“非常规天然气储层甲烷原位燃爆压裂新理论与新技术”专栏

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“非常规天然气储层甲烷原位燃爆压裂新理论与新技术”专栏

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2023年12期，共6篇研究成果。

行业视野: 煤层气
类别; 29个
关键词; 31位
专家; 6篇
论文; 1913IP
点击量; 502次
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甲烷燃爆载荷下页岩裂缝网络发育特征与定量分析

作者(Author)：柴亚博, 罗宁, 张浩浩, 李鹏龙, 周嘉楠, 廖禹成

摘要：甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩储层原位解析的甲烷气体与人工注入的助燃剂混合燃爆，从而压裂页岩储层形成可供甲烷气体运移的有效裂缝网络的变革性技术。利用自主研发的燃爆系统，获得甲烷−氧气燃爆压力曲线特征，结合理论模型和数值模拟方法研究了甲烷−氧气燃爆压力载荷作用下深部页岩射孔孔道周围有效裂缝网络的发育特征，并对其进行了定量分析。研究结果表明：初始应力条件对岩体应力分布状态具有明显的影响，更大的初始应力偏差导致更高的应力集中；甲烷−氧气燃爆压力的平均升压时间为85 μs；初始地应力对裂纹网络的发育具有明显的抑制作用，各向同性初始应力条件下，裂纹发育均匀呈圆形辐射状，而各向异性时，裂缝更倾向于更高初始应力方向生长，且倾向程度弱于爆炸压裂；燃爆压裂能够有效减小燃爆破碎区域面积，更有利于形成更多、更长径向裂缝；燃爆峰值压力增高对于径向裂缝末端的环向裂缝生长具有促进作用，更有利于沟通储层内天然裂缝构造复杂裂缝网络；甲烷−氧气燃爆载荷下，页岩破裂(有效裂缝)和破碎损伤阈值Ds分别选取为0.15、0.70，裂缝发育率Ps与损伤阈值Ds间数学表达近似为幂函数；E−10、E−40、E−80工况条件下的有效裂缝发育率分别为18.92%、14.11%、8.85%，燃爆峰值压力的增高能够明显促进有效裂缝发育率的增加，促进形成高度复杂裂缝网络。

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煤炭学报

2023年第12期

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燃爆载荷冲击下五峰—龙马溪组页岩断裂韧性及破坏模式

作者(Author)：余旭, 石克龙, 王宇, 刘厅, 唐伟

摘要：燃爆压裂是页岩气储层改造增产的一种无水压裂技术，弄清燃爆载荷冲击下页岩断裂韧性及破坏模式是甲烷燃爆压裂推广应用的关键。断裂韧性是页岩储层压裂效果评价的重要指标，实现燃爆载荷冲击下试样裂纹复杂程度的定量表征以确定页岩的破坏模式。选取四川省宜宾市长宁五峰—龙马溪组一段页岩样品，基于自主搭建的甲烷燃爆冲击和SHPB试验系统开展研究，结合动态断裂理论确定了一种计算各向异性页岩动态断裂韧度的方法，并探究燃爆载荷冲击作用下页岩的断裂韧性及损伤破坏特征。结果表明：在不同燃爆加载速率下，试样动态断裂韧度随层理角度的增加呈线性增加趋势，相比静态断裂韧性显著增大，90°层理页岩试样的断裂韧度最大达到4.98 MPa·m1/2；随着加载速率的增大页岩动态断裂韧度显著增大，如0°层理试样在157.57 GPa·m1/2/s的加载速率下的断裂韧度值为4.93 MPa·m1/2，而加载速率为35.43 GPa·m1/2/s时的断裂韧度为1.72 MPa·m1/2，降低了2.9倍；同时，受页岩层理角度的影响，高加载速率下页岩试样裂纹扩展方向发生偏移转向、顺层延申和切层现象，使得裂缝网络整体结构更加复杂；在燃爆载荷冲击试验中，页岩初始起裂角为0°～70.51°，依据岩石断裂理论可知属于I−II型复合断裂类型；随着燃爆载荷由20～25 MPa增长到66～71 MPa，裂纹的尺寸和数量显著增长，且起裂角分布范围明显增加；燃爆压力达到50 MPa以上时，试样裂纹数量和偏转模式增多，伴随着岩体的剪切滑移现象，能够形成复杂树状裂纹，对页岩储层复杂裂缝网络有着正向作用。

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煤炭学报

2023年第12期

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自支撑条件页岩裂缝的压缩特性分布及各向异性演化

作者(Author)：黄婷, 翟成, 刘厅, 孙勇, 郑仰峰, 陈爱坤, 徐宏阳, 来永帅

摘要：甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩原位解吸甲烷与氧气协同燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂页岩储层，具有广泛的应用前景。燃爆过程中会在压裂裂缝周围产生页岩碎屑颗粒，对裂缝通道形成一定的自支撑作用。其中，页岩碎屑颗粒作用下页岩压裂裂缝的压缩闭合行为及裂缝开度演化是亟待研究的关键问题。以平行层理无支撑(PBU)、平行层理自支撑(PBS)、垂直层理无支撑(VBU)和垂直层理自支撑(VBS)4种试样为研究对象，利用非接触式全场应变测量装置探究了应力加载过程中自支撑颗粒和层理对页岩裂缝压缩变形行为及各向异性演化特征分布的影响。结果表明，所有试样沿着加载方向均可划分为4个特征区域：裂缝区、近基质区、远基质区和无影响区，各区域垂直位移沿加载方向均呈线性下降趋势，且对应下降速率依次减小，在无影响区接近0。自支撑颗粒改善了层理方向对裂缝压缩特征沿裂缝走向分布差异的影响。自支撑裂缝的开度可压缩分量、不可压缩分量及可压缩分量占比分别为无支撑裂缝的47～56倍、11倍和4～5倍。引入层理各向异性系数(IBA)定量化分析自支撑颗粒对页岩裂缝变形各向异性演化特征的影响。应力加载过程中，各试样的IBA均依次经历了：IBA下降区、IBA陡增区、IBA震荡区和IBA平稳区。自支撑颗粒缩短了IBA震荡区范围(1～5 MPa)，提高了IBA平稳值(5.6)，消除了不同层理间的IBA平稳值差异。

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煤炭学报

2023年第12期

282

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不同燃爆载荷作用下页岩破裂特性及孔裂隙结构改性规律

作者(Author)：翟成, 王宇, 刘厅, 徐吉钊, 唐伟, 罗宁

摘要：页岩储层甲烷原位燃爆压裂是一项新型无水压裂技术，不同燃爆载荷下井周的破裂特性及孔隙结构改性规律尚不明确，无法为关键工艺参数的确定提供依据。自主搭建耐压100 MPa燃爆管道，对ϕ55 mm×55 mm筛管完井页岩试样进行不同燃爆载荷的冲击压裂实验，实验过程中采集爆炸压力−时程曲线，取样表征页岩破裂形态随燃爆载荷的变化规律，通过典型裂缝面分析燃爆压裂致裂机理，通过ϕ1 000 mm×1 000 mm页岩相似材料燃爆压裂实验，阐明燃爆载荷压裂储层的主控因素，基于压汞法表征不同燃爆载荷下页岩孔裂隙结构的演化规律，主要结论如下：① 提升燃爆混合气体的初始压力能够显著提升燃爆峰值载荷和压力上升倍数，增强燃爆威力；② 随着燃爆载荷的提高，井周由单一主裂缝转变为多条径向裂缝协同起裂，但燃爆载荷过大容易在井周产生粉碎性破坏，本研究中最佳爆炸压力为71 MPa；③ 燃爆冲击波和爆轰产物气楔扩缝效应是导致裂缝起裂−扩展的主控因素，燃爆压裂有利于构建粉碎区范围小、裂隙区范围大的裂缝体系；④ 燃爆冲击波主导页岩大孔和微裂隙体积随燃爆载荷升高而显著提升，动态冲击和高温热效应的双重控制机制导致微孔呈先降低后升高的变化规律。本研究通过实验室及大尺度燃爆压裂实验阐明了燃爆载荷对井周储层破裂特性和孔裂隙结构改性的控制机制。

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煤炭学报

2023年第12期

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甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究

作者(Author)：吴飞鹏, 赵志强, 薛海洁, 范贤章, 陈佳豪, 李娜, 刘静, 郭天魁, 曲占庆

摘要：甲烷原位燃爆压裂是通过地面投放的助燃剂与地层产出的甲烷气，在页岩气井筒内目标层段原位燃爆，实现强化压裂储层的新技术。其中明确甲烷爆燃压裂中储层岩石动态破坏规律，是确保压裂效果和井身安全工艺设计的基础。基于此，为明确甲烷原位燃爆压裂过程中，聚能流体泄入性冲击破岩规律及其主控因素敏感性，借助岩石动态冲击损伤模拟实验装置，针对龙马溪组海相页岩露头，开展拟三轴、真三轴条件下的冲击压裂破岩实验共24组，通过对冲击破岩过程中模拟井眼压力的高频跟踪、压后岩样破裂形态及裂缝面特征观测，分别考察了120～285 MPa理论峰值压力、20.9～131.7 MPa/ms理论加载速率、储层应力与层理方位等对冲击破岩的影响，用铜箔对模拟井眼孔壁密封考察了应力冲击与泄入冲击对岩样破坏形态的影响。结果显示：聚能流体泄入性冲击可形成楔裂效应，降低页岩动态破裂强度，页岩动态强度与升压速率的正相关性弱于纯应力冲击；平行层理页岩、较低的地应力水平，均可减小页岩动态破裂强度；纯应力冲击更易形成复杂缝网，裂缝表面凹凸性强；聚能流体泄入冲击致裂后的裂缝走向平直，且随着升压速率增大，其裂缝条数及复杂程度增加、裂缝面剥离碎裂现象增强；模拟井眼轴线与页岩层理面平行时，压后裂缝面平整、粗糙度小、起伏小；模拟井眼轴线与页岩层理面垂直时，压后裂缝走向曲折、表面起伏大、裂缝网更复杂；页岩水平挤压应力较小，压后裂缝面粗糙，伴随有大量脱落物；随着岩样挤压应力增大，流体楔入基质实现二次冲击的阈值升高，压后页岩脱落物粒径逐渐减小。基于不同参数组合下页岩冲击破坏模式的对比分析表明: 甲烷原位燃爆冲击过程是应力冲击与流体泄入性冲击的复合作用，随着冲击升压速率的提升，聚能流体泄入性冲击作用程度逐步加大，压后页岩逐步呈现出应力致裂−流体协同扩缝(27 MPa/ms)、应力致裂−流体冲刷破坏(52 MPa/ms)以及纯应力致裂−流体二次冲击破缝(116 MPa/ms) 三种破坏模式；基于实验结果建立的3种破坏模式与加载速率、储层应力的关系图版，用于不同应力条件下甲烷原位燃爆冲击参数的优化设计。

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煤炭学报

2023年第12期

349

94
甲烷燃爆压裂技术的实验研究

作者(Author)：江堃, 邓守春, 李海波

摘要：页岩气资源的高效开发事关我国现代化建设全局，承担着助力“双碳”目标实现的重要使命。鉴于水力压裂耗水量大以及压裂液造成地层不可逆污染，寻求一种更为科学绿色的压裂技术已成为国内外专家研究的热点。提出了采用甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的新思路，该技术利用电火花点火使储层甲烷与泵入的助燃剂发生燃爆，依靠瞬间产生的高压冲击储层岩石进行压裂，使储层产生一定规模且不受地应力控制的复杂裂缝网络。其优势在于可以防止地层污染，减少地面运输费用，有望成为一种高效、环保的低成本无水压裂技术。利用自主设计的包括致裂装置、气体充装、点火控制和数据采集系统在内的甲烷燃爆压裂实验系统开展了大尺寸物模(ϕ2.0 m×1.5 m)的地面压裂实验，记录了致裂管内空腔压力和井壁压力时程曲线，并与爆炸压裂、水力压裂的井筒压力和成缝特征进行对比。结果表明：燃爆过程中管内膛压峰值为495.18 MPa，是充注压力的82.5倍；试样破碎度低且粉碎区小，主裂缝为7～9条，缝宽在厘米级；甲烷燃爆压裂致裂能量充足、影响范围大、对井筒的损害程度可由充注压力控制；与爆炸压裂和水力压裂相比，该技术拥有更长的高压作用时间，更有利于裂缝起裂扩展，裂缝数量多于水力压裂，长度优于爆炸压裂，可获得最佳压裂效果。通过实验研究记录了高初始压力下甲烷−氧气混合物发生燃爆达到的峰值压力和升压速率，验证了甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的可行性，可为该技术未来的实际应用提供数据参考和技术指导。

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煤炭学报

2023年第12期

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