿这两个层面破裂.此外,破裂面展布以相对压裂点向上为主.研究这些压裂裂缝面的产状、发育机理、与对其微震监测的解释方法特性,对具有不同倾角的煤层的压裂设计与压裂监测,有重要意义.     

基于非监督学习的水力压裂裂缝平面识别

在水力压裂施工中,如何有效获取压裂过程中产生的裂缝形态以及裂缝的动态扩展过程一直是困扰学术界和工业界的问题。目前,常规利用微地震事件定位结果进行分析的方法存在需要人工干预、散点信息表示能力不足等问题;采用数值模拟分析的方法往往因复杂的地下介质情况而引入计算偏差。本文基于非监督学习算法,通过提取微地震事件的空间和时间信息,实现对裂缝平面的识别以及裂缝网络拓展路径的分析;并通过引入水力压裂岩石物理实验,利用实际监测获得的声发射数据以及对应的真实破裂情况的CT扫描数据,检验方法的可行性。最终结果表明,本文所提方法对主断裂有较好的识别效果,识别结果与CT扫描的真实结果吻合性较好。     

页岩中水力压裂扩展的微震机理研究

微震监测技术被广泛应用于衡量水力压裂作用。由于微震释放机制的复杂性,很难获得对其统一的理论认识。基于地震学原理,本文采用物理模拟实验和数值分析方法对页岩水力压裂扩展造成微震的机制进行研究。理论上,岩石破裂过程取决于水力裂纹尖端的应力分布。通过反演得到矩张量的特征方程及其特征值,从而确定震源点的破裂机制。通过真三轴水力压裂物理试验和声发射实验获得岩石破裂过程的基本规律。利用声发射信号的主频特性和初始运动来确定震源处的拉剪损伤比。震源点微震地震波采用水平井压裂数值模拟方法进行研究,得到不同位置、不同平面、不同方向上的微震波的频率和能量特性。通过数值分析验证了微地震波的分布,并揭示了在水力压裂作用下释放的震源机制。研究成果对页岩特性、页岩气储层评价和重构、优化压裂参数、提高采收率等方面具有重要的现实意义。     

基于大型水力压裂实验系统的室内模拟研究

室内水力压裂模拟实验是认识裂缝压裂机理、获取水力压裂信号的有效手段,可为进一步提高水力压裂技术在页岩气等非常规油气资源开发方面的应用提供技术支持.本文根据野外水力压裂施工工艺和微压裂地震信号监测的特点,设计并制造了大模型水力压裂模拟装置,该装置包括真三轴围压系统、水压裂系统和微压裂信号采集系统,可以实现相同或不同围压状态下的水力压裂试验,并对裂缝产生、裂缝扩展的整个物理过程进行水力压力信号和岩石压裂破裂信号的采集,形成了一套完整的微压裂实验技术.通过水力压裂实验,首次在实验室内获得了真三轴围压下大模型的水利压力和水力压裂信号的关系,为水力压裂信号的分析和压裂裂缝的定位提供了基础.     

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.     

岩石破裂过程中超长波段的电、磁信号和声发射的实验研究.

在单轴压力下对辉长岩、大理岩等岩石破裂过程中产生的电、磁、声信号作了实验研究。实验分干、湿两种情况进行, 测试系统的频响范围为超低频。主要结果是:获得了岩样从受压到解体过程中, 在0-20kHz频段内的电磁辐射和声发射信号的原始波形;岩石破裂过程中电磁信号的辐射强度与岩石的岩性、含水量、破裂强度、加载率和破裂状态有关;岩石破裂过程中的电磁辐射率和声发射率有关系, 它们的最大值在时间上相对应的约占70%,而且电磁辐射信号比声发射信号发育, 持续时间也较长;实验中以铜板天线为接收传感器的电磁信号的主能潜在6kHz以下, 而以电感线圈为接收传感器的电磁信号主能谱在10kHz左右, 声发射的主能谱在3kHz以下;声发射信号出现之前有明显的电磁信号。由于岩石在破裂过程中辐射的电磁信号与声发射有较好的对应关系, 因此可以认为, 岩石破裂实验中获得的电磁辐射信号与岩石破裂有密切的关系。所以, 地震前观测到的电磁辐射异常主要是由岩石的破裂引起的。至于实验中在声发射之前出现的电磁信号, 则可能与压电、压磁效应有关。      

SF-1型岩石声发射测试仪

SF-1型岩石声发射测试仪是岩石力学实验研究的一种非常有用的测试仪器。它可以用来监测岩石或岩石样品在外力作用下,发生变化过程中由微破裂所产生的声发射现象。它不仅可以研究微破裂与应力、变形、波速、时间等的变化规律,而且还可以进一步研究微破裂与主破裂(大破裂)的关系。所以它在岩石或岩体的变形破坏实验研究中具有重要的意义。多年来,在进行岩石力学研究中一直缺少适用的声发射仪,从而影响了这方面工作的开展。为了当前     

沁水盆地南部煤层气储层压裂过程数值模拟研究

储层改造是煤层气井提高产能的重要措施,水力压裂是煤层气储层改造的重要方法.为研究煤层气储层压裂过程及其天然裂缝对煤储层压裂时破裂压力的影响,本文以山西沁水盆地南部高煤级煤矿区为研究区,运用有限元数值模拟方法,计算不同地应力条件下、裂缝处于不同位置时煤储层的破裂压力.结果表明:(1)不同类型地应力场对破裂压力的影响不同.对于均匀应力场,破裂压力随着围压的增大而增大,其增幅约为围压的两倍;对于非均匀应力场,当一个水平主应力不变时,破裂压力会随着水平主应力差的增加而减少;(2)如果地应力条件不变,煤储层破裂压力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增加,水平主应力差越大煤储层破裂压力增幅也越大;(3)在有天然裂隙的地层中进行压裂,当天然裂缝的方位不同时压裂裂缝既可能是沿着天然裂缝扩展的裂缝,也可能是压裂过程中产生的新裂缝,因此天然裂缝的方位对破裂压力具有一定的影响.     

页岩储层脆性评价分析及可压裂性定量评价新方法研究

目前绝大部分可压裂性模型以弹性参数脆性指数法为基础评价页岩储层可压裂性,然而通过岩石应力应变特性、岩石力学测试统计结果和矿场压裂实例分析可知,通过弹性参数评价页岩脆性缺乏理论依据,且与实验测试、压裂效果等相悖.针对页岩储层可压裂性定义不统一、不全面的问题,综合分析了影响页岩体积压裂过程中压碎难度、缝网的复杂度、获得较高改造体积的概率以及压裂后导流能力等方面,给出了新的且全面的可压裂性定义.基于可压裂性科学内涵,综合考虑页岩脆性、围压、天然裂缝发育程度、断裂韧性和抗压强度,建立了页岩可压裂性评价新模型及归一化指数模型,此模型通过室内试验测试和现场测井数据可分别实现室内和矿场储层可压裂性的定量表征.本文所建立地可压裂性模型在页岩典型井中开展了应用分析,并与已有可压裂性评价模型进行了对比,其评价结果与压后产能监测数据相一致,验证了本文模型的准确性.     

标本非均匀性对岩石变形声发射时空分布的影响及其地震学意义

基于一组实验结果,讨论了岩石标本的非均匀性（预存微裂纹和宏观裂纹）对声发射 时空分布的影响. 对比分析表明,预存微裂纹的存在使得破裂成核前声发射率快速增加、 b值表现出一种短期异常现象,即在下降背景上出现起伏,从而增加了破裂时间的可预报 性. 宏观结构（节理、层面等）的存在对声发射率和b值的影响与微裂纹相同,而且宏 观结构对声发射的空间分布具有控制作用,声发射丛集的宏观构造通常控制着未来的主破裂 . 这意味着宏观构造的存在使得主破裂的时间和位置预报成为可能. 