水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响_骆中山.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China; 3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China Abstract The technology of pulsed hydraulic fracluring is an important means to trans low permeability res- ervoir, through the double action of water wedge effect and pulse fatigue damage, the fracture network is commu- nicated to improve the conductivity of low permeability reservoir. In the laboratory test of pulsating hydraulic fracturing, the sealing problem of prefabricated hole in the sample is the key to determine the success of hydraulic fracturing test. The initiation pressure is also an important index to uate the sealing effect of pulse sealing sec- tion. In this paper, the relationship of the mechanical properties between the weak joint surface of the sealing sec- tion and coal rock is established, and the influence of different frequencies on the initiation pressure of coal rock is established, and the influence of different frequencies on the initiation pressure of coal rock is studied. Finally, based on the initiation pressure, the fitting of the damage value of initiation pressure obtained that empirical for- mula of prefabricated hole sealing pressure, gived a basis for sealing of pulse hydraulic fracturing. Keywords pulsed hydraulic fracturing; frequency; initiation pressure; sealing pressure 脉冲水力压裂技术是改造低渗储层的重要手段 之一，近年来部分国内外学者通过室内试验得出大 有裨益的结论[1-7]。 在脉冲水力压裂室内试验研究 中，试样中预制孔的密封问题对于水力压裂试验的 成败起着决定性的作用。目前已有很多科研人员针 对封孔材料的选择、密封参数测定与优化以及密封 判据的研究做了大量的研究工作[8-15]，且取得了一 定的成果。彭深等[8]针对接触类密封材料封孔问题 ChaoXing 第 2 期 骆中山等 水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响 191 提 出 了 两 个 判 据 ， 而 最 终 的 密 封 效 果 通 过 maxpmax1，pmax2p起裂来判定；吕有厂等[9]研究适应 不同情况下的耐高压组合封孔技术，优化有机和无 机材料组合封孔工艺；倪冠华等[7]利用无缝钢管模 拟钻孔，对 PD 复合材料进行了脉动水力压裂钻孔 密封参数的试验研究，综合确定了在某一注水压力 下的密封长度；葛兆龙等[10]、梅绪东等[11]对水力压 裂过程中钻孔的封孔力学性能进行了相关研究，并 给出了密封长度 l下所能承受的最大水压力 pmax。 以上研究都从不同角度解决了长期以来封孔缺少理 论基础的格局，但其前提大都基于恒压条件，鲜有 基于脉冲水力起裂压力的预制孔密封效果评价研究 的报道。因此，本文基于常规水压致裂技术以及高 压水力致裂技术中密封问题的研究基础上，开展脉 动压力下的密封机理及其对密封要求的试验研究。 以不同脉冲频率下煤岩起裂压力的损伤为切入点， 提出基于起裂压力的密封效果评价经验公式。同时 对压紧膨胀式发泡管密封与 AB 胶胶结密封这两种 常见的密封手段的密封机理进行分析，探索不同脉 冲频率对密封效果的影响， 获取脉冲水力压裂中的起 裂压力，确定密封的阈值条件，从而提高密封效果。 1 脉冲水压作用下封孔机理分析 1.1 密封机理分析 目前，水力压裂密封的手段可以分为两类胶 囊类封孔器封孔和密封材料封孔[11-13]。其中，胶囊 类封孔器封孔是通过压缩或充水、充气膨胀封孔 器上胶筒胶圈使得胶筒胶圈与孔壁紧密贴合，依 靠胶筒胶圈与孔壁的摩擦力来实现密封的作用， 这种封孔方式受胶筒胶圈材料以及孔壁光滑平整 程度的影响较大；而密封材料封孔则是通过向孔内 注入水泥浆液、环氧树脂或复合材料，与孔壁依靠 微渗入，胶结粘合为一体，同时依靠黏聚力与内摩 擦角所产生的胶结强度来实现密封的效果[11]。 本文所述的密封效果的优劣以在脉冲压力作用 下煤岩压裂破坏前， 不漏水不渗水作为评价的标准。 针对胶囊类封孔器，其密封失效的原因主要是因为 在脉冲水压作用下，胶囊沿径向方向的压缩，使得 其与钻孔孔壁之间产生间隙，进而因摩擦力不足胶 囊冲出而失效[14-15]；而密封材料封孔主要存在两个 问题第一个是密封材料凝结后产生的微裂纹，第 二个是在脉冲压力作用下胶结体与界面由于疲劳破 坏，使得界面被拉裂而失效。因此，对于胶囊类封 孔可通过增加摩擦力或降低胶囊的压缩性能来实现 封孔；对于密封材料封孔，可选择具有微膨胀性能 的材料作为密封材料或通过提高胶结界面的黏聚力 和内摩擦角，来实现封孔。总之，密封失效往往与 封孔段薄弱结合面有关，薄弱结合面在脉冲水压力 作用下易产生疲劳破坏，是造成封孔失效的主要原 因。在外界脉动压力作用下，水压容易沿薄弱面扩 散，使得在薄弱面上更易出现密封失效的情况。因 此，综上可看出密封材料的密封效果优于胶囊类密 封的效果的原因之一就是密封材料与孔壁胶结，改 善了薄弱面的特性，而胶囊类材料只是简单的封堵 作用。所以，在脉冲水压作用下，良好的密封界面 性能需满足可抵抗瞬间高压作用；具有在脉动压 力作用下较高的疲劳损伤强度。 综上所述，密封作用机理的研究主要集中在封 孔孔壁以及近孔壁部位的薄弱面上。尽管通过密封 材料与孔壁胶结后可改善薄弱面的性能，但对于密 封材料本身的力学性能而言，结合面仍然是密封的 薄弱环节，最终在压裂过程中流体很有可能会沿该 界面渗出而导致密封失效，而其失效机理可通过损 伤的相关理论进行解释在脉冲压力作用下，煤体 在薄弱面上产生微裂纹，微裂纹扩展，进而贯通破 坏失效。因此，想要达到良好的密封效果，需采取 相应措施减少微裂纹在薄弱面上的萌生及扩展，为 此本文拟采用的密封思路为当煤岩在脉动压力作 用下起裂产生微裂纹时，薄弱面未产生微裂纹。由 于煤岩在脉动压力作用下，产生张拉裂纹，将产生 初始张拉裂纹的瞬间脉动压力称为煤岩的起裂压力 pc，当薄弱结合面起裂时所需的压力pt大于煤岩 的起裂压力pc时，则认为密封成功，因此，提出以 下线性关系式作为判别密封成功与否的依据 tc pp 1 式中 t p为胶结面的起裂压力也是封孔压力， MPa；pc为煤岩起裂压力，MPa；为安全系数。 其中，影响胶结面的强度指标 t p的因素有密封的 材料，密封的尺寸，原岩的性质，脉冲的频率；煤 岩起裂压力 c p，除了与自身的结构构造，力学性质 有关外；脉冲的频率，围压也是影响原岩强度的重 要因素；安全系数必须大于 1。 1.2 煤岩脉冲损伤机理分析 根据煤岩脉冲水力压裂过程的实际情况，煤岩 脉冲水力压裂力学简化模型如图 1 所示，图中 v 为 轴向应力、 h 为侧向应力、pw为孔内脉冲水压。 另外，根据岩石力学相关理论，当天然应力等 于或者小于岩石单轴抗压强度的一半时，孔壁围岩 呈弹性变形状态，同时本实验的开展选取天然煤岩 的重塑样，忽略天然裂缝的影响，可近似的视为各 向同性、连续、均质的弹性体[16]；可得出孔壁周向 应力重分布大小  为 ChaoXing 192 煤田地质与勘探 第 46 卷 2cos2 hvhv  2 同时可知孔壁π/2 时孔壁重分布应力为最 小，即 min 3 hv  3 图 1 煤岩水力压裂等效受力示意图 Fig.1 Demonstration of equivalent force in hydraulic fractur- ing of coal 脉冲水力作用于下煤岩除了受到静荷载之外， 交变荷载也促进煤岩加速破裂，相比于高压水射流 或者普通水力压裂的作用，脉冲条件下煤岩的起裂 压力要低于岩石的抗拉强度值，即脉冲水压作用下 煤岩发生疲劳破坏[17]，依据谢和平等[18]脉动压力作 用下对损伤变量 D 的定义 after0after 00 1 E D E      4 式中 0after EE、分别为损伤前、后岩样的弹性模量； 0after 、分别为损伤前、后岩样的泊松比。 假设无损情况下煤岩的抗拉强度为 Ft，疲劳损 伤情况下煤岩的抗拉强度为 Ft’，建立如下关系 , tt ,Ff D F 5 由张国华等[19]在穿层钻孔起裂注水压力与起 裂位置理论中对常规水力压裂起裂注水压力的研究 结论 cmint 3 hv pF 6 建立在脉动水压裂下煤岩起裂压力为 , cmint 3 hv pF 7 综上所述，可得出脉冲作用下合理选择密封手 段的依据为不论何种密封手段，最终都需要满足 煤岩在经历疲劳损伤之后的密封压力仍然大于其起 裂压力。 2 脉冲水压作用下封孔试验 2.1 试验准备 本次试验的开展采用自主搭建的三轴加载脉冲 水力压裂系统，该系统由三部分构成三轴加载系 统，脉冲水力发生系统以及信息采集系统。 另外，试验过程中制备与原煤力学性能相似的 试样，试样的力学性能参数如表 1 所示。 表 1 模拟岩样力学性能参数 Table 1 Parameter table of simulated rock specimen mechanical properties 单轴抗压强度 Fp/MPa 泊松比 弹性模量 E/GPa 抗拉强度 Ft/MPa 7.25 0.184 3.87 0.832 2.2 预制孔设置与封孔 本次试验通过在相似试样顶面的中间位置钻一 直径 39 mm、长 150 mm 的沉孔作为脉冲水力压裂 的注液孔，并采用环氧树脂胶结封孔进行密封，预 制孔模型图及密封实物图如图 2 所示。 图 2 预制孔模型剖面图及密封实物图 Fig.2 Prefabricated hole model section and seal physical 2.3 试验方案 试验中，选用 5 组不同脉冲频率进行室内脉动 水力压裂试验， 各脉冲频率分别为 0 Hz、 2 Hz、 4 Hz、 6 Hz、8 Hz。而本试验不考虑压裂液黏度和地应力 对密封效果的影响，因此所有试验统一设定压裂液 黏度和地应力条件，其中压裂液黏度为 10 MPas， 轴向加载为 3 MPa，侧向加载为 1.5 MPa。 2.4 试验步骤 首先，通过在煤岩模拟样上钻孔为水力压裂提 供通道，安装好注水管并用环氧树脂进行密封，确 保脉冲水力压裂的正常进行，接着放样入加载平台 进行三轴加载，同时连通注液孔与脉冲发生装置； ChaoXing 第 2 期 骆中山等 水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响 193 准备就绪即开始同步采集缝内水压数据，同时观察 封孔位密封情况，如果出现渗液，缝内水压陡降即 结束试验；如果封孔位无渗液即密封效果完好，缝 内水压持续上升，即可继续水力压裂直到试样压裂 裂缝贯通出液，结束试验。 3 脉冲作用下密封效果对起裂压力的响应分析 3.1 脉冲频率对煤岩起裂时间的影响 图 3 为煤岩脉动水力压裂过程中不同脉冲频率 对应孔内压力随时间变化的曲线。对比不同频率下 起裂时间，即在图 3 中反映出的从脉冲水压出现上 升至达到峰值的这段时间， 图中用 T脉冲频率来表 识；图 4 为不同频率下起裂时间变化图，可以发现 脉动压力下起裂时间大于常规水压起裂时间，同时 随着脉冲频率的增加，煤岩的起裂时间有明显的下 降，6 Hz 起裂所需要的时间最少，6 Hz 之后，起裂 时间略有上升。 3.2 脉冲频率对煤岩起裂压力的影响 通过绘图软件读取脉冲水压的峰值点，作为煤 岩的脉冲起裂压力， 并绘制出图 5a 脉冲水力压裂过 程中起裂压力随脉冲频率的变化曲线，从图中可明 显的看出，随着脉冲频率的增加，起裂压力呈现先 减小后增加的趋势， 且在脉冲频率为 4 Hz 时达到最 低值，其变化的总体趋势符合脉冲加载下煤岩发生 破坏的基本观点，即认为煤岩的起裂是由于脉动压 力引起煤岩损伤能量的积累，最终出现疲劳损伤而 破坏。 而在脉冲频率为 4 Hz 之后煤岩起裂压力出现 转折的原因是由于在脉冲作用下，脉冲作用次数以 及单次脉冲作用的强度图 3 中的脉冲幅值共同影 响煤岩强度的损伤变量，为此，绘制脉冲次数脉冲 频率 f 乘以孔内压力上升至峰值压力所需时间 Ti与 起裂压力的关系，如图 5b 所示，从图中可以发现， 起裂压力随脉冲次数变化规律具有与图 5a 相一致 的结果，即起裂压力在 4 Hz 出现转折，可认为脉冲 频率小于 4 Hz 时， 脉冲作用的次数对起裂压力起主 要影响作用；当脉冲频率大于 4 Hz 时，由于单次脉 冲作用的强度出现较大的变化，使得单次脉冲作用 的强度对起裂压力的影响占主要地位；脉冲作用的 次数与单次脉冲作用的强度又同时影响煤岩强度的 损伤变量进而对起裂压力产生影响。具体可以表述 为当脉冲频率小于 4 Hz 时，脉冲次数虽少，但单 次脉冲强度较大，表现出损伤变量增加，从而起裂 压力出现递减的趋势；当脉冲频率大于 4 Hz 时，脉 冲次数增加，但单次的强度却明显下降，使得损伤 变量减小，表现出起裂压力递增的趋势。综上所述， 煤岩的起裂压力与脉冲频率有关，当脉冲频率较低 图 3 不同脉冲频率下煤岩孔内水压随时间变化图 Fig.3 The picture of variation of water pressure in coal hole with different pulse frequency 时，可通过较大的幅值变化在短时间内使得煤岩起 裂；当脉冲频率较高时，可通过增加脉冲作用时间， ChaoXing 194 煤田地质与勘探 第 46 卷 促使煤岩起裂。也就是说，脉冲频率通过对脉冲幅 值的影响，进而影响煤岩的起裂压力与起裂所需要 的时间。 图 4 不同脉冲频率下煤岩起裂时间变化图 Fig.4 Variation of coal rock initiation time under different pulse frequencies 图 5 脉动水力压裂过程中煤岩起裂压力随频率以及脉 冲次数的变化曲线 Fig.5 The variation curve of peak pressure of coal rock with frequency and pulse number during pulsating hydraulic frac- turing 3.3 密封阈值对煤岩起裂压力的响应分析 本文利用前文提出的脉冲水力压裂情况下，煤 岩起裂压力公式7计算出脉冲频率为 0 Hz 情况下 的起裂压力值p0， 并结合试验中所得各频率下起裂 压力，建立煤岩起裂压力的损伤值计算公式 0i ppp  8 式中 p为煤岩起裂压力损伤值，MPa； 0 p为连续 流体作用下煤岩起裂压力，MPa；pi为各频率下煤 岩起裂压力，MPa。 根据式8计算各脉冲频率下煤岩起裂压力的 损伤值，其结果如表 2 所示。 表 2 各脉冲频率下煤岩起裂压力的损伤值 Table 2 Damage value of coal rock initiation pressure at each pulse frequency 频率 f/Hz 煤岩起裂压力损伤值∆p/MPa 0 0 2 0.49 4 0.90 6 0.08 8 0.02 其后，拟合得出不同脉冲频率与煤岩起裂压力 的损伤值之间的关系图，如图 6 所示。 图 6 不同频率下煤岩损伤强度值拟合曲线关系图 Fig.6 Fitting curve diagram of damage strength value of coal rock at different frequencies 图 6 的关系反应脉冲频率对煤岩强度损伤的影 响，在频率 24 Hz 起裂压力的损伤值最大。因此， 建立脉冲作用下频率与起裂压力损伤值关系的经验 表达式如下 32 0.00880.146 60.61540.044 9pfff 9 因此，根据式8可得在脉冲作用下煤岩的起裂 压力经验表达式为 3 00 2 Δ0 0088 0 146 60 615 40 044 9 i pppp.f .f.f.   （ ） 10 考虑到密封成功的关键是薄弱结合面起裂压力 对脉冲水压力周期性疲劳损伤的响应过程，本文将起 裂压力值作为密封压力的阈值，当密封压力大于密封 压力阈值表示密封成功，同时引入安全系数，得出煤 岩在脉冲作用下起裂压力与密封压力的关系式 32 t0 0 00880 146 6 0 615 40 044 99 i pλpλ p.f.f .f.   11 式中 为安全系数，取大于 1 的常数； t p为封孔 压力。 4 结 论 a. 脉冲作用下煤岩的损伤是一种疲劳损伤过 ChaoXing 第 2 期 骆中山等 水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响 195 程， 其起裂压力的大小受到脉冲频率的影响， 随着频 率的增加， 起裂压力先减小后增大， 且在脉冲频率为 4 Hz 的时候达到最小值，起裂压力的损伤值最大。 b. 建立的起裂压力对密封压力的评价关系，对 于评价密封效果具有可操作性。 c. 影响脉冲起裂压力的因素较多，本次只考虑 频率对脉冲起裂压力的影响具有局限性，因此，可 考虑多因素对脉冲起裂压力影响，进而优化封孔压 力评价体系。 参考文献 [1] 陈江湛， 曹函， 吴晶晶. 脉冲水力压裂下煤岩造缝时间效应研 究[C]//第十八届全国探矿工程岩土钻掘工程技术学术交 流年会论文集. 北京地质出版社，2015547–553. 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