煤巖壓裂多裂縫風險識別及防治機理研究

袁 征 ，楊洪銳 ，蘭麗娟 ，楊 震 ，李新發 ，張 靜 ，楊紅斌

（1.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；2.中國石油玉門油田分公司 鉆采工程研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中國石油玉門油田分公司 酒東采油廠，甘肅 酒泉 735000；4.中國石油大學（華東），山東 青島266580）

水力壓裂作為重要的儲層改造工藝，是煤層氣井增產的關鍵和必要措施。弄清水力裂縫形態是優化壓裂參數，提高增產效果的基礎。煤巖彈性模量低、泊松比高、節理豐富、構造發育等特點[1]，造成水力裂縫起裂、擴展機理復雜。因此國內外大量學者對煤巖擴展水力裂縫進行了深入的研究[2-6]。對于煤巖壓裂裂縫形態的實驗及理論研究較多，但研究成果大多無法直接應用到現場施工中。作為現場施工裂縫形態的直接響應，壓裂施工曲線的研究、分析工作還相對缺乏。統計分析了140 余口煤層氣井現場施工曲線、數據，發現與常規油氣井不同[7]，煤巖壓裂施工曲線具有以下特點：①煤層氣井壓裂施工常出現破裂壓力不明顯現象；②煤巖破裂壓力梯度變化范圍較大，統計140 余口煤巖破裂壓力梯度為0.016～0.062 MPa/m，平均值 0.035 MPa/m，遠高于理論值[8-9]；③部分井在恒定排量階段，施工壓力出現持續上升的現象；④周圍無斷層時，部分井施工壓力出現大幅的波動。理論研究表明造成煤巖多點起裂及多裂縫形態延伸現象的主要因素包括射孔方式、煤層應力、儲層物性、煤巖節理等因素[10]。為研究裂縫形態與壓裂施工曲線的響應關系，從物模實驗、G 函數分析、凈壓力擬合3 個角度進行深入研究工作。

1 多裂縫形態分析

1.1 物模實驗

應力狀態是控制人工裂縫形態的主導因素，根據程遠方等人研究，當煤巖最小水平主應力與上覆巖層應力差為小于4 MPa 時，水力裂縫以垂直縫為主；當三向應力狀態接近時，水力裂縫趨于復雜[11-12]。基于上述理論，人為控制物模實驗巖樣應力狀態，以得到不同形態裂縫同時記錄實驗壓力值。以此為基礎，研究裂縫形態與施工壓力曲線的響應關系。

實驗采用真三軸圍壓控制系統，巖樣尺寸為105 mm×105 mm×95 mm，通過計算機實時采集注入壓力值，共進行40 組實驗，煤巖起裂模擬實驗結果見表1。

表1 煤巖起裂模擬實驗結果Table 1 Results of simulation experiment of coal rock fracture initiation

1.1.1 單裂縫形態與注入壓力響應規律

實驗結果表明：40 組物模實驗中有22 組以單裂縫形態起裂。單裂縫-注入壓力曲線響應圖如圖1。單裂縫形態下注入壓力曲線形態特征明顯：如煤樣A1、A2起裂圖形，當煤樣以單裂縫形態起裂時破裂壓力明顯，注入壓力瞬大幅下降并趨于平穩，擴展壓力接近圍壓最小主應力值σmin。

圖1 單裂縫-注入壓力曲線響應圖Fig.1 Diagram of injection pressure curves with single fracture

1.1.2 多裂縫形態與注入壓力響應規律

結果中18 組煤樣出現多裂縫起裂現象，且多裂縫形態又可分為平行和相交2 種。多裂縫形態及注入壓力曲線如圖2。

圖2 多裂縫形態及注入壓力曲線圖Fig.2 Response diagram of injection pressure curves with multiple fractures

圖2 中裂縫形態特征與單裂縫明顯不同：如煤樣A3、A4 起裂圖形，多裂縫形態時注入破裂壓力不明顯；且在恒定排量下，注入壓力不斷上升且趨于穩定值；此形態下的延伸壓力高于圍巖最小主應力值σmin。

1.2 測試壓裂分析

測試壓裂G 函數分析是識別地層多裂縫形態的有效手段，由Ken G.Nolte 首先提出并應用于水力壓裂施工中[13]。G 函數是關于時間為變量的函數，處理后的不同壓力曲線形態具有不同的物理含義：①過原點切線后自然降落的代表以產層內單裂縫為主；②過原點切線在切點之前具有下凹曲線表示裂縫突破隔層現場；③過原點切線在切點之前具有上凸，表示出現多裂縫現象[14]。

TS-A1 井煤層垂深940.5 m，施工破裂壓力不明顯，攜砂液階段平均施工壓力25.86 MPa，且加砂階段出現砂堵跡象，TS-A1 井壓裂施工曲線如圖3。對該井壓裂測壓降并對數據進行G 函數分析，TSA1 井壓降數據G 函數分析曲線如圖4，圖中井底測定的壓力是指通過井口壓力數據計算的井底壓力。攜砂液效率是指裂縫的體積與施工壓裂液體的體積百分比。

圖3 TS-A1 井壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing construction curves of TS-A1 well

由圖4 可以看出，TS-A1 井壓降數據分析曲線具有典型的多裂縫特征，過原點的曲線在切點之前曲線具有明顯的上凸特征，因此認為本井在裂縫擴展期間出現了多裂縫延伸現象。

1.3 凈壓力分析

壓裂施工作業發現前置液階段在恒定排量時，常出現施工壓力不斷上升現象，且施工平均壓力高于預測值，TS-A2 井壓裂施工曲線如圖5。研究發現：當應力狀態不變時，裂縫條數對施工壓力影響較大[15]。為研究不同裂縫條數對施工壓力的影響，以TS-A3 井為例進行擬合。選用壓裂施工專業分析軟件Fracpro，分別對3 種情況進行凈壓力擬合：①1條裂縫；②4 條裂縫；③由1 條增加至4 條裂縫。TSA3 井不同裂縫條數下施工壓力擬合曲線如圖6。

圖4 TS-A1 井壓降數據G 函數分析曲線Fig.4 G function analysis curves of pressure drop data in TS-A1 well

圖5 TS-A2 井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing construction curves of TS-A2 well

圖6 TS-A3 井不同裂縫條數下施工壓力擬合曲線Fig.6 Fitting curve of construction pressure under different fracture numbers of TS-A3 well

TS-A3 井施工破裂壓力明顯，且施工過程相對平穩，凈壓力擬合結果如下：①當以1 條裂縫形態進行擬合時，計算凈壓力值和測定的凈壓力值較吻合較好；②當以4 條裂縫對凈壓力值進行擬合時，計算凈壓力值遠高于測定的凈壓力值；③當以1 條裂縫起裂，且隨著施工裂縫條數增加至4 條時，凈壓力擬合值隨著裂縫條數也逐漸增加。

水力壓裂裂縫凈壓力與縫寬存在如下關系：

式中：△p 為井底縫口凈壓力，MPa；p 為壓裂施工井底壓力，MPa；σ 為儲層最小主應力，MPa；G 為儲層剪切模量，MPa；W 為井筒處最大裂縫寬度，mm；H 為水力裂縫高度，m；v 為儲層彈性模量。

PKN 裂縫擴展模型能夠很好地解釋多裂縫導致更高的地面壓力。研究多條裂縫同時擴展時，多條裂縫的平均縫寬之和高于單條裂縫擴展的寬度。另外，多裂縫的擴展使儲層最小水平主應力急劇增加，主要表現為以下2 個方面：一方面壓裂裂縫爭奪縫寬使得巖石骨架應力增加；另一方面儲層孔隙壓力隨濾失面積的增加而大量增加[16-17]。

2 多裂縫危害及防治案例

2.1 多裂縫危害

煤層氣井水力壓裂多裂縫擴展誘導因素較多，準確識別多裂縫擴展，并采取相應的措施是煤巖水力壓裂成功的關鍵。通過對140 余口井的資料總結分析，煤層氣井水力壓裂多裂縫延伸時，施工曲線多具有以下形態：①前置液階段破裂壓力不明顯，部分井出現明顯破裂壓力后施工壓力又持續增加；②在恒定排量施工階段，施工壓力持續增加；③壓裂施工壓力遠高于鄰井施工壓力或預測值。

與常規油氣井相比，煤層氣井水力壓裂施工成功率較低。多裂縫擴展是壓裂施工失敗的重要因素之一。其影響主要體現在以下2 個方面：①施工壓力超過或者接近限壓，無法進行加砂壓裂：多條裂縫同時擴展時，縫寬之和高于單一裂縫的縫寬，另外多裂縫延伸導致儲層應力增加，以上2 點均最終導致施工壓力升高；②多裂縫現象極大地增加了砂堵的可能性：因為多裂縫的存在，施工液體由多條裂縫所共同擁有，與單裂縫延伸相比每條裂縫將更短和更窄，另外，濾失面積增加，導致液體濾失量增加，液體效率降低，造縫能力降低進一步導致砂堵概率更高。

2.2 多裂縫防治措施

基于對煤巖壓裂多裂縫的認識和識別方法，提出可調式多段塞壓裂工藝，以降低壓裂施工期間多裂縫現象帶來的影響。可調式多段塞是指在前置液階段，根據施工壓力、排量、液量逐步泵注一定體積和濃度的段塞，并實時調整段塞的排量、液量、支撐劑濃度、個數等參數，起到有效堵塞微裂縫，降低儲層濾失，提高縫內凈壓力，最終誘導形成主裂縫的壓裂工藝。多段塞作用原理示意圖如圖7。

圖7 多段塞作用原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of multi-slug operation principle

TS-A3 井埋深1 021 m，受碎裂煤控制為主，壓裂施工時造縫困難，施工壓力不斷升高，判斷形成多裂縫。對本井采用多段塞壓裂工藝，TS-A3 井多段塞應用實例如圖8。

圖8 TS-A3 井多段塞應用實例Fig.8 Application example of multi-slug in TS-A3 well

施工曲線顯示本井無明顯破裂壓力，且當排量恒定時施工壓力持續上升，分析認為本井裂縫延伸初期受多裂縫影響。排量5 m3/min 開始分別泵注3%、5%、7%、7%的 4 個段塞，砂量 2 m3。當第 2 個段塞進入地層后壓力大幅下降，誘導煤層形成主裂縫。

對13 口煤層氣井采取可調式多段塞壓裂工藝，多數井加入段塞后出現了壓力響應，可調式多段塞壓裂工藝效果統計見表2，其中12 口井順利完成施工，大幅提高了煤層氣井壓裂的成功率。

表2 可調式多段塞壓裂工藝效果統計表Table 2 Adjustable multiple slug statistics of the fracturing effect

3 結 論

1）煤層氣井水力壓裂施工出現多裂縫延伸時，常具有以下特點：破裂壓裂不明顯或破裂后壓力繼續升高；恒定排量下施工壓力不斷上升；施工壓力常高于預測值等特征。

2）物模實驗顯示多裂縫起裂、延伸時，破裂壓力不明顯，施工壓力較高，且恒排量下持續上升時；分析具有多裂縫現象的井，G 函數分析顯示閉合前曲線呈現上凸形態；恒排量下施工壓力不斷上升，且凈壓力曲線擬合結果多裂縫相符。

3）對于具有多裂縫特征的煤層氣井，提出了可調式多段塞壓裂工藝，并應用到現場。多數井采用此工藝后具有壓力響應，大幅提高了施工成功率。