煤儲層水力壓裂技術新進展

孫明闖 白新華，2

(1．河南省煤層氣開發利用有限公司，河南 450016;2．中國礦業大學資源與地球科學學院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 221008)

中國低滲透率、低臨儲壓力比、低含氣飽和度的煤儲層條件不利于煤層氣開發和瓦斯抽采，工程技術人員和科研工作者嘗試了物理增透技術、化學增透技術、化學能量方式降低煤儲層的親甲烷能力等方面的研究，對煤儲層的改造取得了一定的效果。其中物理增透技術，主要包括水力壓裂和裸眼洞穴等手段。水力壓裂技術兼具物理、化學作用增加煤儲層透氣性，對煤層氣開采、瓦斯抽采具有現實意義。

1 煤層水力壓裂的發展

煤儲層的水力壓裂源自油氣田開發所用的水力壓裂技術，1947年，世界上第一口煤層氣壓裂井在美國堪薩斯州Hugoton氣田Kelpper 1井實施，開啟了煤儲層水力壓裂增透技術研究的序幕。煤儲層的水力壓裂技術是開采煤層氣的一種有效增產方法，利用地面水動力在井眼形成高壓，當井底壓力超過煤層抗壓強度后，煤層破裂或裂縫張開;在縱向上，受圍巖遮擋制約，裂縫被限制在一定范圍內;在橫向上，受煤層結構影響，裂縫沿煤層主裂縫和次裂縫方向同時延伸;受煤層應力和裂縫發育條件影響，主裂縫沿主應力方向延伸較長，次裂縫也在一定范圍內延伸。在有限范圍的煤層內，人造裂縫將煤層原生和次生裂縫有效連通，在煤層中形成大量大裂縫和微裂縫，通過支撐裂縫和裂縫效應改善煤層的滲流特性，提高煤儲層導流能力。目前煤儲層水力壓裂的發展方向以清水、加砂壓裂為主，以重復壓裂、多層、薄層控制縫高、端部脫砂、低滲儲層深穿透、連續油管壓裂、高強低密度支撐劑和低傷害壓裂液等技術為前導，形式上以同步、重復、多級、體積、通道壓裂等新概念出現，通過直井、水平井、羽狀井來實現。

20世紀60年代初期以淺層水平造縫為主，并發展了高壓水力壓裂技術，大量的廉價水基壓裂液，各種添加劑、支持劑得以深入研究，我國以油田解堵和增產技術為主;70年代開始了高排量高壓水力壓裂，水力壓裂也由簡單的、低液量、低排量壓裂增產方法，發展為高度工程考慮的大排量高壓水力壓裂方法，由于水力壓裂技術攜砂能力較差，開始嘗試液氮泡沫壓裂技術，這一時期我國發展了適應高含水層所需的蠟球選擇性壓裂工藝，以及化學堵水與壓裂配套的綜合改造技術;對于低壓儲層返排能力差的缺點，80年代發展了液氮泡沫加砂壓裂技術;90年代CO2加砂壓裂技術有所發展，同時探索出了一整套壓裂實時監測和施工參數監控技術，并研制出了一整套適用于不同地層條件(溫度、滲透率)的低傷害新型壓裂材料 (支撐劑、壓裂液、添加劑等)以及相應的新工藝、新技術，這其中又以端部脫砂壓裂 (TSO)、重復壓裂、裂縫檢測、縫高控制、高滲層防砂壓裂、低滲層深穿透壓裂、低滲層大砂量多級壓裂、壓裂實時監控等技術為代表。

國內外對水力壓裂裂縫起裂、擴展、延伸規律的學術研究主要集中在以下幾個方面:

(1)煤體結構及儲層原始滲透率空間展布預測研究

從煤體低楊氏模量、高泊松比、非均質性、裂隙－孔隙系統等方面進行了研究，國內方面曹代勇、琚宜文、焦作礦業學院瓦斯地質研究室等對煤體結構提出了分類方法，最終形成了一致認可的四分法、五分法;國外方面Gash、Levine從割理裂隙系統角度研究其與滲透率的關系，并建立了相應模型。

(2)水力壓裂造縫機理與裂縫展布形態的研究

王鴻勛認為水力壓裂的造縫機理在于高壓液體以大于煤層濾失的速度劈開煤層，并將支撐劑帶入其中，在煤層中形成導流能力較高的人造裂縫;李勝利針對軟煤試樣，在三軸加載試驗下，研究了裂隙的整個演化過程;趙陽升通過三維應力下的控制壓裂實驗和數值模擬分析，得出水力壓裂對硬煤適用，而軟煤基本沒效果的結論;鄧廣哲通過對大型煤塊試件的壓裂實驗，研究了水壓裂縫擴展行為的控制參數，對水壓裂縫的形成、擴展與煤體滲透性改變、水壓作用的關系，進行了系統的試驗研究，并對水壓裂縫破壞煤體結構的力學機制進行了分析;杜春志根據最大拉應力準則，給出了原級裂隙擴展的力學條件，進而分析了空間壁面裂隙擴展的力學條件，并利用RFPA2D-Flow有限元數值軟件模擬了高壓水作用下煤層裂縫的擴展延伸過程。

在裂縫形態方面，水力壓裂施工設計最常用的有以PKN、GDK為代表的二維裂縫模型，以Van Eekelen、Palmer代表的擬三維裂縫延伸模型，以Clifton、Abou－sayed、Cleary為代表的全三維裂縫延伸模型;趙金洲、吳繼周、烏效鳴、申晉、郭大立等利用各種數學、物理根據對水力壓裂裂縫的產狀和形態進行了理論分析與模擬。

(3)煤巖應力－應變破壞過程滲透率變化實驗研究

傅雪海等基于三軸對比力學實驗得出，在煤層壓裂過程中，隨著氣、水介質的排出，煤基質發生收縮，煤體強度提高，泊松比減小，煤儲層滲透率得到改善;楊永杰等、趙毅鑫等通過研究發現，煤體非均質性影響了滲透率變化。

2 壓裂設備

壓裂設備主要介紹通用的壓裂泵車、混砂車、儀表車、管匯車及輔助設備的發展情況。

2.1 國外壓裂設備現狀

國外對壓裂設備的研制經驗豐富，其中美國壓裂設備的性能和技術水平居于世界領先地位，有哈里伯頓、斯倫貝謝、BJ公司、西方公司、S＆S公司等，他們依據壓裂施工工藝對壓裂設備做整體要求，加拿大有皇冠公司，法國有道威爾公司。除S＆S公司和皇冠公司外，其他壓裂設備制造公司既從事設備制造，又從事油田工程技術服務。

國外能夠提供壓裂泵車的成套技術裝備，包括底盤卡車、動力機、傳動系統及壓裂泵等，形成了電力、液壓、柴油機或燃氣輪機等多種動力驅動形式的系列產品。美國因汽車制造業發達，壓裂設備制造廠商對底盤卡車的選擇范圍比較廣泛，可以直接選用肯沃斯、萬國、馬克等載重卡車。美國有適合壓裂設備用的大功率高速柴油機，如卡特彼勒、底特律、康明斯等知名品牌。近幾年，卡特彼勒公司和底特律公司相繼開發了電噴柴油機，更加適合車裝，噪音低，能耗小，廢氣排放均達到歐Ⅱ以上標準。

混砂車主要集中在北美地區，早期的混砂車多用裝載汽車發動機作動力，現在的混砂車多用單獨的動力驅動主機，因汽車發動機作動力的混砂車，功率有限，傳動系統復雜，故障率比較高，不能夠滿足高壓、大排量、多功能壓裂施工的工藝技術要求。

加拿大皇冠公司生產的混砂車采用0.3m3的混合罐內混合后直接排出，將攪拌和排出合二為一，省去了一個排出泵，由于混合罐上部設有控制砂子流入的閘板，使加砂濃度在低端可以實現任意控制，且密度計的實測信號又參與對加砂濃度的控制，真正實現對混砂車加砂濃度的精確控制，但是攪拌葉輪的正常設計壽命只有2340t的加砂量。美國斯倫貝謝公司生產的混砂車的混合罐的容積只有0.09m3，這將大大提高施工過程中對砂濃度調節的反應速度，有效解決了砂濃度調整過程中的延時滯后現象。

2.2 國內壓裂設備現狀

我國壓裂裝備研制從20世紀80年代起步。江漢石油四機廠在原石油工業部大力支持下，引進美國“OPI”1800型壓裂泵、FMC公司高壓活動彎頭、SPM公司高壓管匯、西方公司壓裂機組等設計制造技術，并從1990年開始進口壓裂機組的散件組裝。

我國相繼研制了 50MPa、70MPa、85MPa、105MPa系列的壓裂設備，為實現低滲透油田、煤層氣的穩產、高產開發和提高采收率做出了貢獻。目前主要生產廠家有蘭州通用機器制造有限公司、南陽二機石油裝備 (集團)有限公司、江漢第四石油機械廠和四機賽瓦石油鉆采設備有限公司等。江漢第四石油機械廠的產品，代表了國內壓裂設備的較高水平，他們生產的三缸壓裂泵從3ZB70－265型～3ZB105－1490型共7種產品，五缸壓裂泵有5ZB105-1860L型、5ZB105-1860H型2種產品。

YLS105－1340型壓裂混砂車是江漢第四石油機械廠自行設計制造的壓裂設備，將壓裂泵車和混砂車功能合二為一的多功能集成化的壓裂設備，適用于油氣田各種小型壓裂、防砂施工作業;YLC105-1860型五缸壓裂泵車具有排量大、壓力波動小、運轉平穩等性能特點，適用于油氣田深井、煤層氣井的各種壓裂作業，最高工作壓力可達105MPa，在國內開創了五缸壓裂泵車設計制造先河，縮短了我國同國外壓裂設備制造的差距。

3 新技術的應用

3.1 重復壓裂

重復壓裂包括重新張開、延伸原裂縫和壓新縫重復壓裂兩方面。重新張開、延伸原裂縫是在油藏數值模擬的基礎上根據油藏特征和重復壓裂工藝特點，優選壓裂材料并進行優化設計。壓新縫重復壓裂裂縫方位的變化規律是:重復壓裂新裂縫方向從垂直于初始裂縫縫長方向變為與初始裂縫縫長方向平行的一個漸進過程，而不是突然轉向，并且為時間的函數。

3.2 多層、薄層壓裂

多裂縫的存在可能導致出現施工壓力高、低砂比砂堵等情況。目前國內外已經建立了許多有效的直接或間接的多裂縫檢測手段，檢測結果與大量室內實驗證實了多裂縫存在的客觀事實。多裂縫的形成主要與破裂壓力、射孔方式與方位、井斜、裸眼或套管井等有關。為了防治多裂縫的形成，分別從固井質量、射孔方案、射孔段長度、井斜、排量、黏度、支撐劑段塞技術等方面結合現場實例進行了研究:封堵縫寬較小的裂縫，隨著井底壓力的升高，增大的段塞顆粒可以堵塞較大的裂縫，可有利于創造主縫。

對于層狀儲層的壓裂思路有3種:①采用封隔工具隔開各層實施分層壓裂，單獨對每層進行設計;②采用籠統的多層合壓技術，假定只產生一條裂縫，使用單裂縫的延伸模擬方法進行設計;③應用多產層同時進行水力壓裂的多裂縫數學模型進行模擬設計。

3.3 通道壓裂

通道壓裂主要通過改善支撐劑與壓裂液的相關性質，添加相應的添加劑結合施工工藝，如提高支撐劑的強度、降低支撐劑的破碎率、改善壓裂液的攜砂性和交聯劑的破膠性以及相關的施工工藝等，在支撐縫內形成具有無限導流能力的通道，從而最大程度地解決傳統壓裂施工支撐縫由于支撐劑破碎、微粒運移、壓裂液引起傷害、多相流和非達西效應影響等原因引起的導流能力偏低的方法。該技術需要選擇合適的完井方式、壓裂液體系和泵注程序，并且需要在壓裂液中加入纖維材料，確保形成“壓裂通道”。通過對比常規壓裂和通道壓裂的效果發現，應用通道壓裂技術后油井、煤層氣的產量會增加27.5%，其支撐劑用量也相對較低，壓裂規模相對優化。

3.4 水力噴射逐層壓裂技術

水力噴射逐層壓裂技術是噴砂射孔技術和加砂壓裂技術的結合，優點是利用連續油管連續在一個井筒內壓裂多條裂縫，尤其適合直井多層壓裂、水平井分段壓裂以及薄互層的壓裂改造，該技術縮短試油周期、節約射孔費用、不需要封隔器或者橋塞、井下管串簡單、出現井下工具問題的機率小。施工過程包括:①噴嘴在壓裂層段噴砂，完成射孔;②噴射壓力在井底積聚，超過破裂壓力后產生裂縫;③噴射壓力加上環空壓力使裂縫延伸;④環空補充壓裂液，保證達到加砂所需排量;⑤施工完一層后，上提油管，繼續壓裂第二層。

3.5 體積壓裂

體積壓裂是通過注入大量的高濾失、高彈性、輕度膠化的液體來探尋天然裂縫，同時使用合適規模和粒徑的支撐劑作為筑堤砂的介質，使暴露裂縫面上產生更高的壓差，從而使壓裂液和砂進入后續張開的裂縫，直至井底壓力變化，裂縫擴展，形成裂縫網絡，從而改善儲層滲流面積。通常包括近井單級及多級縫網體積壓裂、主裂縫、遠端至近井縫網體積壓裂、多井同步縫網體積壓裂等工藝。

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