一种煤岩定向井加砂压裂的物理模拟方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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^:根据申吴拟地层定向井井眼的井斜角制备定向井申吴拟井筒； 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。
[0007] 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 煤矿开米出的未受风化的煤岩。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011]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。
[0012] 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〇
[0013] 在上述任一方案中优选的是，所述辅助垂直段模拟井筒的长度为15-25mm，所述辅 助水平段模拟井筒的长度为50mm。倾斜段模拟井筒的长度根据定向井斜度的不同而变化。 [0014]在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，包裹层为砂浆，其厚度为50-70mm。煤 岩较脆，容易破裂，在加载围压的过程中，会损坏煤岩，导致无法平稳地施加围压，从而影响 模拟结果。包裹层的材料应选择与所有材料性质相近的物质，以防止材料性质差异过大而 造成结果偏差。采用包裹层对煤岩块体进行均匀浇筑，然后放置15-20天，自然风干，此时包 裹层的强度较高且均匀。
[0015] 在浇筑包裹层前，采用隔水层对煤岩块体进行均匀包覆，防止煤岩块体与包裹层 中的液体直接接触。若煤岩块体与液体接触，则导致煤岩块体膨胀，进而影响模拟结果。隔 水层可选择铝箱、塑料薄膜等材料。
[0016] 在上述任一方案中优选的是，所述砂浆由石英砂、水泥、粘土和石膏粉按照4:4:1: 1的体积比混合而成。
[0017] 在上述任一方案中优选的是，所述煤岩压裂物模试件为正方体形状，其边长为 400-440mm〇
[0018] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，在煤岩压裂物模试件上钻取定向井 模拟井眼的方法为，根据模拟地层定向井井眼的井斜角制备倾斜支撑板;将煤岩压裂物模 试件放置在倾斜支撑板上;在煤岩压裂物模试件的钻取表面上沿着与水平面垂直的方向钻 取定向井申旲拟井眼。
[0019] 在上述任一方案中优选的是，所述倾斜支撑板包括底座、倾斜垫板和支撑垫板。
[0020] 在上述任一方案中优选的是，所述倾斜垫板的倾斜角等于模拟地层定向井井眼的 井斜角。
[0021] 在上述任一方案中优选的是，所述定向井模拟井眼的初始端为以煤岩压裂物模试 件钻取表面的中心点为圆心、以辅助水平段模拟井筒的长度为半径的圆周上的任一点。
[0022] 定向井模拟井眼初始端位置的选取非常关键，不能像直井压裂的模拟实验那样将 模拟井眼的初始端选取在物模试件表面的中心位置。
[0023] 本发明选取的定向井模拟井眼的初始端，能够确保裸眼段位于煤岩压裂物模试件 的中心位置，这样可获得足够的水力裂缝扩展区域，使裂缝扩展更充分，更符合实际情况， 同时有助于对比模拟结果，减小误差，使模拟结果更真实可靠。若裸眼段偏离煤岩压裂物模 试件的中心位置，则水力裂缝得不到充分扩展，短时间内便扩展到煤岩块体与包裹层的交 界面，误差较大，模拟结果失真，不符合实际压裂情况。
[0024] 由于在钻取定向井模拟井眼的过程中，定向井模拟井筒容易发热，导致模拟井筒 受损，因此需要采用多次钻取的方式，每钻取一小段距离后需卸下模拟井筒，待模拟井筒冷 却后继续钻取。可采用自然冷却的方式冷却模拟井筒，也可将其放入水中冷却，但是冷却后 需将模拟井筒擦干后再使用，以防止煤岩块体遇到水后发生膨胀变形或水沿着煤岩弱面漏 失影响煤岩性质。
[0025]在上述任一方案中优选的是，所述定向井模拟井眼的直径为19-21mm。
[0026] 在上述任一方案中优选的是，所述定向井模拟井眼的下端预留裸眼段，其长度为 30_50mm〇
[0027] 在上述任一方案中优选的是，所述裸眼段的中心位于所述煤岩压裂物模试件的中 心位置。
[0028] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，水平槽的长度为50mm、深度为19-21mm〇
[0029] 在上述任一