張 苗，鄒明俊，呂樂樂，石勇麗，李林記

（1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；3.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471023）

水力壓裂是煤層氣開發(fā)常用增產(chǎn)技術(shù)。這一技術(shù)能將支撐劑輸送到更遠(yuǎn)區(qū)域，鋪設(shè)更大范圍，擴(kuò)大了有效井眼半徑和煤層氣解吸滲流面積，強(qiáng)化了有效裂隙的支撐。壓力閉合后，儲層中能產(chǎn)生更寬、更有效的裂縫作為流體的運(yùn)移通道，進(jìn)而高效開采煤層氣資源[1-3]。在美國，除粉河盆地和圣胡安盆地使用洞穴完井技術(shù)外，黑勇士、皮申斯、尤因塔、拉頓、中阿巴拉契亞、北阿巴拉契亞等盆地均使用水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)，14 000 余口煤層氣井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，90%以上是經(jīng)水力壓裂改造獲得商業(yè)化開采的[4]。我國的沁水盆地、鄂爾多斯盆地等煤層氣開采熱點(diǎn)地區(qū)也大都采用水力壓裂技術(shù)來達(dá)到煤層氣增產(chǎn)效果[5-8]。水力壓裂使用的支撐劑一般是石英砂，普遍具有球度差、表面光潔度低、密度大、抗壓強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。支撐劑密度越大，攜砂液的攜砂難度則越高，鋪設(shè)面積越小，綜合成本也越大。石英砂作為支撐劑受嵌入堵塞、運(yùn)移距離及鋪設(shè)面積等多因素的影響，壓裂后裂縫的導(dǎo)流能力增幅效果或不甚明顯[9]。輕質(zhì)陶?？朔耸⑸暗娜秉c(diǎn)，具有密度小、球度高、表面光潔度好，易攜帶、鋪砂均勻及導(dǎo)流能力好等優(yōu)點(diǎn)[10-14]。低滲儲層區(qū)選擇輕質(zhì)陶粒作為支撐劑，能產(chǎn)生較好的裂縫支撐效果，進(jìn)而提升導(dǎo)流及產(chǎn)氣能力?；诖?，采用陶粒作為支撐劑，收集國內(nèi)典型煤層氣區(qū)塊的壓裂數(shù)據(jù)，模擬陶粒在壓裂激化過程中的沉降及運(yùn)移規(guī)律，并進(jìn)行陶粒粒級配比優(yōu)選，為后期煤層氣的壓裂施工提供理論指導(dǎo)。

1 支撐劑沉降理論

受重力、浮力和阻力的影響，支撐劑顆粒在靜態(tài)無邊界的牛頓流體中沉降時會持續(xù)加速沉降，當(dāng)三者達(dá)到平衡后勻速下沉。這一自由沉降速度可表示為：

式中：μ 為地層流體黏度，Pa·s。

式（2）為壓裂過程中支撐劑運(yùn)移的理論模型?；诶碚撃Ｐ停瑢⒔Y(jié)合數(shù)值模擬軟件對支撐劑的運(yùn)移及粒徑配比進(jìn)行模擬。

2 地質(zhì)背景

沁水盆地高河區(qū)地層走向SN-NNE，東高西低，發(fā)育有SN 和NNE 向的2 組寬緩褶曲。區(qū)內(nèi)煤層氣井QS01 井的壓裂層位為山西組3 號煤層，壓裂井段527.80～534.80 m，厚7.00 m，最大井斜1.6°，煤層井徑擴(kuò)大率為90%。QS01 井套管數(shù)據(jù)見表1。3 號煤層及其頂?shù)装鍍游镄詤?shù)見表2。

表1 QS01 井套管數(shù)據(jù)Table 1 Casing data for well QS01

表2 3 號煤層及其頂?shù)装鍍游镄詤?shù)Table 2 Reservoir parameters for 3# coal seam,roof and floor

3 討 論

3.1 支撐劑運(yùn)移模擬

基于牛頓流體單顆粒自由沉降理論，采用FracproPT 壓裂設(shè)計(jì)軟件模擬了陶粒和常規(guī)石英砂支撐劑在壓裂后的運(yùn)移狀態(tài)。陶粒壓裂效果模擬時設(shè)定陶粒密度1.12 kg/m3，球度0.89。支撐劑運(yùn)移后會形成砂堤、懸砂區(qū)和純液區(qū)。陶粒產(chǎn)生的砂堤最遠(yuǎn)可至120 m，而懸砂區(qū)可推送至180 m。石英砂壓裂效果模擬時設(shè)定密度1.63 kg/m3，球度0.65。石英砂產(chǎn)生的砂堤可運(yùn)移至60 m，而懸砂區(qū)可達(dá)80 m。陶粒支撐劑在縫高上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布剖面如圖1。石英砂支撐劑在縫高上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布剖面如圖2。對比圖1 和圖2，石英砂壓裂產(chǎn)生的砂堤和懸砂區(qū)范圍明顯小于陶粒支撐劑，故其造縫能力弱于陶粒。基于此，將采用陶粒作為支撐劑進(jìn)行壓裂模擬。

圖1 陶粒支撐劑在縫高上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布剖面Fig.1 Concentration profile in width direction by using ceramsite

圖2 石英砂支撐劑在縫高上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布剖面Fig.2 Concentration profile in width direction by using quartz sand

3.2 陶粒性能研究

選取380～1 000 μm 和250～380 μm 2 種陶粒來研究陶粒的支撐效果。對2 種粒徑陶粒的導(dǎo)流能力進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，380～1 000 μm 及250～380 μm 輕質(zhì)陶粒支撐劑導(dǎo)流能力與閉合壓力關(guān)系如圖3。結(jié)果表明：在閉合壓力相同時，大粒徑陶粒的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)高于小粒徑陶粒，且隨閉合壓力的增加，2 種粒徑陶粒的導(dǎo)流能力均降低。小粒徑陶粒由于粒徑小，被壓裂液攜帶距離遠(yuǎn)，支撐裂縫的強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)流能力低；大粒徑陶粒由于粒徑較大，被壓裂液攜帶距離近，支撐裂縫能力高，導(dǎo)流能力強(qiáng)。隨著閉合壓力的增加，380～1 000 μm 陶粒的導(dǎo)流能力下降速度變慢，表明大粒徑陶粒在高閉合壓力下仍能得到有效的支撐。

圖3 380～1 000 μm 及250～380 μm輕質(zhì)陶粒支撐劑導(dǎo)流能力與閉合壓力關(guān)系Fig.3 Relationships between conductivity and closure pressure for ceramsites of 380～1 000 μm and 250～380 μm

3.3 粒徑配比優(yōu)化

采用FracproPT 壓裂軟件模擬QS01 井在不同粒徑陶粒配比下的壓裂效果，壓裂過程設(shè)計(jì)了250～380 μm，380～1 000 μm 和830～1 400 μm 3 種粒徑的陶粒?；谘芯繀^(qū)支撐劑的粒徑配比經(jīng)驗(yàn)，模擬設(shè)計(jì)的250～380 μm、380～1 000 μm 和830～1 400 μm 3 種陶粒的配比為1∶6∶2，1∶1∶1 和3∶1∶2。

粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果模擬如圖4，因其他2 種配比模擬得到的壓裂效果相近，故未給出。3 種粒徑配比下的壓裂效果對比見表3。

表3 3 種粒徑配比下的壓裂效果對比Table 3 Fracture performance comparison for three granularity matching

圖4 粒徑配比為1∶1∶1 的壓裂效果模擬Fig.4 Fracture performance simulation under granularity matching of 1∶1∶1

根據(jù)模擬結(jié)果，粒徑配比為1∶6∶2 時，平均支撐劑濃度最大，導(dǎo)流能力最強(qiáng)，裂縫縫長與支撐縫長最??；粒徑配比為3∶1∶2 時，裂縫縫長與支撐縫長最大，導(dǎo)流能力最低；粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果基本介于其它2 種配比的效果之間。因?yàn)榱脚浔葹?∶1∶2 時，小粒徑陶粒所占比例較大，支撐劑被壓裂液攜帶距離最遠(yuǎn)，支撐裂縫的強(qiáng)度最弱，導(dǎo)流能力最低；粒徑配比為1∶6∶2 時，中等粒度陶粒所占比例最大，支撐劑被壓裂液攜帶距離較遠(yuǎn)，能夠有效支撐裂縫，支撐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且導(dǎo)流能力最強(qiáng)。因此，在后期壓裂時，最優(yōu)配比應(yīng)選擇1∶6∶2（250～380 μm∶380～1 000 μm∶830～1 400 μm）。

4 結(jié) 論

1）石英砂壓裂產(chǎn)生的砂堤和懸砂區(qū)范圍明顯小于陶粒支撐劑，其造縫能力弱于陶粒。

2）在閉合壓力相同時，大粒徑陶粒的導(dǎo)流能力高于小粒徑陶粒。大粒徑陶粒隨閉合壓力增加導(dǎo)流能力下降速度變慢，表明大粒徑陶粒在高閉合壓力下仍得到了有效的支撐。

3）將250～380 μm、380～1 000 μm 和830～1 400 μm 的陶粒按1∶1∶1，3∶1∶2 和1∶6∶2 進(jìn)行配比，并分別模擬3 種配比下的導(dǎo)流能力。結(jié)果表明，粒徑配比為1∶6∶2 時，平均支撐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，導(dǎo)流能力最高；粒徑配比為3∶1∶2 時，裂縫長度與支撐縫長最大，導(dǎo)流能力最低；粒徑配比為1∶1∶1 時的壓裂效果基本介于其它2 種配比的效果之間。綜上，本區(qū)粒徑配比建議選擇1∶6∶2（（250～380 μm）∶（380～1 000 μm）∶（830～1 400 μm））。