煤層氣儲層復雜裂縫導流能力影響因素研究

張紅軍，王 淵，楊 函

（1.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；3.山西地質博物館，山西 太原 030024）

我國的煤層氣資源儲量十分豐富，主要分布在鄂爾多斯盆地、沁水盆地以及準葛爾盆地等地區，2015 年時我國的煤層氣抽采量已經達到了300 億m3，具有良好的勘探開發前景[1-3]。煤層通常具有低滲透率、割理裂隙發育、易碎以及易壓縮等特點，與其他非常規儲層壓裂施工相比，煤儲層壓裂具有其自身的一些特點，其壓裂施工后形成的裂縫形態也更加復雜，此外，由于煤層特殊的性質，支撐劑嵌入、煤粉脫落聚集以及壓裂返排液污染等因素也會對壓裂形成的裂縫造成一定的堵塞損害[4-6]。因此，有必要對煤層氣儲層水力壓裂支撐裂縫導流能力的影響因素進行深入的研究，為提高煤層氣儲層壓裂施工效率提供一定的參考。根據大量的資料調研及分析結果，目前國內外針對煤層氣儲層裂縫導流能力的影響因素研究主要集中在支撐劑類型、支撐劑粒徑、閉合壓力、實驗時間、鋪砂濃度、支撐劑嵌入以及煤粉等方面[7-16]，并且以上研究大多是基于單一裂縫的情況，沒有考慮復雜裂縫對導流能力的影響。煤巖儲層由于天然微裂縫發育較多，且受到地應力場的影響，在壓裂施工過程中形成的人工裂縫與天然裂縫互相交織，形成比較復雜的裂縫網絡，而目前針對煤巖儲層復雜裂縫導流能力影響因素的研究及報道相對較少[17-19]。因此，以鄂爾多斯盆地東部某煤層氣儲層巖樣為研究對象，使用改進型支撐劑充填層裂縫導流能力測試儀分別評價了支撐劑類型、鋪砂濃度、煤巖彈性模量、煤粉含量以及壓裂液類型對煤巖儲層復雜裂縫導流能力的影響，為煤層氣儲層壓裂施工參數的制定以及壓裂液的選擇提供一定的借鑒。

1 實驗部分

煤層氣儲層水力壓裂支撐裂縫導流能力的測試及計算方法參照石油與天然氣行業標準SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》。

實驗儀器采用自行研制的改進型支撐劑充填層裂縫導流能力測試儀（主要包括改進型API 導流室、壓力控制系統、流量控制系統、液壓泵、測量系統以及數據采集處理系統等）。由于API 導流室在使用氣體作為實驗流體時無法保證其密封性，因此將API 導流室進行改進，改進后的導流室使用新型合金材料制作，并加入耐溫、耐腐蝕的橡膠圈密封，確保導流室與煤巖導流板之間不會存在漏氣的問題。實驗儀器的最高測試壓力可以達到120 MPa，最高實驗溫度可以達到200 ℃。

為簡化煤層氣地層復雜裂縫縫網結構，將單一的水平裂縫設計成“一”字型（1 條裂縫），將復雜裂縫分別設計成“T”字型（2 條裂縫）和“E”字型（3 條裂縫）。裂縫導流能力的影響因素實驗評價方案及實驗步驟如下：

1）按照導流能力測試儀中導流室的尺寸將煤層氣儲層巖樣打磨成相應形狀的導流板。導流板制作過程中使用具有一定強度的化學膠劑將煤樣導流板包裹，此方法不僅可以避免導流板的損壞，還可以保證導流板的形狀與導流室內壁的完全貼合，提高其密封性，進而保證實驗結果的準確性。

2）將煤樣導流板放入導流室中，按照實驗要求加入支撐劑并且鋪置均勻后，組裝好導流室，連接實驗流程并測試其密閉性，保證實驗流程有良好的密封性。

3）將實驗溫度升高至50 ℃，輸入相應的實驗參數，在不同的閉合壓力條件下測定支撐裂縫的導流能力值，實驗流體使用氮氣，實驗過程中每個壓力點應保持60 min，并每隔2 min 記錄1 次導流能力值，取其平均值，以保證實驗結果的精度。

4）改變實驗條件，重復上述實驗步驟，評價不同影響因素條件下煤層氣儲層裂縫導流能力的變化情況。

2 實驗結果

2.1 支撐劑類型的影響

按照實驗方法，評價了不同類型支撐劑對不同類型裂縫導流能力的影響，支撐劑粒徑均為0.425～0.850 mm，鋪砂濃度均為7.5 kg/m2，煤巖彈性模量均為4 GPa 左右，實驗閉合壓力分別選擇10 MPa和30 MPa，支撐劑類型對不同裂縫導流能力的影響如圖1。

圖1 支撐劑類型對不同裂縫導流能力的影響Fig.1 Effect of proppant type on conductivity of different fractures

由圖1 可知，在相同的裂縫形態和閉合壓力條件下，3 種不同類型的支撐劑導流能力大小順序為陶粒＞覆膜砂＞石英砂；而在相同的支撐劑類型和閉合壓力條件下，3 種不同類型的裂縫導流能力大小順序為“E”型裂縫＞“T”型裂縫＞單一裂縫。由于在相同的鋪砂濃度條件下，裂縫的形態越復雜，裂縫條數越多，其鋪砂總量就越大，從而可以使裂縫總寬度增大，降低流體的滲流阻力，使裂縫的導流能力增大。另外，閉合壓力越高，裂縫的導流能力值越低，在低閉合壓力條件下（10 MPa），3 種支撐劑均能保持較高的導流能力值，當閉合壓力達到30 MPa 時，支撐劑陶粒仍能保持較高的導流能力值，而覆膜砂和石英砂的導流能力則迅速降低，這是由于陶粒的強度和硬度大于覆膜砂和石英砂，在高閉合壓力條件下支撐劑的破碎率較小，破碎顆粒對支撐裂縫孔隙的堵塞損害程度較小，使其保持較高的導流能力。

因此，針對施工壓力較低的淺煤層壓裂可以選擇來源廣、價格低廉的石英砂作為支撐劑，在保證壓裂支撐裂縫導流能力的同時，可以降低壓裂施工的成本；而針對施工壓力較高的中深煤層壓裂則需要選擇強度較高、抗破碎能力較強的陶粒作為支撐劑，以降低支撐劑破碎對裂縫孔隙的堵塞損害，提高壓裂施工的效果。

2.2 鋪砂濃度的影響

參照上述實驗方法，評價了不同鋪砂濃度對不同類型裂縫導流能力的影響，支撐劑類型均為陶粒，支撐劑粒徑均為0.425～0.850 mm，煤巖彈性模量均為4 GPa 左右，鋪砂濃度對不同類型裂縫導流能力的影響見表1。

由表1 可知，在相同的閉合壓力條件下，隨著鋪砂濃度的逐漸增大，不同類型裂縫的導流能力均逐漸增大。這是由于鋪砂濃度越大，支撐劑之間形成的孔隙數量就越多，從而可以提高支撐裂縫的孔隙度，使裂縫具有較高的導流能力。此外，在相同的鋪砂濃度和閉合壓力條件下，裂縫形態越復雜，支撐裂縫的導流能力值就越高，“E”型裂縫的導流能力明顯高于“T”型裂縫和單一裂縫，這說明裂縫形態對裂縫導流能力的影響較大，在相同的施工條件下，形成的裂縫條數越多，縫網結構越復雜，導流能力值就越高。

表1 鋪砂濃度對不同類型裂縫導流能力的影響Table 1 Influence of sand concentration on conductivity of different types of fractures

2.3 煤巖彈性模量的影響

參照上述實驗方法，評價了煤巖彈性模量對不同類型裂縫導流能力的影響，支撐劑類型均為陶粒，支撐劑粒徑均為0.425～0.850 mm，鋪砂濃度均為7.5 kg/m2，煤巖彈性模量對不同裂縫導流能力的影響如圖2。

圖2 煤巖彈性模量對不同裂縫導流能力的影響Fig.2 Influence of elastic modulus of coal and rock on conductivity of different fractures

由圖2 可知，在相同的實驗條件下，隨著煤巖彈性模量的逐漸增大，支撐裂縫的導流能力值逐漸升高。這是由于煤巖彈性模量越大，巖石的抗壓強度就越大，支撐劑在相同的閉合壓力條件下嵌入煤巖的深度就越小，對裂縫導流能力造成的傷害程度就越小，因此，煤巖彈性模量值越大，裂縫導流能力值就越高。另外，與2.1 章節和2.2 章節中的實驗結果相似，在相同的煤巖彈性模量條件下，裂縫形態越復雜，支撐裂縫的導流能力值就越高。

2.4 煤粉含量的影響

在煤層氣儲層壓裂施工的過程中，往往會產生大量的煤粉，其在儲層裂縫中與支撐劑混合后容易對裂縫產生堵塞，進而使裂縫的導流能力下降。因此，參照上述實驗方法，在支撐劑中加入不同質量的煤粉混合均勻，評價了煤粉含量對不同類型裂縫導流能力的影響，實驗所用煤粉為目標區塊儲層段煤樣研磨而成（過粒徑為0.150 mm 的篩網），支撐劑的類型均為陶粒，支撐劑粒徑均為0.425～0.850 mm，鋪砂濃度均為7.5 kg/m2，煤巖彈性模量均為4 GPa 左右，煤粉含量對不同裂縫導流能力的影響如圖3，煤粉含量對不同類型裂縫導流能力的損害程度如圖4。

圖3 煤粉含量對不同裂縫導流能力的影響Fig.3 Influence of pulverized coal content on conductivity of different fractures

圖4 煤粉含量對不同類型裂縫導流能力的損害程度Fig.4 Damage degree of coal powder to conductivity of different types of fractures

由圖3 和圖4 可知，隨著支撐劑中混入煤粉含量的不斷增大，支撐裂縫的導流能力值逐漸下降，并且閉合壓力值越高，裂縫導流能力下降的幅度越大。當閉合壓力為30 MPa 時，與沒有煤粉相比，支撐劑中混入5%的煤粉就會使單一裂縫、“T”型裂縫和“E”型裂縫的導流能力值分別降低35.4%、41.0%和52.2%，導流能力降低幅度較大，并且裂縫形態越復雜，導流能力下降的幅度越大。這是由于當煤粉進入支撐裂縫孔隙中后，在一定的閉合壓力下，隨著實驗流體的注入會發生運移聚集，對滲流通道產生堵塞，煤粉的含量越高，積聚所造成的堵塞程度越大；另外，裂縫的形態越復雜，總鋪砂量就越大，支撐劑顆粒之間形成的孔隙數量就越多，相應的煤粉積聚所堵塞的孔隙數量就越多，所以煤粉堵塞對導流能力的影響程度就越大。

因此，在煤層氣儲層壓裂施工過程中，應注意選擇合理的施工參數，盡可能的減少煤粉的產出，降低煤粉對水力壓裂支撐裂縫導流能力造成的堵塞程度。

2.5 壓裂液類型的影響

在煤層氣儲層壓裂施工過程中，壓裂液與煤巖和支撐劑產生接觸之后，會對壓裂產生的支撐裂縫的導流能力造成一定的損害，因此，應選擇合適的壓裂液類型，以最大限度地降低其對裂縫導流能力的傷害。

參照上述實驗方法，使用中間容器在裂縫中注入不同類型的壓裂液（完全破膠后），關閉兩端閥門靜置24 h 后，再使用氮氣充分沖刷，直至壓裂液完全排出，然后測定裂縫導流能力的變化情況。實驗用壓裂液取自現場壓裂施工破膠后返排液，支撐劑類型均為陶粒，支撐劑粒徑均為0.425～0.850 mm，鋪砂濃度均為7.5 kg/m2，煤巖彈性的模量均為4 GPa左右，壓裂液對不同類型裂縫導流能力的影響見表2，壓裂液對不同類型裂縫導流能力的損害程度（30 MPa）如圖5。

圖5 壓裂液對不同類型裂縫導流能力的損害程度（30 MPa）Fig.5 Damage degree of fracturing fluid to conductivity of different types of fractures（30 MPa）

表2 壓裂液對不同類型裂縫導流能力的影響Table 2 Effect of fracturing fluid on conductivity of different types of fractures

由表2 和圖5 可知，與空白實驗相比，經過不同類型的壓裂液污染后，支撐裂縫的導流能力值均出現不同的降低現象，其中胍膠壓裂液對導流能力的影響程度最大，清潔壓裂液次之，活性水壓裂液最小，并且閉合壓力越高，裂縫形態越復雜，導流能力降低的幅度越大。當閉合壓力為30 MPa 時，與空白結果相比，通入胍膠壓裂液、清潔壓裂液和活性水壓裂液后單一裂縫的導流能力損害率分別為40.3%、27.0%和12.1%，“T”型裂縫的導流能力損害率分別為50.8%、30.2%和18.2%，而“E”型裂縫的導流能力損害率分別為60.9%、39.3%和24.3%。這是由于3種壓裂液中胍膠壓裂液的殘渣含量最高，其會對支撐裂縫的孔隙造成嚴重堵塞，并且其返排率較低，液相進入煤巖板，引起煤巖表面強度降低，支撐劑嵌入程度增大，造成裂縫導流能力的嚴重下降；而活性水壓裂液不僅殘渣含量較小，并且其表面活性較強，返排率較高，可以降低裂縫導流能力的損害程度。

因此，在煤層氣儲層壓裂施工過程中，應注意選擇合適的壓裂液體系，在滿足安全壓裂施工要求的同時，盡可能選擇固相含量較低、殘渣含量較少、返排效果較好的壓裂液體系，避免壓裂液對支撐裂縫造成比較嚴重的損害。

3 結 語

1）裂縫的形態對導流能力的影響比較大，在相同的鋪砂濃度條件下，裂縫形態越復雜，裂縫條數越多，導流能力就越大。

2）在相同的實驗條件下，使用陶粒作為支撐劑時的裂縫導流能力明顯大于覆膜砂和石英砂；另外，鋪砂濃度越高、煤巖板彈性模量越大，裂縫的導流能力越大。

3）煤粉的加入能夠大幅降低裂縫導流能力，煤粉含量越高，裂縫導流能力越低；并且裂縫形態越復雜，裂縫條數越多，煤粉對裂縫導流能力的損害率越大。

4）不同類型的壓裂液對裂縫導流能力的損害程度差異較大，胍膠壓裂液的損害率明顯大于清潔壓裂液和活性水壓裂液；同樣，裂縫形態越復雜，壓裂液對裂縫導流能力的損害程度越嚴重。

5）在淺煤層壓裂施工過程中，應選擇石英砂作為支撐劑，而在中深煤層壓裂施工過程中，應選擇陶粒作為支撐劑，并盡可能的提高鋪砂濃度以達到良好的壓裂施工效果；此外，為降低煤粉和壓裂液對裂縫導流能力的損害程度，應選擇合適的壓裂施工參數、合理的排采生產制度以及合適的壓裂液體系，在滿足安全施工要求的同時，盡可能的提高煤層氣儲層壓后裂縫的導流能力。