姜 偉，張 軍，仲 劼，趙 琛，唐助云，盧海兵，易新斌，王 海

大傾角煤層水力裂縫擴展物理模擬實驗

姜 偉1，張 軍2，仲 劼2，趙 琛2，唐助云2，盧海兵1，易新斌1，王 海3

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院壓裂酸化技術(shù)服務中心，河北 廊坊 065007；2. 新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 烏魯木齊 830000；3. 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300000)

為研究大傾角煤層水力壓裂裂縫擴展形態(tài)，采用大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)，分別開展最大水平主應力沿地層走向和沿地層傾向的60°傾角煤層水力裂縫擴展物理模擬實驗。結(jié)果表明：最大主應力方向沿地層走向時，裂縫起裂容易，縫高受限，裂縫連通性好，裂縫的開啟主要沿層理和天然裂縫，形成垂直縫形態(tài)，地層傾角對壓裂施工影響相對較小，建議進行大規(guī)模壓裂以充分改造煤儲層；最大主應力方向沿地層傾向時，裂縫起裂困難，前期縫高受限，后期縫高失控，裂縫連通性差，受節(jié)理影響，不易形成主縫，所以裂縫擴展困難，轉(zhuǎn)向及多級破裂較多，此類煤層建議進行多級小規(guī)模壓裂改造。實驗結(jié)果對新疆等地區(qū)大傾角煤層的改造模式和改造規(guī)模具有指導作用。

煤層氣；大傾角；應力方向；裂縫形態(tài)；物理模擬；施工規(guī)模；新疆阜康

我國煤層氣資源豐富，其中，新疆煤層氣資源占全國煤層氣預測資源量的26%[1]，與國內(nèi)外其他煤層氣藏相比，新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層具有低煤階、大傾角(地層傾角一般42°~68°，局部倒轉(zhuǎn))的地質(zhì)特點[2]，煤層壓裂裂縫擴展規(guī)律、裂縫形態(tài)等與其他地區(qū)水平煤層有較大差異，水平煤層壓裂一般形成水平裂縫，裂縫高度擴展受限，大傾角煤層是否形成水平縫，高度上如何擴展等問題需進一步研究。

目前，對大傾角煤層壓裂方面的研究工作較少，程亮等[3]開展傾斜地層水力壓裂數(shù)值模型推導和相關(guān)試驗，得到施工壓力隨煤層傾角增大而增大；謝相軍[4]統(tǒng)計了大量現(xiàn)場壓裂施工井及裂縫監(jiān)測結(jié)果，采用壓降分析方法對阜康白楊河礦區(qū)的大傾角煤層水力裂縫形態(tài)、方位等參數(shù)進行研究，并提出了相應的增產(chǎn)改造建議；羅驍[5]建立大傾角煤層L井破裂點及破裂壓力計算模型，對大傾角煤層破裂壓力計算提供一定指導；高建成等[6]采用數(shù)值模擬方法開展不同傾角煤層對水力壓裂壓力的影響，水力壓裂壓力隨煤層傾角增大而減小，達到一定值后又隨著煤層傾角的增大而增大；王志榮等[7]分析了煤層傾角和埋深對壓裂起裂壓力和起裂位置影響，起裂壓力在埋深相同時不隨煤層傾角的改變而改變。前人研究主要是采用數(shù)值模擬方法，計算大傾角煤層傾角變化導致的施工壓力變化，并未考慮最大主應力方向?qū)κ┕毫土芽p形態(tài)的影響?；谇叭说难芯空J識，為了研究大傾角煤層條件下，水力壓裂裂縫擴展過程、裂縫形態(tài)的演化規(guī)律，筆者采用大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)，分別開展最大水平主應力沿地層走向和沿地層傾向的60°傾角煤層水力裂縫形態(tài)物理模擬實驗，探討固定傾角下，應力方向?qū)κ┕毫土芽p形態(tài)的影響，并對不同應力方向下的水力壓裂施工模式進行探討。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗裝置與試樣制備

大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)主要由真三軸巖樣模型、真三軸壓力加載系統(tǒng)、恒流速恒壓泵、電器控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、管閥件、輔助裝置等部分組成，如圖1所示。應力加載系統(tǒng)在水平方向和垂直方向最大應力分別可以達到30 MPa和15 MPa，恒速恒壓泵采用雙缸連續(xù)供液方式，最大注入壓力65 MPa。

實驗煤樣采集自新疆阜康烏東礦井43號煤，采集煤樣標高460~480 m，煤層埋深300 m左右，煤層裂隙長度0.01~2.70 cm，高度0.01~1.90 cm，寬度1~550 μm，密度0.60~8.20條/cm，裂隙系統(tǒng)多呈網(wǎng)狀和平行狀，煤層傾角42°~68°，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂—碎粒煤為主。

圖1 大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)示意

采用環(huán)形全封閉數(shù)控砂線切割機床(型號DL7750)切割煤樣，沿著煤樣層理和與層理呈60°方向?qū)⒚簤K切割成傾斜煤樣立方體，如圖2a所示。在煤樣周圍采用水泥包裹制成38 cm×38 cm×38 cm試樣(包裹試樣水泥采用煤粉和水泥按照3∶7比例制作，盡可能模擬煤層周圍巖石性質(zhì))，并在煤樣中心鉆孔，以模擬井眼至煤樣中部、在距離井底2 cm處下套管固井，如圖2b所示。

1.2 實驗方法

通過計算，儲層段最小水平主應力梯度為0.02 MPa/m，井深750 m，則實驗加載最小水平主應力15 MPa、最大水平主應力19 MPa、垂向應力14.5 MPa。

采用速度相似準則，結(jié)合實驗模型尺寸，確定實驗室物理模擬實驗排量?，F(xiàn)場施工排量12 m3/min，套管內(nèi)徑124.26 mm，煤層平均厚度17 m，實驗室注入管線內(nèi)徑3 mm，實驗室設定水力裂縫貫穿煤樣，高度取38 cm。確定物理模擬實驗排量為150 mL/min。

1.3 實驗步驟

開展2塊試樣的水力壓裂模擬實驗：模擬壓裂液使用1% KCl活性水。模擬60°傾斜地層，分別按最大主應力沿地層傾向和沿地層走向開展模擬壓裂實驗。

2 大傾角煤層水力壓裂裂縫形態(tài)

2.1 最大主應力沿地層走向的水力裂縫形態(tài)

如圖3a所示，恒定注入排量150 mL/min，壓裂過程中壓力沿一定斜率直線逐漸上升，從2 MPa逐漸上升到6 MPa。雙對數(shù)曲線[8-9]中(圖3b)，前期斜率為1.375，后期斜率為0.303，反映了裂縫向前延伸過程中縫高受限。停泵后壓力很快降到零，說明裂縫連通性較好。

圖2 模擬實驗煤樣

圖3 最大主應力沿地層走向?qū)嶒瀴毫亚€及雙對數(shù)曲線

試樣從加壓艙中取出后可以看到明顯的水力裂縫(圖4a)，水力裂縫為沿最大主應力方向的垂直縫，從試樣外表來看，人工裂縫基本貫穿整個試樣，且裂縫寬度較大，所以壓裂停泵后的壓力很快降到零。煤樣剖開后觀察到明顯的人工裂縫，染料鋪滿整個裂縫面；裂縫的開啟主要沿層理和天然裂縫方向，由于地層傾角較大，形成垂直縫形態(tài)(圖4b)。

2.2 最大主應力沿地層傾向的水力裂縫形態(tài)

由圖5a可以看出，開始采用150 mL/min排量恒流注入時，壓力上升特別快，決定改用50 mL/min恒流注入嘗試壓裂，50 mL/min注入后壓力快速上升到19 MPa，后續(xù)采用50 mL/min完成壓裂。注入過程中壓力緩慢下降，由19 MPa降至9.5 MPa；其中出現(xiàn)多次破裂，雙對數(shù)曲線中(圖5b)前期斜率為1.209，說明裂縫高度和長度擴展受限，后期斜率小于零，縫高失控。停泵后壓力緩慢下降，說明裂縫連通性較差。

圖4 最大主應力沿地層走向模擬壓裂后煤樣的內(nèi)外形態(tài)

試樣從加壓艙中取出后可以看到明顯的水力裂縫，水力裂縫基本沿著煤與水泥的交界面，有一條垂直交界面的水力裂縫(圖6a)。將煤樣剖開，煤中裂縫網(wǎng)絡縱橫交錯，所有層理和割理基本都有顏料，任意選擇一個面剖開均可以看到顏料呈星點狀分布(圖6b)。

圖5 最大主應力沿地層傾向?qū)嶒瀴毫亚€及雙對數(shù)曲線

圖6 最大主應力沿地層傾向模擬壓裂后煤樣的內(nèi)外形態(tài)

3 討論

水力壓裂過程中，水力裂縫沿最大主應力方向擴展，但同時受到層理的影響，尤其對于層理特別發(fā)育的煤儲層，水力裂縫的起裂和擴展都與層理面密切相關(guān)[10]。當最大主應力方向沿煤層走向，即最大主應力方向沿層理方向，水力裂縫沿最大主應力方向擴展與層理弱面方向一致，使得裂縫起裂較為容易，且由于儲層傾角較大，形成垂直縫形態(tài)，在整個擴展過程中裂縫高度不斷擴展，裂縫延伸較遠[11-12]，故針對此類儲層建議開展活性水大規(guī)模大排量壓裂，或者采用低黏瓜膠提高液體攜砂性能，提高較長裂縫的遠端支撐[13]。

對于最大主應力方向沿地層傾向，即最大主應力方向沿節(jié)理方向，裂縫沿節(jié)理方向擴展與層理弱面方向垂直，導致裂縫開啟困難，且很快達到試樣的最大高度。裂縫在沿最大主應力(節(jié)理)方向與沿層理弱面方向間來回轉(zhuǎn)換，導致裂縫轉(zhuǎn)向和多級破裂較多。最終形成的裂縫為沿節(jié)理的近水平縫與沿層理的垂直縫相互交織的復雜縫。裂縫長度較小，故針對此類儲層建議開展活性水小規(guī)模改造[14-15]，采用連續(xù)油管拖動等分層工具，提高儲層縱向動用程度。

4 現(xiàn)場試驗

選取煤儲層為大傾角的Z-5煤層氣井開展微地震裂縫監(jiān)測，Z-5井是一口沿地層傾向鉆進的大斜度井，地層走向NE向65°，傾角65°左右，采用連續(xù)油管水力噴射環(huán)空加砂底部封隔器拖動壓裂，共進行4段壓裂，每段平均液量800 m3，砂量45 m3，施工排量7~8 m3/min，監(jiān)測的裂縫走向NE向65°~100°，裂縫延伸方向主要沿地層走向，監(jiān)測裂縫傾角90°，全部為垂直縫(表1)，現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)實驗結(jié)果一致。

5 結(jié)論

a. 大傾角煤樣壓裂物理模擬實驗表明，最大主應力方向沿煤層走向時，裂縫起裂容易，縫高受限，裂縫連通性好，裂縫的開啟主要沿層理和天然裂縫，由于地層傾角較大，形成垂直縫，地層傾角對施工影響相對較小。

表1 Z-5井微地震監(jiān)測結(jié)果

b. 最大主應力方向沿地層傾向時，裂縫起裂困難，前期裂縫擴展受限，后期縫高失控，裂縫連通性差；受節(jié)理影響，不易形成主縫，轉(zhuǎn)向及多級破裂較多。

c. 現(xiàn)場微地震裂縫監(jiān)測證實，大傾角煤層沿地層傾向鉆進時，形成以垂直縫為主的裂縫形態(tài)。

d. 最大主應力方向沿地層走向時，沿地層傾向鉆進為優(yōu)勢鉆進方向，形成橫切井筒的垂直縫，建議大規(guī)模改造，但大傾角煤層水力裂縫向上延伸距離較遠，建議適當控制施工排量；最大主應力方向沿傾向時，受應力和層理的雙重控制，水力壓裂施工難度較大，建議采用多級小規(guī)模改造。

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Physical simutation experiment investigation on hydraulic fracture propagation in high-dip coal seam

JIANG Wei1, ZHANG Jun2, ZHONG Jie2, ZHAO Chen2, TANG Zhuyun2, LU Haibing1, YI Xinbin1, WANG Hai3

(1. Fracturing and Acidizing Technology Service Center, PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang 065007, China; 2. No.156 Coalfield Geological Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, ürümqi 830000, China; 3. CNPC Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300000, China)

In order to study the hydraulic fracture geometry in high-dip coal seam, a large-scale true triaxial fracturing simulation system was used to carry out physical simulation experiments, and the hydraulic fracture geometry of the maximum horizontal principal stress along the strike direction and along the dip direction-in 60° dip coal seam were investigated respectively. Experimental results of the maximum principal stress direction along the strike direction show that: hydraulic fracture initiation is easily; fracture height is limited in the whole time; fracture connectivity is good; fracture propagates mainly along bedding and natural fracture, vertical fracture is formed; the influence of high-dip on stimulation is relatively small; massive volume stimulation is needed. Experimental results of the maximum principal stress direction along the dip direction show that: hydraulic fracture initiation is hard; fracture height is limited in the early time and out of control in the later period; fracture connectivity is poor; fracture is not easy to form influenced by joint, and hydraulic fracture propagates difficultly; fracture diversion and multi-stage breakdown can be observed in the fracturing curve; small volume but multi-stage stimulation is needed. The experimental results have a good guiding effect on the stimulation model and scale determination of the high-dip coal seam in Xinjiang and other regions.

coalbed methane; high-dip angle; stress direction; hydraulic fracture geometry; physical simulation; constraction scale; Xinjiang Fukang

TE321

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.007

1001-1986(2020)03-0045-06

2019-11-15；

2020-02-08

新疆維吾爾自治區(qū)科技重大專項項目(2017B03019)

Science and Technology Major Project of Uygur Autonomous Region of Xinjiang(2017B03019)

姜偉，1988年生，男，湖北襄陽人，碩士，工程師，從事非常規(guī)油氣藏儲層改造方面的研究工作. E-mail：jiangwei69@petrochina.com.cn

姜偉，張軍，仲劼，等. 大傾角煤層水力裂縫擴展物理模擬實驗[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：45–50.

JIANG Wei，ZHANG Jun，ZHONG Jie，et al. Physical simutation experiment investigation on hydraulic fracture propagation in high-dip coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：45–50.

(責任編輯 范章群)