煤系水平井定向射孔壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制

龐 濤，姜在炳,*，惠江濤，賈秉義

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))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(guó)煤層氣資源豐富，但碎軟低滲煤層發(fā)育廣泛，常規(guī)壓裂技術(shù)效果差、單井產(chǎn)氣量低[1-3]。通過多年技術(shù)發(fā)展，煤層頂板水平井和煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂技術(shù)已經(jīng)成為碎軟低滲煤層發(fā)育區(qū)煤層氣高效開發(fā)和礦井區(qū)域瓦斯治理的主要技術(shù)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(diǎn)，是影響裂縫形態(tài)的關(guān)鍵[9-10]。對(duì)于頂板水平井/孔壓裂而言，理想的裂縫能夠快速進(jìn)入煤層且主要在煤層中擴(kuò)展，形成較大的煤層改造體積。但含煤地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤/巖層中可能發(fā)育層理、界面等弱面，影響裂縫的穿層擴(kuò)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(xiàn)為裂縫起裂擴(kuò)展泵壓高、加砂困難等，改造效果差。所以，有必要針對(duì)煤系水平井定向射孔壓裂裂縫的擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行研究，探尋有利于煤層改造的工程措施。

對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層而言，前人基于彈性力學(xué)提出了水力壓裂裂縫起裂壓力計(jì)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(yīng)起裂模式不同[12-15]。對(duì)于層狀地層，層間應(yīng)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(kuò)展數(shù)學(xué)模型可獲得裂縫穿層擴(kuò)展、停止擴(kuò)展和轉(zhuǎn)向擴(kuò)展的判別準(zhǔn)則[20]。由物理模擬實(shí)驗(yàn)可知裂縫在界面附近會(huì)出現(xiàn)穿層、產(chǎn)生次生裂縫、發(fā)生扭轉(zhuǎn)或沿界面擴(kuò)展的行為[21]；裂縫從砂巖層進(jìn)入泥巖層難度大[22]；地應(yīng)力差異系數(shù)越大、非連續(xù)面走向角度越高，裂縫越容易貫穿[23]。另外，頂板壓裂時(shí)水平井空間位置也影響裂縫擴(kuò)展[24]。以上研究對(duì)于認(rèn)識(shí)定向射孔壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理均具有重要意義，但是針對(duì)煤層頂板水平井定向射孔條件下的壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制的相關(guān)研究較少。筆者采用ABAQUS 模擬裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，采用黏聚單元(Cohesive)預(yù)設(shè)裂縫的擴(kuò)展路徑，研究裂縫在頂板弱面、煤巖界面等處的擴(kuò)展特征，分析不同結(jié)構(gòu)頂板巖層、水平井筒位置條件下裂縫擴(kuò)展規(guī)律并討論其機(jī)制，以期為現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工提供支持。

1 煤系水平井壓裂工程地質(zhì)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(shí)際工程中受煤層起伏、井眼軌跡調(diào)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(shí)，取心顯示煤層頂板結(jié)構(gòu)特征可分為兩類：結(jié)構(gòu)完整，取心能夠獲得較為完整的柱狀巖心，如圖1a 所示；相對(duì)破碎，難以獲取較長(zhǎng)柱塊巖心，出心時(shí)即沿結(jié)構(gòu)面斷裂呈層狀圓柱塊，如圖1b 所示。

圖1 不同結(jié)構(gòu)特征巖心Fig.1 Cores with different structural characteristics

頂板巖層結(jié)構(gòu)結(jié)合射孔孔眼位置，可建立5 種壓裂工程地質(zhì)模型，如圖2 所示。

圖2 頂板壓裂地質(zhì)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(shù)值模型

水力壓裂裂縫擴(kuò)展過程是水力裂縫與儲(chǔ)層基質(zhì)的耦合、孔隙壓力與有效應(yīng)力的動(dòng)態(tài)耦合過程，采用有限元分析軟件ABAQUS 模擬裂縫的擴(kuò)展形態(tài)。在儲(chǔ)層基質(zhì)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(kuò)展的重要手段之一。本文采用黏聚單元(Cohesive)預(yù)設(shè)裂縫在煤層及頂板巖層中的擴(kuò)展路徑，研究裂縫在煤層、巖層、層理及煤巖界面等處的擴(kuò)展特征，分析不同結(jié)構(gòu)頂板巖層、水平井筒位置條件下裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

以射孔孔眼完全位于煤層中為例，二維數(shù)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(gè)零厚度單元層，用于表征裂縫的起裂和擴(kuò)展，其中頂板內(nèi)設(shè)置1 個(gè)，表征頂板巖層本體可能形成的裂縫，底板內(nèi)設(shè)置1 個(gè)，界面設(shè)置2 個(gè)，分別表征頂、底板界面可能形成的裂縫，煤層中設(shè)置2 個(gè)，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(yīng)力差為1 MPa。

圖3 數(shù)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(yù)制初始裂縫)位于煤層中部，射孔孔眼長(zhǎng)度為0.8 m。采用變密度的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)裂縫擴(kuò)展范圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密，模型上下側(cè)施加垂向應(yīng)力σv，兩側(cè)分層施加最小水平主應(yīng)力σh，最大水平主應(yīng)力為σH。

2.2 模型參數(shù)

數(shù)值模型采用文獻(xiàn)[25]中相關(guān)參數(shù)，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(shù)[25]Table 1 Parameters of numerical model[25]

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

根據(jù)康紅普等[27]統(tǒng)計(jì)的1 357 個(gè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，我國(guó)煤礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)類型多樣，淺部地層(埋深150 m以內(nèi))以逆斷層型應(yīng)力狀態(tài)(σH>σh>σv)為主，千米深井以正斷層型應(yīng)力狀態(tài)(σv>σH>σh)為主，介于兩者之間的以走滑型應(yīng)力狀態(tài)(σH>σv>σh)為主。垂向應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力差異，即 σv-σh值，是影響裂縫穿層擴(kuò)展的主要因素，故本文選用不同 σv-σh值進(jìn)行研究，分析其對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程描述的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。王生維[28]對(duì)沁水盆地南部寺河礦、成莊礦的煤儲(chǔ)層壓裂裂縫延展幾何形態(tài)進(jìn)行了井下實(shí)地觀察和描述，其結(jié)果是驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的最優(yōu)依據(jù)。SH-125 井煤層深度為426.55 m，屬于中淺部煤層，且煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，有利于與均質(zhì)模型對(duì)比。文獻(xiàn)[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(yīng)力場(chǎng)為典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，即σH>σv>σh，平均最大水平應(yīng)力 σH為14.53 MPa，最小水平應(yīng)力 σh為7.27 MPa，垂向主應(yīng)力σv為9.36 MPa，對(duì)應(yīng)的σv-σh=2.09 MPa[29-30]。本文以此地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖5 所示。

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

圖5 數(shù)值模擬裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.5 Numerical simulation of fracture propagation

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

模型考慮了頂?shù)装鍘r層特征，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受巷道掘進(jìn)等限制未對(duì)裂縫遇到底板巖層時(shí)的裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行描述，與模擬結(jié)果存在差異，但模擬結(jié)果精確地描述了在相同應(yīng)力條件下，在煤層中擴(kuò)展的裂縫遇到煤巖界面即停止垂向延伸、沿界面擴(kuò)展成水平裂縫的過程，最終形成垂直裂縫+水平裂縫的復(fù)合型裂縫形態(tài)，證明了數(shù)值模型能夠有效地描述煤系裂縫擴(kuò)展過程。

3 煤系裂縫擴(kuò)展機(jī)制研究

將 σv-σh值分別設(shè)置為-4、-2、0、2、4 MPa，分析不同應(yīng)力差、不同頂板巖層結(jié)構(gòu)及工程條件下裂縫擴(kuò)展特征。

3.1 射孔孔眼位于煤層中

如圖6 所示，當(dāng) (σv-σh)=-4、-2 MPa 時(shí)，裂縫受地應(yīng)力影響明顯，形成較寬的、端部鈍化的水平裂縫；σv-σh=0 MPa時(shí)僅形成發(fā)育于煤層中的較寬垂直裂縫；σv-σh=4 MPa時(shí)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(yīng)力差大小，裂縫都主要在煤層中擴(kuò)展。當(dāng)垂直應(yīng)力較大時(shí)裂縫能穿透界面進(jìn)入上、下巖層，但在巖層中的裂縫相對(duì)于煤層更窄，支撐劑很難進(jìn)入，有效裂縫仍主要在煤層中。可以據(jù)此認(rèn)為，當(dāng)水平井射孔孔眼位于煤層中時(shí)，裂縫呈“-”“│”“工”型，頂?shù)装鍘r層及界面能夠?qū)α芽p形成“阻隔”，使裂縫在煤層中及界面擴(kuò)展，有利于煤層改造。

圖6 煤層中裂縫擴(kuò)展形態(tài)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(fā)育

如圖7 所示，當(dāng) (σv-σh)=-4、-2 MPa時(shí)形成沿層理面的“-”型水平縫；σv-σh=0 MPa時(shí)裂縫主要沿層理面擴(kuò)展，形成兩平一豎的非對(duì)稱型裂縫；σv-σh=2 MPa時(shí)形成沿層理水平擴(kuò)展的非對(duì)稱“工”字型裂縫；σv-σh=4 MPa時(shí)裂縫擴(kuò)展受垂向應(yīng)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(tài)的裂縫?？梢妼?duì)于層理發(fā)育的頂板巖層，σv-σh=4 MPa 時(shí)裂縫才能夠延伸進(jìn)入煤層，形成有效裂縫。應(yīng)力差和層理控制著裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，應(yīng)力差小于0 MPa時(shí)裂縫沿層理水平擴(kuò)展，形成“-”型縫；應(yīng)力差為2 MPa時(shí)首先形成垂直縫，但穿層能力不足，遇界面后形成“-”型縫，應(yīng)力差大于 2 MPa后，能夠形成進(jìn)入煤層的“│”型縫。

圖7 層理發(fā)育頂板中裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.7 Fracture propagation in the bedding developed roof strata

3.2.2 頂板巖層層理不發(fā)育

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

圖8 層理不發(fā)育頂板中裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.8 Fracture propagation in intact roof strata

3.3 射孔孔眼部分進(jìn)入煤層

3.3.1 頂板巖層層理發(fā)育

如圖9 所示，當(dāng) (σv-σh)=-4、-2 MPa時(shí)形成沿界面發(fā)育的“-”型水平裂縫；當(dāng) σv-σh=0 MPa時(shí)裂縫沿垂向起裂、上下同時(shí)擴(kuò)展，但向上擴(kuò)展的縫端止于層理面，形成水平裂縫，向下擴(kuò)展的裂縫進(jìn)入煤層、持續(xù)擴(kuò)展，形成“T”型縫；當(dāng) (σv-σh)=2、4 MPa時(shí)形成單一的“│”型垂直裂縫?？傊?，當(dāng)射孔孔眼部分進(jìn)入煤層時(shí)，水力裂縫都能夠接觸到煤層。界面和孔眼誘導(dǎo)作用明顯，應(yīng)力差≤ -2 MPa時(shí)從強(qiáng)度更低的界面形成“-”型縫，應(yīng)力差＞ -2 MPa時(shí)孔眼的誘導(dǎo)作用凸顯，形成“│”“T”型縫。

圖9 層理發(fā)育煤層中裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.9 Fracture propagation in the bedding developed coal seam

可見，對(duì)于水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的地質(zhì)條件，頂板水平井壓裂應(yīng)優(yōu)選井筒距煤層距離小于射孔長(zhǎng)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(fā)育

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

圖10 層理不發(fā)育煤層中裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.10 Fracture propagation in intact coal seam

4 工程驗(yàn)證

以陜西韓城某礦為例，主采二疊系山西組3 號(hào)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(xì)粒砂巖，厚度為3.0～8.0 m，較致密堅(jiān)硬。煤層堅(jiān)固性系數(shù)f最小為0.20，在煤層中鉆進(jìn)難以成孔。

為了抽采瓦斯，將主孔布置在距3 號(hào)煤層頂界約5 m 的堅(jiān)硬砂巖層中，保證鉆探安全。據(jù)康紅普等[27]試驗(yàn)區(qū)屬于 σH>σv>σh的地應(yīng)力類型，在頂板巖層中水力壓裂時(shí)，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(yè)空間限制，現(xiàn)有井下壓裂設(shè)備排量小，更不利于裂縫的垂向穿層擴(kuò)展。根據(jù)前文模擬，試驗(yàn)采用分支孔溝通煤層，在分支孔的誘導(dǎo)作用下進(jìn)行壓裂，可有效改造煤層。因此，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)在施工完成主孔后，再在主孔內(nèi)向下施工分支鉆孔揭露煤層，如圖11 所示。實(shí)鉆鉆孔主孔長(zhǎng)度588 m，主孔與煤層頂界距離為0～3.28 m，包含1-1-1-8 號(hào)8 個(gè)分支孔，分支孔鉆遇地層巖性主要為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及其互層，地層層理、界面發(fā)育。

圖11 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)Fig.11 Borehole trajectory design drawing

試驗(yàn)采用分段水力壓裂工藝，用封隔器將分支孔兩側(cè)主孔進(jìn)行封隔，使壓裂液進(jìn)入分支孔進(jìn)行分段壓裂，鉆孔累計(jì)壓裂液用量2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa，累計(jì)壓裂用時(shí)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(cè)得煤層水力壓裂影響范圍最大為39.63 m；通過孔內(nèi)瞬變電磁剖面探測(cè)到壓裂形成的主裂縫最大延伸范圍達(dá)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?jǐn)?shù)為19.6%～54.0%，平均31.7%；抽采增長(zhǎng)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?jǐn)?shù)為31.0%～56.0%，平均47.7%；抽采穩(wěn)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?jǐn)?shù)40.0%～52.0%，平均43.5%，如圖12 所示。同一區(qū)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(yuǎn)，頂板巖層層理、界面發(fā)育的地質(zhì)條件下，采用分支孔技術(shù)進(jìn)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(huì)由于鉆孔和煤層間距大、存在多個(gè)結(jié)構(gòu)弱面和壓裂設(shè)備排量小，裂縫難以穿層延伸到達(dá)目標(biāo)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(zhì)條件的復(fù)雜性和目前鉆探施工技術(shù)工藝等影響，頂板水平鉆孔軌跡控制難度大，當(dāng)施工的鉆孔軌跡距離煤層較遠(yuǎn)時(shí)，壓裂裂縫可能不能有效溝通目標(biāo)煤層，致使裂縫延伸困難，最終導(dǎo)致壓裂鉆孔的瓦斯抽采效果不佳。因此，對(duì)于頂板結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)論

a.基于黏聚單元的水力壓裂有限元數(shù)值模型模擬試驗(yàn)的水力裂縫形態(tài)與實(shí)際裂縫形態(tài)一致，分析模型能夠較好地反映實(shí)際裂縫的擴(kuò)展過程及形態(tài)。

b.射孔位置、地應(yīng)力條件和地層特征綜合影響裂縫的擴(kuò)展形態(tài)?？籽畚挥诿簩又袝r(shí)裂縫在煤層中擴(kuò)展，巖層對(duì)裂縫具有“阻隔”作用?？籽畚挥陧敯?，當(dāng)頂板層理發(fā)育，應(yīng)力差大于2 MPa 時(shí)裂縫能夠穿越層理、界面進(jìn)入煤層，而頂板完整時(shí)，應(yīng)力差大于-2 MPa 時(shí)裂縫即可進(jìn)入煤層，頂板層理和界面對(duì)裂縫垂向擴(kuò)展具有“阻擋”作用?？籽鄄糠诌M(jìn)入煤層，對(duì)裂縫誘導(dǎo)作用顯著，無論頂板是否完整、地應(yīng)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(yīng)用表明，研究結(jié)果可很好地優(yōu)化施工方案、控制壓裂裂縫形態(tài)，保證壓裂工程的順利實(shí)施和鉆孔良好的抽采效果。壓裂鉆孔瓦斯抽采純量最高達(dá)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(dāng)射孔孔眼距煤層較遠(yuǎn)、孔眼與煤層間弱面發(fā)育、水平應(yīng)力大于垂向應(yīng)力或壓裂設(shè)備排量小時(shí)，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。