煤巖二次壓裂裂縫擴(kuò)展影響因素試驗(yàn)研究

李東賢，張萬春，竺 彪

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

二次壓裂技術(shù)是指一口井在進(jìn)行過初次或多次壓裂措施后，為提高油氣井產(chǎn)能而再次進(jìn)行壓裂改造的技術(shù)。煤氣藏屬于低滲透非常規(guī)氣藏，水力壓裂技術(shù)是提高煤層氣井產(chǎn)量的重要措施[1]。與常規(guī)儲層相比，煤巖具有低楊氏模量、高泊松比、低抗拉和抗壓強(qiáng)度的特征，天然裂縫發(fā)育并且各向異性明顯，垂直層理和平行層理的力學(xué)性質(zhì)有很大差別[2，3]。由于煤層氣儲層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及初次水力裂縫的存在，使得二次壓裂造新縫的條件和裂縫擴(kuò)展的機(jī)理更加復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者針對煤層的水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。Bell 等[4]、Abass[5]通過中階煤樣壓裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水力裂縫發(fā)育不規(guī)則，多呈不對稱分布，且水力裂縫主要沿垂直于最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，同時(shí)也會沿著割理延伸。在國內(nèi)鄧廣哲等[6]、杜春志[7]、楊焦生等[8]、張羽等[9]開展了天然煤樣的水力壓裂模擬試驗(yàn)，主要研究了地應(yīng)力、隔層以及排量對水力裂縫擴(kuò)展的影響。試驗(yàn)表明水力裂縫主要沿著垂直于最小地應(yīng)力方向擴(kuò)展，并且煤樣中的割理系統(tǒng)對裂縫擴(kuò)展有一定影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)垂向應(yīng)力的大小和界面膠結(jié)強(qiáng)度一定程度上影響裂縫的垂向擴(kuò)展。由于大尺寸煤樣制備難度大，采用天然煤樣進(jìn)行二次水力壓裂試驗(yàn)的研究還較少。因此，本文采用真三維試驗(yàn)系統(tǒng)，對采自沁水盆地南部晉城地區(qū)的高煤階大塊煤樣進(jìn)行室內(nèi)物理模擬，研究了天然裂隙及割理、地應(yīng)力、排量等因素綜合影響下二次裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)裝置和試件制備

本次壓裂物理模擬試驗(yàn)應(yīng)用中國石油大學(xué)（北京）儲層改造實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一套真三軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大尺寸真三軸試驗(yàn)架、MTS 伺服增壓泵、穩(wěn)壓源、油水隔離器及其他輔助裝置組成（見圖1）。儀器可裝入最大試件尺寸為400 mm×400 mm×400 mm，X、Y、Z三軸可加載最大載荷分別為15 MPa、30 MPa、15 MPa，雙缸恒速/恒壓泵最大排量為60 mL/min。

圖1 真三軸水力壓裂模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（Ma X，2017）[10]

試驗(yàn)使用的天然煤巖采自沁水盆地南部晉城地區(qū)的永安煤礦。由于煤塊硬度較低易破碎，在試件制備時(shí)把天然煤樣放入專用的模具中，在煤樣周圍用混凝土填充，以保證煤樣的完整性。制備完成的試件尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，待混凝土凝固后，沿垂直層理方向在試件中部鉆一個直徑16 mm、長165 mm 的沉孔，再用環(huán)氧樹脂膠將外徑15 mm、內(nèi)徑8 mm、長135 mm 的定制鋼管粘接到試件的中心孔中作為模擬井筒，在其下部留有30 mm 的裸眼井段，壓裂模擬時(shí)將在該井段形成初始裂縫。試驗(yàn)采用活性水作為壓裂液，在初次壓裂時(shí)添加綠色染色劑，二次壓裂時(shí)添加藍(lán)色染色劑，用以區(qū)分兩次水力裂縫。試件的力學(xué)參數(shù)（見表1）。

表1 試件的基本力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

煤樣的天然裂隙和割理系統(tǒng)、地應(yīng)力狀態(tài)和排量對水力裂縫的擴(kuò)展有重要影響，本試驗(yàn)主要對這三個因素進(jìn)行分析研究。試件的受力情況（見圖2），試驗(yàn)的總體思路：通過改變試件的水平主應(yīng)力差大小、垂向應(yīng)力的大小和排量，來綜合研究水力裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。在初次壓裂完成后，水平最大和最小應(yīng)力進(jìn)行置換，再進(jìn)行二次壓裂。為了真實(shí)模擬煤樣在地下的受力狀態(tài)，結(jié)合柿莊南實(shí)際地質(zhì)狀況，本次試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置（見表2）。

表2 試驗(yàn)參數(shù)表

圖2 試件剖面示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水平主應(yīng)力差、天然裂縫對水力裂縫擴(kuò)展的影響

采用紅線表示初次裂縫，藍(lán)線表示二次裂縫，黃線表示天然裂縫和割理系統(tǒng)。對比試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

當(dāng)水平應(yīng)力差在2 MPa 時(shí)（試件1），初次裂縫并不是完全單一的沿著垂直于最小水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，而是逐漸偏向最大水平主應(yīng)力方向（見圖3（a）），主要是受試件本身存在的天然裂縫的發(fā)育方向和裂縫的閉合程度等因素影響所致；而二次裂縫繼續(xù)沿著初次裂縫延伸，與天然裂縫相遇后被其捕獲，開始沿著天然裂縫的發(fā)育方向延伸；觀察巖樣的內(nèi)部剖面，發(fā)現(xiàn)壓裂液主要在初次壓裂形成的主裂縫和巖樣的天然裂縫內(nèi)運(yùn)移（見圖3（b））。

當(dāng)水平應(yīng)力差為4 MPa 時(shí)（試件2），初次裂縫繼續(xù)沿著垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸，在與巖樣的天然裂縫相遇后停止原方向的延伸，轉(zhuǎn)為沿著天然裂縫擴(kuò)展；初次裂縫到達(dá)水平方向的邊界后繼續(xù)在垂向方向擴(kuò)展，形成了一條“工”型縫（見圖3（d））；當(dāng)應(yīng)力場發(fā)生變化時(shí)，二次裂縫不會繼續(xù)沿著老縫和天然裂縫延伸，形成了新的水力裂縫，裂縫沿著垂直于初次裂縫的方向擴(kuò)展（見圖3（c））。

圖3 水平應(yīng)力差2 MPa、4 MPa、8 MPa 時(shí)形成的裂縫形態(tài)

試件3 天然裂縫發(fā)育（見圖3（e）、（f）），天然裂隙遍布于整個試件表面，壓裂時(shí)壓裂液濾失量大，不能形成有效的憋壓，裂縫擴(kuò)展沒有固定規(guī)律，形成寬裂縫的可能性比較大，試件3 在壓裂試驗(yàn)之前就已經(jīng)高度破碎，因此水力裂縫并不能穿過這些預(yù)先存在的大開度的天然裂縫，整體水力裂縫形態(tài)取決于天然裂縫的分布。

2.2 排量對水力裂縫擴(kuò)展的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出排量對裂縫復(fù)雜度存在一定的影響，當(dāng)排量較低，如10 mL/min 時(shí)，由于裂縫內(nèi)能量較低，壓裂液優(yōu)先選擇優(yōu)勢路徑流動，如試件內(nèi)部發(fā)育的天然裂縫和層理，若天然裂縫直接沒有溝通，壓裂液在裂縫內(nèi)堆積，壓力升高，膠結(jié)薄弱的天然裂縫進(jìn)一步開啟延伸，水力裂縫形態(tài)受天然裂縫的發(fā)育情況影響很大（見圖4（a））。隨著排量增加到30 mL/min 時(shí)，裂縫內(nèi)能量增加，水力裂縫在進(jìn)入已開啟的天然裂縫后，會產(chǎn)生新的起裂點(diǎn)，并沿起裂點(diǎn)向周圍擴(kuò)展，在此過程中水力裂縫大都能重新開啟已閉合的天然裂縫，并沿著天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展（見圖4（b）），裂縫的復(fù)雜度相對10 mL/min 時(shí)較高。當(dāng)排量繼續(xù)增加到一定程度后，如60 mL/min 時(shí)，壓后裂縫復(fù)雜度最高，壓裂液不僅可以在優(yōu)勢路徑中濾失流動，還在裂縫面中起到潤滑劑的作用，降低了裂縫的抗剪強(qiáng)度[11]，流體能量增加，水力裂縫更容易穿透天然裂縫和層理而不會被其捕獲，產(chǎn)生新的裂縫（見圖4（c））。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)提高排量有助于提高儲層的改造體積，增加水力裂縫的復(fù)雜程度。

圖4 不同排量下的裂縫形態(tài)

2.3 煤巖壓裂曲線分析

從試件6 的壓裂曲線可以看出，試驗(yàn)開始后，壓裂液逐漸注入試件中，由于煤巖天然裂縫特別發(fā)育但之間的連通性較差，壓裂液首先進(jìn)入煤巖的天然裂隙中，壓力開始升高，當(dāng)泵注壓力高于煤巖的最小破裂壓力時(shí)，天然裂隙會在很短的時(shí)間內(nèi)打開，接著在井筒附近形成多條水力裂縫。水力裂縫的方向和形態(tài)受地應(yīng)力和天然裂縫同時(shí)控制。此時(shí)井筒附近的壓裂液填充到水力裂縫中，壓力驟降，裂縫也停止擴(kuò)展。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，壓裂液在裂縫中不斷累積，壓力又開始升高，當(dāng)壓力再次高于破裂壓力時(shí)，之前形成的水力裂縫會繼續(xù)延伸，同時(shí)也可能形成新的水力裂縫。整個壓裂過程一直重復(fù)著這樣的循環(huán)，直到最后試件完全破裂。

對比初次和二次壓裂曲線，以試件6 為例（見圖5）。初次壓裂時(shí)試件6 在192 s 時(shí)破裂，破裂壓力為22.64 MPa，二次壓裂時(shí)在276 s 時(shí)破裂，破裂壓力為16.39 MPa。二次破裂壓力比初次破裂壓力小，分析原因是因?yàn)樵诔醮螇毫呀Y(jié)束后，煤巖內(nèi)部形成由水力裂縫和天然裂縫構(gòu)成的復(fù)雜縫網(wǎng)，滲透率提高，再進(jìn)行二次壓裂時(shí)，壓裂液會選擇優(yōu)勢路徑運(yùn)移，從而使破裂壓力降低；而且試件6 巖樣本身天然裂縫發(fā)育，壓裂液主要還是沿著初次壓裂形成的主裂縫運(yùn)移，裂縫內(nèi)壓力一直低于初次壓裂的壓力。

圖5 試件6 初次、二次壓裂曲線對比

3 現(xiàn)場實(shí)例應(yīng)用

沁南盆地3#煤層為石炭-二疊系海陸交互相沉積組合，位于山西組下部，在層位和厚度上分布均較穩(wěn)定，儲層天然裂縫與面、端割理發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂煤或碎裂-碎粒煤，目的煤層頂?shù)装迥鄮r發(fā)育，煤層埋深主要集中在700～1 200 m 內(nèi)，厚度主要集中在4～7 m，井區(qū)周圍無斷層。

根據(jù)沁南盆地柿莊南3#煤層壓裂曲線分析表明，在施工過程中壓裂液在煤層中高速流動沖刷煤表面易產(chǎn)生煤粉，同時(shí)壓裂液中的支撐劑也會與煤層摩擦產(chǎn)生煤粉，造成壓裂過程中煤粉在裂縫前緣堆積，導(dǎo)致壓力迅速上升，異常波動，破裂壓力顯示不明顯，而且因煤層天然裂縫與割理發(fā)育，施工過程中裂縫和割理面的開啟與閉合使得壓力曲線出現(xiàn)急劇上升或下降，從而進(jìn)一步加劇了壓力的波動，這與之前試驗(yàn)觀測的現(xiàn)象是一致的（見圖6～圖8）。

圖6 柿莊南XX-1 井壓裂曲線

圖7 柿莊南XX-2 井壓裂曲線

圖8 柿莊南XX-3 井壓裂曲線

4 結(jié)論

（1）煤巖水力裂縫擴(kuò)展是地應(yīng)力和天然裂隙綜合影響的結(jié)果。

（2）二次壓裂中水平應(yīng)力差較小時(shí)，難以形成新的水力裂縫，裂縫主要沿著初次裂縫和天然裂隙擴(kuò)展；水平應(yīng)力差較大時(shí)裂縫會發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成新的分支縫。

（3）在一定的條件下，煤層中天然裂縫的開啟以及孔隙壓力的變化會對近井地帶的應(yīng)力場產(chǎn)生影響，應(yīng)力場的變化會使水力裂縫的擴(kuò)展方向發(fā)生變化。

（4）在煤層氣生產(chǎn)中適當(dāng)提高排量，能有效提高儲層改造體積，增加水力裂縫的復(fù)雜性。