姜在炳，李浩哲，許耀波，張 群，李貴紅，范 耀，降文萍，舒建生，龐 濤，程 斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，天然氣需求大幅增長[1-3]。2021 年10 月發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》指出，加快推進(jìn)頁巖氣、煤層氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源規(guī)?；_發(fā)。我國煤層氣資源豐富，2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量30.05 萬億m3，可采資源量12.50 萬億m3[4]。開發(fā)煤層氣，不僅可以獲得優(yōu)質(zhì)高效的清潔能源，而且可以減少溫室氣體的排放，助力“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

碎軟低滲煤層煤層氣高效開發(fā)是制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)難題之一[5-7]。此類煤層煤體結(jié)構(gòu)差，整體富氣，但物性差[8-12]，煤層氣開發(fā)難度大，單井產(chǎn)氣量低。為解決該技術(shù)難題，“十二五”期間提出了煤層頂板水平井分段壓裂煤層氣高效抽采模式[13-16]，通過將水平井布置在煤層頂板中并實(shí)施分段壓裂，實(shí)現(xiàn)煤層氣高效抽采。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司在淮北蘆嶺煤礦實(shí)施了一口煤層頂板分段壓裂水平井，分7 段進(jìn)行水力壓裂，連續(xù)92 d 日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10 000 m3以上，創(chuàng)造了我國碎軟低滲煤層地面煤層氣井日產(chǎn)氣量超萬方的新紀(jì)錄[17-19]。

“十三五”期間，依托國家科技重大專項(xiàng)課題“碎軟低滲煤層地面煤層氣抽采技術(shù)與裝備”(2016ZX05045-002)，圍繞煤層頂板分段壓裂水平井煤層氣高效抽采模式，繼續(xù)開展理論支撐研究、技術(shù)優(yōu)化設(shè)計、工藝裝備提升、成果規(guī)?；瘧?yīng)用[20-28]。

在對煤層頂板分段壓裂水平井抽采技術(shù)原理進(jìn)行系統(tǒng)闡述的基礎(chǔ)上，筆者以水力壓裂有限元數(shù)值模擬為手段，以裂縫延伸規(guī)律為切入點(diǎn)，對煤層頂板水平井技術(shù)的地質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行分析，并優(yōu)化設(shè)計水平井布井距離(水平井水平段與煤層頂面的距離)、布井方位與最小水平主應(yīng)力方向的夾角，探討煤層頂板水平井分段多簇壓裂的多裂縫競爭擴(kuò)展問題，為煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)原理

與常規(guī)水平井煤層氣抽采技術(shù)不同，煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)將水平井布置在距離煤層頂面一定距離的頂板巖層中，通過實(shí)施密切割分段水力壓裂，溝通井筒與下部煤層，避免碎軟煤層中水平井鉆進(jìn)時的易垮孔、固井質(zhì)量差、壓裂效果不理想等問題，以實(shí)現(xiàn)煤層氣高效抽采，其技術(shù)原理如圖1 所示。其中所述的煤層頂板，是指煤層以上一定距離范圍內(nèi)的幾層巖層的總稱。

圖1 煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)原理Fig.1 Schematic diagram of the staged fracturing horizontal well in coal seam roof

分段壓裂形成的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)是煤層氣滲流進(jìn)入井筒的通道。若對煤層直接壓裂，由于支撐劑在煤層中的壓嵌作用[29-30]，會影響水力壓裂裂縫的導(dǎo)流能力以及煤層氣在裂縫中的滲流，尤其對于碎軟煤層，裂縫更易閉合、堵塞[31-33]。而對于煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)，其裂縫網(wǎng)絡(luò)和滲流模式如圖2 所示。頂板巖層中的裂縫能夠更好地擴(kuò)展并獲得良好的支撐，即使煤層中裂隙間的溝通受限，但是煤層與頂板、頂板與井筒間的溝通能夠得到有效保持，從而獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

圖2 煤層頂板水平井裂縫網(wǎng)絡(luò)及滲流模式Fig.2 Schematic diagram of the fracture network and seepage pattern of the horizontal well in the coal seam roof

與常規(guī)煤層氣抽采技術(shù)相比，煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)具有以下5 方面主要優(yōu)勢。

(1)將水平井布置在頂板巖層中，可避免鉆井過程中鉆井液直接接觸煤層，避免了儲層污染。

(2)在碎軟煤層中直接鉆進(jìn)時易垮孔、埋鉆，在頂板中鉆進(jìn)可顯著降低井下事故發(fā)生的概率，提升水平井鉆井施工安全性、水平段鉆進(jìn)長度、鉆井成功率。

(3)在煤層頂板水平段下套管固井，固井質(zhì)量要優(yōu)于直接在煤層中固井，可為大規(guī)模體積壓裂改造提供基礎(chǔ)，避免水平井分段壓裂時發(fā)生段間竄流。

(4)與碎軟煤層相比，煤層頂板具有高強(qiáng)度、高彈性模量、低泊松比的特點(diǎn)。從頂板壓裂能夠形成更長的裂縫，對水平井實(shí)施分段壓裂可獲得類似于頁巖氣井的體積壓裂效果，從而提高煤層氣的解吸和擴(kuò)散速率，加快煤層氣井產(chǎn)氣速度。

(5)煤粉產(chǎn)出堵塞水力壓裂裂縫是造成煤層氣井中后期產(chǎn)能低的重要因素，而對于煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)，煤層位于井筒下部，在重力作用下煤粉向井筒的運(yùn)移受到抑制，降低了煤粉對通道的堵塞概率。

2 地質(zhì)適應(yīng)性分析

裂縫穿層擴(kuò)展溝通井筒與下部煤層，為煤層氣進(jìn)入井筒提供高速滲流通道，是技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。對于裂縫的穿層擴(kuò)展，地應(yīng)力起到關(guān)鍵控制作用。

采用數(shù)值模擬方法，研究垂向應(yīng)力差異系數(shù)、地應(yīng)力剖面和層間應(yīng)力差對于裂縫穿層擴(kuò)展的影響，建立的數(shù)值模型如圖3 所示。模型尺寸為10 m×20 m，網(wǎng)格均勻劃分，尺寸0.2 m。模型設(shè)計為3 層，上覆巖層厚度10 m，頂板厚度5 m，煤層厚度5 m。井筒及注入點(diǎn)位于煤層頂板中，井筒沿X方向，注入點(diǎn)距離煤層頂部2 m。采用垂直向下定向射孔，射孔孔眼長度為0.4 m。壓裂液為清水，密度1 000 kg/m3，黏度1.0 mPa·s，地應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)研究的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。上覆巖層、頂板巖層、煤層的巖石力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖3 穿層壓裂有限元數(shù)值模擬模型Fig.3 Finite element numerical simulation model of through-layer fracturing

地層界面性質(zhì)對于裂縫的擴(kuò)展形態(tài)具有重要影響，采用零厚度Cohesive 單元表征裂縫面和地層界面。數(shù)值模擬模型中，界面抗剪切強(qiáng)度采用庫倫準(zhǔn)則計算，由于界面黏聚力較低，模擬中假定為0，界面摩擦因數(shù)取0.50。

表1 模型計算參數(shù)Table 1 Simulation model parameters

2.1 垂向應(yīng)力差異系數(shù)

定義垂向應(yīng)力差異系數(shù)k：

式中：σv、σh分別為垂向應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，MPa。

對于頂板巖層，固定最小水平應(yīng)力，改變垂向應(yīng)力為9、11、13 和16 MPa，對應(yīng)的垂向應(yīng)力差異系數(shù)k為-0.18、0、0.18 和0.45，研究裂縫穿層擴(kuò)展情況，結(jié)果如圖4 所示。為了清楚地觀察裂縫形態(tài)，將圖中裂縫放大100 倍。當(dāng)k=-0.18 時，垂向應(yīng)力小于最小水平應(yīng)力，裂縫起裂后形成水平縫，裂縫在頂板內(nèi)擴(kuò)展；當(dāng)k=0 時，在頂板和煤層中形成復(fù)雜縫網(wǎng)，既有在頂板內(nèi)擴(kuò)展的水平縫，也有向煤層中穿層延伸的垂直縫，裂縫整體穿層效果被削弱；當(dāng)垂向應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，裂縫起裂后形成垂直縫，裂縫穿層擴(kuò)展。較大的垂向應(yīng)力差異系數(shù)能夠保證裂縫從煤層頂板中起裂后形成垂直縫，這是裂縫穿層擴(kuò)展進(jìn)入煤層的基礎(chǔ)。

圖4 不同垂向應(yīng)力差異系數(shù)裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.4 Fracture propagation morphology under different vertical stress coefficients

2.2 層間應(yīng)力差

由于煤層與頂板巖石力學(xué)性質(zhì)存在差異，煤層與頂板間地應(yīng)力也存在差異?？导t普等[34]對我國煤礦地應(yīng)力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明，彈性模量較大的巖石，水平應(yīng)力較高，彈性模量較低的碎軟破碎巖層，水平應(yīng)力較低。對于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，水平應(yīng)力與巖層彈性模量成正相關(guān)關(guān)系，因此，對于碎軟低滲煤層，頂板的水平應(yīng)力高于煤層，淮北蘆嶺煤礦8 號煤[16]和山西趙莊煤礦3 號煤[35]的地應(yīng)力數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該結(jié)論，因此，主要研究頂板應(yīng)力高于煤層的情況。

保持煤層地應(yīng)力不變，增加頂板最小水平主應(yīng)力，模擬了應(yīng)力差由0 增大至5 MPa 時裂縫的穿層擴(kuò)展形態(tài)，結(jié)果如圖5 所示。6 種應(yīng)力差條件下，裂縫均可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，但煤層中裂縫長度和寬度不盡相同。隨著應(yīng)力差增大，煤層中有效裂縫長度逐漸增大，并且層間應(yīng)力差越大，裂縫在頂板內(nèi)起裂和延伸時的壓力越高，進(jìn)入煤層后流體能量瞬間釋放，有利于激活煤層內(nèi)部的天然裂隙，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。較大的層間應(yīng)力差可促進(jìn)裂縫穿層擴(kuò)展，但是當(dāng)應(yīng)力差大于3 MPa 后，這種促進(jìn)效果逐漸減弱。

圖5 不同層間應(yīng)力差條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.5 Fracture propagation morphology under different interlayer stresses between roof and coal seam

煤層與頂板之間不同應(yīng)力差條件下，注入壓力變化如圖6 所示。裂縫從頂板起裂后進(jìn)入煤層中擴(kuò)展，應(yīng)力差越大，裂縫起裂和延伸壓力也越高(圖6)。當(dāng)注入時間為15～20 s 時裂縫跨煤巖界面穿層擴(kuò)展，與頂板相比，煤層的最小水平主應(yīng)力和巖石力學(xué)強(qiáng)度更低，注入壓力均有不同程度的下降，層間應(yīng)力差越大，延伸壓力降低幅度越明顯。從裂縫起裂壓力變化可以看出(圖7)，隨著層間應(yīng)力差從0 增大至5 MPa，起裂壓力整體呈上升趨勢，并且當(dāng)應(yīng)力差由0 增大至3 MPa 時，裂縫起裂壓力增加幅度更為明顯，當(dāng)應(yīng)力差超過3 MPa 后，增加幅度趨緩。

圖6 不同層間應(yīng)力差條件下注入壓力隨時間的變化Fig.6 Variation of injection pressure with time under different interlayer stresses between roof and coal seam

圖7 不同層間應(yīng)力差條件下起裂壓力的變化Fig.7 Variation of fracture initiation pressure under different interlayer stresses between roof and coal seam

綜合考慮裂縫穿層擴(kuò)展效果以及壓裂施工壓力，層間應(yīng)力差為1～3 MPa 時，既能滿足裂縫穿層擴(kuò)展要求，也可避免施工壓力過高。

以上研究表明，為保證裂縫穿層擴(kuò)展，溝通井筒與下部煤層，頂板最小水平主應(yīng)力應(yīng)大于煤層。而針對煤層氣直井壓裂改造提出的間接壓裂(IFVC)技術(shù)[36-37]，則是優(yōu)選頂板應(yīng)力低于煤儲層條件，射孔時同時射開頂板和煤層，壓裂時裂縫在應(yīng)力較低、脆性較強(qiáng)的頂板巖層中或煤層與頂板界面處擴(kuò)展，使裂縫與下部煤層接觸，依靠煤層本身較高的垂向滲透率，實(shí)現(xiàn)煤層氣高效抽采。而對于煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)，其主要針對碎軟低滲煤層提出，煤層本身滲透率低，必須依靠裂縫穿層擴(kuò)展，溝通井筒與煤層，為煤層氣滲流提供通道，其技術(shù)原理與間接壓裂技術(shù)有所不同。此外，我國煤層普遍低滲，因此，煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)對于我國煤儲層情況具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.3 地應(yīng)力剖面類型

地應(yīng)力剖面對于裂縫的縱向擴(kuò)展具有重要影響。“上覆巖層-頂板-煤層”可能存在不同的地應(yīng)力剖面類型。

模擬了“上覆巖層-頂板-煤層”地應(yīng)力剖面分別為“高-中-低”(12 MPa-11 MPa-10 MPa)、“低-高-低”(10 MPa-11 MPa-10 MPa)、“低-高-中”(9 MPa-11 MPa-10 MPa)3 種類型時的裂縫延伸形態(tài)，結(jié)果如圖8 所示。裂縫在頂板內(nèi)起裂后同時向上部和下部延伸，裂縫下端到達(dá)煤層界面后可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展溝通井筒與下部煤層，并且3 種地應(yīng)力剖面條件下裂縫穿層延伸效果相同。需要注意的是，模型中注入點(diǎn)與煤層頂面距離為2.0 m，而頂板巖層總厚度為5 m，裂縫從頂板起裂后，同時向上部和下部擴(kuò)展，裂縫下端到達(dá)頂板下部的時間要先于裂縫上端到達(dá)頂板上部，裂縫率先進(jìn)入煤層。并且由于煤層強(qiáng)度較低，最小水平主應(yīng)力低于頂板巖層，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的穿層擴(kuò)展。為了對比不同布井距離對于裂縫穿層擴(kuò)展的影響，模擬了當(dāng)距離增大至4 m 時3 種地應(yīng)力剖面類型對應(yīng)的裂縫擴(kuò)展形態(tài)，結(jié)果如圖9 所示。對于“高-中-低”和“低-高-低”型地應(yīng)力剖面，裂縫均可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，并且“高-中-低”型煤層中裂縫長度更長，裂縫穿層擴(kuò)展效果更好。對于“低-高-低”型地應(yīng)力剖面，裂縫上端首先到達(dá)上覆巖層與頂板的界面，但是由于上覆巖層強(qiáng)度較高，抑制了裂縫向上擴(kuò)展，使裂縫繼續(xù)向下部煤層方向延伸實(shí)現(xiàn)了穿層。“低-高-中”型地應(yīng)力剖面裂縫穿層擴(kuò)展效果最差，裂縫在煤層頂板中擴(kuò)展后進(jìn)入地應(yīng)力較低的上覆巖層擴(kuò)展，極大地削弱了裂縫的穿層擴(kuò)展效果。

圖8 不同地應(yīng)力剖面條件下裂縫穿層延伸形態(tài)Fig.8 Fracture propagation morphology in different in-situ stress profiles

圖9 不同地應(yīng)力剖面裂縫穿層延伸形態(tài)Fig.9 Fracture propagation morphology in different in-situ stress profiles

因此，當(dāng)?shù)貞?yīng)力剖面為“高-中-低”和“低-高-低”型，并且煤層頂板厚度較大的巖層能夠抑制裂縫向上部擴(kuò)展時，水平井布置在煤層頂板巖層中均能獲得較好的穿層效果。但是當(dāng)?shù)貞?yīng)力剖面為“低-高-中”型時，水平井與煤層頂面的距離對于裂縫的穿層擴(kuò)展效果影響很大，較大的布井距離和較高的施工排量均可能導(dǎo)致裂縫向頂板上部擴(kuò)展失控，從而使裂縫向下穿層擴(kuò)展效果變差。

水平井布井距離及鉆進(jìn)層位的優(yōu)選需要綜合考慮目標(biāo)煤層附近的地應(yīng)力剖面、頂板巖性組合等因素，整體而言，距離越近，裂縫穿層擴(kuò)展效果越好，推薦水平段與煤層頂面距離小于2.0 m。

3 水平井布井方位與最小水平主應(yīng)力方向的夾角

采用有限元數(shù)值模擬方法，研究水平井與最小水平主應(yīng)力方向呈不同夾角時，水力壓裂裂縫的延伸形態(tài)，結(jié)果如圖10 所示。當(dāng)水平井與最小水平主應(yīng)力方向夾角較小時(0°～15°)，水力壓裂時形成與井筒垂直的橫向裂縫，具有與地層較大的接觸面積。隨著夾角的增大(45°～60°)，裂縫起裂后發(fā)生明顯轉(zhuǎn)向，最終仍舊沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸。夾角越大，裂縫轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向距離越大。裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展處裂縫寬度小，不利于支撐劑在裂縫內(nèi)的運(yùn)移，從而使支撐劑堆積在近井筒區(qū)域。并且裂縫起裂壓力升高，近井迂曲摩阻增大，地面施工壓力升高，不利于壓裂施工。

圖10 不同布井方位角條件下裂縫延伸形態(tài)Fig.10 Fracture propagation morphology with different well placement azimuths

對于分段壓裂，在壓裂段間距相同的條件下，對比了水平井井筒方向與最小水平主應(yīng)力方向夾角分別為0°和45°時裂縫的延伸形態(tài)，結(jié)果如圖11 所示。當(dāng)夾角為0°時，第1 段壓裂形成的裂縫對第2 段壓裂裂縫的延伸無明顯影響，裂縫兩翼對稱擴(kuò)展，2 條裂縫均能獲得充分的延伸。而當(dāng)夾角為45°時，裂縫起裂后向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，裂縫延伸阻力增大。第1 段壓裂形成的裂縫兩翼近似對稱擴(kuò)展，而第2 段壓裂形成的裂縫由于受到第1 段壓裂裂縫的影響，其兩翼出現(xiàn)不對稱擴(kuò)展的情況，裂縫上翼延伸受限，主要向下部延伸，并且轉(zhuǎn)向處裂縫寬度更窄，不利于支撐劑向裂縫端部輸送，壓裂效果變差。

圖11 不同布井方位角雙裂縫延伸形態(tài)Fig.11 Fracture propagation morphology for double fractures with different well placement azimuths

因此，建議水平井布井方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角在0°～15°范圍為宜。

4 水平井分段多簇壓裂

針對煤層頂板水平井，模擬了單段2 簇射孔和單段3 簇射孔條件下裂縫的延伸形態(tài)，模型如圖12 所示。頂板巖層彈性模量3.0 GPa、泊松比0.30，三向主應(yīng)力分別為16.0、13.0 和11.0 MPa。采用清水壓裂，壓裂液泵注排量10 m3/min，壓裂液黏度1.0 mPa·s，壓裂液密度1 000 kg/m3。單簇射孔數(shù)量為15 孔和30 孔，孔眼直徑10 mm。水平井井筒注入點(diǎn)位于模型右側(cè)2 簇射孔時，壓裂液從射孔簇1 和射孔簇3 進(jìn)入地層，射孔簇間距為40 m。對于3 簇射孔，壓裂液同時進(jìn)入射孔簇1、射孔簇2 和射孔簇3，射孔簇間距為20 m。

圖12 分段多簇壓裂有限元數(shù)值模擬模型Fig.12 Finite element numerical simulation model of staged multi-cluster fracturing

對于2 簇射孔，簇間距40 m，單簇15 孔和單簇30 孔的裂縫延伸形態(tài)分別如圖13a 和圖13b 所示。對于單簇射孔15 孔情況，2 個射孔簇裂縫半長均為46.10 m。對于單簇30 孔的情況，裂縫半長分別為40.96、51.77 m。由于裂縫間的競爭擴(kuò)展現(xiàn)象，段內(nèi)多裂縫擴(kuò)展受到壓裂液井筒流動摩阻、射孔孔眼摩阻以及縫間應(yīng)力干擾作用的綜合影響[38-42]，2 條裂縫未能實(shí)現(xiàn)均勻擴(kuò)展，并且射孔簇距注入點(diǎn)越近，獲得的壓裂液分配越大，裂縫擴(kuò)展優(yōu)勢也越大。這是由于裂縫距離注入點(diǎn)越近，壓裂液進(jìn)入裂縫的流動摩阻越小。單簇30 孔條件下，右側(cè)裂縫根部受到左側(cè)裂縫擠壓，寬度降低，不利于后期支撐劑的輸送。單簇15 孔條件下裂縫的擴(kuò)展均勻程度高于30 孔，2 個射孔簇裂縫長度相等。這是由于射孔孔眼數(shù)量減少，增大了射孔孔眼摩阻，起到了限流壓裂作用，促進(jìn)裂縫的均勻擴(kuò)展，但是裂縫延伸壓力也相應(yīng)提高(圖14)。

圖13 2 簇射孔條件下裂縫延伸形態(tài)Fig.13 Fracture propagation morphology for two-cluster perforation

圖14 2 簇射孔條件下注入點(diǎn)壓力變化Fig.14 Variation of injection pressure at the injection point for two-cluster perforation

對于3 簇射孔，簇間距20 m，單簇15 孔和單簇30 孔的裂縫延伸形態(tài)分別如圖15a 和圖15b 所示。單簇15 孔條件下，裂縫半長分別為40.96、24.70 和51.77 m；單簇30 孔條件下，裂縫半長分別為40.96、4.65 和46.10 m。3 簇裂縫未能實(shí)現(xiàn)均勻擴(kuò)展，由于側(cè)邊裂縫的應(yīng)力干擾作用，中間裂縫的延伸受到抑制。對于單簇30 孔的情況，中間射孔簇在壓裂后期停止延伸，并且在兩側(cè)裂縫的應(yīng)力干擾下發(fā)生閉合。而對于單簇15 孔的情況，射孔孔眼摩阻提高，起到了限流壓裂的作用，盡管裂縫長度較單簇30 孔更加均勻，但是中間射孔簇延伸后對兩側(cè)裂縫的根部造成擠壓，不利于后期支撐劑的輸送，并且裂縫延伸壓力也相應(yīng)提高(圖16)。

圖15 三簇射孔條件下裂縫延伸形態(tài)Fig.15 Fracture propagation morphology for three-cluster perforation

圖16 3 簇射孔條件下注入點(diǎn)注入壓力變化Fig.16 Variation of injection pressure at the injection point for three-cluster perforation

與單段單簇射孔相比，在同樣的泵注排量及壓裂施工規(guī)模條件下，多簇射孔能夠產(chǎn)生多條裂縫，但是單條裂縫長度和寬度均降低，水力壓裂影響范圍也會減小。此外，由于多個射孔簇間的壓裂液分流作用，也可能導(dǎo)致部分裂縫在縱向上無法實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，影響壓裂效果。

對于煤層頂板水平井分段多簇壓裂施工，多裂縫同步擴(kuò)展時存在競爭擴(kuò)展現(xiàn)象，需要綜合考慮地質(zhì)情況和壓裂施工參數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計射孔簇孔眼數(shù)量、簇間距等，借助限流壓裂、極限限流壓裂或裂縫暫堵技術(shù)[43-45]促進(jìn)段內(nèi)多裂縫的均勻擴(kuò)展，提高射孔簇效率及壓裂改造效果。

5 工程驗(yàn)證

基于上述研究成果，在晉城礦區(qū)某井田開展工程應(yīng)用。在含氣量較高(≥10 m3/t)、煤層厚度較大(≥4.0 m)的優(yōu)選區(qū)域，開展煤層頂板分段壓裂水平井煤層氣抽采工程試驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，目標(biāo)煤層頂板彈性模量2.73 GPa，泊松比0.25，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.62，彈性模量0.95 GPa，泊松比0.35。

水平井沿最小水平主應(yīng)力布置，為保證裂縫穿層擴(kuò)展，溝通井筒與下部煤層，設(shè)計水平井與煤層頂面距離在2.0 m 以內(nèi)。X-01 井水平段長746.86 m，分8 段進(jìn)行水力壓裂改造，其中第3 段分2 簇射孔，單簇射孔數(shù)量為30 孔。施工過程中對第3 段和第7 段進(jìn)行微地震監(jiān)測，監(jiān)測及解釋結(jié)果見表2。

表2 水平井壓裂裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果Table 2 Microseismic monitoring results of horizontal well hydraulic fracturing

微地震監(jiān)測結(jié)果表明，2 段主裂縫產(chǎn)狀均為垂直裂縫，裂縫穿層擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了煤層與水平井筒之間的溝通，且從縫長、縫高判斷，2 段壓裂均形成了具有一定導(dǎo)流能力裂縫，實(shí)現(xiàn)對煤層的強(qiáng)化改造，取得了良好的壓裂改造效果。第7 段壓裂形成的裂縫高度比第3 段小、裂縫長度比第3 段長，改造效果優(yōu)于第3 段，由此也驗(yàn)證了頂板水平井距離煤層的距離越近、壓裂施工壓力越低，定向穿層壓裂效果越好的理論認(rèn)識。同時，從第3 段壓裂施工效果也可以看出，兩射孔簇裂縫未能實(shí)現(xiàn)均勻擴(kuò)展，并且距離井口近的射孔簇裂縫延伸效果優(yōu)于遠(yuǎn)端射孔簇，與前文單簇30 孔射孔施工時裂縫非均勻擴(kuò)展數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

X-01 井自2019 年1 月開始排采，最高日產(chǎn)氣量1.15 萬m3，穩(wěn)產(chǎn)6 000～8 000 m3。截至2020 年12 月累計產(chǎn)氣325 萬m3，目前穩(wěn)產(chǎn)4 000～5 000 m3，取得了良好的生產(chǎn)效果，由此也驗(yàn)證了煤層頂板分段壓裂裂縫延伸規(guī)律的正確性。

6 結(jié) 論

a.煤層頂板分段壓裂水平井煤層氣抽采技術(shù)通過優(yōu)化布井位置，解決了碎軟低滲煤層煤層氣高效抽采難題，利用頂板巖層中分段壓裂形成的穩(wěn)定支撐裂縫，實(shí)現(xiàn)碎軟低滲煤層煤層氣井的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，具有避免鉆井液污染儲層、提高水平井鉆井施工安全性、提高固井質(zhì)量、提高壓裂改造效果和減少煤粉堵塞通道等綜合技術(shù)優(yōu)勢。

b.較大的垂向應(yīng)力差異系數(shù)能夠保證裂縫在頂板內(nèi)起裂后形成垂直縫。頂板與煤層的層間應(yīng)力差為1～3 MPa 時，既能夠保證裂縫的穿層擴(kuò)展，也能避免裂縫的起裂和延伸壓力過高。

c.當(dāng)?shù)貞?yīng)力剖面為“高-中-低”和“低-高-低”型，并且頂板巖層上部具有厚度較大的巖層能夠抑制裂縫向上部擴(kuò)展時，水平井布置在頂板巖層中均能獲得較好的穿層效果。而對于“低-高-中”型應(yīng)力剖面，布井距離對于裂縫的穿層擴(kuò)展效果影響較大，整體而言，水平井布井距離越小，裂縫穿層擴(kuò)展效果越好。

d.水平井布井方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角越大，裂縫擴(kuò)展的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向距離越大，越不利于裂縫延伸和支撐劑輸送，并且同樣的壓裂段間距條件下，當(dāng)夾角為0°時縫間干擾程度小于夾角為45°的情況，優(yōu)化水平井布井方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角為±15°以內(nèi)。

e.煤層頂板分段壓裂水平井工程應(yīng)用取得了良好的產(chǎn)氣效果，可為相似地層條件煤層氣高效抽采提供借鑒。