毕业论文体积压裂水平井数值模拟
目前，要从物理模型来研究分段压裂水平井的参数还不成熟，也缺少这样的手段，因此，多运用数值模拟技术及油藏工程方法来对分段压裂水平井开发技术进行优化研究。
(1)水平段方位：根据测井资料、岩心实验、微地震监测结果确定区域最大主应力方向，落实水平井方位。
(2)水平井垂向位置：考虑储层条件 (厚度、垂向物性变化、隔夹层)、地应力及人工压裂规模等因素确定水平井垂向位置。
(3)水平井水平段长度：根据数值模拟结果确定最优水平段长度。不是水平井段越长越好，存在一个合理的长度。
(4)水平井压裂段数的确定：采用渗流理论计算获取油井泄油半径来初步确定优化后水平井长度下的裂缝条数(即段数和间距)；油井泄油半径主要通过数值模拟方法和启动压力梯度法获取，其中数值模拟法需要试井解释成果，而启动压力梯度法是通过地层原始压力和井底流压来计算获取油井泄油半径。
(5)确定最优压裂方式：根据压裂缝间干扰、储层条件、流体分布等确定分段压裂方式 (包括水平段的第一段和最后一段的压裂位置、压裂模式)。常见裂缝模式很多，目前主要采用的两种裂缝模式如图、图 所示。
图 等缝型示意图
图 近U 形示意图
(6)压裂缝参数的确定：针对油藏地质条件，设计不同的缝长、缝高、缝宽进行模拟，以获得最优压裂缝规模参数，为将来水平井的压裂施工设计提供依据。这些参数的确定，对于研究裂缝的导流能力和产能计算有重要的意义。
(7)开采方式：目前使用最广泛的布井方式就是水平井+直井联合布井技术。水平井生产，垂直井注水。但是由于水平井的开发技术政策界限研究在油藏工程中并不完善，因此这样的联合部井方式需要通过数值模拟进行研究，其尚存在一定的缺陷。
(8)井网、井距确定：研究水平井井排方向与主裂缝的合理匹配关系，开展合理井网形式、井距研究。
(9)合理产量和稳产年限的研究。
(10)经济评价：对水平井开发优化方案进行经济评价。
数值模拟中一般都是你说的用生产指数或联通系数来模拟直井或水平井与油藏的联系的，解析方法中也是采用类似的思路来计算井的产能，如果用解析公式算就不算是数模的范畴了。
试试以下方法ECLIPSE热采模型，是用有限差分方法建立的。它提供的工具，有助于从非常规油藏中优化采收率。模拟包含油/气/水/三相的稠油热采过程，考虑上下盖层及围岩的热损失，以及温度对岩石和流体属性的影响。 热采模型涉及到热化学处理、泡沫、表面活性剂、摩擦力、热损失和沥青质等各种不同的技术问题。ECLIPSE的热采模型考虑了热传导物理学的所有方法：包括温度与相对渗透率关系、温度与粘度关系、温度与岩石和流体属性的相互关系等。 ECLIPSE 热采模型可以模拟四种相态：仅含有烃组分的油相、含有烃组分和水组分的气相、仅含有水组分的水相、用于化学反应的固相。ECLIPSE 热采模型可按以下三种模式之一运行：活油，用K-值定义平衡；死油，烃组分是非挥发性的；黑油，利用温度选项关键字。 • 同黑油模型一样，具有处理复杂地质情况的能力 • 组分模型的选项 • 数据一致性检查 • 多种初始化选择：重启动、平衡计算、直接赋值、赋值和平衡计算混合 • 黑油、组分或热采模型重启动 • 沥青析出、沉淀和储层伤害模拟 • 先进的三相相对渗透率和毛管压力模型 • 热流体(水,蒸气,气体及它们的混合物)驱 • 火烧油层—湿式或干式，正向或反向 • 热水驱 • CO2、N2及轻烃混相驱 • 蒸汽吞吐，蒸汽驱 • 辅助重力蒸汽驱(SAGD) • 井筒或地层加热 • 泡沫油 • 裂缝油藏（双孔/双渗） • 多段井SAGD精确模拟 • 储层压实 • 蒸气产出速度控制 • 温度控制产量递减 • 全新的快速线性解法器JALS，计算速度大幅提高 • 高效并行计算 • 增加了Vinsome热损失模型
流体力学数值模拟期刊
《空气动力学学报》，1980年创刊，1983年国内外公开发行，是中国空气动力学会主办的国家综合性一级学术刊物。多年来，刊物在学会的领导下，在中国空气动力研究与发展中心的支持下，在编委会和编辑部的共同努力下，遵循“理论上有创新、学术上有新思想、理论与实际结合上有新特色、新方法、应用上有较大价值”的办刊宗旨，在编辑出版工作中取得了很好的成绩，使刊物成为国内外公认的代表中国空气动力研究和发展水平的高科技学术期刊，成为航空航天类核心期刊的佼佼者。是我国比较好的计算流体力刊物。
JFM（Journal of Fluid Mechanics）是流体力学、数值计算和应用数学领域内的顶级权威期刊。
与该领域中的其他权威期刊如Physics of Fluids, PRE, PRL相比，JFM无疑是这里面的最好期刊，没有之一，这与其创办者：流体力学大家乔治·巴切洛（George Batchelor，1920-2000）有着密不可分的关系。
其实，说起JFM的历史，几乎等同于乔治·巴切洛的个人发展史。这是因为该期刊自1956年创刊以来，老乔一直担任了长达40年的主编。创刊的前几年，老乔甚至是该期刊唯一的编辑，后来终于有了一组副主编来协助安排文章的评审。
流体力学的研究领域包括但不限于：
（1）理论流体力学；
（2）水动力学；
（3）气体动力学；
（4）空气动力学；
（5）悬浮体力学。
以上内容参考：百度百科-流体力学
这是要找来参考还是找来投稿的
这一领域，排第一位的应该是Journal of Computational Physics（不才在上面发过两篇），几乎所有CFD领域的数值离散方法的原创性、实质改进性的文章都发表在这一期刊上，譬如激波捕捉方法中的TVD、ENO、WENO格式，迎风格式通量计算方法中的Roe,van Leer,AUSM系列格式，非结构网格上的高精度算法DG、SV、SD等，以及两相流中VOF(volume of fluid,Hirt与Nicholes的原始文献已经被引8K＋次了), level set（Osher的原始文献(JCP,1988)已经被引14K＋次了）的方法。两相流上的论文被引用次数高的一个主要原因是这方面的算法不仅仅可用于CFD计算，也可用于图像处理等其它领域。Osher因为在Level Set，TVD/ENO/WENO等方面开创性的工作，是被国际数学家大会邀请做过一小时报告的人物。此外，采用偏微分方程进行网格生成的开创性工作（Thompson等，1974，JCP）也发表在这上面。还有许多就不一一列举了。2016年之前，中科院分区里面将JCP分为大类物理三区，小类二区，今年已经改为大类二区，小类一区了。此外，还有Computer Method in Applied Machnics and Enginering（CMAME），这一期刊也是计算力学领域的顶级期刊，不过主要发表的计算固体/结构力学领域的工作，也有一部分工作是关于计算流体力学的，比如不可压流计算中经典的QUICK格式于1979年发表于该期刊。另外还有Journal of Scientific Computing，最近这一期刊在算法上的影响力已经接近JCP了。SIAM Journal of Scientific Computing.这一期刊上的许多文章是关于算法在数学方面的深入分析，我因为理论数学功底的欠缺，里面许多文章并不是很懂。次一档次的期刊有International Journal for Numerical Methods in Fluids,以及Computers & Fluids.一般被JCP拒搞的改投这两份期刊。如果在算法上做出了一定的改进，如果投JCP希望不大的话，可以考虑投这两份期刊。
数值模拟方法毕业论文
本科毕业论文的研究方法有调查法、实验法、规范研究与实证研究、定量分析与定性分析、文献综合法和个案研究法、跨学科研究法。
毕业论文，按一门课程计，是普通中等专业学校、高等专科学校、本科院校、高等教育自学考试本科及研究生学历专业教育学业的最后一个环节，为对本专业学生集中进行科学研究训练而要求学生在毕业前总结性独立作业、撰写的论文。
从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或理论问题进行 科学研究探索的具有一定意义的论文。一般安排在修业的最后一学年（学期）进行。
学生须在教师指导下，选定课题进行研究，撰写并提交论文。目的在于培养学生的科学研究能力；加强综合运用所学知识、理论和技能解决实际问题的训练；从总体上考查学生学习所达到的学业水平。
论文题目由教师指定或由学生提出，经教师同意确定。均应是本专业学科发展或实践中提出的理论问题和实际问题。
通过这一环节，应使学生受到有关科学研究选题，查阅、评述文献，制订研究方案，设计进行科学实验或社会调查，处理数据或整理调查结果，对结果进行分析、论证并得出结论，撰写论文等项初步训练。
2020年12月24日，《本科毕业论文（设计）抽检办法（试行）》提出，本科毕业论文抽检每年进行一次，抽检比例原则上应不低于2%。
以上内容参考 百度百科-毕业论文
你好：不知道你是学文科还是理科的毕设呢？两者差别较多。给你个笼统的思路吧。一般设计都是，查阅资料和文献，发现存在的问题或不足，提出改进意见，最后给出结论。而你重点问的是研究方法，这个有很多，比如对比分析，根据实例总结归纳，数值模拟分析，调查研究等等。
1、归纳方法与演绎方法：归纳就是从个别事实中概括出一般性的结论原理;演绎则是从一般性原理、概念引出个别结论。归纳是从个别到一般的方法;演绎是从一般到个别的方法。
门捷列夫使用归纳法，在人们认识大量个别元素的基础上，概括出了化学元素周期律。后来他又从元素周期律预言当时尚未发现的若干个元素的化学性质，使用的就是演绎法。
2、分析方法与综合方法：分析就是把客观对象的整体分为各个部分、方面、特征和因素而加以认识。它是把整体分为部分，把复杂的事物分解为简单的要素分别加以研究的一种思维方法。
分析是达到对事物本质认识的一个必经步骤和必要手段。分析的任务不仅仅是把整体分解为它的组成部分，而且更重要的是透过现象，抓住本质，通过偶然性把握必然性。
3、因果分析法：就是分析现象之间的因果关系，认识问题的产生原因和引起结果的辩证思维方法。使用这种方法一定要注意到真正的内因与结果，而不是似是而非的因果关系。
要注意结果与原因的逆关系，一方面包括“用原因来证明结果”，同时也包括“用结果来推论原因”。不同的事物，一般都一身二任，既是原因，又是结果，而且一个结果往往有不同层次的几个原因。因此，在研究过程中，对所分析的问题必须寻根究底。
4、比较分析法：比较分析法又称类推或类比法。它是对事物或者问题进行区分，以认识其差别、特点和本质的一种辩证逻辑方法。在资料不多，还不足以进行归纳和演绎推理时，比较分析法更具有价值。康德说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往能指引我们前进。”
5、定性分析法与定量分析法：就是通过确定事物的质的关系和数量关系以认识问题和分析问题的辩证思维方法。任何事物或任何问题都是质和量的统一，事物的质量。表现为一定的量，又表现为一定的质。
因此，在研究中，只有弄清质的方面，又弄清量的方面，才能找出其中规律性的问题。在研究中，定性分析就是据事论理，划清事物质的界限。定量分析就是对问题的规模、范围、数目等数量关系的情况及变化，进行精确的统计，计算、分析、对比，就是弄清事物发展中量的变化关系。
6、观察法：观察法是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法。科学的观察具有目的性和计划性、系统性和可重复性。
7、文献研究法：文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。
扩展资料：
任何一项研究都离不开方法的支撑。没有研究方法的科学研究是不存在的，没有研究方法，其研究就成了无源之水、无本之木，就不是真正的研究。
1、培根用实验法最早发现了热的运动本质；
2、笛卡儿用他提出的直觉——演绎创立了解析几何学；
3、伽利略用实验——数学方法发现了自由落体定律，运用理想实验出现了惯性定律，开创了动力学研究的先河；
4、牛顿用公理化的方法、归纳与演绎的方法完成了经典力学体系；
5、汤姆生、卢瑟福、玻尔等用模型化的方法揭开了物质微观粒子的结构，建立了各种原子结构模型；
6、爱因斯坦运用理想实验方法、演绎方法和各种非理性的直觉、顿悟方法创立了相对论；
7、康德和拉普拉斯运用思辨的方法与假说方法提出了天体演化学说；
8、拉瓦锡用定量方法、理论思维方法创立了氧化学说；
9、凯库勒以基本灵感与想象发现了苯的环状结构式；
10、门捷列夫用分类、比较法发现了元素周期表；
11、海特勒与伦敦等把量子力学的理论引入了化学研究，创立了量子化学。
达尔文用观察法、实验法、分类法、比较法等提出了进化论。从中不难发现，这些物理学、化学、天文学等自然科学领域的研究成果都是通过各种各样的方法来实现的。吴文俊的数学、袁隆平的杂交水稻等最新研究成果也都是采用新的方法取得的，因此，要想做好研究工作，取得一定研究成果，必须使用一定的研究方法。
参考资料来源：百度百科-研究方法
你好：这个问题是经过深入思考提出的，且是困扰很多人的基本问题，有的不确定怎么问。由于不管本科毕业论文，还是研究生毕业论文，甚至科学研究，针对这点，基本方法都是一样的。为此，常见的有比较方法、历史资料借鉴方法、实验或者实例方法、理论或者数值模拟分析法、引用借鉴方法，等等。
数值模拟做毕业论文好做吗
首先论文要真实，不能凭空捏造数据，实验要有可重复性和再现性，还有著作权存在争议，引用他人的文献资料时一定要标注好出处，最后就是创新性不强，大多数是在原有的实验基础上稍作改动就成了新的实验方法等等。
盲审其实并不可怕，不要觉得盲审多么难，只不过盲审有个特殊性，那就是盲审基本不存在百分百通过这回事。从我的经验来看，盲审最喜欢的就是普通的大路货论文。这一点很多人包括很多导师等都没有一个正确的理解，认为论文做的越有创新性，越独特，越有深度等越容易过。但其实恰恰相反，并不是如此。这就涉及到盲审的本质问题了，那就是盲审没人会给你仔细看论文的。大部分给你盲审的人甚至都不会给你完整读一遍论文，如果你的论文能快速的被他们看懂，那么被毙的风险就小。相反，如果短时间内不能被看懂，那就可能会出现问题。
第1点就是写论文一定要注重于故事情节，所以很重要，第2点应该注重整个内容的规划都很重要，第3点应该注重整个的细节的规划，所以都很有难度。
毕业论文好不好写取决于你有没有好好的去做设计。
一般毕业设计都是老师给一个课题，说明大概的方向，然后就交给你自己去做。
很多本科生拿到毕业设计的课题后都不知道要从哪里下手，然后胡乱做一通，设计不好好做，论文肯定写不出来了。
论文难写的原因是没有做好毕业设计，可以从以下几个方面入手：
查阅文献
这是非常重要的一步，很多同学不知道如何做毕业论文就是因为他们不查阅文献，不查阅文献，不知道别人怎么做的，你在那里能凭空想出来吗？
一定要查阅跟你课题相关的资料，看看目前有没有人做过类似的课题，他们都做的什么，为什么这么做，采用什么方法去做的。把这些资料查清楚了，你在他们的基础上做一些创新和改进，就是你毕业设计要做的东西。
动手去做
不管是做实验还是数值模拟仿真，一定要亲自动手去做，只有自己去做了，才能发现问题，才能有更深入的理解。自己动手做了，才有实验数据，将来写论文的时候才有干货啊。
基本上经过文献查阅，自己的实践，你已经对你的课题了解的七七八八了。接下来就是写毕业论文了。
毕业论文无外乎就说清楚这几件事情就行：
课题的研究背景：你为什么要去做这个课题，别人都怎么做的，你打算怎么做。
课题的理论基础：你这个课题是基于学科中的哪些理论基础，或者说你在进行课题研究的时候用到了哪些学科知识等。
课题的研究内容和研究方法：你都主要做了哪些研究，采用的什么具体方法去研究的。
课题的研究结果：通过你的研究，获得了哪些结论。
最后就是总结致谢什么的就很好写了，感谢一下你的父母，导师，同学就行了。
总之，只要认真去做了，有结果有干货，论文是很好写的。什么资料也不查，什么也不做，那肯定写不出来了。
水力压裂论文参考文献
杨庆龙 吴财芳
( 中国矿业大学资源与地球科学学院 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 徐州 221008)
摘 要: 本文从剖析射孔完井的优缺点出发，结合山西省沁水盆地寺河矿区某井所采取的完井工艺技术，对沁水盆地煤层气气井的射孔完井技术进行适应性探讨。研究发现: 各个地区的地层属性都有其独特性，有必要根据本地区地层的区域性的具体特点，对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善; 必须高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题; 研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系，以及其他低伤害高效压裂液是煤层气钻井完井技术的重要保障。
关键词: 沁水盆地 煤层气 射孔 钻井 完井
Study of Qinshui Basin CBM Technical Adaptation of Perforated Completion
YANG Qinglong WU Caifang
( 1. The School of Resources and Earth Science，China University of Mining and technology， Ministry of Education Key Laboratory of CBM resources and accumulation process， Xuzhou，221008，China)
Abstract: Base on the technology of well completion in Sihe mine of Qinshui Basin，This paper analyzes the advantages of Perforated completion，and Discuss the adaptation about it in Qinshui Basin CBM wells. The results indicate that: the formation of each region has its unique properties，it is necessary to make corresponding im- provement process about the drilling technique of CBM wells according to the regional stratigraphy of the region's specific characteristics; we must attach great importance to pressure harm to coal seam during CBM drilling and completion; it is an important guarantee to research more low density，low solids，high strength cement slurry and other low damage，Efficient fracturing fluid for CBM drilling and completion technology.
Keywords: Qinshui Basin; CBM; Perforation; Drilling; Completion
项目资助: 国家 “973”煤层气项目 ( 2009CB219605) 、国家科技重大专项项目 ( 2011ZX05034) 、国家自然科学基金重点项目 ( 40730422) 及青年科学基金项目 ( 40802032) 资助。
作业简介: 杨庆龙，男，1987 年 7 月出生，中国矿业大学资源与地球科学学院，在读硕士，专业方向: 煤层气勘探与开发，Tel:，E mail: yangqinglong325@126. com。
自20世纪90年代以来，随着地面煤层气开采技术的引进，山西地面煤层气开发利用发展迅速。截至2009年底，中外十余家企业在沁水煤层气田已建成各类煤层气井2621余口，地面煤层气年抽采能力达到22亿立方米。由于直井钻井成本低、工艺技术简单、技术最成熟。煤层气开发方式以地面垂直井为主。多分支水平井、丛式井试验成功标志着我国煤层气开发技术取得重大突破，但由于该技术属于试验阶段，大规模展开尚需时日。目前完井方式主要有裸眼洞穴完井和套管射孔完井。由于套管射孔完井技术具有对地层适用范围广、层间封隔好，允许进行选择性完井、有利于水力压裂和采气作业、井筒稳定，寿命长，便于修井等优点［1］。所以本地区主要最优的完井工艺依然是套管射孔完井，裸眼洞穴完井的适用性还有待研究。
1 钻井的目的
本井为煤层气开发井，本井完钻层位位于石炭系上统太原组3号煤层底板以下。本井揭露煤系地层厚度，共见主要可采煤层1层。3号煤层，位于山西组底部，似金属光泽，镜煤、暗煤次之。其钻探深度为～，厚度为。测井为～，厚度为，结构简单。钻井目的为开发利用3号煤层的煤层气，降低煤层瓦斯含量。
2 本井的工艺技术
本井井身结构符合设计要求，井身质量合格(图1)。
图1 煤层气井井身结构示意图
井身结构
(1)一开井身井径φ，井深(钻入基岩)，下入φ的表层套管，为了使水泥浆较为便利的注入井内，表层套管长度为。固井水泥上返地面。
(2)二开井径φ，钻至井深完钻。下入φ的生产套管，套管长，高出地面。固井水泥返高为。
(3)阻位深，人工井底深度为。
井身质量评述
终孔处井斜为°，该井的最大井斜在井深处，斜度为°。全井在400m处全角变化率最大，为°/25m。
全井平均井径，平均井径扩大率为，井眼规则。非煤系地层平均井径，平均扩大率为。煤系地层平均井径，平均扩大率，全井井径最大处为450～475m深度附近3号煤层底板山西组泥岩坍塌带，最大井径为，最大扩大率为。
井底水平位移，全井方位均在272°～285°之间变化，闭合方位角为279°。未见井身扭曲现象。
钻具及钻井液设计
钻具组合如表1所示。
表1 钻具组合
钻井液要求:尽可能采用与煤层水理化性质相近的活性水钻进;如井下情况异常需要用钻井液钻进时，钻井液要严格按照保护煤层的要求控制好固相含量(特别是微颗粒和胶体颗粒的含量)和虑失量［2］。
本井采用清水钻进，钻井非煤系地层泥浆比重保持在以下，钻进煤系地层泥浆比重保持在以下，完全符合甲方钻井要求。
固井质量
对水泥浆的要求:严格控制水泥浆的失水量，一般不得超过200mL，水泥石的高压强度要达到14MPa以上;水泥至少要反至煤层顶部200m以上才为固井质量合格。
对生产套管的要求:套管串中要有短管，便于用磁定位测井校正射孔深度。短套管的下入深度在煤层顶界5～10m的范围内;套管接箍、扶正器及套管其他附件应尽量避开煤层。
该井的套管及水泥浆的使用情况如表2所示。
3 号煤顶板至水泥返高面的距离为，在完井试压测试中，在15MPa的压力下，经过30分钟的检测，压降为0。固井质量合格。测井曲线解释为煤系地层固井优良率为100%，非煤系地层固井合格率为100%。
完井设计
井筒与煤层的连通技术要求:井筒与煤层的连接方法采用射孔枪射孔方法。射孔孔径10～15mm;孔眼几何形状短轴与长轴之比小于;孔径轨迹须沿套管表面螺旋分布，在任一横截面只能最多有一个孔眼;孔眼密度为15～25孔/m。孔眼除有效穿透套管和水泥环外，还要尽可能穿透煤层伤害区，进入无伤区。
表2 套管及水泥浆
该井3号煤层使用套管射孔完井，使用牙轮钻头钻完全部孔深，下套管、固井并将煤层用水泥封住后，用射孔器射穿套管、水泥环和部分煤层。射孔参数如表3所示。
表3 射孔参数
压裂设计
该井采用水基压裂液压裂，液体准备数量及配方:活性水650m3，钻井液用HT01润滑防塌剂，钻井液用HT2(腐殖酸钾)防塌剂，配方为清水+。支撑剂选择石英砂，数量为:粒径～，准备量，粒径～，准备量。压裂车及辅助设备车辆名称及数量如表4所示。
表4 压裂车及辅助设备车辆名称及数量
本井3号煤层设计注入液体，石英砂36m3(～石英砂，粒径～石英砂);实际注入液体，加入石英砂(～石英砂，粒径～石英砂)，加砂率100%，施工达到了设计要求。
3 排采效果及工艺技术分析
排采效果
该井从2009年6月17日开始进行排采作业。至2010年4月9日该井煤层气产能随时间的变化关系如图2所示。
由图可知，该井在排采6个月左右达到产气高峰1000m3/d，随着排采过程的继续，排采效果稳定在1000m3/d，之后没有明显的提升。而经过测井计算所得该煤层的天然渗透率为(～1)×10－3μm2，含气量高达，具有较好的储层参数，与其煤层气井的产能明显不符。
图2 煤层气井前期产能变化曲线
工艺技术分析
分析该井的排采效果，综合工程的工艺技术特点，除了地质条件影响外，在工程上主要是目前所使用的射孔完井工艺技术存在一定的不足［3］。形成了较大的表皮系数，从而降低煤储层的有效渗透率，对煤储层造成较大伤害。采用射孔完井方式时，对煤层气储层的损害包括钻井过程中钻井液、固井过程中水泥浆以及射孔压裂等三个方面。
本井的钻井方式采用常规的清水钻进，但常规的煤层气钻井方式在本区有一定的局限性。这是由于本区主要含煤地层二叠系下统山西组岩性由灰、深灰色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩及煤层组成，钻井液从井底上返至地面的过程中，依次经过泥岩—煤层—灰岩—第四系土层。由于泥岩是水敏性地层，在接触到活性水钻井液之后势必会引起体积膨胀，作用于煤储层之上的应力增大，造成煤储层渗透率降低，在近井筒地段尤为明显，严重影响煤层气向井筒内的渗流。同时，泥岩具有较强的造浆能力(由测井资料可知在井深为～范围内的井径达到，井径扩大率达到。则从另一方面证明了泥岩的造浆能力)，虽然本井采用清水钻进，在地面控制钻井液体系的固相含量，保持比重在以下等一系列降低固相含量的措施，但钻井液在经过泥岩层时，经过泥岩的造浆作用，又形成了普通的泥浆体系，这种浆液直接接触煤岩层，则会对煤层造成更大的伤害。
钻井液性能包括钻井液密度、粘度、失水、含砂、pH值等，其中最重要是钻井液密度。本井的固井方式采用密度为的水泥浆液，水泥浆固井过程由于较大的水泥浆密度在井筒中存在较高的围压，煤层应力敏感性也同样会造成储层损害问题。压力敏感性是指施加在煤层上有效压力的变化对煤储层微观结构的影响，在宏观上表现为煤层的孔隙度、渗透率随着围压的增加而降低的现象。煤层裂缝和割理发育，由于煤层是一种弹塑体，裂缝在高围压下闭合，这种闭合是不可完全恢复的。郑毅［4］等人研究认为密度为的水泥浆所产生的液柱压力对煤储层的伤害也是不可低估的。若钻井完井过程中液柱压力没有控制在煤层压力以下，会造成煤层应力改变和塑性变形，使渗透率无法完全恢复，从而影响产气量。
射孔压裂过程一方面是为气流建立若干沟通气层和井筒的流动通道，另一方面又会对产气气层造成极大的损害，有时甚至超过钻井损害，从而使煤层气井产能很低。压裂液对煤层的伤害也是煤层气井增产效果不理想的重要原因。本井采用的是水基压裂液压裂。水基压裂液的成本低，性能好，易于使用，应用最广泛。但是熊友明［5］等人研究中国煤层多数不含水，目前多采用水基压裂液进行增产改造，而压裂液的返排率仅为35%～68%，剩余水滞留在煤层。由于煤岩具有很强的吸附性，吸附压裂液后会引起煤岩基质的膨胀及堵塞割理，从而降低割理孔隙度和渗透率及限制煤层气的解吸［6］，在一定程度上造成二次伤害，极大地影响了煤层气的产出;加之煤层松软、煤粉多，压裂砂的支撑效果相对较差，井筒周边的压裂砂还会因卸压回灌到井筒，这也是导致部分井压裂无效的重要原因。经过压裂施工后有些井的产能只是天然生产能力的20%～30%，甚至完全丧失产能。此外，固井液、压裂液中的固体颗粒侵入煤储层，直接堵塞煤储层的空隙通道，结果将导致降低煤储层的绝对渗透率和相对渗透率，对煤层气井的产能也会造成较大的影响。
综合以上分析并结合本井实况，在完井过程中，要达到煤层气井增产、稳产的效果，需要多种措施来试图降低完井对地层造成的损害。在固井过程中，需要降低作用在煤层上的有效应力，就需要在保证强度的前提下降低固井所采用浆液的密度，使用低密度水泥浆、泡沫水泥浆等，目前，国外已成熟的煤层气井固井技术主要有水泥浆中加入固体降重剂(如粉煤灰、空心微珠等)形成高强度、低密度、低失水水泥浆、在水泥浆中加入氮气组成泡沫水泥浆等。在钻进过程中，需要减少钻井液和煤层的接触，考虑到本井含煤层位的上下部位均有土层，马永峰［7］等提出在含煤层位使用套管外封隔器，这样就有效地防止钻井液和煤层接触。最大限度地降低对煤层的伤害。同时，使用封隔器也解决了固井过程中煤层压力敏感性、水泥浆渗透等一系列问题。若是多煤层煤层气共采，这样就可以分段对煤层进行射孔和压裂施工。在压裂过程中，需要降低压裂液的失水量及固相含量。研制低伤害高效压裂液是当前亟待解决的关键问题，也是今后的发展趋势。泡沫压裂液、清洁压裂液等对低压、低渗煤层气储层比较适用，在沁水盆地已经取得较好的效果［8］。目前该技术成本高、应用范围局限，但前景很好，是值得推广的适宜中国煤层气储层条件的新技术。
4 结论
煤层的渗透性低，孔隙压力低，煤储层保护一直是整个煤层气钻井完井过程施工中必须重点考虑的问题。钻井液、固井液、完井液对煤储层污染程度如何，直接影响到目的煤层物化参数的正确评价及产能的精确评估［9］。如果对完井技术不重视，采取的措施不当，煤层气产能则会遭受重大影响。煤储层保护的核心就是尽量使所采取的钻井完井工艺技术少伤害、不伤害煤层。
(1)各个地区的地层属性都有其独特性，在探明地下煤岩层的地质环境后，有必要根据本地区地层的区域性的具体特点，对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善。否则，很难保证不会对煤储层造成更大伤害。
(2)高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题，在保证携带岩屑、润滑钻具等钻井液的基本功能的前提下，尽量减少钻井液的固相含量、失水量。研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系，以进一步降低对煤层的液柱压力。
(3)从目前的发展看，今后一段时间水力压裂仍是煤层气增产的首选方法和主要措施，应继续深入对低伤害高效压裂液的研究。
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颜志丰1 琚宜文1 侯泉林1 唐书恒2
基金项目:国家自然科学基金项目(;40972131);国家重点基础研究发展规划(973)课题();国家科技重大专项课题(2009ZX05039-003);中国科学院战略性先导科技专项课题(XDA05030100);河北工程大学博士基金课题。
作者简介:颜志丰,1969年生,男,河北邯郸人,博士后,长期从事能源地质和构造地质研究。Email:。
(1.中国科学院研究生院地球科学学院 北京 1000492.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)
摘要:为模拟研究煤储层水力压裂效果,对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试。对结果进行分析表明:在常规单轴压缩条件下,煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多。煤样在垂直面割理方向弹性模量E随着单轴极限抗压强度σc的增加而增加,相关性较高,平行面割理方向弹性模量E随着抗压强度的增高而增高,但离散性较大。在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型。
关键词:单轴压缩试验力学性质各向异性饱和含水率割理
Uniaxial Mechanical Test of Water-saturated Coal Samples in Order to Simulate Coal Seam Fracturing
YAN Zhifeng1 JU Yiwen1 HOU Quanlin1 TANG Shuheng2
( of Earth Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083 China)
Abstract: In order to simulate effect of hydraulic fracturing in coal reservoir,conventional uniaxial compres- sion test and acoustic emission test on the water-saturated coal samples were hold. The results showed that the me- chanical properties in parallel to the level of coal have directional difference. Under the conditions of conventional uniaxial compression. The uniaxial limit compressive strength in direction parallel to the face cleat is much larger than it in the vertical, so is the elastic modulus. The elastic modulus of coal increased with the increasing of com- pressive strength, however it is higher correlation in the direction of vertical face cleat, but a larger dispersion in parallel. The complete stress-strain curve shape showed by deformation of coal samples under uniaxial compression can be roughly summarized as 3 types.
Keyword: uniaxial compression test; mechanical properties; Anisotropy; saturated water content; cleat
1 前言
煤层气是储存于煤层内的一种非常规天然气,其中CH4含量多数大于90%,是一种优质洁净的气体能源(单学军,2005)。我国煤层气资源十分丰富,根据新一轮全国煤层气资源评价结果,在全国19个主要含煤盆地,适合煤层气勘探的埋深300~2000m范围内,预测煤层气远景资源量为万亿m3。煤层气主要是以吸附状态存在于煤层内,也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中(Smith D M,1984)。就孔隙结构而言,煤的孔隙结构可分为裂缝性孔隙和基岩孔隙。人们又习惯地把煤岩中的内生裂缝系统称为割理。其中面割理连续性较好,是煤中的主要裂隙,端割理是基本上垂直于面割理的裂缝,只发育在两条面割理之间,把基岩分割成一些长斜方形的岩块体(李安启,2004)。
渗透率高的煤层产气量往往较高,而低渗透率的煤层产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。而我国的煤层气储层普遍属于低渗透煤储层,研究表明:我国煤层渗透率大多小于50×10-3μm2(张群,2001)。因此,目前国内的煤层气井采用最广泛的完井方法是压裂完井,煤层和砂岩的岩性特征有很大的区别,压裂施工中裂缝在煤层中的扩展规律与在砂岩中的扩展规律也不相同,为了解煤层的压裂特征和压裂效果就需要对煤层压裂进行模拟研究,要进行模拟研究就需要研究煤岩的力学性质。
通过试验研究煤岩的力学性质,发现煤岩具有尺寸效应——即煤岩的尺寸对试验结果具有影响,Daniel和Moor在1907年就指出(Daniels J,1907):小立方体的屈服强度高于大立方体,而且当底面积保持常数时,随着试块高度的增加,其屈服强度降低。研究过煤岩尺寸效应的还有Bunting(Bunting )。Hirt和Shakoor(Hirt A M,1992),Med-hurst和Brown(Medhurst T P,Brown E ),吴立新(1997),刘宝琛(1998),靳钟铭(1999)等。
由于单轴力学性质试验结果受尺寸、形状等因素制约,因此进行单轴岩石压缩试验时,对试验样品的加工有一定的要求,通常试件做成圆柱体,一般要求圆柱体直径48~54mm,高径比宜为,试件端面光洁平整,两端面平行且垂直于轴线。
2 试验方法说明
在单轴压缩应力下,煤块产生纵向压缩和横向扩张,当应力达到某一量级时,岩块体积开始膨胀出现初裂,然后裂隙继续发展,最后导致破坏(闫立宏,2001)。为避免其他因素的影响,采用同一试样,粘贴应变片,在测试强度过程中同时用电阻应变仪测定变形值。
煤样制备和试验方法
实验煤样采自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3#煤层。煤样制备和试验方法参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)》(中华人民共和国水利部.2001),以及国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天,1981)进行的。沿层面方向在大煤块上钻取直径为50mm,高为100mm的圆柱样,煤样轴向均平行煤岩层面。为研究平行面割理和垂直面割理方向煤岩力学性质的差异,制备了两组煤样。一组煤样平行面割理方向,样品数10个,编号DP1-DP10;另一组煤样垂直面割理方向,样品数10个,编号DC1-DC10。试验前对煤样进行了饱水处理(48h以上)。单轴实验设备为WEP-600微机控制屏显万能试验机。记录设备为30吨压力传感器,7V14程序控制记录仪。数据处理设备为联想杨天E4800计算机及相应的绘图机、打印机。试验工作进行前测试了煤样的物理性质,对试件进行了饱水处理。进行单轴压缩试验的煤样条件见表1。
表1 煤样条件
计算公式
单轴抗压强度计算公式
中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集
式中:σc为煤岩单轴抗压强度,MPa;Pmax为煤岩试件最大破坏载荷,N;A为试件受压面积,mm2。
弹性模量E、泊松比μ计算公式:
中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集
式中:E为试件弹性模量,GPa;σc(50)为试件单轴抗压强度的50%,MPa;εh(50)为σc(50)处对应的轴向压缩应变;εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变;μ为泊松比。
3 试验结果与分析
加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响。
试验结果数据见表2。从表中可以看出,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多,抗拉强度平均值高出2/3,而弹性模量更是高出一倍。这说明即使在平行煤的层面上其力学性质也具有方向性,不同方向上其值大小有显著差异。
表2 煤样单轴抗压强度试验结果
注:DP9沿裂隙面破裂,没有参与力学性质分析。
煤是沉积岩,小范围内同一煤分层在形成环境、形成时代上都是相同的,可以认为小范围内在平行煤的层面上,煤的组分、煤质等是均匀的,变化非常小,所以沿平面上力学性质的差异与煤质、组分等关系不大。推测其原因是由于在地史上受到构造应力的影响,构造应力具有方向性,在不同的方向上其大小不同,使煤在不同的方向上受到地应力作用的大小程度也不同,导致煤在不同方向上结构有所不同,从而表现出来在不同方向上力学性质的差异,在受力较大的方向上可能会表现出较大的强度。由于在构造力作用下沿最大主应力方向裂隙最容易发育,发育程度也应该较好,沿最小主应力方向上裂隙发育程度要差些。发育好的裂隙往往形成面割理,因而在平行面割理的方向上抗压强度和弹性模量都高,而在垂直面割理的方向上其值相对就会小些。
煤岩单轴极限抗压强度与其他性质之间的关系
由表2可知煤样的抗压强度离散性较大,影响因素是什么?煤的密度与含水状态对单轴抗压强度有什么影响?现分析如下:
图1-a表示了极限抗压强度σc与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出,无论是C组、P组还是全部样品,随着饱和密度的增加,煤块的极限抗压强度都有增加的趋势,说明随着饱和密度的增加,抗压强度有增加的趋势。
图1 σc与其他性质之间的关系
图1-b表示极限抗压强度σc与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出,C组样品随饱和吸水率的增加抗压强度有减少的趋势,而P组样品单轴抗压强度和饱和吸水率的相关性非常低,可以认为饱和吸水率对P组样品没有影响。由此可见,饱和吸水率的增高使垂直面割理方向的抗压强度降低,而对平行面割理方向的单轴极限抗压强度影响很小。
图1-c表示单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间具有明显的正相关性,即垂直于面割理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增加而增加,P组样品具有不明显的线性正相关,即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与弹性模量E的增加而增加,但离散性较大。
图1-d表示单轴极限抗压强度σc与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴抗压强度与泊松比之间具有较明显的负相关关系,也就是说垂直于面割理的单轴抗压强度随着泊松比的增高而降低;但是P组样品的相关性很低,即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。
弹性模量和其他性质之间的关系
图2-a表示弹性模量E与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品、P组样品及全部样品相关性均不明显。说明弹性模量与泊松比之间的变化互不影响。
图2 弹性模量E与其他性质之间的关系
图2-b表示弹性模量E与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出无论C组还是P组,样品弹性模量与饱和密度相关性非常弱,可以认为不相关。由此可见弹性模量不受饱和密度变化的影响。
图2-c表示弹性模量E与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出C组样品弹性模量与饱和吸水率相关性较高,呈明显的负相关关系;但是P组样品的相关性却很低,几乎不相关。由于C组样品以垂直轴向的裂隙为主,在压力作用下煤样的变形等于煤岩本身的变形再加上水的变形,水是液体,在压力作用下很容易变形,在压力不变的情况下随着水含量的增加变形随之增大,而产生较大的轴向变形,导致C组的煤样随着含水量的增加弹性模量变小。而P组样品裂隙以平行轴向为主,尽管在饱水的情况下裂隙中完全充填了水,但由于水含量很少,承载压力的主要是煤岩本身,变形量也是由煤岩本身决定的,因此它与含水量关系不明显。
泊松比和其他性质之间的关系
由图3-a中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和密度之间散点图均比较离散,相关性很低,也可以说它们不相关。
由图3-b中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和吸水率之间相关性很低,可以认为它们不相关。
煤岩单轴压缩全应力—应变曲线类型
岩石试件从开始受压一直到完全丧失其强度的整个应力应变曲线称为岩石的全应力应变曲线(重庆建筑工程学院,1979)。大量岩石单轴压缩实验表明,岩石在破坏以前的应力应变曲线的形状大体上是类似的,一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。
煤是一种固体可燃有机岩石,由于成煤物质的不同及聚煤环境的多样化,煤的岩石组分、结构特征比较复杂。因此,在单轴压缩条件下煤样变形破坏机制及表现出的全应力—应变曲线形态多种多样,大体可以概括为3种类型。
迸裂型
应力—应变曲线压密阶段不明显,加速非弹性变形阶段很短,曲线主要呈现表观线弹性变形阶段直线,直到发生破坏,见图4-a。具有迸裂型全应力—应变曲线特征的煤样,通常均质性较好、强度较大、脆性较强,其抗压强度通常很高。煤样在整个压缩变形过程中,积聚了大量弹性应变能,而由于发生塑性变形而耗散的永久变形能相对较小。因此,当外部应力接近其极限强度而将要发生破坏时,煤岩内积聚的大量弹性应变能突然、猛烈地释放出来并发出较大声响,形成一个很高的声发射峰值。
图3 泊松比μ与饱和吸水率ωs之间的关系
图4 煤岩样品应力—应变关系曲线图
破裂型
应力较低时,出现曲折的压密阶段,当应力增加到一定值时,应力—应变曲线逐渐过渡为表观线弹性变形阶段;最后变为加速非弹性变形阶段,直到发生破坏,见图4-b。试件随荷载的增加,煤样受力结构逐渐发生变化,同时出现局部张性破坏,但整体仍保持完整,并在变形过程中也积聚了一定的弹性应变能。当外部应力接近其抗压强度,即煤岩发生加速变形时,煤岩中积聚的弹性应变能就突然释放,产生较高的声发射值,破坏时声发射强度又变得非常低。
稳定型
应力—应变曲线压密阶段不明显,表观线弹性变形阶段呈略微上凸的直线,加速非弹性变形阶段较长,见图4-c。试件随荷载的增加,煤样受力结构逐渐发生变化,同时出现局部张性破坏,并在变形过程积聚的弹性应变能释放,形成振铃计数率峰值,随后振铃计数率迅速降低,并在加速非弹性变形阶段开始时出现新的振铃计数率峰值,接近破坏时又出现一次振铃计数率峰值。破坏时声发射强度又变得非常低。
4 结论
通过上面对沁水盆地寺河煤矿3号煤力学试验,可以得出如下结论:
(1)煤岩单轴抗压强度和弹性模量等力学性质在平行煤层的平面上具有方向性差异,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多。
(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加;极限抗压强度σc在垂直于面割理方向上随饱和吸水率ωs的增加而减少,而在平行面割理方向上与饱和吸水率无关;单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增加而增加,在垂直面割理方向上相关程度较高,在平行面割理方向上离散性较大。单轴极限抗压强度σc在垂直面割理方向上随着泊松比μ增加而减小,而在平行面割方向上与泊松比无关。
(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响,同时也不受饱和密度的影响;垂直面割理方向弹性模量随着饱和吸水率ωs的增加而减小,而平行面割理方向弹性模量与饱和吸水率无关。
(4)泊松比μ的变化既不受饱和密度变化的影响,也不受饱和吸水率ωs变化的影响。
(5)在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型:(1)迸裂型;(2)破裂型;(3)稳定型。
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