煤巖二次壓裂裂縫擴展影響因素試驗研究

李東賢，張萬春，竺 彪

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

二次壓裂技術是指一口井在進行過初次或多次壓裂措施后，為提高油氣井產(chǎn)能而再次進行壓裂改造的技術。煤氣藏屬于低滲透非常規(guī)氣藏，水力壓裂技術是提高煤層氣井產(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性質有很大差別[2，3]。由于煤層氣儲層結構的復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展的機理更加復雜。國內外學者針對煤層的水力裂縫的擴展規(guī)律進行了一系列試驗研究。Bell 等[4]、Abass[5]通過中階煤樣壓裂試驗發(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力方向擴展，同時也會沿著割理延伸。在國內鄧廣哲等[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，主要研究了地應力、隔層以及排量對水力裂縫擴展的影響。試驗表明水力裂縫主要沿著垂直于最小地應力方向擴展，并且煤樣中的割理系統(tǒng)對裂縫擴展有一定影響，同時發(fā)現(xiàn)垂向應力的大小和界面膠結強度一定程度上影響裂縫的垂向擴展。由于大尺寸煤樣制備難度大，采用天然煤樣進行二次水力壓裂試驗的研究還較少。因此，本文采用真三維試驗系統(tǒng)，對采自沁水盆地南部晉城地區(qū)的高煤階大塊煤樣進行室內物理模擬，研究了天然裂隙及割理、地應力、排量等因素綜合影響下二次裂縫的擴展規(guī)律。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置和試件制備

本次壓裂物理模擬試驗應用中國石油大學（北京）儲層改造實驗室設計的一套真三軸模擬試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大尺寸真三軸試驗架、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系統(tǒng)（Ma X，2017）[10]

試驗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，壓裂模擬時將在該井段形成初始裂縫。試驗采用活性水作為壓裂液，在初次壓裂時添加綠色染色劑，二次壓裂時添加藍色染色劑，用以區(qū)分兩次水力裂縫。試件的力學參數(shù)（見表1）。

表1 試件的基本力學參數(shù)

1.2 試驗方案

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

表2 試驗參數(shù)表

圖2 試件剖面示意

2 試驗結果與分析

2.1 水平主應力差、天然裂縫對水力裂縫擴展的影響

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

當水平應力差在2 MPa 時（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力方向擴展，而是逐漸偏向最大水平主應力方向（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運移（見圖3（b））。

當水平應力差為4 MPa 時（試件2），初次裂縫繼續(xù)沿著垂直于最小水平主應力方向延伸，在與巖樣的天然裂縫相遇后停止原方向的延伸，轉為沿著天然裂縫擴展；初次裂縫到達水平方向的邊界后繼續(xù)在垂向方向擴展，形成了一條“工”型縫（見圖3（d））；當應力場發(fā)生變化時，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展（見圖3（c））。

圖3 水平應力差2 MPa、4 MPa、8 MPa 時形成的裂縫形態(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，壓裂時壓裂液濾失量大，不能形成有效的憋壓，裂縫擴展沒有固定規(guī)律，形成寬裂縫的可能性比較大，試件3 在壓裂試驗之前就已經(jīng)高度破碎，因此水力裂縫并不能穿過這些預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 排量對水力裂縫擴展的影響

從試驗結果可以看出排量對裂縫復雜度存在一定的影響，當排量較低，如10 mL/min 時，由于裂縫內能量較低，壓裂液優(yōu)先選擇優(yōu)勢路徑流動，如試件內部發(fā)育的天然裂縫和層理，若天然裂縫直接沒有溝通，壓裂液在裂縫內堆積，壓力升高，膠結薄弱的天然裂縫進一步開啟延伸，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，裂縫內能量增加，水力裂縫在進入已開啟的天然裂縫后，會產(chǎn)生新的起裂點，并沿起裂點向周圍擴展，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)擴展（見圖4（b）），裂縫的復雜度相對10 mL/min 時較高。當排量繼續(xù)增加到一定程度后，如60 mL/min 時，壓后裂縫復雜度最高，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））。因此在實際生產(chǎn)中，適當提高排量有助于提高儲層的改造體積，增加水力裂縫的復雜程度。

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，壓裂液首先進入煤巖的天然裂隙中，壓力開始升高，當泵注壓力高于煤巖的最小破裂壓力時，天然裂隙會在很短的時間內打開，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)受地應力和天然裂縫同時控制。此時井筒附近的壓裂液填充到水力裂縫中，壓力驟降，裂縫也停止擴展。隨著試驗的進行，壓裂液在裂縫中不斷累積，壓力又開始升高，當壓力再次高于破裂壓力時，之前形成的水力裂縫會繼續(xù)延伸，同時也可能形成新的水力裂縫。整個壓裂過程一直重復著這樣的循環(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）。初次壓裂時試件6 在192 s 時破裂，破裂壓力為22.64 MPa，二次壓裂時在276 s 時破裂，破裂壓力為16.39 MPa。二次破裂壓力比初次破裂壓力小，分析原因是因為在初次壓裂結束后，煤巖內部形成由水力裂縫和天然裂縫構成的復雜縫網(wǎng)，滲透率提高，再進行二次壓裂時，壓裂液會選擇優(yōu)勢路徑運移，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移，裂縫內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)場實例應用

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，煤體結構多為碎裂煤或碎裂-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，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，從而進一步加劇了壓力的波動，這與之前試驗觀測的現(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 結論

（1）煤巖水力裂縫擴展是地應力和天然裂隙綜合影響的結果。

（2）二次壓裂中水平應力差較小時，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展；水平應力差較大時裂縫會發(fā)生轉向，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力場產(chǎn)生影響，應力場的變化會使水力裂縫的擴展方向發(fā)生變化。

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