煤層氣小型壓裂測試與分析研究

郁登朗

（中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000）

一、煤層天然割理濾失特征

煤層基質的滲透性差，天然裂縫對于儲層的滲流起到了關鍵作用，但由于裂縫及隱式裂縫的發(fā)育，造成了儲層敏感性較強；受非均質、天然裂縫、水力裂縫的影響，導致滲流方向、水力裂縫方向、構造應力場方向不一致，同時儲層流固耦合明顯，缺乏對這類儲層壓裂產(chǎn)能預測的手段。壓裂過程中水力裂縫受縫內(nèi)凈壓作用天然裂縫的開啟，增強了工作液的濾失，極易造成壓裂過程早期砂堵。

天然割理裂縫根據(jù)其與水力裂縫的夾角不同，在較高的液體壓力下由于剪切失效而失穩(wěn)。一旦裂縫剪切滑動，其導流能力將會增加同時可以容納更多的液體，這又會增加裂縫的不穩(wěn)定性。剪切裂縫在裂縫的擴展過程中起作用有兩種方式：一是在近井地帶剪切裂縫可能會沿著裂縫擴展方向張開（所以他們受到較高的拉伸應力）；第二，水力裂縫在其擴展過程中可能遇到剪切裂縫而且不只是穿越它，水力裂縫有可能會跟著剪切裂縫走一段距離。然后水力裂縫將可能分叉出去。假如這種情況出現(xiàn)多次，多裂縫將會出現(xiàn)從而形成一個復雜的裂縫系統(tǒng)。另外，如果剪切裂縫或是天然裂縫失穩(wěn)或是擴張，將會發(fā)生顯著的液體濾失增加，形成過量濾失，后續(xù)注入會因為張開更多的天然裂縫使裂縫更加復雜化，濾失更加增大，導致壓裂施工過程中異常壓力。

二、天然裂縫濾失診斷

煤層受天然裂縫發(fā)育的影響，水力裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過程壓力均表現(xiàn)出了不同于相對均質儲層的特征。隨著裂縫的延伸縫內(nèi)凈壓力不斷增加，不同組系的微裂縫依次不斷開啟導致壓裂液濾失增強，容易導致加砂壓裂砂堵；而在壓裂泵注停止后，隨著壓裂液向地層的不斷濾失，縫內(nèi)凈壓力逐漸下降，開啟的微裂縫又不斷閉合，壓裂液的濾失速率逐漸減小，最后天然裂縫完全閉合，壓裂液繼續(xù)通過基質向地層濾失，直至裂縫完全閉合。根據(jù)對雙重介質儲層裂縫閉合特征，基于能量與質量守恒，假定濾失系數(shù)是壓差的函數(shù)：

無因次壓力函數(shù)可以表述為：

（2）對于依賴于微裂縫開啟的濾失情形，在壓力大于裂縫開啟壓力時，不為常數(shù)，=常數(shù)，，同時，并且，因此壓力曲線在此期間應該是上凸的。

（3）無因次壓力函數(shù)在裂縫閉合期間應該為直線壓力降落，即和曲線是線性的。

三、小型壓裂診斷實例

（一）和3井小型壓裂測試

和3井小型壓裂測試于2009年4月28日進行，注入時間為19.8min,壓降測試時間為50min。

測試方法：采用階梯排量升和階梯排量降，進行壓力降落測試。

排量變化：

1.0 m3/min-2.0 m3/min-3.0 m3/min-4.0 m3/min-5.0m3/min-6.0 m3/min-7.0 m3/min-8.0 m3/min。

通過Stimplan軟件和Gohfer軟件對和3井不同排量對應的壓力變化曲線進行分析，得出：和3井裂縫延伸排量為4.3m3/min，延伸壓力15.6MPa。其中延伸壓力大小與模擬小型壓裂實驗的裂縫有效開裂的延伸壓力相仿。

同樣，采用Stimplan軟件和Gohfer軟件兩種方法計算的G函數(shù)疊加導數(shù)曲線可以看出：在停泵期間壓力降落特征為直線變化，沒有明顯的閉合點。

與標準圖板對比，壓力降落初期存在明顯的上凸曲線形狀，這表明該煤層小型壓裂期間天然裂縫較為發(fā)育。

通過雙對數(shù)、平方根曲線可以看出：在停泵期間壓力降落特征也表現(xiàn)為直線變化趨勢，擬合直線沒有明顯的偏離點，因此可判斷為煤層沒有閉合，但從二階導數(shù)曲線變化來看，呈現(xiàn)波浪變化，說明導流能力較低。

平方根初始曲線特征表明：在初期停泵的25min內(nèi)裂縫仍在延伸。

（二）和4井小型壓裂測試分析

2009年4月30日和4井進行小型壓裂測試，測試方法采用階梯排量升和階梯排量降，進行壓力降落測試。注入時間為20.8min,壓降測試時間為50min。

排量變化：1.0 m3/min-2.0 m3/min-3.0 m3/min-4.0 m3/min-5.0 m3/min-6.0 m3/min-7.0 m3/min-8.0 m3/min。

結論及認識

1.通過模擬小型壓裂實驗，認為煤層壓裂的濾失較常規(guī)油層的大，對于煤層壓裂采用大排量施工有其必要性；壓裂過程延伸壓力大于最小主應力3-5MPa以上，裂縫才能得到較好的延伸和開啟；并且煤層壓裂的裂縫方向受套管軸向走向和最大主應力方向控制，對于和順15#煤層的直井，壓裂會產(chǎn)生垂直縫，并沿最大主應力方向延伸，頂?shù)装鍖α芽p有一定的限制作用。壓裂過程中煤塊斷裂縫中脫落較多的煤渣，煤層壓裂有自支撐的特點。

2.通過實驗還發(fā)現(xiàn)煤層壓裂的裂縫擴展不對稱，可能形成單向擴展裂縫（或一面裂縫擴展不充分），也有形成多條裂縫的可能。套管射孔相位和射孔密度對裂縫的初始開啟難度和開啟點有影響，煤層打開程度大會降低裂縫起裂壓力。