張 亮，魏虎超，王得志，王 偉，楊紅斌，郝永卯，戰(zhàn)永平，任韶然

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，青島 266580；2.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(華東))，青島 266580；3.中石油煤層氣公司韓城分公司，西安 715400)

煤層氣開發(fā)過程中，近井煤層壓裂裂縫和天然裂縫的閉合或堵塞都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能壓降，尤其在修井作業(yè)關(guān)井重啟后，產(chǎn)氣量很難恢復(fù)到原始水平。因此，評(píng)價(jià)煤巖裂縫的長期導(dǎo)流能力及其影響因素，對(duì)于調(diào)整煤層氣井工作制度、優(yōu)化修井作業(yè)、保持長期產(chǎn)能具有重要意義。

目前中外對(duì)煤巖裂縫的長期導(dǎo)流能力已開展了大量評(píng)價(jià)工作。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面：張士誠等[1]、溫慶志等[2]采用美國石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute, API)裂縫導(dǎo)流儀詳細(xì)評(píng)價(jià)了不同閉合壓力下支撐劑種類、粒徑、濃度以及壓裂液殘?jiān)纫蛩貙?duì)煤巖壓裂裂縫長期導(dǎo)流能力的影響，發(fā)現(xiàn)支撐劑嵌入對(duì)煤巖裂縫導(dǎo)流能力傷害很大，閉合壓力和時(shí)間是影響導(dǎo)流能力的主要因素；鄒雨時(shí)等[3]評(píng)價(jià)了中高煤階煤巖壓裂裂縫的長期導(dǎo)流能力，指出煤階對(duì)裂縫導(dǎo)流能力有顯著影響，應(yīng)在壓裂施工設(shè)計(jì)中予以考慮；胡世萊等[4]采用沁水15#煤樣制備的煤板進(jìn)行了壓裂裂縫長期導(dǎo)流能力測試，確定煤巖裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)單點(diǎn)測試的最佳承壓時(shí)間為8 h；李玉偉等[5]測試了煤巖復(fù)雜裂縫的長期導(dǎo)流能力(測試時(shí)間為72 h)，結(jié)果表明煤巖裂縫導(dǎo)流能力受裂縫形態(tài)影響嚴(yán)重，裂縫越復(fù)雜，鋪砂量越大，導(dǎo)流能力越強(qiáng)，同時(shí)受閉合壓力的影響越大。在導(dǎo)流能力模型方面：Li等[6]為準(zhǔn)確預(yù)測支撐劑嵌入情況和評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力建立了新的計(jì)算模型；王瑋等[7]考慮了支撐劑成巖作用的接觸面溶蝕過程、邊緣擴(kuò)散作用控制的傳質(zhì)過程和顆粒自由表面沉淀過程，建立了新的支撐裂縫長期導(dǎo)流能力計(jì)算模型；Chen等[8]考慮壓實(shí)和嵌入作用建立了支撐劑填充壓裂裂縫的滲透率模型，該新模型可以充分描述裂縫內(nèi)支撐劑滲透率，但支撐劑與裂縫壁面的相互作用仍需進(jìn)一步研究；Shamsi等[9]將離散單元法與格子玻爾茲曼模型相結(jié)合模擬了含支撐劑裂縫單元在不同應(yīng)力狀態(tài)的演變，評(píng)估了裂縫滲透率和縫寬的動(dòng)態(tài)變化特征，結(jié)果表明分選良好的支撐劑有利于在較大的應(yīng)力變化范圍內(nèi)維持穩(wěn)定的裂縫導(dǎo)流能力；朱海燕等[10]、趙立強(qiáng)等[11]、何思源等[12]、朱維耀等[13]通過數(shù)值模擬分別對(duì)支撐裂縫和閉合酸蝕裂縫進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明，支撐裂縫導(dǎo)流能力與鋪砂能力和支撐劑顆粒成正比，閉合壓力是影響閉合酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的主要因素。綜上得到，目前針對(duì)煤巖裂縫導(dǎo)流能力的研究主要側(cè)重影響規(guī)律的研究，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際排采制度開展的實(shí)驗(yàn)和分析較少，有必要開展更加詳細(xì)的評(píng)價(jià)。

現(xiàn)對(duì)韓城區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層，結(jié)合煤層氣井排采特征，開展煤巖壓裂裂縫長期動(dòng)態(tài)導(dǎo)流能力和含天然裂縫煤巖滲透率變化評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，建立近井煤層等效滲透率計(jì)算模型，旨在揭示煤層氣排采制度以及開關(guān)井過程中有效應(yīng)力升高或波動(dòng)對(duì)煤巖壓裂裂縫和含天然裂縫煤巖滲流能力的影響及兩者對(duì)有效應(yīng)力變化的響應(yīng)差異，并基于此形成用于煤層壓裂裂縫有效導(dǎo)流能力或有效縫長變化的簡單初判方法，為探明修井作業(yè)后煤層氣井產(chǎn)能下降原因，制定合理排采提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用API裂縫導(dǎo)流儀[圖1(a)]評(píng)價(jià)煤巖壓裂裂縫的長期動(dòng)態(tài)導(dǎo)流能力。該裝置主要由流體注入系統(tǒng)、液壓機(jī)、API導(dǎo)流室、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)組成。流體注入速度為0～10 mL/min，注入壓力為0～20 MPa，閉合壓力為為0～90 MPa，測試壓差為0～10 kPa，工作溫度為20～180 ℃。

采用真實(shí)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置[圖1(b)]評(píng)價(jià)帶有天然割理或裂縫的煤心的長期動(dòng)態(tài)滲透率變化。該裝置主要由流體注入系統(tǒng)、巖心夾持器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)組成。流體注入速度為0～10 mL/min，注入壓力為0～30 MPa，圍壓為0～40 MPa，工作溫度20～150 ℃。

圖1 煤巖裂縫滲流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

主要實(shí)驗(yàn)材料包括煤板[圖2(a)]、煤心[圖2(b)]、標(biāo)準(zhǔn)鹽水(8%NaCl)、支撐劑。其中，煤板是利用巖心切割機(jī)，將韓城煤巖樣品按照API導(dǎo)流室的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行切割與端部磨圓加工而成，尺寸為17.78 cm×3.81 cm ×1 cm；煤心是利用巖心鉆取機(jī)，在韓城煤巖樣品上順著面割理及天然裂縫方向進(jìn)行鉆取與端部磨平加工而成，直徑為2.5 cm，長度在5～10 cm不等；支撐劑選擇卡博陶粒，20/40目，視密度為2.7 g/cm3，體密度為1.54 g/cm3，圓度為0.9，球度為0.9，52 MPa，破碎率為1.76%。

圖2 采用韓城區(qū)塊煤巖樣品加工制備的煤板和煤心

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

煤巖壓裂裂縫動(dòng)態(tài)導(dǎo)流能力測試步驟：①將兩塊煤板組合裝入導(dǎo)流室，鋪砂濃度為10 kg/m2，模擬煤巖壓裂裂縫；②導(dǎo)流室加載1.5 MPa閉合壓力，開泵飽和地層水；③加載閉合壓力到設(shè)計(jì)值，并設(shè)置好背壓，按照一定流量注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水，記錄導(dǎo)流室前后端壓差和裂縫位移，觀察產(chǎn)出水狀態(tài)；④改變實(shí)驗(yàn)條件，連續(xù)測試壓裂裂縫導(dǎo)流能力；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，卸載，拆裝導(dǎo)流室，整理儀器。根據(jù)達(dá)西定律，并結(jié)合API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室尺寸，計(jì)算支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力為

(1)

式(1)中：k為支撐裂縫滲透率，μm2；Wf為充填裂縫縫寬，cm；Q為裂縫內(nèi)流量，mL/min；μw為標(biāo)準(zhǔn)鹽水黏度，mPa·s；ΔP為測試段兩端的壓力差，kPa。

含天然裂縫煤巖動(dòng)態(tài)滲透率測試步驟：①將煤心放入巖心夾持器中，加載1.5 MPa圍壓，抽真空飽和地層水；②加載圍壓至設(shè)計(jì)值，并設(shè)置好背壓，按照一定流量注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水，記錄巖心夾持器前后兩端的壓差，觀察產(chǎn)出水狀態(tài)；③改變實(shí)驗(yàn)條件，連續(xù)測試煤巖的滲透率；④實(shí)驗(yàn)結(jié)束，卸載，拆裝巖心加持器，整理儀器。根據(jù)達(dá)西定律，計(jì)算煤心的滲透率為

(2)

式(2)中：P1、P2為巖心夾持器前后端壓力，MPa；qw為注水速度，mL/s；L為煤心長度，cm；k為煤心的滲透率，10-3μm2；A為煤心的截面積，cm2。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

為研究排采制度以及修井作業(yè)等操作對(duì)近井煤巖滲流能力的影響，設(shè)計(jì)了變閉合壓力、變背壓以及變注入量3種實(shí)驗(yàn)條件，分別用于分析閉合壓力升高(孔隙流體壓力不變，有效閉合壓力升高)、孔隙流體壓力下降(模擬正常的排水降壓過程，有效閉合壓力升高)以及修井導(dǎo)致的頻繁開關(guān)井(開井時(shí)地層壓力下降，關(guān)井后地層壓力恢復(fù)至原始水平，相當(dāng)于有效閉合壓力波動(dòng))等因素對(duì)近井煤層壓裂裂縫導(dǎo)流能力和含天然裂縫煤巖滲透率的影響。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示，單組實(shí)驗(yàn)連續(xù)測試120 h，其中每隔24～40 h改變一次壓裂裂縫或煤心的應(yīng)力條件。

表1 煤巖裂縫長期動(dòng)態(tài)導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力及影響因素

2.1.1 閉合壓力的影響

保持背壓4 MPa、注入速度5 mL/min不變，逐漸提高施加在煤板上的閉合壓力，則兩煤板間支撐劑的驅(qū)替壓差、縫寬以及導(dǎo)流能力變化如圖3所示。隨著閉合壓力逐漸升高(6.9 MPa→20.7 MPa)，作用在支撐劑上的有效閉合壓力也逐漸升高(2.9 MPa→16.7 MPa)，地層壓實(shí)效應(yīng)導(dǎo)致支撐劑嵌入裂縫，裂縫寬度逐漸降低(6 mm→4.7 mm)，API導(dǎo)流室前后兩端的驅(qū)替壓差逐漸升高(0.016 kPa→0.106 kPa)，平均有效閉合壓力每提高1 MPa，驅(qū)替壓差增大0.48倍，裂縫寬度減小0.091 mm。這種作用在初始階段(≤40 h)體現(xiàn)最為明顯，即在初始較低閉合壓力下，裂縫支撐劑的壓實(shí)過程需要較長的穩(wěn)定時(shí)間，且裂縫導(dǎo)流能力下降幅度較大；隨著后續(xù)閉合壓力升高，裂縫支撐劑的壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)間逐漸減小，裂縫導(dǎo)流能力隨著時(shí)間略微下降，下降幅度較小。裂縫導(dǎo)流能力最終降低至初始值的15%，平均閉合壓力每升高1 MPa，導(dǎo)流能力降低6.16%。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開煤板，發(fā)現(xiàn)支撐劑有嵌入煤板的現(xiàn)象。

圖3 閉合壓力對(duì)壓裂裂縫驅(qū)替壓差、裂縫寬度以導(dǎo)流能力的影響

2.1.2 孔隙壓力的影響

保持閉合壓力為13.8 MPa、注入速度為5 mL/min不變，逐漸降低背壓，模擬煤層排水采氣過程中井底流壓下降過程，則兩煤板間支撐劑的驅(qū)替壓差、縫寬以及導(dǎo)流能力變化如圖4所示。隨著孔隙流體壓力逐漸降低，作用在煤板上的有效閉合壓力逐漸升高(8.8 MPa→13.8 MPa)，API導(dǎo)流室前后兩端的驅(qū)替壓差逐漸升高(0.02 kPa→0.11 kPa)，裂縫寬度逐漸降低(6 mm→5.834 mm)，平均有效閉合壓力每增大1 MPa，驅(qū)替壓差增大1.13倍，裂縫寬度減小0.033 mm。同樣的，在初始階段(≤48 h)，孔隙流體壓力較大時(shí)，有效閉合壓力較小，裂縫導(dǎo)流能力較大，但閉合壓力對(duì)裂縫的壓實(shí)作用顯著，導(dǎo)致裂縫的導(dǎo)流能力下降幅度較大；在中后階段(48～120 h)，由于支撐劑在裂縫中的分布已達(dá)穩(wěn)定，隨著孔隙流體壓力進(jìn)一步降低，壓實(shí)作用對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響不顯著。最終裂縫導(dǎo)流能力降低至初始值的8.86%，平均閉合壓力每升高1 MPa，導(dǎo)流能力降低18.23%。

圖4 孔隙流體壓力對(duì)壓裂裂縫驅(qū)替壓差、裂縫寬度及導(dǎo)流能力的影響

2.1.3 間歇排采的影響

保持閉合壓力13.8 MPa不變，通過控制注入速度和背壓，模擬煤層氣井間歇性排采(開關(guān)井)過程，兩煤板間支撐劑的驅(qū)替壓差、縫寬及導(dǎo)流能力變化如圖5所示。注入速度為5 mL/min和0之間交替進(jìn)行，裂縫中孔隙流體壓力在2 MPa和5 MPa之間交替變化，則作用在裂縫上的有效閉合壓力在11.8 MPa和8.8 MPa之間交替變化。這一過程中，API導(dǎo)流室前后兩端的驅(qū)替壓差是逐漸升高的，裂縫寬度時(shí)大時(shí)小，但在排采階段(流量為5 mL/min)，裂縫寬度整體還是下降的。經(jīng)過5次交替變化后，相同流量下驅(qū)替壓差增大1.67倍，裂縫寬度減小0.01～0.02 mm。

圖5 間歇性排采(開關(guān)井)對(duì)壓裂裂縫驅(qū)替壓差、裂縫寬度及導(dǎo)流能力的影響

第1次5→0→5 mL/min間歇性生產(chǎn)過程中，由于13.8 MPa載荷的壓實(shí)效應(yīng)還未穩(wěn)定，開關(guān)井過程中，流體壓力從2→5→2 MPa變化，會(huì)產(chǎn)生壓力脈沖，引起支撐劑充填層中顆粒運(yùn)移，易引起流動(dòng)通道堵塞，降低支撐充填層的導(dǎo)流能力；第2次5→0→5 mL/min間歇性生產(chǎn)過程中，支撐劑充填層在載荷的作用下基本穩(wěn)定，壓力脈沖引起顆粒運(yùn)移堵塞概率低，導(dǎo)流能力下降幅度較小，甚至重開井初期的裂縫導(dǎo)流能力有一定恢復(fù)?？傊?，間歇性排采、頻繁開關(guān)井可顯著降低壓裂裂縫的導(dǎo)流能力。

2.2 含天然割理煤巖滲透率及影響因素

2.2.1 地層圍壓的影響

保持背壓5 MPa、注入速度1 mL/min不變，逐漸提高作用在煤心上的圍壓，則煤心前后驅(qū)替壓差及滲透率變化如圖6所示。隨著圍壓增大，作用在煤心上的有效應(yīng)力逐漸增大(5 MPa→15 MPa)，驅(qū)替壓差增大(4.3 MPa→14 MPa)，平均有效應(yīng)力每增大1 MPa，驅(qū)替壓差增大0.97 MPa。與閉合壓力對(duì)壓裂裂縫的影響類似，隨著圍壓的升高，由于壓實(shí)作用，煤心內(nèi)部天然裂縫、割理等逐漸閉合引起滲流通道減小，滲透率降低，因此導(dǎo)致巖心前后驅(qū)替壓差也隨之升高。在初始圍壓較小時(shí)，雖然有效應(yīng)力較小，但圍壓對(duì)煤心的壓實(shí)效應(yīng)較為顯著，壓實(shí)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間也較長，煤心滲透率下降幅度較大；隨著后續(xù)圍壓進(jìn)一步增大，壓實(shí)效應(yīng)減弱，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間明顯縮短。煤心滲透率最終降低至初始值的20%，平均有效應(yīng)力每升高1 MPa煤心滲透率下降8%。

圖6 圍壓對(duì)煤心驅(qū)替壓差和滲透率的影響

2.2.2 孔隙壓力的影響

保持圍壓15 MPa、注入速度1 mL/min不變，逐漸降低背壓，模擬煤層排水采氣過程中地層壓力下降過程，則煤心前后驅(qū)替壓差及滲透率變化如圖7所示。隨著背壓減小，作用在煤心上的有效應(yīng)力逐漸增大(10 MPa→15 MPa)，驅(qū)替壓差也逐漸增大(8 MPa→17 MPa)，平均有效應(yīng)力每增大1 MPa，驅(qū)替壓差增大1.29 MPa。煤心滲透率隨著背壓降低而逐漸降低，與地層壓力基本呈反相關(guān)線性下降，最終降低至初始值的46.59%，平均有效應(yīng)力每升高1 MPa煤心滲透率下降10.68%。

圖7 背壓對(duì)煤心驅(qū)替壓差和滲透率的影響

2.2.3 間歇排采的影響

保持圍壓10 MPa不變，通過控制注入速度和背壓，模擬煤層氣井間歇性排采(開關(guān)井)過程，煤心前后驅(qū)替壓差及滲透率變化如圖8所示。注入速度在1 mL/min和0之間交替進(jìn)行，煤心中孔隙流體壓力在2 MPa和5 MPa之間交替變化，則作用在煤心上的有效應(yīng)力在8 MPa和5 MPa之間交替變化。這一過程中，雖然驅(qū)替壓差波動(dòng)頻繁，但整體趨勢變化不大。第1次1→0→1 mL/min間歇生產(chǎn)過程中，可能由于顆粒運(yùn)移堵塞等原因，滲透率波動(dòng)幅度較大，隨時(shí)間降低后又升高，重開井后滲透率又逐漸降低；第2次1→0→1 mL/min間歇性生產(chǎn)過程中，滲透率變化幅度較小?？傮w上，有效應(yīng)力變化對(duì)煤心的滲透率影響不大。

圖8 間歇性排采(開關(guān)井)對(duì)巖心驅(qū)替壓差和滲透率的影響

2.3 近井壓裂煤層等效滲透率分析

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，煤巖壓裂裂縫和含天然裂縫煤巖的滲流能力對(duì)有效應(yīng)力的響應(yīng)敏感性不同，因此針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行延伸分析，分別擬合得到壓裂裂縫導(dǎo)流能力和含天然裂縫煤巖滲透率與有效應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)方程，建立壓裂煤層等效滲透率計(jì)算模型，分析有效應(yīng)力、裂縫長度和裂縫導(dǎo)流能力/滲透率等因素對(duì)煤層等效滲透率的影響。實(shí)際生產(chǎn)過程中，利用生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可較易估算出近井煤層的等效滲透率(視滲透率)，因此，如果掌握了各因素對(duì)等效滲透率的影響規(guī)律，則可根據(jù)排采過程中近井煤層等效滲透率的變化，去間接推測排采過程中壓裂裂縫的有效長度和導(dǎo)流能力變化、判斷支撐劑的裂縫充填效果等。

2.3.1 等效滲透率計(jì)算模型

考慮采用等值滲流阻力法求取壓裂煤層的等效滲透率[14-17]。對(duì)煤層滲流條件進(jìn)行簡單假設(shè)，假設(shè)原始煤層中割理等天然裂縫提供主要的滲流通道，視為單孔單滲結(jié)構(gòu)，孔隙流體主要是地層水，壓裂裂縫為垂直縫，縫高與煤層厚度相同。壓裂直井示意圖和主要參數(shù)如圖9所示。

圖9 近井煤層滲流區(qū)域劃分示意圖

以壓裂裂縫半長Rf為界，將近井煤層滲流區(qū)分為內(nèi)外兩部分，滲流阻力視為串聯(lián)；而內(nèi)滲流區(qū)可進(jìn)一步細(xì)分為壓裂裂縫區(qū)和除壓裂裂縫以外的原始煤層區(qū)，滲流阻力視為并聯(lián)。這3個(gè)區(qū)域的滲流阻力Rou、Rinf、Rinc和總滲流阻力(Rt)的表達(dá)式為

(3)

(4)

由于

(5)

則有

(6)

將式(3)、式(4)代入式(6)，得到

(7)

進(jìn)而得到

(8)

式中：Re為單井的供給半徑，cm；Rf為壓裂裂縫半長，cm，也是內(nèi)外滲流區(qū)的分界線；Rw為原始井筒半徑，cm；kc為未壓裂的煤層滲透率，主要由割理貢獻(xiàn)，μm2；kf為壓裂裂縫的滲透率，μm2；ke為近井煤層的等效滲透率，μm2；wf為壓裂裂縫寬度，cm；h為煤層厚度和壓裂縫高度，兩者相等，cm；Pe為供給壓力，0.1 MPa；Pw為井底流壓，0.1 MPa；Rt為近井煤層的總滲流阻力；Rou為Re至Rf之間的滲流外阻；Rinc為Rf以內(nèi)除去壓裂縫外的滲流內(nèi)阻；Rinf為Rf以內(nèi)壓裂縫區(qū)域的滲流內(nèi)阻。

由式(8)可知，要想求得當(dāng)前地層壓力下近井煤層的等效滲透率，需要知道當(dāng)前地層條件下煤巖壓裂裂縫的導(dǎo)流能力wfkf及天然裂縫的滲透率kc。假設(shè)初始條件下煤巖壓裂裂縫的導(dǎo)流能力為wfokfo，天然裂縫的滲透率為kco，水平有效應(yīng)力為σho，當(dāng)前地層壓力下，煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力比值為yfrac=wfkf/(wfokfo)，煤巖天然裂縫滲透率比值為ycrac=kc/kco，有效應(yīng)力倍數(shù)為xfrac/crac=σh/σho，其中當(dāng)前有效水平應(yīng)力σh=σho+Δσh，Δσh=ΔP[1+υ/(1-υ)]，其中υ為泊松比，ΔP為地層壓力下降值，Δσh為地層壓力下降引起的水平有效應(yīng)力增加[18]。根據(jù)導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2、表3)，建立有效應(yīng)力倍數(shù)與煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力比值和天然裂縫滲透率比值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，采用指數(shù)形式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著有效應(yīng)力倍數(shù)增加，采用降低孔隙壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到的裂縫導(dǎo)流能力和滲透率比值，下降幅度較大，且壓裂裂縫導(dǎo)流能力對(duì)有效應(yīng)力的反應(yīng)要比天然裂縫滲透率更加敏感，與煤層氣排水降壓的工況條件相一致，因此用于本研究中當(dāng)前壓力下煤層裂縫導(dǎo)流能力和滲透率的計(jì)算。若已知初始煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力、天然裂縫滲透率、有效應(yīng)力和當(dāng)前地層壓力下降幅度，可依次求得當(dāng)前地層壓力下的有效應(yīng)力倍數(shù)和煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力及天然裂縫滲透率比值，進(jìn)而求得當(dāng)前地層壓力下煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力和天然裂縫滲透率。

圖10 煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力比值和含天然裂縫煤巖滲透率比值與有效應(yīng)力倍數(shù)關(guān)系

表2 煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力與有效應(yīng)力關(guān)系統(tǒng)計(jì)

表3 含天然裂縫煤巖滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系統(tǒng)計(jì)

采用并聯(lián)等效法計(jì)算等效滲透率，結(jié)果較可靠，尤其在供給半徑Re與裂縫半長Rf較接近時(shí)，可以更加合理地反映裂縫作為高滲通道的貢獻(xiàn)。

2.3.2 等效滲透率敏感性分析

參考韓城煤層氣儲(chǔ)層條件，假設(shè)某一煤層埋深700 m，厚10 m，原始地層壓力為5 MPa，水平有效應(yīng)力為8.8 MPa，天然裂縫(割理)滲透率為0.250 8×10-3μm2，單井控制半徑為160 m，井筒半徑為0.1 m；經(jīng)水力壓裂改造后，人工裂縫半長為90 m，裂縫導(dǎo)流能力為200 μm2·cm，裂縫寬度為0.5 cm，煤巖泊松比為0.3。計(jì)算地層壓力降低至0.5 MPa時(shí)近井煤層的等效滲透率，并進(jìn)行不同地層壓力、裂縫長度以及初始裂縫導(dǎo)流能力下煤層等效滲透率的敏感性分析，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同地層壓力、裂縫長度及原始裂縫導(dǎo)流能力對(duì)近井煤層等效滲透率的影響

通過分析得到：①在其他條件保持不變，地層壓力從5 MPa下降至0.5 MPa，單純依靠有效應(yīng)力升高產(chǎn)生的壓實(shí)作用下，煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力從200 μm2·cm下降至11.23 μm2·cm，煤層滲透率從0.25×10-3μm2下降至0.1×10-3μm2，等效滲透率從8.32×10-3μm2下降至3.15×10-3μm2，因此，地層壓力下降對(duì)壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響較大，其次是近井等效滲透率，對(duì)煤層天然裂縫滲透率影響較?。虎谠谄渌麠l件保持不變，地層壓力下降至0.5 MPa，壓裂裂縫長度從120 m縮短至1 m時(shí)，壓裂裂縫導(dǎo)流能力和天然裂縫滲透率分別保持11.23 μm2·cm和0.1×10-3μm2不變，但等效滲透率從6.08×10-3μm2下降至0.36×10-3μm2，因此，壓裂裂縫長度對(duì)等效滲透率的影響較大；③在其他條件保持不變，地層壓力下降至0.5 MPa，初始?jí)毫蚜芽p導(dǎo)流能力從200 μm2·cm降低至1 μm2·cm時(shí)，煤層天然裂縫滲透率保持0.1×10-3μm2不變，壓裂裂縫導(dǎo)流能力從11.23 μm2·cm逐漸下降至0.056 μm2·cm，等效滲透率從3.15×10-3μm2下降至0.67×10-3μm2，尤其在初始?jí)毫蚜芽p導(dǎo)流能力低于50 μm2·cm，即在初始?jí)毫蚜芽p導(dǎo)流能力小于某一臨界值時(shí)，等效滲透率迅速下降，對(duì)等效滲透率的影響顯著增大。

綜合認(rèn)為，地層壓力下降、壓裂裂縫長度減小以及裂縫導(dǎo)流能力下降所表現(xiàn)出來的等效滲透率變化特征不同，因此可以根據(jù)這一特征，利用生產(chǎn)過程中獲得的等效滲透率變化數(shù)據(jù)，來判斷壓裂裂縫性能的變化，為解釋煤層產(chǎn)能下降原因、優(yōu)化排采制度提供參考依據(jù)。造成近井煤層滲透率較低或降低的原因可能有：①開采過程中壓裂裂縫閉合或壓裂施工中裂縫延展未達(dá)到設(shè)計(jì)長度；②開采過程中吐砂嚴(yán)重或壓裂施工中支撐劑用量少或充填不均勻，導(dǎo)致初始裂縫導(dǎo)流能力較低。

3 結(jié)論

(1)煤巖裂縫滲流能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作用在煤層巖石骨架上的閉合壓力、地層流體壓力、間歇性排采(流量及地層壓力產(chǎn)生波動(dòng))、以及作用時(shí)間等因素都對(duì)煤巖壓裂裂縫和天然裂縫的滲流能力產(chǎn)生顯著影響，其實(shí)質(zhì)都是作用在裂縫上的有效應(yīng)力發(fā)生變化，并且需要一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

(2)與煤巖滲透率相比，煤巖壓裂裂縫的導(dǎo)流能力對(duì)有效應(yīng)力變化更加敏感；對(duì)比降低孔隙流體壓力和提高閉合壓力或圍壓這兩種增加有效應(yīng)力的方式，前者對(duì)煤巖滲透率或裂縫導(dǎo)流能力的影響要大于后者；開關(guān)井、間歇性排采引起的地層壓力及流體波動(dòng)可以造成壓裂裂縫導(dǎo)流能力下降，但對(duì)含天然裂縫煤巖滲透率影響不大。主要原因是，支撐劑是人為填充至裂縫中的固態(tài)顆粒，顆粒尺寸較大，不與煤巖基質(zhì)膠結(jié)，存在與裂縫壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)、嵌入或被壓碎的風(fēng)險(xiǎn)，而煤巖本身孔滲較小，質(zhì)地密實(shí)，壓縮性較小。因此，如何保持地層壓力下降后壓裂裂縫的導(dǎo)流能力是關(guān)鍵。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸了壓裂裂縫導(dǎo)流能力及煤巖滲透率與有效應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)方程，建立了近井煤層等效滲透率計(jì)算模型。該模型可用于估算煤層氣井排水降壓時(shí)近井煤層等效滲透率，也可以根據(jù)現(xiàn)場測試的等效滲透率，反推壓裂裂縫的有效導(dǎo)流能力或縫長。敏感性分析結(jié)果表明，如果設(shè)計(jì)的壓裂裂縫長度和導(dǎo)流能力在煤層氣開發(fā)過程中保持不變，單純依靠地層壓力下降，不會(huì)對(duì)等效滲透率產(chǎn)生嚴(yán)重影響；反之，若壓裂裂縫有效長度、導(dǎo)流能力降低，則會(huì)導(dǎo)致等效滲透率大大降低。