煤系水平井定向射孔壓裂裂縫擴展機制

龐 濤，姜在炳,*，惠江濤，賈秉義

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；3.青海油田公司第五采油廠，青海 海西 817000)

我國煤層氣資源豐富，但碎軟低滲煤層發育廣泛，常規壓裂技術效果差、單井產氣量低[1-3]。通過多年技術發展，煤層頂板水平井和煤礦井下定向長鉆孔分段壓裂技術已經成為碎軟低滲煤層發育區煤層氣高效開發和礦井區域瓦斯治理的主要技術之一[4-8]，定向射孔孔眼是壓裂施工前井筒溝通地層的唯一通道，是水力壓裂裂縫的起裂點，是影響裂縫形態的關鍵[9-10]。對于頂板水平井/孔壓裂而言，理想的裂縫能夠快速進入煤層且主要在煤層中擴展，形成較大的煤層改造體積。但含煤地層結構復雜，煤/巖層中可能發育層理、界面等弱面，影響裂縫的穿層擴展，可能造成壓裂能量集中于非煤巖層中，在工程施工中表現為裂縫起裂擴展泵壓高、加砂困難等，改造效果差。所以，有必要針對煤系水平井定向射孔壓裂裂縫的擴展機制進行研究，探尋有利于煤層改造的工程措施。

對于常規儲層而言，前人基于彈性力學提出了水力壓裂裂縫起裂壓力計算模型[11]；建立了考慮地層天然裂縫、煤層割理的起裂特征分析模型，由模型可知不同完井方式水力壓裂的起裂壓力和相應起裂模式不同[12-15]。對于層狀地層，層間應力差是影響裂縫能否穿層的重要因素[16-17]，大排量壓裂有助于裂縫垂向延伸[18-19]，通過裂縫垂向擴展數學模型可獲得裂縫穿層擴展、停止擴展和轉向擴展的判別準則[20]。由物理模擬實驗可知裂縫在界面附近會出現穿層、產生次生裂縫、發生扭轉或沿界面擴展的行為[21]；裂縫從砂巖層進入泥巖層難度大[22]；地應力差異系數越大、非連續面走向角度越高，裂縫越容易貫穿[23]。另外，頂板壓裂時水平井空間位置也影響裂縫擴展[24]。以上研究對于認識定向射孔壓裂裂縫擴展機理均具有重要意義，但是針對煤層頂板水平井定向射孔條件下的壓裂裂縫擴展機制的相關研究較少。筆者采用ABAQUS 模擬裂縫的擴展形態，采用黏聚單元(Cohesive)預設裂縫的擴展路徑，研究裂縫在頂板弱面、煤巖界面等處的擴展特征，分析不同結構頂板巖層、水平井筒位置條件下裂縫擴展規律并討論其機制，以期為現場壓裂施工提供支持。

1 煤系水平井壓裂工程地質模型

頂板水平井井眼布置在煤層頂板，定向射孔孔眼垂直井筒向下，實際工程中受煤層起伏、井眼軌跡調整等影響，射孔孔眼位置存在多種可能，包括全部位于頂板巖層中、部分位于頂板巖層部分位于煤層和全部位于煤層3 種情況。同時，取心顯示煤層頂板結構特征可分為兩類：結構完整，取心能夠獲得較為完整的柱狀巖心，如圖1a 所示；相對破碎，難以獲取較長柱塊巖心，出心時即沿結構面斷裂呈層狀圓柱塊，如圖1b 所示。

圖1 不同結構特征巖心Fig.1 Cores with different structural characteristics

頂板巖層結構結合射孔孔眼位置，可建立5 種壓裂工程地質模型，如圖2 所示。

圖2 頂板壓裂地質模型Fig.2 Geological model of fracturing in coal-bearing strata

2 水平井定向射孔壓裂分析模型

2.1 數值模型

水力壓裂裂縫擴展過程是水力裂縫與儲層基質的耦合、孔隙壓力與有效應力的動態耦合過程，采用有限元分析軟件ABAQUS 模擬裂縫的擴展形態。在儲層基質單元邊界上嵌入零厚度的黏聚單元(Cohesive)是模擬水力壓裂裂縫擴展的重要手段之一。本文采用黏聚單元(Cohesive)預設裂縫在煤層及頂板巖層中的擴展路徑，研究裂縫在煤層、巖層、層理及煤巖界面等處的擴展特征，分析不同結構頂板巖層、水平井筒位置條件下裂縫擴展規律。

以射孔孔眼完全位于煤層中為例，二維數值模型如圖3 所示，模型上、下分別為2.5 m 厚的頂板和底板巖層，模型中部為5 m 厚的煤層。模型中共插入6 個零厚度單元層，用于表征裂縫的起裂和擴展，其中頂板內設置1 個，表征頂板巖層本體可能形成的裂縫，底板內設置1 個，界面設置2 個，分別表征頂、底板界面可能形成的裂縫，煤層中設置2 個，表征煤層本體可能形成的垂直裂縫和水平裂縫，煤層和頂、底板巖層水平應力差為1 MPa。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical model

水平井井筒沿水平方向布置，井筒及定向射孔孔眼(預制初始裂縫)位于煤層中部，射孔孔眼長度為0.8 m。采用變密度的網格劃分方法，對裂縫擴展范圍的網格進行加密，模型上下側施加垂向應力σv，兩側分層施加最小水平主應力σh，最大水平主應力為σH。

2.2 模型參數

數值模型采用文獻[25]中相關參數，具體見表1、表2，采用清水壓裂，二維注液流量為1.0×10-4m2/s[26]。

表1 模型參數[25]Table 1 Parameters of numerical model[25]

表2 黏聚單元參數[25]Table 2 Cohesive parameters[25]

根據康紅普等[27]統計的1 357 個地應力數據可知，我國煤礦區地應力狀態類型多樣，淺部地層(埋深150 m以內)以逆斷層型應力狀態(σH>σh>σv)為主，千米深井以正斷層型應力狀態(σv>σH>σh)為主，介于兩者之間的以走滑型應力狀態(σH>σv>σh)為主。垂向應力與最小水平主應力差異，即 σv-σh值，是影響裂縫穿層擴展的主要因素，故本文選用不同 σv-σh值進行研究，分析其對裂縫擴展形態的影響。

2.3 模型驗證

為驗證模型對現場工程描述的準確性，將模擬結果與現場工程結果進行對比。王生維[28]對沁水盆地南部寺河礦、成莊礦的煤儲層壓裂裂縫延展幾何形態進行了井下實地觀察和描述，其結果是驗證模型準確性的最優依據。SH-125 井煤層深度為426.55 m，屬于中淺部煤層，且煤體結構相對完整，有利于與均質模型對比。文獻[28]指出在煤層上部形成垂直裂縫，在界面處形成水平裂縫，呈“T”型展布(圖4)。山西寺河煤礦地應力場為典型的構造應力場，即σH>σv>σh，平均最大水平應力 σH為14.53 MPa，最小水平應力 σh為7.27 MPa，垂向主應力σv為9.36 MPa，對應的σv-σh=2.09 MPa[29-30]。本文以此地應力參數進行數值模擬和對比分析，裂縫擴展形態如圖5 所示。

圖4 裂縫解剖形態[28]Fig.4 Scheme of hydraulic fractures[28]

圖5 數值模擬裂縫擴展形態Fig.5 Numerical simulation of fracture propagation

由圖5 可以看出，裂縫首先在預制初始裂縫上下端同步起裂，形成垂直裂縫，向上下側延伸接觸到煤巖界面即停止垂向擴展，隨之沿界面水平擴展，形成上下端水平、中部垂直的“工”字型裂縫。

模型考慮了頂底板巖層特征，而現場實際受巷道掘進等限制未對裂縫遇到底板巖層時的裂縫擴展情況進行描述，與模擬結果存在差異，但模擬結果精確地描述了在相同應力條件下，在煤層中擴展的裂縫遇到煤巖界面即停止垂向延伸、沿界面擴展成水平裂縫的過程，最終形成垂直裂縫+水平裂縫的復合型裂縫形態，證明了數值模型能夠有效地描述煤系裂縫擴展過程。

3 煤系裂縫擴展機制研究

將 σv-σh值分別設置為-4、-2、0、2、4 MPa，分析不同應力差、不同頂板巖層結構及工程條件下裂縫擴展特征。

3.1 射孔孔眼位于煤層中

如圖6 所示，當 (σv-σh)=-4、-2 MPa 時，裂縫受地應力影響明顯，形成較寬的、端部鈍化的水平裂縫；σv-σh=0 MPa時僅形成發育于煤層中的較寬垂直裂縫；σv-σh=4 MPa時形成寬度小、縫端尖銳的垂直裂縫，且裂縫能夠迅速穿越界面，在上下巖層中形成較窄的垂向裂縫。可見只要射孔位置位于煤層中，無論應力差大小，裂縫都主要在煤層中擴展。當垂直應力較大時裂縫能穿透界面進入上、下巖層，但在巖層中的裂縫相對于煤層更窄，支撐劑很難進入，有效裂縫仍主要在煤層中。可以據此認為，當水平井射孔孔眼位于煤層中時，裂縫呈“-”“│”“工”型，頂底板巖層及界面能夠對裂縫形成“阻隔”，使裂縫在煤層中及界面擴展，有利于煤層改造。

圖6 煤層中裂縫擴展形態Fig.6 Fracture propagation in coal seam

3.2 射孔孔眼在頂板中

3.2.1 頂板巖層層理發育

如圖7 所示，當 (σv-σh)=-4、-2 MPa時形成沿層理面的“-”型水平縫；σv-σh=0 MPa時裂縫主要沿層理面擴展，形成兩平一豎的非對稱型裂縫；σv-σh=2 MPa時形成沿層理水平擴展的非對稱“工”字型裂縫；σv-σh=4 MPa時裂縫擴展受垂向應力控制明顯，形成的垂直裂縫能夠直接穿越層理和界面，在煤層中形成寬、短形態的裂縫。可見對于層理發育的頂板巖層，σv-σh=4 MPa 時裂縫才能夠延伸進入煤層，形成有效裂縫。應力差和層理控制著裂縫的擴展形態，應力差小于0 MPa時裂縫沿層理水平擴展，形成“-”型縫；應力差為2 MPa時首先形成垂直縫，但穿層能力不足，遇界面后形成“-”型縫，應力差大于 2 MPa后，能夠形成進入煤層的“│”型縫。

圖7 層理發育頂板中裂縫擴展形態Fig.7 Fracture propagation in the bedding developed roof strata

3.2.2 頂板巖層層理不發育

如圖8 所示，當 σv-σh=-4 MPa時只能在煤層頂板形成水平縫；σv-σh=-2 MPa時能夠沿界面形成“-”型水平縫；(σv-σh)=0、2、4 MPa 時能夠穿越界面形成理想的“│”型垂直縫。說明當頂板巖層結構完整時，地應力條件對裂縫擴展方向控制作用明顯。

圖8 層理不發育頂板中裂縫擴展形態Fig.8 Fracture propagation in intact roof strata

3.3 射孔孔眼部分進入煤層

3.3.1 頂板巖層層理發育

如圖9 所示，當 (σv-σh)=-4、-2 MPa時形成沿界面發育的“-”型水平裂縫；當 σv-σh=0 MPa時裂縫沿垂向起裂、上下同時擴展，但向上擴展的縫端止于層理面，形成水平裂縫，向下擴展的裂縫進入煤層、持續擴展，形成“T”型縫；當 (σv-σh)=2、4 MPa時形成單一的“│”型垂直裂縫。總之，當射孔孔眼部分進入煤層時，水力裂縫都能夠接觸到煤層。界面和孔眼誘導作用明顯，應力差≤ -2 MPa時從強度更低的界面形成“-”型縫，應力差＞ -2 MPa時孔眼的誘導作用凸顯，形成“│”“T”型縫。

圖9 層理發育煤層中裂縫擴展形態Fig.9 Fracture propagation in the bedding developed coal seam

可見，對于水平應力大于垂直應力的地質條件，頂板水平井壓裂應優選井筒距煤層距離小于射孔長度的井段，如果水平井筒距煤層距離較大，可采用深穿透射孔、分支孔、徑向孔等方式溝通煤層，如此才能形成有效的改造通道。

3.3.2 頂板巖層層理不發育

如圖10 所示，當 (σv-σh)=-4、-2 MPa時形成沿界面擴展的水平縫，(σv-σh)=0、2、4 MPa時形成垂向擴展的裂縫，均能夠改造煤層，射孔孔眼位置和地應力差控制著裂縫的擴展形態。

圖10 層理不發育煤層中裂縫擴展形態Fig.10 Fracture propagation in intact coal seam

4 工程驗證

以陜西韓城某礦為例，主采二疊系山西組3 號煤層，煤層間接頂板巖性為泥巖，厚度為0.05～0.20 m，直接頂板巖性為灰色粉砂巖，厚度為1.5～1.8 m，基本頂為中、細粒砂巖，厚度為3.0～8.0 m，較致密堅硬。煤層堅固性系數f最小為0.20，在煤層中鉆進難以成孔。

為了抽采瓦斯，將主孔布置在距3 號煤層頂界約5 m 的堅硬砂巖層中，保證鉆探安全。據康紅普等[27]試驗區屬于 σH>σv>σh的地應力類型，在頂板巖層中水力壓裂時，受層理、界面影響易形成水平縫，難以接觸到煤層。而且受煤礦井下作業空間限制，現有井下壓裂設備排量小，更不利于裂縫的垂向穿層擴展。根據前文模擬，試驗采用分支孔溝通煤層，在分支孔的誘導作用下進行壓裂，可有效改造煤層。因此，該試驗設計在施工完成主孔后，再在主孔內向下施工分支鉆孔揭露煤層，如圖11 所示。實鉆鉆孔主孔長度588 m，主孔與煤層頂界距離為0～3.28 m，包含1-1-1-8 號8 個分支孔，分支孔鉆遇地層巖性主要為粉砂巖、粉砂質泥巖及其互層，地層層理、界面發育。

圖11 鉆孔軌跡設計Fig.11 Borehole trajectory design drawing

試驗采用分段水力壓裂工藝，用封隔器將分支孔兩側主孔進行封隔，使壓裂液進入分支孔進行分段壓裂，鉆孔累計壓裂液用量2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa，累計壓裂用時55.5 h，平均排量0.61 m3/min。壓裂施工后采用煤樣全水分分析測得煤層水力壓裂影響范圍最大為39.63 m；通過孔內瞬變電磁剖面探測到壓裂形成的主裂縫最大延伸范圍達30 m，延伸方向均為鉆孔下方[31]。抽采初期鉆孔瓦斯抽采純量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采甲烷體積分數為19.6%～54.0%，平均31.7%；抽采增長階段，鉆孔瓦斯抽采純量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，甲烷體積分數為31.0%～56.0%，平均47.7%；抽采穩定階段瓦斯抽采純量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，甲烷體積分數40.0%～52.0%，平均43.5%，如圖12 所示。同一區域，換算的百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔的1.2 倍，是本煤層順層鉆孔的4.0 倍。

圖12 鉆孔抽采曲線Fig.12 Curves showing changes in borehole extraction

分析可知，在主孔距煤層較遠，頂板巖層層理、界面發育的地質條件下，采用分支孔技術進行壓裂，即使排量小也能夠形成有效裂縫，取得較好的煤層改造效果。如不采取分支孔壓裂方式，則會由于鉆孔和煤層間距大、存在多個結構弱面和壓裂設備排量小，裂縫難以穿層延伸到達目標煤層，致使壓裂效果欠佳，無法保證后期瓦斯抽采效果。

受地質條件的復雜性和目前鉆探施工技術工藝等影響，頂板水平鉆孔軌跡控制難度大，當施工的鉆孔軌跡距離煤層較遠時，壓裂裂縫可能不能有效溝通目標煤層，致使裂縫延伸困難，最終導致壓裂鉆孔的瓦斯抽采效果不佳。因此，對于頂板結構復雜的水平井建議采用深穿透射孔、分支孔等能夠溝通煤層的工程措施，以保證壓裂效果。

5 結論

a.基于黏聚單元的水力壓裂有限元數值模型模擬試驗的水力裂縫形態與實際裂縫形態一致，分析模型能夠較好地反映實際裂縫的擴展過程及形態。

b.射孔位置、地應力條件和地層特征綜合影響裂縫的擴展形態。孔眼位于煤層中時裂縫在煤層中擴展，巖層對裂縫具有“阻隔”作用。孔眼位于頂板，當頂板層理發育，應力差大于2 MPa 時裂縫能夠穿越層理、界面進入煤層，而頂板完整時，應力差大于-2 MPa 時裂縫即可進入煤層，頂板層理和界面對裂縫垂向擴展具有“阻擋”作用。孔眼部分進入煤層，對裂縫誘導作用顯著，無論頂板是否完整、地應力條件是否有利，都能形成有效裂縫。

c.陜西韓城井下瓦斯抽采工程應用表明，研究結果可很好地優化施工方案、控制壓裂裂縫形態，保證壓裂工程的順利實施和鉆孔良好的抽采效果。壓裂鉆孔瓦斯抽采純量最高達1.93 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔的1.2 倍，是本煤層順層鉆孔的4.0 倍。

d.當射孔孔眼距煤層較遠、孔眼與煤層間弱面發育、水平應力大于垂向應力或壓裂設備排量小時，建議采用深穿透射孔、分支孔等能夠溝通煤層的工程措施，以保證煤層改造效果。