煤層氣儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫導(dǎo)流能力影響因素研究

張紅軍，王 淵，楊 函

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

我國(guó)的煤層氣資源儲(chǔ)量十分豐富，主要分布在鄂爾多斯盆地、沁水盆地以及準(zhǔn)葛爾盆地等地區(qū)，2015 年時(shí)我國(guó)的煤層氣抽采量已經(jīng)達(dá)到了300 億m3，具有良好的勘探開(kāi)發(fā)前景[1-3]。煤層通常具有低滲透率、割理裂隙發(fā)育、易碎以及易壓縮等特點(diǎn)，與其他非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂施工相比，煤儲(chǔ)層壓裂具有其自身的一些特點(diǎn)，其壓裂施工后形成的裂縫形態(tài)也更加復(fù)雜，此外，由于煤層特殊的性質(zhì)，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(huì)對(duì)壓裂形成的裂縫造成一定的堵塞損害[4-6]。因此，有必要對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水力壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響因素進(jìn)行深入的研究，為提高煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工效率提供一定的參考。根據(jù)大量的資料調(diào)研及分析結(jié)果，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(méi)有考慮復(fù)雜裂縫對(duì)導(dǎo)流能力的影響。煤巖儲(chǔ)層由于天然微裂縫發(fā)育較多，且受到地應(yīng)力場(chǎng)的影響，在壓裂施工過(guò)程中形成的人工裂縫與天然裂縫互相交織，形成比較復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，而目前針對(duì)煤巖儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫導(dǎo)流能力影響因素的研究及報(bào)道相對(duì)較少[17-19]。因此，以鄂爾多斯盆地東部某煤層氣儲(chǔ)層巖樣為研究對(duì)象，使用改進(jìn)型支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀分別評(píng)價(jià)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(duì)煤巖儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫導(dǎo)流能力的影響，為煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工參數(shù)的制定以及壓裂液的選擇提供一定的借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

煤層氣儲(chǔ)層水力壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力的測(cè)試及計(jì)算方法參照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》。

實(shí)驗(yàn)儀器采用自行研制的改進(jìn)型支撐劑充填層裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀（主要包括改進(jìn)型API 導(dǎo)流室、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液壓泵、測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等）。由于API 導(dǎo)流室在使用氣體作為實(shí)驗(yàn)流體時(shí)無(wú)法保證其密封性，因此將API 導(dǎo)流室進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的導(dǎo)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(dǎo)流室與煤巖導(dǎo)流板之間不會(huì)存在漏氣的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)儀器的最高測(cè)試壓力可以達(dá)到120 MPa，最高實(shí)驗(yàn)溫度可以達(dá)到200 ℃。

為簡(jiǎn)化煤層氣地層復(fù)雜裂縫縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將單一的水平裂縫設(shè)計(jì)成“一”字型（1 條裂縫），將復(fù)雜裂縫分別設(shè)計(jì)成“T”字型（2 條裂縫）和“E”字型（3 條裂縫）。裂縫導(dǎo)流能力的影響因素實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方案及實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）按照導(dǎo)流能力測(cè)試儀中導(dǎo)流室的尺寸將煤層氣儲(chǔ)層巖樣打磨成相應(yīng)形狀的導(dǎo)流板。導(dǎo)流板制作過(guò)程中使用具有一定強(qiáng)度的化學(xué)膠劑將煤樣導(dǎo)流板包裹，此方法不僅可以避免導(dǎo)流板的損壞，還可以保證導(dǎo)流板的形狀與導(dǎo)流室內(nèi)壁的完全貼合，提高其密封性，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

3）將實(shí)驗(yàn)溫度升高至50 ℃，輸入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在不同的閉合壓力條件下測(cè)定支撐裂縫的導(dǎo)流能力值，實(shí)驗(yàn)流體使用氮?dú)?，?shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)壓力點(diǎn)應(yīng)保持60 min，并每隔2 min 記錄1 次導(dǎo)流能力值，取其平均值，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。

4）改變實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，評(píng)價(jià)不同影響因素條件下煤層氣儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 支撐劑類型的影響

按照實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了不同類型支撐劑對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)閉合壓力分別選擇10 MPa和30 MPa，支撐劑類型對(duì)不同裂縫導(dǎo)流能力的影響如圖1。

圖1 支撐劑類型對(duì)不同裂縫導(dǎo)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(tài)和閉合壓力條件下，3 種不同類型的支撐劑導(dǎo)流能力大小順序?yàn)樘樟＃靖材ど埃臼⑸埃欢谙嗤闹蝿╊愋秃烷]合壓力條件下，3 種不同類型的裂縫導(dǎo)流能力大小順序?yàn)椤癊”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(tài)越復(fù)雜，裂縫條數(shù)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(dǎo)流能力增大。另外，閉合壓力越高，裂縫的導(dǎo)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(dǎo)流能力值，當(dāng)閉合壓力達(dá)到30 MPa 時(shí)，支撐劑陶粒仍能保持較高的導(dǎo)流能力值，而覆膜砂和石英砂的導(dǎo)流能力則迅速降低，這是由于陶粒的強(qiáng)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(duì)支撐裂縫孔隙的堵塞損害程度較小，使其保持較高的導(dǎo)流能力。

因此，針對(duì)施工壓力較低的淺煤層壓裂可以選擇來(lái)源廣、價(jià)格低廉的石英砂作為支撐劑，在保證壓裂支撐裂縫導(dǎo)流能力的同時(shí)，可以降低壓裂施工的成本；而針對(duì)施工壓力較高的中深煤層壓裂則需要選擇強(qiáng)度較高、抗破碎能力較強(qiáng)的陶粒作為支撐劑，以降低支撐劑破碎對(duì)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(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了不同鋪砂濃度對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(duì)不同類型裂縫導(dǎo)流能力的影響見(jiàn)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(dǎo)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(shù)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(dǎo)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(tài)越復(fù)雜，支撐裂縫的導(dǎo)流能力值就越高，“E”型裂縫的導(dǎo)流能力明顯高于“T”型裂縫和單一裂縫，這說(shuō)明裂縫形態(tài)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響較大，在相同的施工條件下，形成的裂縫條數(shù)越多，縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)流能力值就越高。

表1 鋪砂濃度對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了煤巖彈性模量對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(duì)不同裂縫導(dǎo)流能力的影響如圖2。

圖2 煤巖彈性模量對(duì)不同裂縫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)條件下，隨著煤巖彈性模量的逐漸增大，支撐裂縫的導(dǎo)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(qiáng)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(duì)裂縫導(dǎo)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(dǎo)流能力值就越高。另外，與2.1 章節(jié)和2.2 章節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，在相同的煤巖彈性模量條件下，裂縫形態(tài)越復(fù)雜，支撐裂縫的導(dǎo)流能力值就越高。

2.4 煤粉含量的影響

在煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉，其在儲(chǔ)層裂縫中與支撐劑混合后容易對(duì)裂縫產(chǎn)生堵塞，進(jìn)而使裂縫的導(dǎo)流能力下降。因此，參照上述實(shí)驗(yàn)方法，在支撐劑中加入不同質(zhì)量的煤粉混合均勻，評(píng)價(jià)了煤粉含量對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)所用煤粉為目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段煤樣研磨而成（過(guò)粒徑為0.150 mm 的篩網(wǎng)），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(duì)不同裂縫導(dǎo)流能力的影響如圖3，煤粉含量對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)流能力的損害程度如圖4。

圖3 煤粉含量對(duì)不同裂縫導(dǎo)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(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(dǎo)流能力值逐漸下降，并且閉合壓力值越高，裂縫導(dǎo)流能力下降的幅度越大。當(dāng)閉合壓力為30 MPa 時(shí)，與沒(méi)有煤粉相比，支撐劑中混入5%的煤粉就會(huì)使單一裂縫、“T”型裂縫和“E”型裂縫的導(dǎo)流能力值分別降低35.4%、41.0%和52.2%，導(dǎo)流能力降低幅度較大，并且裂縫形態(tài)越復(fù)雜，導(dǎo)流能力下降的幅度越大。這是由于當(dāng)煤粉進(jìn)入支撐裂縫孔隙中后，在一定的閉合壓力下，隨著實(shí)驗(yàn)流體的注入會(huì)發(fā)生運(yùn)移聚集，對(duì)滲流通道產(chǎn)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(tài)越復(fù)雜，總鋪砂量就越大，支撐劑顆粒之間形成的孔隙數(shù)量就越多，相應(yīng)的煤粉積聚所堵塞的孔隙數(shù)量就越多，所以煤粉堵塞對(duì)導(dǎo)流能力的影響程度就越大。

因此，在煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中，應(yīng)注意選擇合理的施工參數(shù)，盡可能的減少煤粉的產(chǎn)出，降低煤粉對(duì)水力壓裂支撐裂縫導(dǎo)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(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中，壓裂液與煤巖和支撐劑產(chǎn)生接觸之后，會(huì)對(duì)壓裂產(chǎn)生的支撐裂縫的導(dǎo)流能力造成一定的損害，因此，應(yīng)選擇合適的壓裂液類型，以最大限度地降低其對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

參照上述實(shí)驗(yàn)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(guān)閉兩端閥門靜置24 h 后，再使用氮?dú)獬浞譀_刷，直至壓裂液完全排出，然后測(cè)定裂縫導(dǎo)流能力的變化情況。實(shí)驗(yàn)用壓裂液取自現(xiàn)場(chǎng)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(duì)不同類型裂縫導(dǎo)流能力的影響見(jiàn)表2，壓裂液對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)流能力的損害程度（30 MPa）如圖5。

圖5 壓裂液對(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(duì)不同類型裂縫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)相比，經(jīng)過(guò)不同類型的壓裂液污染后，支撐裂縫的導(dǎo)流能力值均出現(xiàn)不同的降低現(xiàn)象，其中胍膠壓裂液對(duì)導(dǎo)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(tài)越復(fù)雜，導(dǎo)流能力降低的幅度越大。當(dāng)閉合壓力為30 MPa 時(shí)，與空白結(jié)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(dǎo)流能力損害率分別為40.3%、27.0%和12.1%，“T”型裂縫的導(dǎo)流能力損害率分別為50.8%、30.2%和18.2%，而“E”型裂縫的導(dǎo)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?jiān)孔罡撸鋾?huì)對(duì)支撐裂縫的孔隙造成嚴(yán)重堵塞，并且其返排率較低，液相進(jìn)入煤巖板，引起煤巖表面強(qiáng)度降低，支撐劑嵌入程度增大，造成裂縫導(dǎo)流能力的嚴(yán)重下降；而活性水壓裂液不僅殘?jiān)枯^小，并且其表面活性較強(qiáng)，返排率較高，可以降低裂縫導(dǎo)流能力的損害程度。

因此，在煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過(guò)程中，應(yīng)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(shí)，盡可能選擇固相含量較低、殘?jiān)枯^少、返排效果較好的壓裂液體系，避免壓裂液對(duì)支撐裂縫造成比較嚴(yán)重的損害。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）裂縫的形態(tài)對(duì)導(dǎo)流能力的影響比較大，在相同的鋪砂濃度條件下，裂縫形態(tài)越復(fù)雜，裂縫條數(shù)越多，導(dǎo)流能力就越大。

2）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，使用陶粒作為支撐劑時(shí)的裂縫導(dǎo)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(dǎo)流能力越大。

3）煤粉的加入能夠大幅降低裂縫導(dǎo)流能力，煤粉含量越高，裂縫導(dǎo)流能力越低；并且裂縫形態(tài)越復(fù)雜，裂縫條數(shù)越多，煤粉對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的損害率越大。

4）不同類型的壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)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(tài)越復(fù)雜，壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的損害程度越嚴(yán)重。

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