煤储层高能气体加载压裂下裂缝扩展研究

武进壮，巩芳军

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065；2.中国石油天然气集团公司油藏改造重点实验室高能气体压裂分室，陕西西安710065）

煤储层高能气体加载压裂下裂缝扩展研究

武进壮1，2，巩芳军1

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065；2.中国石油天然气集团公司油藏改造重点实验室高能气体压裂分室，陕西西安710065）

针对我国煤储层的“三低”特性及水力压裂过程中所产生压降损耗过快及成本较高的难题，开展煤储层的高能气体压裂下的裂缝扩展研究。研究表明：高能气体压裂可在煤储层中产生以3～8为主体的裂缝网络体系，且裂缝方位不受地应力的控制，只与压裂药燃烧释放能量的方位有关，与最大能量释放的角度基本一致。这对煤层气储层的压裂开发以促进其解吸、扩散、渗流过程提供了新的研究思路。

煤储层；高能气体压裂；裂缝；扩展

目前，在国际油价持续下跌以及常规油气资源储量持续减小地背景下，常规油气开采的成本不断增加，因此应大力发展以煤层气为代表的“自生自储”式的非常规能源。水平井的水力压裂技术是目前最常用的方法，该技术通过压裂造缝填砂而形成垂直于最小主应力方向的对翼的一条裂缝。但由于我国煤储层在形成后期受到强烈的构造作用，其原生结构遭到严重的破坏，具有低渗透率、低孔隙度及低原始地层压力的“三低”特性[1]，这严重增加了水力压裂的成本及煤层气的有效开采。高能气体压裂技术可产生不受地应力控制的多裂缝体系且成本较低，因此开展高能气体压裂下的裂缝扩展研究对于煤层气的开采具有重要意义。

1 煤储层中的高能气体压裂技术

高能气体压裂（High Energy Gas Fracturing，简称HEGF）技术是利用火炸药等火工手段在煤储层爆燃的作用机理[2]，以提高煤层气井产量的煤气田特种增产技术。其作用原理[3]是利用固体、液体火药在煤层气井目的储层燃烧产生大量高温、高压气体快速膨胀压裂煤储层，以脉冲加载作用使储层产生多裂缝网体系，且裂缝延伸初期不受地应力的约束，并沟通更多天然裂缝，扩大煤层气井控制煤层气区的半径，提高和改善煤储层渗透性，达到增产、增注的目的。其特点是升压迅速，压力高，在有足够外压的条件下，能保证有效快速地压开煤储层产生裂缝，而且成本低（见图1）。

图1 高能气体压裂中的p～t曲线

2 高能气体压裂中裂纹扩展的能量释放率准则

在高能气体压裂过程中伴随着大量能量的释放，释放的能量在储层中产生较大的压力，当其压力达到地层破裂压力后则开始在地层中产生裂缝缝网体系，从而松弛地层应力达到降低储层压力的目的。当储层压力降至煤层气解吸压力之下时，煤层气开始发生解吸作用。

利用爆燃药在燃烧时的能量平衡定律来考察裂隙在扩展过程中的能量转化，从而得到表征裂纹扩展时能量变化的参量-能量释放率G。

图2 Ⅰ型裂纹

Ⅰ型裂纹扩展问题（见图2），假设板厚为B，裂纹长为2a。若所加载荷P缓慢增加，则裂纹也随载荷缓慢扩展。裂纹在失稳开裂前，扩展了面积dA=Bda。设2γ为裂纹扩展单位面积所需要的表面自由能，则产生面积dA需要外界提供的能量为dΓ=2γdA。此时，所加载荷P对裂纹板所作的功dW，一部分转化为弹性应变能dV，另一部分由形成裂纹新表面所消耗，转化为表面能dΓ。依据能量守恒的观点，可知：

若转换为单位时间的能量平衡，则有：

考虑到W、V是所加载荷P和裂纹表面积A的函数，表面能Γ仅仅是裂纹表面积A的函数，而P、A又是时间t的函数。假设所加载荷的加载方式为准静态加载，则上式可表示为：

从而，裂纹扩展单位面积所需要的表面能为：

在裂纹扩展过程中，若外加载荷不做功，则裂纹体会释放出一部分弹性应变能用以形成新的裂纹表面，此时。在裂纹扩展过程中，若外加载荷做功不为零，则裂纹体的弹性应变能会增加，外加载荷做功的一部分为新裂纹表面提供表面能，另一部分则使裂纹体的弹性应变能增加。这时。

式（4）中右侧是裂纹扩展单位面积时，整个受力系统所释放的能量，称为“能量释放率”，用G表示：

Study of coal reservoir fracture extension under the loading of high energy gas fracturing

WU Jinzhuang1，2，GONG Fangjun1
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.Key Laboratory of China National Petroleum Corporation Reservoir Reconstruction，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aim at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problemsthat pressure drops too fast in the process of hydraulic fracturing and the high cost.We conduct the study to study the fracture under the loading of high energy gas fracturing in the coal reservoir.The study shows,the technology can develop the fracture network system with 3～8 the main body and the fracture azimuth is not controlled by the in-situ stress.It is only associated with the azimuth of fracturing burning drug release energy and it is consist with the azimuth of fracturing burning drug release energy.So it provides a new idea to the fracture development of the coalbed methane reservoir so as to promote its desorption,diffusion and percolation process.

coal reservoir；high energy gas fracturing；fracture；extension

TE357.11

A

1673-5285（2016）01-0015-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.004

2015－11-27

国家自然科学基金项目，项目编号：51274164；中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目，项目编号：2011D-5008-05。

武进壮，现就读于西安石油大学油气田开发专业硕士研究生，主要研究方向为油气田特种增产技术的开发，邮箱：1578838564@qq.com。