煤层气压裂微震监测数据高级属性解释技术研究

为了提高煤层气压裂微震监测的精度,对压裂诱发裂缝进行精细刻画,利用淮南潘谢区块PX2-1井煤层气压裂地面微震监测数据,在微震事件定位等基础研究的基础上,研究了震源机制反演、地应力反演、水力裂缝渗透率等高级属性解释技术,结合数据特点,深入研究了基于震源机制的连续水力裂缝网络建模技术、水力裂缝渗透率反演技术,充分挖掘了煤层气压裂地面微震监测数据的丰富信息,精确描述了地下压裂裂缝的三维空间展布,为准确评价压裂效果提供了技术支撑。研究结果表明：微震高级属性解释技术在煤层气压裂监测领域有广泛的应用前景。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论:致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5.7倍和1.7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

微地震技术评价中牟区块体积压裂的效果

微地震监测技术是页岩气开采过程中对页岩气储层压裂效果评价和指导压裂过程的重要手段,可通过观察、分析压裂过程中诱发微地震事件,获取压裂裂缝参数、导流能力、裂缝展布发育方向等信息。中牟区块牟页1井具有低孔、低渗储层特征,对含气层段的三层储层,采用大排量水力压裂施工,进行地面微地震监测、井中微破裂成像技术压裂监测及微地震监测;牟页1井监测压裂结果显示为缝长251～496m,缝宽120～252m,改造体积约为237.5×104～387.7×104 m3,方位角64°～80°。压裂实施使储层裂缝开启含气层段得到改造,指导了实时压裂和压裂效果评价。     

基于PFC2D数值模拟的交替压裂中应力阴影效应研究

为了探究应力阴影效应对交替压裂中压裂间距选取的影响,基于优化后的颗粒流离散元流固耦合计算模型,模拟并分析了双初始水力裂缝下因应力阴影效应产生的诱导应力的分布情况,并与理论解析解进行对比,证明了该数值方法的合理性。在此基础上,分析了应力阴影效应在不同各向异性地应力场及初始压裂间距条件下对新水力裂缝的起裂压力及扩展形态的影响,研究结果表明：初始各向异性应力场不改变裂缝周边的应力场,不影响新水力裂缝的起裂压力;随着初始压裂间距的减小,应力阴影效应增强,新水力裂缝的起裂压力逐渐增加。初始水力裂缝间距与初始各向异性应力场共同影响新水力裂缝的扩展形态,随着初始水力裂缝间距或初始水平地应力场差异系数的增大,应力阴影对新水力裂缝的扩展方向的影响逐步减弱;初始水力裂缝对新水力裂缝的扩展有一定的限制作用,在一定程度上不利于形成复杂的裂缝网络。根据以上分析结果,对交替压裂中压裂间距的优化进行了定性的探讨。     

基于损伤力学分析的水力压裂三维裂缝形态研究

水力压裂三维裂缝形态及延伸的预测是评价水力压裂效果的主要因素,采用了损伤力学与断裂力学相结合的方法,描述了裂缝表面岩体的力学行为,建立了裂缝面上的损伤判据与损伤演化方程。根据岩石力学与渗流力学,采用有限元方法建立了低渗透储层岩体的流固-损伤耦合方程,并采用Newton-Raphson与线性搜索相结合的方法进行求解,获得了低渗透油层水力压裂三维裂缝的动态扩展过程及最终形态,揭示其力学本质。通过算例验证了理论及计算方法的正确性。在此基础上,分析了影响裂缝扩展的主要因素,其结果可为水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,以提高油层水力压裂措施的成功率     

煤岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

为了分析煤岩水力压裂裂缝扩展规律,采用真三维水力压裂物理模拟实验平台进行煤样真三轴水力压裂物理模拟实验,模拟不同地层应力、渐进角条件下煤样水力压裂过程。实验表明:天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展的重要因素,导致裂缝扩展规律复杂多样化;当水平应力差系数值kh1时,水力压裂裂缝趋于沿最大水平主应力方向扩展,当kh值1时,水力压裂裂缝趋于沿天然裂隙方向扩展,当kh值=1时,水力压裂裂缝扩展方向处于不定状态;渐近角对水力压裂裂缝扩展的影响程度总体上小于天然裂隙、割理和水平应力差,实验结果与煤矿井下压裂裂缝观测结果一致。     

碳质页岩水力压裂模拟实验研究

为了分析碳质页岩的水力压裂过程,采用天然页岩岩块,制作了边长30cm立方体试样,采用实验室大型实验设备,设置了两种不同的割缝注射方向,对试样进行了水力压裂模拟实验。对比分析了试样的破坏形态;可以看出割缝注射方向对裂缝的发育有着重要影响;水力压裂的极限强度与裂纹和层面之间的夹角有一定的关系,当裂纹方向接近层面时,对应的水力压裂的强度较小。结合水力压裂的水压曲线,阐述了裂纹发育和压裂液压力之间的关系。声发射监测碳质页岩的水力压裂存在一定的不足,需要进一步提高探测精度。页岩水力压裂过程受多种因素影响,需要开展相应的模拟实验进行研究。     

水平井水力压裂影响参数的数值模拟

水力压裂是低渗油气藏的主要开发手段,传统数值模型所得到的基质-裂缝窜流量以及断裂参数精度不足.为此以流固耦合理论与断裂力学相结合的压裂模型为基础,模拟了水力裂缝扩展过程.在模型中分别引入离散裂缝模型和广义J积分计算基质-裂缝流量交换和断裂参数,并采用动态网格技术对裂缝尖端进行局部加密,以提高模拟的效率和精度.模型计算结果显示,影响水力压裂过程的主要参数中:基质渗透率和压裂液粘度主要影响水力裂缝的最终形态;岩石弹性模量影响裂缝宽度.对压裂车而言,最高工作压力一般都能够满足压裂增产需求,其最大输出功率和最大输出流量是限制压裂能力的主要因素.      

双井监测在微地震事件定位及压裂裂缝解释中的优势——以松辽盆地一口水平井的压裂监测为例

微地震监测是指导评价水力压裂储层改造的重要手段,在压裂施工过程及后期评价中发挥着重要作用。这里对松辽盆地北部一口致密油水平井压裂过程中两口监测井采集的微地震资料,进行了精细处理及压裂裂缝解释。结果表明,单井监测受到压裂井和监测井空间相对位置的制约及仪器监测距离的限制,不能很好地采集到压裂过程中远端产生的微地震信号,监测结果表现出明显的偏差,呈单翼缝或不对称缝特征,而双井监测结果具有显著的优势,可完整描述各段裂缝形态,得到更符合实际压裂情况的储层改造体积,更好地评价压裂改造效果。因此,在水平井压裂井中监测观测系统设计上要充分考虑监测距离的限制,尽可能采取多井监测,研究结果对井中微地震监测具有一定的借鉴。     

天然裂缝复杂程度对致密储层破裂特征的影响

地层内部总存在孔隙、裂隙、层理、裂缝、断层等结构特征从而体现为地层地质非均质性,并在人工注采过程中发生不同尺度的破裂而体现为跨尺度的裂缝时空延展特征和致裂机理。以致密油为代表的非常规油气藏开采开发在我国油气产能中占比越来越大,并往往利用水力压裂储层改造技术产生人工裂缝以增强油气渗流而实现其规模经济开发;同时,这类低渗透油气藏亦是CO₂压裂、注入和封存的重要对象。文章基于真三轴大型物理模型水力压裂实验和工程尺度下水力压裂微地震监测结果,通过不同尺度裂缝/裂隙活动所致声发射和微地震事件的时空展布研究岩体多尺度裂缝的破裂特征。研究表明,无论是相对稳定的真三轴水力压裂,还是实际地质工程尺度下的水力压裂微,岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。     

新集一矿水文工程地质特征及开采条件分析

新集一矿煤炭资源储量丰富,内部构造复杂,矿井突水、涌水灾害时有发生。通过收集新集一矿的钻探地质资料,重点分析13煤层及其顶板水文工程地质条件,并对煤层开采条件进行分析。结果发现:新集一矿13煤附近岩石以及13煤顶板岩石性质总体表现为岩质较软,强度低,割线模量小,地质条件复杂程度为中等型,会偶然受到地热和天窗等地质危害和煤层自燃、煤尘爆炸影响。研究结果为13煤的开采打下了坚实的基础。     

煤矿井下高分辨率地震探测技术

通过井巷波场分析,提出了矿井高分辨率地震反射技术针对性的施工方法和处理手段。并结合龙口矿区、新集矿区两个应用实例,证实了矿井巷道浅层地震技术的可行性。该技术适用于在多煤层、急倾斜煤层开采矿区,井下探测隔水层厚度、下组煤构造、奥灰界面、上部充水砂岩界面等。      

新集矿区地应力场特征研究

矿井动力现象如巷道变形破坏、煤和瓦斯突出及煤层底板突水等都与地应力密切相关。应用水压致裂法对新集矿区的原地应力进行了测量,确定原地系统深部围岩的应力状态,即原地应力的量值和方向,研究获得了矿区地应力的赋存规律和基本特征。测量结果分析表明:新集矿区地应力场以水平应力为主导,属于构造应力场类型;垂直主应力和最大、最小水平主应力均随埋深的增加呈近似线性增加;最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围是1.01~1.29,反映新集矿区受构造作用较恒定;测压系数的范围是0.98~1.3,随深度变化不明显;新集矿区受到F10断层东西向的拉张应力,最大水平主应力方向为近EW向。最后探讨了原地系统不同构造部位地应力方向差异的原因,初步分析认为,是受到阜凤推覆体的影响。      

贵州对江南井田地面煤层气抽采潜力分析

对江南井田位于贵州织纳煤田西部,为高阶无烟煤赋存区,煤层发育具有层数多、厚度薄、成群分布"的特点。采用气含量测试、注入/压降试井、钻孔煤层和煤体结构分析等方法,对煤储层含气性、渗透性、储层压力和地应力等进行了系统分析。采用体积法估算了对江南井田煤层气资源量,评价了煤层气可采性和资源潜力。结果表明:对江南井田煤层气保存条件好,气含量高,资源量大,资源丰度较高;构造作用虽然破坏了煤的原生结构,但可采煤层均以碎裂结构为主,煤储层仍然保留有较好的裂隙网络,储层增渗可改造性强,具有抽采潜力。      

考虑覆岩原生裂隙的导水裂隙带模拟

导水裂隙带高度的确定对松散承压含水层下煤矿安全开采和矿区生态环境保护具有重要意义。以往根据塑性区判断导水裂隙带范围的数值模拟方法不能完全反映覆岩的破断机制。为了更准确地预测导水裂隙带发育高度,应用断裂力学方法,将裂纹尖端K场区内的应力强度因子断裂判据与摩尔-库伦屈服准则结合,提出了原生裂隙存在时的岩石断裂准则。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙场分布,并通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics将原生裂隙场和岩石断裂准则应用到导水裂隙带发育的数值模拟中,对淮北煤田青东煤矿的839工作面开采进行了模拟计算。结果显示,考虑原生裂隙时,导水裂隙带在贯通后高度达到92.5 m。与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟结果与现场测量结果更为接近。这说明,采用自仿射分形模型所生成的裂隙场可以较好地模拟岩体内复杂而无序的原生裂隙分布,且与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟方法能够更好地反映导水裂隙带的发育规律。      

井地电位成像技术在煤层气水力压裂缝探测中的应用

利用井地电位测量技术取得了北票煤矿煤层气探测区M1井水力压裂缝前后储层的电位数据。通过反演成像方法对实测电位数据进行了处理,得到了水力压裂缝分布的几何参数。显示了井地电位测量技术探测水力压裂缝的良好应用前景。      

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

深部急倾斜煤层偏压巷道支护参数优化研究

深部急倾斜煤层由于受特殊的地质结构和高地应力影响,煤层巷道开挖后易出现地层错动、垮塌的特点,施工中冒顶、底臌现象异常突出,巷道支护极其困难。通过对新集三矿-700 m煤探巷道进行现场勘查与试验,针对该急倾斜软岩巷道变形非对称性,底臌严重、地层错动的破坏特点,提出了可缩性U型钢全断面封闭支护和非对称性预应力锚杆(索)支护的全新支护方案,通过大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型,与原支护方案进行了对比分析。研究表明,采用改进支护方案巷道底臌位移量减小了66%,最大拉应力从0.58 MPa减小到0.38 MPa,塑性区较原方案更小,支护结构受力更加均匀。其结果可为同类地质条件的巷道支护设计提供一定参考。     

实测阻水系数评价奥灰突水危险性方法研究

开采受奥灰水威胁的煤层时,通常都把突水系数作为安全评价的依据,此方法存在一定局限性。采用室内小尺寸水力压裂试验测得煤层底板的阻水系数;用实测的阻水系数对兴隆庄煤矿首采区下组煤(16_上煤、17煤)带压开采时奥灰水的突水危险性进行了评价。结果表明,该方法评价奥灰突水危险性直观、清晰、简洁,值得推广。      

矿井煤层底板突水预测新方法研究

本文针对煤矿矿井煤层底板突水系统为一非线性系统的特性,提出采用对非线性问题具有良好适用性的人工神经网络系统（以下简称神经网络）,进行煤层底板突水预测。以作者们研制,使用神经网络的实践为基础,阐述系统、建模方法、适用条件和应用问题,并在焦作矿务局演马庄矿、焦作金科尔集团方庄煤矿对所建立的煤层底板突水预测神经网络进行生产性检验,取得良好的结果,说明该系统应用于煤层底板突水预测的可靠性。