新疆大傾角煤層多縫和有效支撐壓裂技術(shù)研究

盧海兵，王玉斌，張 軍，仲 劼，姜 偉，王 杰，曲喜墨

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國石油煤層氣有限責(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.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

新疆煤層氣資源豐富，預(yù)測煤層氣資源量達(dá)9.5萬億m3，占全國煤層氣預(yù)測資源量的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)超過了1萬億m3，已超過常規(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)開發(fā)前景[4]。前期開發(fā)取得了較好的成果，建成了3 000萬m3產(chǎn)能的煤層氣開發(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)國內(nèi)類似特征煤層氣增產(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程中裂縫起裂、擴(kuò)展和裂縫形態(tài)規(guī)律，通過完井參數(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，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：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種類型，而這3種類型對(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，壓裂過程中壓力沿一定斜率的直線逐漸上升，從2 MPa逐漸上升到6 MPa。雙對(duì)數(shù)曲線中前期斜率1.375，說明裂縫高度和長度限制擴(kuò)展；后期斜率0.303，反映了縫高受限的裂縫向前延伸的過程。停泵后壓力很快降到零，說明裂縫連通性較好(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)。

將煤巖周圍的水泥包裹層剖開，顏料在膠結(jié)面處均勻分布，液體未橫向突破水泥層。煤巖剖開后觀察到明顯的人工裂縫，染料鋪滿整個(gè)裂縫面；裂縫的開啟主要沿層理和天然裂縫(圖4)，由于地層傾角較大，形成類似“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。注入過程中壓力緩慢下降，其中出現(xiàn)多次尖端破裂，注入過程中壓力由19.0 MPa降至9.5 MPa；雙對(duì)數(shù)曲線中前期斜率1.209(圖6)，說明裂縫高度和長度限制擴(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)壓裂曲線及雙對(duì)數(shù)曲線Fig.6 Experimental fracture curve and log-log curve of maximum principal stress along the formation dip direction

將煤巖周圍的水泥包裹層剖開，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，裂縫的開啟主要沿層理和天然裂縫，這種裂縫較為簡單，裂縫張開度和溝通深度都較高，有利于提高改造體積，所以鉆井過程中應(yīng)盡量使井眼軌跡與最大應(yīng)力(煤層走向方向)一致。