盧海兵，王玉斌，張 軍，仲 劼，姜 偉，王 杰，曲喜墨

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；3.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(duì)，新疆 烏魯木齊 830009； 4.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

新疆煤層氣資源豐富，預(yù)測(cè)煤層氣資源量達(dá)9.5萬(wàn)億m3，占全國(guó)煤層氣預(yù)測(cè)資源量的26%。準(zhǔn)噶爾盆地沿天山一帶的東部和南緣，煤層氣資源量預(yù)計(jì)超過(guò)了1萬(wàn)億m3，已超過(guò)常規(guī)天然氣資源量[1-3]。

新疆阜康白楊河礦區(qū)的煤多為低變質(zhì)煙煤，屬低煤階煤層氣藏，主力煤層為侏羅系八道灣組中下段，分布穩(wěn)定，具有較好的弱含水砂泥巖遮擋層，成藏條件好。煤層含氣量8 m3/t左右，平均孔隙度3.3%左右，滲透率0.1×10-3～4.3×10-3μm2，物性條件與保德區(qū)塊相當(dāng)，屬低孔中低滲煤層氣藏，具有良好的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)前景[4]。前期開(kāi)發(fā)取得了較好的成果，建成了3 000萬(wàn)m3產(chǎn)能的煤層氣開(kāi)發(fā)利用示范基地[5]。

研究區(qū)域煤層具有大傾角、多煤層、大厚度的地質(zhì)特點(diǎn)，煤層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律、裂縫形態(tài)等與其他地區(qū)有較大差異，影響單井產(chǎn)量的因素及規(guī)律也不明確，導(dǎo)致在沁水盆地南部及鄂爾多斯盆地東緣成功應(yīng)用的“套管完井、清水加砂壓裂”等改造技術(shù)適應(yīng)性不強(qiáng)，后期部分井壓裂后產(chǎn)量較低[6-9]。

為了研究白楊河礦區(qū)煤層井產(chǎn)量對(duì)水力壓裂裂縫參數(shù)需求以及煤層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，評(píng)價(jià)適應(yīng)該煤層特征的低傷害高效能壓裂液體系及壓裂施工參數(shù)，進(jìn)行了大傾角厚煤層壓裂改造工藝研究，依托白楊河礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)利用示范基地，攻關(guān)低煤階大傾角厚煤層增產(chǎn)改造優(yōu)化技術(shù)，探索大傾角、多煤層、大厚度煤層氣壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，提高區(qū)塊煤層氣產(chǎn)量，對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似特征煤層氣增產(chǎn)改造具有重大意義[10]。

1 低煤階煤層深度有效支撐壓裂技術(shù)

由于煤層和油氣儲(chǔ)層的巨大差別，使得煤層水力壓裂與油氣井壓裂既存在相似之處，又存在很大差異。目前雖然水力壓裂技術(shù)在改造低滲透油氣藏方面得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，并取得了理想的增產(chǎn)效果，但是水力壓裂技術(shù)在改造煤層氣藏方面還是一個(gè)嶄新領(lǐng)域，還沒(méi)有形成適合煤層氣特征的壓裂增產(chǎn)理論和方法。因此，掌握煤層壓裂改造過(guò)程中裂縫起裂、擴(kuò)展和裂縫形態(tài)規(guī)律，通過(guò)完井參數(shù)、施工參數(shù)等的優(yōu)化，形成一套適用于煤層壓裂改造的配套壓裂工藝技術(shù)，對(duì)提高煤層的滲透率和煤層氣的開(kāi)采效果具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義[11-14]。

導(dǎo)流能力受裂縫縫寬和滲透率影響，根據(jù)煤巖特征及壓裂施工中可以進(jìn)入煤層對(duì)裂縫縫寬或滲透率造成影響的因素進(jìn)行分類(lèi)，可以得到影響煤巖壓裂裂縫導(dǎo)流能力的主要因素有以下3大類(lèi)：①地層參數(shù)。其中閉合應(yīng)力和煤粉會(huì)對(duì)裂縫滲透率造成影響，多裂縫會(huì)影響主裂縫的鋪砂濃度，進(jìn)而影響縫寬。②支撐劑。支撐劑的粒徑會(huì)影響裂縫滲透率，支撐劑嵌入和鋪砂濃度會(huì)影響裂縫寬度。③壓裂液。壓裂液主要包括活性水、清潔壓裂液和胍膠壓裂液3種類(lèi)型，而這3種類(lèi)型對(duì)裂縫滲透率的傷害程度差異較大，壓裂液中添加劑的濃度也會(huì)對(duì)裂縫滲透率有很大影響，壓裂液的黏度會(huì)影響壓裂液濾失及支撐劑對(duì)裂縫的支撐效果，從而影響縫寬。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流能力隨著時(shí)間的變化是逐漸降低的，故評(píng)估壓裂效果時(shí)，研究導(dǎo)流能力隨時(shí)間的變化規(guī)律也是必不可少的[15-20]。

2 大傾角煤層多縫壓裂技術(shù)

2.1 大型物理模擬實(shí)驗(yàn)儀器

大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)主要由真三軸模型、真三軸壓力加載系統(tǒng)、恒速恒壓泵、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、管閥件、輔助裝置等部分組成[1]，如圖1所示。

圖1 大尺寸真三軸壓裂模擬系統(tǒng)Fig.1 Large-scale true triaxial fracturing simulation system

2.2 大型物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)最大主應(yīng)力沿地層走向方向。恒定注入排量150 mL/min，壓裂過(guò)程中壓力沿一定斜率的直線(xiàn)逐漸上升，從2 MPa逐漸上升到6 MPa。雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)中前期斜率1.375，說(shuō)明裂縫高度和長(zhǎng)度限制擴(kuò)展；后期斜率0.303，反映了縫高受限的裂縫向前延伸的過(guò)程。停泵后壓力很快降到零，說(shuō)明裂縫連通性較好(圖2)。

巖樣從加壓艙中取出后可以看到明顯的水力裂縫，水力裂縫沿最大主應(yīng)力方向的一條垂直縫，人工裂縫基本貫穿整個(gè)巖樣，且裂縫寬度較大，所以壓裂停泵后的壓力很快降到0(圖3)。

將煤巖周?chē)乃喟鼘悠书_(kāi)，顏料在膠結(jié)面處均勻分布，液體未橫向突破水泥層。煤巖剖開(kāi)后觀察到明顯的人工裂縫，染料鋪滿(mǎn)整個(gè)裂縫面；裂縫的開(kāi)啟主要沿層理和天然裂縫(圖4)，由于地層傾角較大，形成類(lèi)似“高角度—垂直”縫形態(tài)。

圖4 最大主應(yīng)力沿地層走向方向?qū)嶒?yàn)后交界面處裂縫形態(tài)Fig.4 Fracture morphology at the interface after the experiment of maximum principal stress along the direction of formation strike

(2)最大主應(yīng)力沿地層傾向方向。實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大主應(yīng)力沿地層走向方向煤樣剖開(kāi)后裂縫形態(tài)如圖5所示。采用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。注入過(guò)程中壓力緩慢下降，其中出現(xiàn)多次尖端破裂，注入過(guò)程中壓力由19.0 MPa降至9.5 MPa；雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)中前期斜率1.209(圖6)，說(shuō)明裂縫高度和長(zhǎng)度限制擴(kuò)展，后期斜率為0，穩(wěn)定高度擴(kuò)展。

圖5 最大主應(yīng)力沿地層走向方向?qū)嶒?yàn)后煤樣剖開(kāi)后裂縫形態(tài)Fig.5 Fracture morphology after coal sample is split after the maximum principal stress experiment along the direction of stratum strike

圖6 最大主應(yīng)力沿地層傾向方向?qū)嶒?yàn)壓裂曲線(xiàn)及雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)Fig.6 Experimental fracture curve and log-log curve of maximum principal stress along the formation dip direction

將煤巖周?chē)乃喟鼘悠书_(kāi)，顏料在膠結(jié)面處均勻分布，液體未突破水泥層，煤巖中裂縫網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯(cuò)，基本所有層理和割理都有顏料，任意選擇一個(gè)面剖開(kāi)均可以看到顏料呈星點(diǎn)狀分布。

最大主應(yīng)力沿走向方向(圖7)，裂縫起裂容易，地層傾角對(duì)施工影響相對(duì)較小，需大規(guī)模改造。

圖7 最大主應(yīng)力沿地層傾向方向?qū)嶒?yàn)后煤樣形態(tài)Fig.7 Morphology of coal sample after the experiment of maximum principal stress along the strata dip direction

最大主應(yīng)力方向沿傾向方向，裂縫起裂困難，前期裂縫受限擴(kuò)展，后期穩(wěn)定擴(kuò)展，所以裂縫擴(kuò)展困難，轉(zhuǎn)向及多級(jí)破裂較多，需要多級(jí)小規(guī)模改造(圖8、圖9)。

圖8 最大主應(yīng)力沿地層傾向方向?qū)嶒?yàn)后交界面處裂縫形態(tài)Fig.8 Fracture morphology at the interface after the maximum principal stress experiment along the formation dip direction

圖9 最大主應(yīng)力沿地層傾向方向?qū)嶒?yàn)后煤樣剖開(kāi)后裂縫形態(tài)Fig.9 Fracture morphology after the coal sample is split after the maximum principal stress experiment along the formation dip direction

3 結(jié)論

通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究、前期壓裂井施工分析和試驗(yàn)井施工，針對(duì)大傾角、厚煤層改造有以下結(jié)論。

(1)垂直層理面煤巖滲透率高于沿層理面煤巖滲透率，水力壓裂裂縫最優(yōu)延伸方向?yàn)檠貪B透性較差的方向，即沿層理面延伸，有利于水平方向縫長(zhǎng)延伸及控制體積的提高，且有利于垂向上控制更大的改造和泄壓體積，提高壓裂效果。

(2)如果最大主應(yīng)力方向沿走向方向，裂縫起裂容易，裂縫的開(kāi)啟主要沿層理和天然裂縫，這種裂縫較為簡(jiǎn)單，裂縫張開(kāi)度和溝通深度都較高，有利于提高改造體積，所以鉆井過(guò)程中應(yīng)盡量使井眼軌跡與最大應(yīng)力(煤層走向方向)一致。