山西沁水煤層氣壓裂施工的橫向效應(yīng)

李夢(mèng)溪，張 聰

(中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西晉城 048000)

1 前言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)起飛與快速發(fā)展，對(duì)能源的渴求越來(lái)越迫切。我國(guó)煤田多、儲(chǔ)量大，煤層氣成為最重要的清潔能源。煤層氣開(kāi)采成為獲得能源的重要途徑。

煤層氣開(kāi)采必須壓裂，目的有3個(gè):對(duì)吸附在煤層上的氣體形成擾動(dòng)，形成游離氣體流出通道;降低煤層中氣體壓力，為束縛煤層氣逸出創(chuàng)造條件;在井距比較大時(shí)，壓裂以裂縫的走向、形態(tài)、溝通對(duì)地層進(jìn)行改造，影響氣井生產(chǎn)狀態(tài)。

山西是我國(guó)煤炭大省，煤層氣儲(chǔ)量巨大，是我國(guó)重要的煤層氣開(kāi)發(fā)基地。筆者對(duì)煤層氣井壓裂過(guò)程進(jìn)行了微地震監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，不僅沿人工裂縫方向的鄰井對(duì)壓裂施工有反應(yīng)，而且與壓裂裂縫方向夾角很大的鄰井也有反應(yīng)，并且反應(yīng)是即時(shí)的。這里的反應(yīng)特指鄰井產(chǎn)氣量變小，甚至枯竭，產(chǎn)水量上升。這一發(fā)現(xiàn)使我們?cè)诜治雒簩託饩畨毫研Ч麜r(shí)，不得不考慮煤層特有的力學(xué)特性，壓裂對(duì)人工裂縫法向鄰井的影響，增加了壓裂設(shè)計(jì)必須考慮的因素。

2 煤層氣井壓裂的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果

在華加區(qū)塊監(jiān)測(cè)了9口煤層氣壓裂井，壓裂、監(jiān)測(cè)深度400～600 m。監(jiān)測(cè)的井中，有兩口井沒(méi)有對(duì)比資料，有一口井對(duì)比資料不足以說(shuō)明問(wèn)題;余下的6口井中，鄰井有5井次對(duì)壓裂施工即時(shí)反應(yīng)。經(jīng)對(duì)比，這5井次均在壓裂裂縫的法向位置上;有4井次滯后反應(yīng)，這4井次均在與壓裂裂縫走向夾角較小的位置上(見(jiàn)圖1，圖2)。規(guī)律如此強(qiáng)，必然反映了一個(gè)必有的內(nèi)在因素，探討這個(gè)因素將對(duì)煤層氣井壓裂、煤層氣田改造帶來(lái)重要影響。圖1給出3條壓裂裂縫與鄰井的相對(duì)位置;圖2給出另外6條壓裂裂縫與鄰井的相對(duì)位置。

圖1、圖2中，黑色井是壓裂氣井，灰色井是即時(shí)反應(yīng)氣井，白色井是鄰近氣井。即時(shí)反映氣井(灰色)通常表現(xiàn)為產(chǎn)氣量降低。黑色線連接壓裂井與即時(shí)反應(yīng)的鄰井，灰色線連接壓裂井與滯后反應(yīng)的鄰井。黑色箭頭、黑色線方向是壓裂裂縫的主方向。可以看到:即時(shí)反應(yīng)的鄰近井與壓裂井的連線與壓裂裂縫方向夾角大，滯后反應(yīng)的鄰近井與壓裂井的連線與壓裂裂縫方向夾角小。統(tǒng)計(jì)上述結(jié)果可以看出，鄰井、壓裂井連線與壓裂裂縫的夾角越小，反應(yīng)滯后時(shí)間越長(zhǎng)，見(jiàn)表1。

圖1 華加1井、華加2井、華加3井人工裂縫方向與鄰井Fig.1 Hydraulic fracture directions of HJ1，HJ2 and HJ3 and adjacent wells

圖2 華加4井、華加5井、華加6井、華加7井、華加8井、華加9井人工裂縫方向與鄰井Fig.2 Hydraulic fracture directions of HJ4，HJ5，HJ6，HJ7，HJ8 and HJ9 and adjacent wells

表1 鄰井反應(yīng)時(shí)間隨鄰井、壓裂井連線與壓裂裂縫的夾角的變化Table 1 The changes of adjacent well reaction time with the angle between hydraulic fracturing and the connected line of adjacent well and fractured well

3 煤層氣井壓裂對(duì)鄰井影響的原因分析

壓裂對(duì)鄰井的影響有兩種可能:一是壓裂裂縫的溝通及對(duì)地層的改造作用;二是壓裂裂縫的增寬及內(nèi)壓作用。第二種作用與介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在油田壓裂中，從未觀察到沿壓裂裂縫法向方向的作用與影響，但在煤層氣壓裂中沿壓裂裂縫法向方向的作用明顯、即時(shí)。擠壓作用的直接影響可以表示為[1]

式(1)中，TZ是經(jīng)地層傳遞的擠壓力，R是距離，P是壓裂時(shí)作用在裂縫側(cè)面的水壓，ψ是的作用點(diǎn)與壓裂井連線與人工裂縫方向的夾角。由式(1)可以看出，越近于法線方向，經(jīng)地層傳遞的擠壓力TZ越大。如式(2)所示，這個(gè)擠壓力使鄰井的裂縫關(guān)閉，出現(xiàn)我們看到的反應(yīng):

式(2)中，w是裂縫即時(shí)寬度;w0是裂縫受到擠壓作用前的寬度;L是裂縫高度;Es是介質(zhì)的楊氏模量;υs是介質(zhì)的泊松比;σN－σ0是擠壓作用增加的裂縫面有效法向應(yīng)力增量，是TZ法向分量?？梢钥吹?，擠壓力使裂縫寬度變小，變小程度與楊氏模量成反比。

在煤層，煤介質(zhì)楊氏模量小，裂縫抗壓能力也小，如果井距過(guò)小，壓裂過(guò)程中附加的地層壓力，應(yīng)力狀態(tài)的改變成為不可忽視的因素[2](見(jiàn)表2)。

表2 油田、煤層常見(jiàn)介質(zhì)的巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanical parametersof common medium of oil and coal

由表2可以看出，常見(jiàn)油層介質(zhì)砂巖的變形模量是煤層的10倍以上，這是只在煤層壓裂時(shí)監(jiān)測(cè)到壓裂施工橫向影響的重要原因。由于壓裂時(shí)，以很大的壓力把裂縫二側(cè)地層推開(kāi)，即時(shí)增大不沿裂縫方向的應(yīng)力，越接近法向，應(yīng)力增加的量值也大。后者以近于即時(shí)的速度向裂縫二側(cè)傳去，影響是即時(shí)的。

從監(jiān)測(cè)資料中，與壓裂井壓裂裂縫走向夾角較大的鄰井多為即時(shí)反應(yīng)，反映了應(yīng)力狀態(tài)改變的影響。該影響會(huì)使已有裂縫關(guān)閉，增大氣體流動(dòng)阻力;煤層游離氣壓力升高，降低煤層氣從束縛態(tài)逸出的速率;擠壓地層中原有的水向低壓位置流動(dòng)。理論分析表明，壓裂附加的應(yīng)力應(yīng)該與壓裂裂縫走向的夾角、鄰井與壓裂裂縫的垂直連線與壓裂裂縫中點(diǎn)的距離相關(guān)，最大可以達(dá)到井底壓裂壓力的一半。由于煤層較軟，裂縫本身剛度低，在應(yīng)力增加時(shí)，開(kāi)閉程度變化顯著，加劇了這一影響。例如，華加1井壓裂，裂縫方向北東向，在華加1井北西位置的華固21－8井與裂縫走向大體垂直，與裂縫走向的垂直連線近于中點(diǎn)，壓裂當(dāng)天氣量降為零。華加3井壓裂，華固20－6井大體垂直壓裂裂縫方向，氣量即時(shí)降低100 m3。已有的資料中，有5井次出現(xiàn)相同的反應(yīng)。

裂縫走向、形態(tài)、溝通的影響是以把井與裂縫、裂縫與裂縫對(duì)接起來(lái)為前提，即使走向一致，也很難即時(shí)溝通，總是要通過(guò)滲流、涌流、連通幾個(gè)過(guò)程才可以實(shí)現(xiàn)溝通，以裂縫溝通影響氣井產(chǎn)量，相對(duì)壓裂時(shí)間應(yīng)該有足夠的滯后。我們?cè)诎才飰A礦對(duì)井連通實(shí)驗(yàn)時(shí)，從監(jiān)測(cè)到連通到事實(shí)上的連通，接近30 d[3]。

監(jiān)測(cè)資料中顯示，與壓裂井壓裂裂縫走向夾角較小的鄰井多為滯后反應(yīng)，反映了裂縫溝通的影響。從壓裂裂縫尺度、走向，壓裂裂縫與鄰近氣井溝通應(yīng)該有一個(gè)時(shí)間過(guò)程。溝通后，鄰井通常表現(xiàn)為水量變化。例如，華固21－8井，大體沿壓裂裂縫方向，8 d后氣量降，10 d后降為零，存在明顯的滯后。

上述對(duì)比資料見(jiàn)表3，比較動(dòng)態(tài)資料，僅有華固3－13井壓裂，華加5井的結(jié)果略偏離這一結(jié)論。但是，與壓裂裂縫走向夾角大的井位響應(yīng)時(shí)間仍然小于與壓裂裂縫走向夾角比較小的井位，彼此相差5 d。這可能與華固3－13井在區(qū)塊邊緣有關(guān)。

表3 不同相對(duì)方位的壓裂響應(yīng)Table 3 Response from different directions to hydraulic fracturing

續(xù)表

表3中列出了比較規(guī)律，即時(shí)相應(yīng)的均為與壓裂裂縫夾角較大的井位，與壓裂裂縫夾角越小的井位響應(yīng)越滯后，這反映了響應(yīng)模式的不同。

4 結(jié)語(yǔ)

分析以上監(jiān)測(cè)結(jié)果，煤層氣井壓裂存在沿裂縫面法向方向的即時(shí)反應(yīng)。這種反應(yīng)是煤層楊氏模量偏小、鄰井裂縫易于關(guān)閉的結(jié)果，只有測(cè)得人工裂縫方位可靠才能表現(xiàn)出這一規(guī)律。這一結(jié)果反映煤層氣壓裂裂縫多為直立裂縫，對(duì)水平傳遞的壓裂施工井的橫向擠壓有較大的受力面，反應(yīng)才會(huì)如此強(qiáng)烈。壓裂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮橫向擠壓這個(gè)負(fù)面作用。

壓裂附加應(yīng)力對(duì)生產(chǎn)的影響時(shí)間通常有限，會(huì)隨著時(shí)間的推移調(diào)整應(yīng)力場(chǎng)，逐漸恢復(fù)原來(lái)的產(chǎn)能。

[1]劉建中.油田應(yīng)力測(cè)量[M].北京:地震出版社，1993.

[2]申衛(wèi)兵，張保平.不同煤階煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)定[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)(增刊)，2000，19:860 －862.

[3]齊鐵新，劉建中，秦桂林.井下裂縫連通技術(shù)在安棚堿礦的應(yīng)用[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006，8(7):63 －67.