碎軟煤層夾矸間接壓裂開發(fā)煤層氣技術(shù)研究

李雪嬌，陳 帥，甄懷賓，趙海峰，李鵬鉞，4

1 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 2 中國石油煤層氣有限責(zé)任公司 3 中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司 4 陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司油氣勘探公司

0 引言

我國低滲碎軟煤層分布廣泛，約占煤炭資源總量的60%[1]。煤層包含煤分層和夾矸層。煤層中的巖石夾層(一般為砂巖、泥巖或黏土巖等)稱為夾矸，比煤分層堅硬[2]。夾矸的存在加劇了煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，給煤礦開采帶來諸多挑戰(zhàn)[3]。因此，采礦領(lǐng)域提出多種間接壓裂技術(shù)來使堅硬夾矸發(fā)生破裂，從而得以順利采煤，如水壓致裂[4]、架間定向水力壓裂[5]、水刀脈沖壓裂[6]等。間接壓裂，即不直接壓裂煤層，而是在與煤層鄰近的巖層進行壓裂，裂縫從煤層鄰近層起裂，垂向擴展進入煤層，從而實現(xiàn)間接壓裂煤層的目的[7]。

目前夾矸間接壓裂主要應(yīng)用于煤礦開采領(lǐng)域，低滲碎軟煤層廣泛采用頂板間接壓裂作為煤層氣高效開發(fā)技術(shù)[8-10]，未見利用夾矸間接壓裂進行煤層氣開發(fā)的相關(guān)研究。本文以大寧—吉縣區(qū)塊5號煤層為研究對象，首次提出煤層夾矸間接壓裂開發(fā)煤層氣工藝技術(shù)，開展含夾矸煤層可壓性評價以及水平井夾矸間接壓裂現(xiàn)場試驗，并基于Abaqus有限元平臺與流固耦合理論，建立煤層夾矸間接壓裂數(shù)值模型，探究射孔位置與夾矸煤層最小水平主應(yīng)力差影響下的水力裂縫擴展規(guī)律，從而為低滲碎軟煤層射孔段優(yōu)選以及壓裂設(shè)計提供參考。

1 煤層夾矸間接壓裂技術(shù)

1.1 地質(zhì)概況及面臨問題

大寧—吉縣區(qū)塊位于大寧斜坡東部，構(gòu)造相對平緩，斷裂不發(fā)育，地層連續(xù)穩(wěn)定。煤層氣開發(fā)的主力煤層為山西組5號煤和太原組8號煤，埋深900～1 200 m。5號煤層自上而下分為5-1號、5-2號、5-3號三套煤層。5-2號煤層外部發(fā)育兩套上下夾矸；內(nèi)部分為5-2-1號、5-2-2號、5-2-3號三套煤層，煤層之間發(fā)育兩套內(nèi)夾矸；夾矸為灰黑色炭質(zhì)泥巖。

5號煤層平均孔隙度3.45%，平均有效滲透率0.04 mD，呈低孔低滲特征，必須通過壓裂改造提高煤層滲透性。5號煤層煤體結(jié)構(gòu)破碎、力學(xué)強度低。直接在低滲碎軟煤層壓裂，面臨以下難題[8-10]：① 水力壓裂易形成短粗縫，改造范圍有限，煤層氣井產(chǎn)量低、遞減快；② 壓裂過程產(chǎn)生大量煤粉，堵塞支撐裂縫及孔喉，導(dǎo)致施工壓力過高，裂縫導(dǎo)流能力下降，降低儲層改造效率，增加施工作業(yè)成本；③排采期間煤粉不定期產(chǎn)出，修井頻繁，破壞排采連續(xù)性，增加生產(chǎn)運維成本，嚴重影響煤層氣的開發(fā)效益。

1.2 煤層夾矸間接壓裂技術(shù)原理

針對低滲碎軟煤層直接壓裂面臨的工程難題，提出煤層夾矸間接壓裂技術(shù)，即把水平井筒布置在鄰近煤層的夾矸層中[8-10](圖1)，或者定向井中在夾矸層定向射孔[11](圖2)，通過壓裂夾矸，使裂縫從夾矸層起裂，垂向擴展溝通上下部煤層，同時裂縫也容易向煤層與夾矸間的弱面延伸，形成水平界面縫[8]，為煤層氣創(chuàng)造流動通道，從而實現(xiàn)低滲碎軟煤層的間接壓裂改造。該技術(shù)避免了在煤層直接壓裂的諸多難題，煤層改造體積大，裂縫延伸效果好；降低了壓裂施工壓力，提高了作業(yè)安全性；后期排采期間，煤粉產(chǎn)出量降低，保障了排采的連續(xù)性，增產(chǎn)效果明顯。

圖1 煤層夾矸水平井間接壓裂開發(fā)煤層氣示意圖

圖2 煤層夾矸定向井間接壓裂開發(fā)煤層氣示意圖

1.3 煤層夾矸可壓性評價

以大寧—吉縣區(qū)塊5號煤層H2井為例，采用測井解釋、巖石力學(xué)參數(shù)測試、浸泡實驗等方法對煤層夾矸進行可壓性評價。

1.3.1 巖石力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)測井解釋結(jié)果，H2水平井段煤分層破裂壓力為30～38 MPa，泊松比0.28～0.35。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果(表1)，泥巖夾矸的抗壓強度為35.3～55.7 MPa，泊松比0.18～0.24。動、靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)值略有差別，但規(guī)律性一致：與煤分層相比，泥巖夾矸的抗壓強度和彈性模量較高、泊松比較低、脆性較好[12]，可壓性更高。

表1 H2井5號煤層巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

1.3.2 可浸泡性

煤心分析實驗表明：5-1號、5-2-1號、5-2-2號煤層整體為半亮煤，在氯化鉀溶液中浸泡12 h后玻璃棒觸碰略有掉渣，具備較低程度的直接改造性；5-2-3號、5-3號煤層整體為暗淡煤，在不同濃度氯化鉀溶液中浸泡后均表現(xiàn)為快速分散特征，玻璃棒觸碰為碎粒狀，不具備改造性。

撈煤粉過程中撈出的夾矸性質(zhì)比較穩(wěn)定，浸水后未發(fā)生明顯水化、分散，具有較好的直接改造性，可利用夾矸提高壓裂效果。

2 夾矸間接壓裂裂縫擴展模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

基于ABAQUS有限元平臺建立含夾矸煤層的三維地質(zhì)力學(xué)模型，模型長、寬、厚尺寸為32 m×16 m×10 m，夾矸層厚度2 m，位于煤層中部，如圖3所示。模型中預(yù)設(shè)了一層垂直的Cohesive(黏聚力)單元和兩層水平的Cohesive單元，分別嵌入煤層以及夾矸頂?shù)酌妫糜谔骄克α芽p在煤層與夾矸中的擴展規(guī)律。Cohesive單元的損傷模式遵循線性牽引—分離準則，起裂準則選用二次應(yīng)力準則，并采用剛度退化來描述單元的演化過程[9]。模型邊界條件為固定矩形各外表面的法向位移，并設(shè)置各邊界孔壓為0。模型參數(shù)根據(jù)研究區(qū)儲層測井解釋及巖石力學(xué)實驗結(jié)果綜合分析后選取代表值(見表2)。根據(jù)現(xiàn)場壓裂施工數(shù)據(jù)，壓裂液排量為8.4 m3/min，黏度為10 mPa·s。

圖3 含夾矸煤層三維地質(zhì)力學(xué)模型

表2 模型參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

應(yīng)用上述模型結(jié)合裂縫擴展理論系統(tǒng)分析夾矸間接壓裂的裂縫擴展規(guī)律，主要研究射孔位置與夾矸煤層最小水平主應(yīng)力差的影響。

2.2.1 射孔位置的影響

煤層中存在夾矸會導(dǎo)致水力裂縫擴展發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在夾矸中的射孔位置對裂縫擴展方向以及縫網(wǎng)形成起決定性作用[8-10]。為研究不同射孔位置對水力裂縫擴展的影響，固定其他參數(shù)不變，選擇射孔位置距夾矸層頂面距離分別為0、0.5 m、1 m建立模型，見圖4。

不同射孔位置單簇壓裂后裂縫開度云圖見圖4。射孔點位于夾矸頂面0時，水力裂縫在夾矸頂?shù)酌骈g的擴展極不均衡，主要在夾矸頂面擴展，在夾矸底面的擴展極為有限，該射孔點下裂縫展布面積為426 m2，改造效果最差。當射孔點距夾矸頂面0.5 m時，水力裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U展較為均勻，在煤層中延伸范圍較廣，能夠?qū)A矸上下部煤層進行有效改造，裂縫展布面積為665 m2，壓裂效果最優(yōu)。當射孔點距夾矸頂面1 m時，水力裂縫擴展表現(xiàn)出不均勻性，主要集中在夾矸頂面，在夾矸底面擴展范圍較小，導(dǎo)致煤層改造范圍較小，壓裂效果不佳。

圖4 不同射孔位置夾矸間接壓裂裂縫開度云圖

2.2.2 夾矸煤層最小主應(yīng)力差異系數(shù)的影響

煤層地質(zhì)特征及夾矸層特殊性分析表明：層間最小主應(yīng)力差對水力裂縫穿層擴展行為產(chǎn)生重要影響[13-14]。

夾矸煤層最小水平主應(yīng)力差異系數(shù)Z見式(1)。

(1)

式中：σhJ—夾矸層最小水平主應(yīng)力，MPa；σhM—煤層最小水平主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)模擬結(jié)果，顯示在距夾矸頂面0.5 m處射孔壓裂效果最優(yōu)，在此基礎(chǔ)上研究夾矸煤層最小水平主應(yīng)力差異系數(shù)的影響。保持煤層應(yīng)力場(見表2)不變，結(jié)合測井解釋結(jié)果設(shè)置Z值分別為0.9、1.0、1.1，夾矸層最大水平主應(yīng)力以及垂向應(yīng)力保持不變，如表3所示。

表3 夾矸層應(yīng)力場

裂縫開度云圖見圖5，當Z為0.9時，裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U展不均勻，且對夾矸上下部煤層撕裂作用有限，難以建立有效滲流通道；當Z為1時，水力裂縫在夾矸上下擴展較為均勻，但在該應(yīng)力狀態(tài)下裂縫僅受巖石物性參數(shù)作用向煤層中擴展，煤層改造效果仍不理想；當Z為1.1時，水力裂縫在夾矸層少量擴展后，迅速向夾矸與煤層間的弱面延伸，進而撕裂夾矸上下部煤層，在該應(yīng)力條件下，裂縫展布面積最大，達到732.2 m2，裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U展較為均勻，且對夾矸上下部煤層也有較好的撕裂效果，為煤層氣滲流創(chuàng)造了良好的運移通道。

3 夾矸間接壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)場試驗

3.1 水平井現(xiàn)場試驗

在大寧—吉縣區(qū)塊5號煤層選H1、H2、H3三口水平井進行多段壓裂現(xiàn)場試驗。煤層夾矸水平井間接壓裂開發(fā)煤層氣工藝流程：①通洗井、井筒準備完畢后對第一段采用油管傳輸射孔，進行小型測試壓裂、第一段主壓裂；②第一段壓裂完成后采用電纜泵送橋塞坐封與定向分簇射孔聯(lián)作[15]，封隔第一段并對第二段射孔，再對第二段進行壓裂，依次完成后續(xù)壓裂段的射孔和壓裂作業(yè)；③進行壓裂液返排，待不出液后，下入油管鉆具進行鉆磨橋塞、洗井、下泵排采等作業(yè)。

考慮各壓裂段分布的均勻性，段間距大于80 m；每段射孔兩簇，每簇射孔2 m，簇間距小于20 m。采用活性水+清潔壓裂液的復(fù)合壓裂液體系：前置液采用活性水+減阻劑，開啟天然微裂縫，減少壓裂液傷害、降低施工壓力；攜砂液采用清潔壓裂液，實現(xiàn)有效攜砂和造縫[8]。采用不同粒徑組合的支撐劑：前置液段塞采用小粒徑40～70目石英砂，用于打磨裂縫，降低濾失和摩阻；攜砂液采用大粒徑20～40目石英砂，用于支撐主縫。

圖5 不同應(yīng)力差異系數(shù)夾矸間接壓裂裂縫開度云圖

H1井為10段壓裂水平井，第1～3段在煤層中射孔，第4～10段在靠近夾矸的煤層中射孔；H2井為6段壓裂水平井，第1段在煤層中部射孔，第4、5段貼近夾矸射孔，第2、3、6段在夾矸中射孔；H3井為7段壓裂水平井，第1、2、4、5段在煤層中射孔，第3段靠近夾矸射孔，第6、7段在夾矸中射孔。對比三口井直接在煤分層中、靠近夾矸和在夾矸中射孔的壓裂曲線，總結(jié)出在不同射孔位置壓裂的井底凈壓力規(guī)律(圖6)。與直接在煤分層中射孔壓裂相比，在夾矸中射孔壓裂，施工壓力降低5～10 MPa，裂縫延伸壓力降低2～5 MPa，且煤粉對裂縫導(dǎo)流能力影響較小，裂縫整體延伸較好。同時，與煤分層相比，夾矸具有較高的強度和可浸泡性，對于夾矸的有效利用提高了壓裂改造效果。

圖6 水平井H1、H2、H3井在不同射孔位置

3口水平井平均單井穩(wěn)產(chǎn)28個月，平均產(chǎn)氣量0.63×104m3/d，累產(chǎn)氣607×104m3。排采13個月后，水平井平均單級日產(chǎn)氣超過直井，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量0.105×104m3/d，增產(chǎn)90%以上，開發(fā)效果明顯優(yōu)于直井(圖7)，證明夾矸水平井間接壓裂技術(shù)增產(chǎn)效果明顯，工程適用性良好。

圖7 水平井與直井日產(chǎn)氣曲線對比圖

3.2 現(xiàn)場試驗結(jié)論

由夾矸間接壓裂數(shù)值模擬得出：在夾矸中射孔，壓裂效果最優(yōu)。因此，在現(xiàn)場試驗中，設(shè)置了直接在煤分層中、在靠近夾矸的煤分層中和在夾矸中射孔三種射孔位置。通過對比壓裂施工數(shù)據(jù)可得：在夾矸中射孔壓裂，施工壓力和裂縫延伸壓力大幅降低，且煤粉對裂縫導(dǎo)流能力影響最小，裂縫延伸效果最好?，F(xiàn)場試驗對數(shù)值模擬研究進行了很好的驗證。

4 結(jié)論

(1)與煤分層相比，夾矸的抗壓強度和彈性模量較高、泊松比較低、脆性和可浸泡性較好，可壓性更高。

(2)最優(yōu)射孔位置在距夾矸頂面0.5 m處，水力裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U展較為均勻，在煤層中展布范圍較廣，可對夾矸上下煤層進行有效改造；夾矸煤層最小主應(yīng)力差異系數(shù)Z為1.1時，水力裂縫先在夾矸層少量擴展，便迅速向夾矸與煤層間的弱面延伸，并繼續(xù)向煤層中擴展，撕裂夾矸上下部煤層，為煤層氣開采創(chuàng)造了良好的運移通道。

(3)夾矸間接壓裂現(xiàn)場試驗表明：對于低滲碎軟煤層，在夾矸中進行射孔壓裂，可以大幅降低施工壓力與裂縫延伸壓力，減輕煤粉對裂縫導(dǎo)流能力影響，裂縫整體延伸較好，增產(chǎn)改造效果明顯，煤層夾矸間接壓裂技術(shù)工程適用性良好。