碎軟煤層夾矸間接壓裂開(kāi)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(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 2 中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司 3 中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司 4 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司油氣勘探公司

0 引言

我國(guó)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(jiān)硬[2]。夾矸的存在加劇了煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，給煤礦開(kāi)采帶來(lái)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(lái)使堅(jiān)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(jìn)行壓裂，裂縫從煤層鄰近層起裂，垂向擴(kuò)展進(jìn)入煤層，從而實(shí)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(kāi)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(kāi)發(fā)技術(shù)[8-10]，未見(jiàn)利用夾矸間接壓裂進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究。本文以大寧—吉縣區(qū)塊5號(hào)煤層為研究對(duì)象，首次提出煤層夾矸間接壓裂開(kāi)發(fā)煤層氣工藝技術(shù)，開(kāi)展含夾矸煤層可壓性評(píng)價(jià)以及水平井夾矸間接壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并基于Abaqus有限元平臺(tái)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(kuò)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(jì)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(wèn)題

大寧—吉縣區(qū)塊位于大寧斜坡東部，構(gòu)造相對(duì)平緩，斷裂不發(fā)育，地層連續(xù)穩(wěn)定。煤層氣開(kāi)發(fā)的主力煤層為山西組5號(hào)煤和太原組8號(hào)煤，埋深900～1 200 m。5號(hào)煤層自上而下分為5-1號(hào)、5-2號(hào)、5-3號(hào)三套煤層。5-2號(hào)煤層外部發(fā)育兩套上下夾矸；內(nèi)部分為5-2-1號(hào)、5-2-2號(hào)、5-2-3號(hào)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(hào)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(guò)壓裂改造提高煤層滲透性。5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)破碎、力學(xué)強(qiáng)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(guò)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(guò)高，裂縫導(dǎo)流能力下降，降低儲(chǔ)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(yùn)維成本，嚴(yán)重影響煤層氣的開(kāi)發(fā)效益。

1.2 煤層夾矸間接壓裂技術(shù)原理

針對(duì)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(guò)壓裂夾矸，使裂縫從夾矸層起裂，垂向擴(kuò)展溝通上下部煤層，同時(shí)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(dòng)通道，從而實(shí)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(kāi)發(fā)煤層氣示意圖

圖2 煤層夾矸定向井間接壓裂開(kāi)發(fā)煤層氣示意圖

1.3 煤層夾矸可壓性評(píng)價(jià)

以大寧—吉縣區(qū)塊5號(hào)煤層H2井為例，采用測(cè)井解釋、巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試、浸泡實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)煤層夾矸進(jìn)行可壓性評(píng)價(jià)。

1.3.1 巖石力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)測(cè)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(cè)試結(jié)果(表1)，泥巖夾矸的抗壓強(qiáng)度為35.3～55.7 MPa，泊松比0.18～0.24。動(dòng)、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(qiáng)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(hào)煤層巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

1.3.2 可浸泡性

煤心分析實(shí)驗(yàn)表明：5-1號(hào)、5-2-1號(hào)、5-2-2號(hào)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(hào)、5-3號(hào)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(guò)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(kuò)展模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

基于ABAQUS有限元平臺(tái)建立含夾矸煤層的三維地質(zhì)力學(xué)模型，模型長(zhǎng)、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?，用于探究水力裂縫在煤層與夾矸中的擴(kuò)展規(guī)律。Cohesive單元的損傷模式遵循線性牽引—分離準(zhǔn)則，起裂準(zhǔn)則選用二次應(yīng)力準(zhǔn)則，并采用剛度退化來(lái)描述單元的演化過(guò)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(chǔ)層測(cè)井解釋及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析后選取代表值(見(jiàn)表2)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(kuò)展理論系統(tǒng)分析夾矸間接壓裂的裂縫擴(kuò)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(huì)導(dǎo)致水力裂縫擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在夾矸中的射孔位置對(duì)裂縫擴(kuò)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(duì)水力裂縫擴(kuò)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(jiàn)圖4。

不同射孔位置單簇壓裂后裂縫開(kāi)度云圖見(jiàn)圖4。射孔點(diǎn)位于夾矸頂面0時(shí)，水力裂縫在夾矸頂?shù)酌骈g的擴(kuò)展極不均衡，主要在夾矸頂面擴(kuò)展，在夾矸底面的擴(kuò)展極為有限，該射孔點(diǎn)下裂縫展布面積為426 m2，改造效果最差。當(dāng)射孔點(diǎn)距夾矸頂面0.5 m時(shí)，水力裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U(kuò)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(jìn)行有效改造，裂縫展布面積為665 m2，壓裂效果最優(yōu)。當(dāng)射孔點(diǎn)距夾矸頂面1 m時(shí)，水力裂縫擴(kuò)展表現(xiàn)出不均勻性，主要集中在夾矸頂面，在夾矸底面擴(kuò)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(kāi)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(duì)水力裂縫穿層擴(kuò)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(jiàn)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(chǎng)(見(jiàn)表2)不變，結(jié)合測(cè)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(chǎng)

裂縫開(kāi)度云圖見(jiàn)圖5，當(dāng)Z為0.9時(shí)，裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U(kuò)展不均勻，且對(duì)夾矸上下部煤層撕裂作用有限，難以建立有效滲流通道；當(dāng)Z為1時(shí)，水力裂縫在夾矸上下擴(kuò)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(kuò)展，煤層改造效果仍不理想；當(dāng)Z為1.1時(shí)，水力裂縫在夾矸層少量擴(kuò)展后，迅速向夾矸與煤層間的弱面延伸，進(jìn)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(dá)到732.2 m2，裂縫在夾矸頂?shù)酌鏀U(kuò)展較為均勻，且對(duì)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(yùn)移通道。

3 夾矸間接壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 水平井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在大寧—吉縣區(qū)塊5號(hào)煤層選H1、H2、H3三口水平井進(jìn)行多段壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。煤層夾矸水平井間接壓裂開(kāi)發(fā)煤層氣工藝流程：①通洗井、井筒準(zhǔn)備完畢后對(duì)第一段采用油管傳輸射孔，進(jìn)行小型測(cè)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(duì)第二段射孔，再對(duì)第二段進(jìn)行壓裂，依次完成后續(xù)壓裂段的射孔和壓裂作業(yè)；③進(jìn)行壓裂液返排，待不出液后，下入油管鉆具進(jìn)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(kāi)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(shí)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(kāi)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(duì)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(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響較小，裂縫整體延伸較好。同時(shí)，與煤分層相比，夾矸具有較高的強(qiáng)度和可浸泡性，對(duì)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(gè)月，平均產(chǎn)氣量0.63×104m3/d，累產(chǎn)氣607×104m3。排采13個(gè)月后，水平井平均單級(jí)日產(chǎn)氣超過(guò)直井，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量0.105×104m3/d，增產(chǎn)90%以上，開(kāi)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(duì)比圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)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(guò)對(duì)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(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響最小，裂縫延伸效果最好?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬研究進(jìn)行了很好的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)與煤分層相比，夾矸的抗壓強(qiáng)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(kuò)展較為均勻，在煤層中展布范圍較廣，可對(duì)夾矸上下煤層進(jìn)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(shí)，水力裂縫先在夾矸層少量擴(kuò)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(kuò)展，撕裂夾矸上下部煤層，為煤層氣開(kāi)采創(chuàng)造了良好的運(yùn)移通道。

(3)夾矸間接壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：對(duì)于低滲碎軟煤層，在夾矸中進(jìn)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(duì)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。