深部煤層氣“有效支撐”理念及創(chuàng)新實(shí)踐
——以鄂爾多斯盆地延川南煤層氣田為例

姚紅生 陳貞龍 何希鵬 王運(yùn)海 蔣永平

中國(guó)石化華東油氣分公司

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外煤層氣勘探開(kāi)發(fā)目的煤層埋深主要集中在1 000 m以淺，然而在世界范圍內(nèi)有超過(guò)47.6×1012m3的煤層氣資源賦存在 1 000 m 以深。據(jù)國(guó)土資源部2015年全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國(guó)煤層氣資源量為 30.05×1012m3，而 1 000 ～ 2 000 m 埋深范圍內(nèi)的煤層氣資源量為18.87×1012m3，占總資源量的62.8%。隨著淺層已探明可動(dòng)用儲(chǔ)量的減少，煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展必將走向資源更加豐富的深部領(lǐng)域。但深部煤層氣高效開(kāi)發(fā)面臨高應(yīng)力、氣體賦存相態(tài)復(fù)雜、儲(chǔ)層可改造性差等諸多挑戰(zhàn)，淺部煤層氣相關(guān)的成熟理論和工藝技術(shù)難以直接套用，造成儲(chǔ)量動(dòng)用程度低、單井產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)周期短等系列問(wèn)題[1-4]。

近年來(lái)，我國(guó)先后在鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、滇東黔西、二連盆地等含煤盆地進(jìn)行了深部煤層氣的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，雖取得了不同程度的單井產(chǎn)氣突破，但相關(guān)理論技術(shù)仍處于探索階段，還未形成系統(tǒng)的、能夠有效指導(dǎo)深部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐的理論和技術(shù)，深部煤層氣規(guī)模化開(kāi)發(fā)仍難以企及。深部煤層處于“三高”地層環(huán)境，即高地應(yīng)力、高地層溫度和高儲(chǔ)層壓力，復(fù)雜地質(zhì)條件耦合作用下的煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化、應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)以及煤儲(chǔ)層吸附—解吸—擴(kuò)散—滲流的動(dòng)態(tài)平衡等核心問(wèn)題尚在探索研究階段，基于淺部煤層氣產(chǎn)出原理的開(kāi)發(fā)方式和增產(chǎn)措施對(duì)深部煤層氣開(kāi)發(fā)受到限制[5-6]。目前，淺部煤層氣開(kāi)發(fā)基本形成了一套完整的壓裂工藝，包括低傷害壓裂液技術(shù)、前置段塞降濾技術(shù)、組合支撐劑加砂技術(shù)、變排量施工技術(shù)等，相較于煤層氣開(kāi)發(fā)初期的壓裂工作，壓裂液量和加砂量都有了很大的提升。但是，壓裂砂對(duì)煤層的有效支撐問(wèn)題仍未完全解決，在深部煤層復(fù)雜造縫力學(xué)環(huán)境影響下，如何解決“壓得遠(yuǎn)、低傷害、撐得住”的問(wèn)題，從而增大儲(chǔ)層改造體積，形成大范圍的水力裂縫以減少滲流阻力和流體在基質(zhì)中的滲流距離，成為制約深部煤層氣資源效益動(dòng)用的“卡脖子”難題[7-8]。

延川南煤層氣田是目前國(guó)內(nèi)投入商業(yè)開(kāi)發(fā)最早的深部煤層氣田，主力開(kāi)發(fā)層位為下二疊統(tǒng)山西組2號(hào)煤層，埋深主要集中在1 000～1 600 m；產(chǎn)建階段采用了國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)常規(guī)壓裂方式及規(guī)模，排量介于 6.0 ～ 8.0 m3/min、壓裂液介于 700 ～ 800 m3、加砂介于40～50 m3。目前氣田產(chǎn)氣井超過(guò)700口，總?cè)债a(chǎn)氣量約 120×104m3，平均單井日產(chǎn)氣量為 1 644 m3。但氣田內(nèi)低產(chǎn)井比例較高，日產(chǎn)氣量小于500 m3的井約占1/3，區(qū)塊整體采出程度僅為18%，開(kāi)發(fā)效益偏低，迫切需要攻關(guān)提高開(kāi)發(fā)效果的關(guān)鍵技術(shù)[9-10]。近年來(lái)針對(duì)提高煤層氣單井產(chǎn)量和提升現(xiàn)有低產(chǎn)低效井產(chǎn)能的難題，通過(guò)強(qiáng)化煤巖特性、裂縫延伸、氣體解吸—滲流機(jī)理等基礎(chǔ)研究的再認(rèn)識(shí)，開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層改造攻關(guān)試驗(yàn)，創(chuàng)新提出了“有效支撐”壓裂理念，形成了以“大排量、大液量、大砂量”為核心技術(shù)的有效支撐壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣井產(chǎn)氣量由千立方米到萬(wàn)立方米的大幅增加，徹底扭轉(zhuǎn)了深部煤層氣開(kāi)發(fā)效益并進(jìn)行了規(guī)?；茝V應(yīng)用，堅(jiān)定了煤層氣向深部發(fā)展的信心。

1 氣田基本情況

延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，處于陜北斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起的過(guò)渡地帶，整體為一傾向北西的單斜構(gòu)造，中部西掌斷裂帶將氣田分為譚坪、萬(wàn)寶山2個(gè)構(gòu)造帶（圖1）。區(qū)域上自東南向西北呈逐步加深的趨勢(shì)。其中，譚坪構(gòu)造帶主力煤層埋深小于1 000 m，平均為954 m；萬(wàn)寶山構(gòu)造帶主力煤層埋深 1 000 ～ 1 550 m，平均為 1 280 m。根據(jù)鉆井成果顯示，2號(hào)煤層發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)性較好，煤層厚度介于2.8～6.9 m，平均厚度4.6 m（表1）。煤層最大鏡質(zhì)體反射率介于1.9%～3.2%，鏡質(zhì)組占比70%～82%，平均為75%，灰分產(chǎn)率介于5.4%～36.0%，平均值為12.4%，屬于特低灰—低灰煤；區(qū)內(nèi)煤層含氣量介于 8 ～ 22 m3/t，平均為 12 m3/t，總體上隨深度增加逐漸增大；氣田處于弱徑流—滯流水動(dòng)力環(huán)境，壓力系數(shù)介于0.6～0.9；受埋深影響煤儲(chǔ)層低孔隙度、低滲透率，孔隙度介于3%～6%，試井滲透率普遍小于1 mD[11-12]。

圖1 延川南煤層氣田2號(hào)煤層頂面構(gòu)造圖

表1 延川南煤層氣田2號(hào)煤層原地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2 煤層改造機(jī)理及認(rèn)識(shí)

作為評(píng)價(jià)地下工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，地應(yīng)力的測(cè)量對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性、可采性及可改造性的評(píng)價(jià)十分重要。地應(yīng)力大小、方位及其與煤層割理發(fā)育系統(tǒng)的相互關(guān)系直接控制著水力壓裂縫的形態(tài)及擴(kuò)展方向，從而制約著煤儲(chǔ)層的可改造性和增產(chǎn)效果。延川南地區(qū)位于盆地邊緣地帶，位于晉西撓褶帶、陜北斜坡和渭北隆起的交匯處，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，總體上處于拉伸狀態(tài)。根據(jù)區(qū)內(nèi)14口井的原地應(yīng)力測(cè)試分析結(jié)果（表1），統(tǒng)計(jì)分析區(qū)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型，延川南地區(qū)1 000 m以深側(cè)壓系數(shù)基本小于1，垂直應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，即以正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為主[13-15]（圖2）。

圖2 延川南地區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)分布特征圖

裂縫形態(tài)能否成為網(wǎng)狀復(fù)雜縫主要取決于兩個(gè)水平主應(yīng)力的差異，水平地應(yīng)力各向異性（或水平地應(yīng)力差異系數(shù)）越?。☉?yīng)力差越?。?，越有利于形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。

式中ξ表示水平地應(yīng)力差異系數(shù)，無(wú)因次；σH表示最大水平地應(yīng)力，MPa；σh表示最小水平地應(yīng)力，MPa。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，在800～1 500 m埋深范圍內(nèi)，延川南地區(qū)水平地應(yīng)力差介于0.55～14.00 MPa，平均為 5.90 MPa，ξ介于 0.06 ～ 0.64（圖3）。隨埋深增大，二者均未表現(xiàn)出明顯變化規(guī)律或趨勢(shì)。通常，當(dāng)ξ介于0～0.3時(shí)，水力壓裂能夠形成充分的裂縫網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)ξ介于0.3～0.5時(shí)，水力壓裂在高的凈壓力時(shí)能夠形成較為充分的裂縫網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)ξ＞0.5時(shí)，水力壓裂不能形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。延川南地區(qū)煤儲(chǔ)層的ξ值普遍小于0.5，35%的測(cè)點(diǎn)ξ＜0.3。因此，從地應(yīng)力差異性的角度來(lái)看，延川南地區(qū)煤儲(chǔ)層水力壓裂能夠形成充分或較為充分的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖3 延川南地區(qū)水平應(yīng)力各向異性隨埋深的變化圖

根據(jù)取心觀察描述，延川南煤層氣田2號(hào)煤層天然裂隙較為發(fā)育，面割理密度介于4～25條/5 cm、平均15條/5 cm，端割理密度介于2～20條/5 cm、平均為8條/5 cm。其中，厚鏡煤條帶中的內(nèi)生裂隙密度較大，裂隙呈孤立狀或網(wǎng)狀發(fā)育，裂隙與層面垂直或高角度斜交，大部分內(nèi)生裂隙局限發(fā)育于鏡煤條帶內(nèi)，少部分內(nèi)生裂隙相互連通，裂隙可穿透鏡煤條帶，裂隙兩端延伸到亮煤分層中逐漸閉合，延伸高度較小，并且當(dāng)裂隙延伸至夾矸時(shí)，裂隙發(fā)育終止于夾矸（圖4）。由于煤中割理等天然弱面大量發(fā)育，導(dǎo)致煤巖有效彈性模量小、等效泊松比大（機(jī)械強(qiáng)度越低），在壓裂過(guò)程中濾失量較大，壓裂液的壓裂效率低（僅為23.6%）。同時(shí)，這些天然裂縫會(huì)加劇水力裂縫的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致裂縫延伸方向的隨機(jī)性，當(dāng)壓裂裂縫與天然裂縫相遇后，決定壓裂縫延伸規(guī)律的影響因素除煤體自身力學(xué)特性外，主要與儲(chǔ)層水平主應(yīng)力差、裂縫相交角及天然裂縫的發(fā)育程度有關(guān)[16-19]。延川南地區(qū)ξ＜0.5，逼近角小于45°，此時(shí)天然節(jié)理起裂角均小于25°，對(duì)割理裂隙開(kāi)啟和形成網(wǎng)絡(luò)裂縫極為有利。

圖4 延川南地區(qū)內(nèi)生裂隙垂直層面發(fā)育模式圖

綜上可知，延川南地區(qū)煤儲(chǔ)層ξ值小，煤巖割理裂隙發(fā)育，宏觀上表現(xiàn)出一定的脆性，壓裂裂縫易沿天然裂縫剪切破壞延伸，即有利于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。Fisher等[20]給予大量的頁(yè)巖、致密砂巖壓裂裂縫監(jiān)測(cè)資料，將水力裂縫形態(tài)分為4類(lèi)：簡(jiǎn)單裂縫、復(fù)雜裂縫、天然割理張開(kāi)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。對(duì)應(yīng)的復(fù)雜性指數(shù)（Fcl）分別為：0（理想雙翼縫）、0＜Fcl＜0.15（低水平復(fù)雜性）、0.15＜Fcl＜0.25（中等水平復(fù)雜性）、0.25＜Fcl（高水平復(fù)雜性）。從延川南地區(qū)前期壓裂井監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，裂縫帶半長(zhǎng)110～140 m；裂縫帶寬度59～91 m；復(fù)雜性指數(shù)介于0.24～0.34，平均為0.28，裂縫帶表現(xiàn)為高水平復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)，與上述煤儲(chǔ)層造縫環(huán)境配置及裂縫擴(kuò)展響應(yīng)分析結(jié)果一致（表2）。井下微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示，煤層人工裂縫無(wú)明顯的主應(yīng)力方位，裂縫帶方位復(fù)雜，受地層發(fā)育的割理系統(tǒng)的分布影響明顯，復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)較為明顯[21-26]。

表2 裂縫監(jiān)測(cè)井裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果表

式中W表示復(fù)雜裂縫帶的寬度，m；L表示復(fù)雜裂縫帶的長(zhǎng)度，m。

因此，無(wú)論從理論分析還是煤層壓裂的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，常規(guī)壓裂方式下深部煤儲(chǔ)層壓裂形成的水力裂縫形態(tài)基本一致，即形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。這類(lèi)水力裂縫在近井地帶波及范圍較大，但難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離擴(kuò)展，同時(shí)縫網(wǎng)形態(tài)的復(fù)雜性也增加了支撐劑的填充難度，導(dǎo)致有效支撐的裂縫控制面積有限。換言之，煤層本身的特性（割理裂隙發(fā)育）和原位造縫力學(xué)環(huán)境（低巖石力學(xué)強(qiáng)度、低應(yīng)力各向異性）決定了水力裂縫延展過(guò)程中極易溝通天然裂隙，進(jìn)而在近井地帶形成短且窄的裂縫網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于形態(tài)較為簡(jiǎn)單的單支人工裂縫，水力縫網(wǎng)在長(zhǎng)軸方向波及范圍有限且支撐劑填充難度大，難以形成有效的支撐裂縫，這一點(diǎn)在井下實(shí)際觀測(cè)中也得以證實(shí)：常規(guī)壓裂支撐劑集中于井筒徑向8 m范圍，支撐劑填充主縫延伸一般不到30 m，反映液體及壓力波及與實(shí)際支撐范圍的顯著差異性（圖5）。

圖5 井下煤層氣井人工裂縫觀測(cè)及示意圖

3 “有效支撐”理念及關(guān)鍵技術(shù)

壓裂后裂縫在地應(yīng)力作用下將迅速閉合，因此需在裂縫中充填高導(dǎo)流能力的支撐劑，沒(méi)有支撐劑充填的裂縫被認(rèn)為是閉合的、無(wú)效的。因此，動(dòng)態(tài)裂縫延伸范圍不具代表性，支撐裂縫才是支持煤層氣高效排采的途徑。顯然，煤層氣的高效壓裂與頁(yè)巖氣體積壓裂（即最大限度造縫網(wǎng)）存在本質(zhì)不同，煤儲(chǔ)層自身存在天然的裂縫網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需刻意造縫網(wǎng)，水力壓裂應(yīng)盡可能地提高裂縫的延展長(zhǎng)度和支撐劑運(yùn)移鋪設(shè)距離，進(jìn)而形成具備穩(wěn)定增滲、導(dǎo)流和供氣的支撐裂縫帶，達(dá)到人為提高單井供氣單元面積的目的，從而保證煤層氣井的高產(chǎn)和長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)?，F(xiàn)階段，常規(guī)壓裂方式形成的支撐裂縫長(zhǎng)度或體積有限，難以支持深煤層煤層氣的高產(chǎn)，或者說(shuō)即使高產(chǎn)，也必將受供氣不足影響而快速衰竭，無(wú)法穩(wěn)產(chǎn)。因此，亟待轉(zhuǎn)變對(duì)煤層常規(guī)壓裂的認(rèn)識(shí)，以形成長(zhǎng)距離有效支撐、高導(dǎo)流能力的人工裂縫作為目標(biāo)，探索升級(jí)深煤層壓裂工藝技術(shù)。

“有效支撐”理念就是通過(guò)優(yōu)化“壓裂液、支撐劑、鋪砂方式”，極大限度地延長(zhǎng)高效導(dǎo)流通道，溝通煤巖裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主裂縫充分延伸鋪砂、次級(jí)裂縫有效充填，壓裂液高效攜砂實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)支撐”（圖6），可以形象地比喻為“高速公路修到家門(mén)口”，即：主支撐裂縫是煤層氣滲流產(chǎn)出的主要通道，代表高速公路；次裂縫和微細(xì)裂縫則分別代表了普通公路與鄉(xiāng)間小道，主支撐裂縫貫通煤層割理裂隙實(shí)現(xiàn)大范圍溝通，加快壓力傳播形成體積解吸，從而大幅提升煤層氣單井產(chǎn)氣量。

圖6 常規(guī)壓裂與有效支撐壓裂對(duì)比示意圖

3.1 有效支撐壓裂工藝探索試驗(yàn)

基于理念的深入認(rèn)識(shí)以及煤層改造存在的難點(diǎn)，開(kāi)展了提升裂縫有效支撐的大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化壓裂液體系、優(yōu)選支撐劑類(lèi)型以及鋪砂方式，探索階段主要針對(duì)低產(chǎn)低效老井開(kāi)展優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，基本上明確了有效支撐壓裂攻關(guān)方向和優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)。

3.1.1 有效支撐新材料應(yīng)用和試驗(yàn)

3.1.1.1 提升液體攜砂性能，以實(shí)現(xiàn)裂縫的長(zhǎng)支撐為目標(biāo)

高黏壓裂液易于攜砂，開(kāi)展清潔壓裂液、氮?dú)馀菽瓑毫言囼?yàn)20井次，清潔壓裂液采用1.0%表面活性劑＋2%KCL＋N2＋清水、氮?dú)馀菽瓑毫褳榕菽|(zhì)量的50%～80%并與攜砂液混合，有效率為90%，單井日增產(chǎn)氣量600 m3。

3.1.1.2 以低密度支撐劑為探索方向，提升有效支撐縫長(zhǎng)

采用多種低密度支撐劑來(lái)提高支撐劑的運(yùn)移距離。如：核桃砂，利用核桃殼粉碎得到，密度為0.66 g/cm3；自懸浮支撐劑，在傳統(tǒng)支撐劑表面增加水溶性覆膜材料，利用游泳圈效應(yīng)變相降低密度；高導(dǎo)流纖維，攜砂能力增強(qiáng)并且在縫內(nèi)形成高導(dǎo)流通道。開(kāi)展了全漂浮、自懸浮、纖維壓裂等支撐劑試驗(yàn)8井次，單井日增產(chǎn)氣量900～1 600 m3，表明提高攜砂能力、降低支撐劑密度可以實(shí)現(xiàn)裂縫延伸、煤層改造效果有所提升，但單井施工成本約80萬(wàn)元，投入產(chǎn)出較低、難以全面推廣。在試驗(yàn)取得效果的指導(dǎo)下，持續(xù)攻關(guān)“排量、液量、砂量”研究來(lái)實(shí)現(xiàn)裂縫的有效延伸。

3.1.2 排量提升試驗(yàn)

采用對(duì)煤層傷害小的活性水壓裂液，基于煤巖天然裂隙系統(tǒng)和活性水壓裂液特性，大排量注入可以有效地控制壓裂液的濾失，同時(shí)提高加砂強(qiáng)度保證裂縫的有效延伸。根據(jù)施工排量和鋪砂距離模擬結(jié)果，壓裂施工中排量越大，支撐劑在裂縫方向上鋪置距離越遠(yuǎn)，形成的有效壓裂縫就越長(zhǎng)；在采用常規(guī)加砂規(guī)模（單層44～50 m3）不變的情況下，提高加砂強(qiáng)度同時(shí)配合排量由初期6～8 m3/min提升到12 m3/min，支撐劑運(yùn)移效率得到提高。試驗(yàn)2井次，單井日增產(chǎn)氣量600～1 000 m3（表3）。該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證：通過(guò)加大施工排量，可以替代高黏壓裂液及低密度支撐劑等較高成本的材料，并且可以實(shí)現(xiàn)一定的增產(chǎn)效果。

表3 不同施工排量條件下單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.1.3 梯次強(qiáng)化加砂試驗(yàn)

嘗試采用多輪次壓裂方式，在一次施工水力壓裂基礎(chǔ)上，對(duì)同一煤層進(jìn)行多次壓裂施工，使裂縫系統(tǒng)進(jìn)一步延伸并大幅提升加砂規(guī)模，充分填充裂縫，達(dá)到有效支撐的目的。以Y25定向井重復(fù)壓裂為例，針對(duì)2號(hào)煤層試驗(yàn)進(jìn)行多輪次強(qiáng)化加砂壓裂試驗(yàn)，液量 6 874 m3、砂量 340 m3；采用電位法井間裂縫監(jiān)測(cè)顯示，裂縫半長(zhǎng)354 m，較初次壓裂提升近4倍；產(chǎn)液量由不到1 m3/d明顯增加到8 m3/d，裂縫的導(dǎo)流能力較常規(guī)壓裂顯著提升，泄壓面積明顯擴(kuò)大；前期常規(guī)壓裂條件下，生產(chǎn)近4年累計(jì)產(chǎn)氣量為82×104m3；采用多輪次強(qiáng)化加砂重復(fù)壓裂后，日產(chǎn)氣量由 550 m3增長(zhǎng)至 5 000 m3，提升近 10 倍，生產(chǎn)2.5年累計(jì)產(chǎn)氣量近300×104m3，單井最終可采儲(chǔ)量（EUR）增加 260×104m3（圖7、8）。

圖7 Y25井壓裂施工曲線及裂縫監(jiān)測(cè)圖

圖8 Y25井重復(fù)壓裂前后生產(chǎn)曲線對(duì)比圖

通過(guò)以上有效支撐先導(dǎo)試驗(yàn)及增產(chǎn)效果對(duì)比分析，初步形成了有效支撐壓裂“多輪次、提排量、強(qiáng)加砂”技術(shù)及工藝模式，開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)低效井重復(fù)壓裂試驗(yàn)，基本上驗(yàn)證了通過(guò)優(yōu)化水力壓裂參數(shù)可以滿(mǎn)足煤儲(chǔ)層有效支撐地質(zhì)目的，定向井穩(wěn)定增產(chǎn)氣量達(dá) 5 000 m3/d。

3.2 有效支撐壓裂技術(shù)優(yōu)化及形成

基于前述煤巖力學(xué)機(jī)理及有效支撐先導(dǎo)試驗(yàn)分析，深部煤層有效壓裂的控制條件為：①沿較大的原生裂縫擴(kuò)展延伸；②提升縫內(nèi)凈壓力，促使天然裂隙張開(kāi)形成縫網(wǎng)。其壓裂全過(guò)程可分為：①壓裂液進(jìn)入階段，微裂隙逐漸失穩(wěn)；②微裂縫產(chǎn)生階段，壓裂液作用下多種裂隙弱面破裂；③微縫網(wǎng)初步形成階段，裂隙繼續(xù)張開(kāi)、擴(kuò)展和延伸；④高效壓裂縫網(wǎng)形成階段，通過(guò)大排量、大規(guī)模形成高效壓裂縫網(wǎng)并向遠(yuǎn)端延伸。因此，深部煤層進(jìn)一步提升有效改造效果的力學(xué)機(jī)理是塑性剪切致裂理論，需要更多破裂能，因此從能量角度來(lái)看，小排量、小規(guī)模壓裂已不適用，亟需進(jìn)行大排量、大規(guī)模壓裂工藝優(yōu)化。

1）大排量。在限壓范圍內(nèi)盡可能提升排量，提高縫內(nèi)凈壓，一方面開(kāi)啟更多微裂縫、增加縫寬，還有利于降低砂堤高度，提高遠(yuǎn)端鋪砂濃度（圖9）。

圖9 不同排量壓裂動(dòng)態(tài)裂縫模擬圖

2）大液量。不僅可以在煤層中制造出新的氣水運(yùn)移通道，以提高裂縫縫長(zhǎng)為目標(biāo)，尋求裂縫延伸幅度拐點(diǎn)。

3）大砂量。一方面采用大排量、大液量在盡可能提高裂縫延展長(zhǎng)度的同時(shí)，配合大砂量形成具備穩(wěn)定增滲、導(dǎo)流和供氣的支撐裂縫帶；另一方面考慮煤巖割理發(fā)育、力學(xué)特征及其復(fù)雜性，采用組合支撐劑體系料徑充填不同寬度的裂縫，實(shí)現(xiàn)多尺度支撐，并提高加砂強(qiáng)度。

4）壓后快速返排。初期返排流量較大，通過(guò)高導(dǎo)流有效支撐縫帶出盡量多的煤粉和部分壓實(shí)強(qiáng)度較小的石英砂，減少后期產(chǎn)氣階段因煤粉、吐砂導(dǎo)致卡泵影響連續(xù)生產(chǎn)，并且有助于通過(guò)長(zhǎng)距離有效支撐裂縫溝通煤儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)大范圍面積降壓解吸，從而顯著提高煤層氣開(kāi)發(fā)效果。

應(yīng)用有效支撐壓裂技術(shù)，模擬有效半縫長(zhǎng)為190.6 m，較常規(guī)壓裂有效半縫長(zhǎng)提高3～5倍（圖10）；單井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量1.0×104m3，見(jiàn)氣上產(chǎn)期1個(gè)月，單井EUR值為900×104m3；單井鉆采費(fèi)用約350萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟。

圖10 有效支撐壓裂較常規(guī)壓裂模擬有效半縫長(zhǎng)對(duì)比圖

3.3 有效支撐壓裂推廣應(yīng)用及發(fā)展前景

基于上述有效支撐壓裂技術(shù)的不斷攻關(guān)升級(jí)，2021年在Y3井區(qū)南部規(guī)模推廣應(yīng)用取得重大突破，部署開(kāi)發(fā)井33口，其中定向井28口、水平井5口，采用有效支撐壓裂技術(shù)，建成產(chǎn)能1.44×108m3，日產(chǎn)氣量 41.8×104m3，平均單井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量 1.3×104m3，當(dāng)年貢獻(xiàn)產(chǎn)氣量0.7×108m3，實(shí)現(xiàn)單井日產(chǎn)氣量由千立方米到萬(wàn)立方米的突破。其中定向井單井日產(chǎn)氣量（1.0 ～ 2.0）×104m3、水平井平均日產(chǎn)氣量（2.5 ～ 6.0）×104m3。見(jiàn)氣上產(chǎn)周期1個(gè)月，大幅提高單井產(chǎn)量及儲(chǔ)量動(dòng)用率；其中Y3-1HF水平井自噴生產(chǎn)，自2021年7月份產(chǎn)氣以來(lái)，最高日產(chǎn)氣量6.5×104m3，目前已穩(wěn)產(chǎn)4.0×104m3以上近300天，累計(jì)產(chǎn)氣1 280×104m3， 預(yù) 計(jì) 單 井EUR值 達(dá) 3 800×104m3（圖11、12）。

圖11 Y3井區(qū)有效支撐壓裂規(guī)模應(yīng)用效果圖

圖12 Y3-1HF水平井生產(chǎn)曲線圖

煤層氣效益開(kāi)發(fā)目的就是快速、高效動(dòng)用煤層氣資源，雖然有效支撐壓裂實(shí)現(xiàn)了深部煤層氣產(chǎn)量大幅提升，但應(yīng)避開(kāi)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)、斷層發(fā)育等保存不利區(qū)域，因?yàn)橘Y源的保證是煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)埋深1 500～3 000 m煤層氣資源量 30.37×1012m3，是 1500 m 以淺的 1.5 倍，3 000 m以深資源尚未評(píng)估，前景更為廣闊。有效支撐壓裂技術(shù)的形成及推廣應(yīng)用將擴(kuò)大我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，解放深部豐富的煤層氣資源，極大地推動(dòng)我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并進(jìn)一步推動(dòng)天然氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，助力我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改善。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)1 000 m以深側(cè)壓系數(shù)基本小于1，垂直應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，地應(yīng)力差異系數(shù)普遍小于0.5；割理裂隙發(fā)育程度高，裂縫在層內(nèi)易沿天然裂縫延伸形成復(fù)雜裂縫。井下觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，支撐劑堆積于近井地帶8 m范圍以?xún)?nèi)，反映液體壓力波及與實(shí)際支撐范圍差異顯著。因此，常規(guī)壓裂方式難以形成長(zhǎng)距離有效支撐裂縫是造成深部煤層低產(chǎn)、低效的根本問(wèn)題。

2）提出了“有效支撐”理念，即極大限度地延長(zhǎng)高效導(dǎo)流通道溝通煤巖裂縫，實(shí)現(xiàn)主裂縫充分延伸鋪砂、次級(jí)裂縫有效充填達(dá)到“遠(yuǎn)支撐”目的。開(kāi)展了“遠(yuǎn)距離運(yùn)移、高效率推進(jìn)、大規(guī)模鋪砂”等先導(dǎo)工藝試驗(yàn)，優(yōu)化形成了以“大排量、大液量、大砂量”為關(guān)鍵參數(shù)的有效支撐壓裂技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，規(guī)模化應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟。

3）研究成果指導(dǎo)了延川南深部煤層氣田的高效開(kāi)發(fā)，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用：實(shí)施開(kāi)發(fā)井33口，建成產(chǎn)能1.44×108m3；其中定向井單井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量超過(guò)1.0×104m3，水平井單井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量（2.5～6.0）×104m3，實(shí)現(xiàn)了延川南深部煤層氣高效開(kāi)發(fā)重大突破?！坝行е巍崩砟罴皦毫鸭夹g(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，將充分釋放我國(guó)深部煤層氣30×1012m3的煤層氣資源，進(jìn)一步推動(dòng)天然氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，助力我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改善。