煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制

张双斌，苏现波，郭红玉，林晓英

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.晋城职业技术学院 矿业工程系，山西 晋城 048026)

煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制

张双斌1,2，苏现波1，郭红玉1，林晓英1

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.晋城职业技术学院 矿业工程系，山西 晋城 048026)

煤层气井排采过程中，压裂裂缝导流能力大小变化，直接影响压降漏斗扩展范围，进而影响煤层气井产气量的高低。以晋煤集团寺河矿3号煤制作煤片，以兰州石英砂为支撑剂，运用FCES-100裂缝长期导流能力评价仪，在实验室物理模拟了排采过程中煤储层压裂裂缝的导流能力变化规律。实验结果认为：煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力具有较强的应力敏感性，如果控制排采降压连续缓慢稳定进行，可以使压降漏斗充分扩展前应力敏感对导流能力的伤害较小；在水力压裂施工中可以通过增加砂比来减小支撑剂嵌入的影响，对于深井选用更高强度支撑剂可以克服支撑剂破碎引起的伤害；不稳定和断续排采可造成压裂裂缝导流能力快速下降，只有坚持排采降压的“连续、缓慢、稳定”进行，才能避免应力敏感和流速敏感带来的储层伤害，确保煤层气井开发取得好的效果。

导流能力；压裂裂缝；煤层气井；排采；闭合压力

煤层气井排采过程中煤储层压裂裂缝导流能力的变化，对排采的效果起重要作用，排采时裂缝的导流能力由始至终时刻都在变化。合理的排采制度能维持煤层气在储层解吸、运移和产出的通道畅通，而不合理的排采制度却易诱发应力敏感或流速敏感，导致压裂裂缝闭合或堵塞，造成产气量低，开发效果差[1-4]。通过实验定量研究排采过程中有效应力、排采降液速率等对裂缝导流能力的影响，对确定合理排采制度有重要意义。目前相关的实验研究主要集中在两个方面：一是以导流仪为试验平台，根据SY/T 6302—2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》，研究压裂裂缝的短期或长期导流能力及其影响因素，有利于水力压裂中压裂液和支撑剂的优选和施工参数的优化，进而提高压裂裂缝的导流能力[5-6]；二是以岩芯渗透率测试仪为测试平台，根据SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》研究流体流动对岩芯渗透率的伤害[7-8]。然而，排采过程中煤储层压裂裂缝导流能力动态变化规律及其控制因素的研究涉足者甚少。笔者旨在通过实验室物理模拟实验对煤储层压裂裂缝导流能力的变化规律进行系统探讨，以求对煤层气井排采有所指导。

1 实 验

1.1 实验材料及制样

实验材料选用晋煤集团寺河矿3号煤和该煤层的产出水。首先将煤样加工成平板状圆角矩形试件，尺寸为177 mm×38mm×10mm；支撑剂选用产自甘肃省兰州皋兰地区的20～40目(0.45～0.90mm)石英砂，铺砂浓度为5～10kg/m2。

1.2 实验仪器

实验仪器采用FCES-100裂缝长期导流能力评价仪，主要由导流室、平流泵、补偿泵、压力试验机、真空泵、回压阀、预热器、天平(计量流量)、压力传感器计、温度传感器、位移传感器和计算机等组成(图1)。该仪器可以模拟地层条件，对不同类型支撑剂进行短期或长期导流能力进行评价。该仪器按照API标准设计，最高实验温度180℃，最大闭合压力150MPa。

图1 实验装置Fig.1 Schematic plot of the experimental apparatus

1.3 实验过程

(1)实验准备。先将制备的一块煤片放入导流室，接着将称好的支撑剂均匀平铺在煤样上，然后放入另一块煤片。装入煤片时必须保持支撑剂层位与导流室管线孔眼在同一水平，否则实验结果会偏小。煤片装好后，将导流室安装到压力机试验台上，手动调整压力机使闭合压力达到0～1.0MPa。连接好管线后，按实验方案在计算机中输入实验参数并由计算机控制实验进行。

(2)导流能力测试。先由真空泵抽真空半小时左右，确保导流室中没有空气以保障流体压差准确稳定。试验过程中，每一个闭合压力点处应稳定半小时以上再测其导流能力，每分钟采集1个值，当连续3个测量值的流量误差小于10%时，确定为该闭合压力和流量下的导流能力。

2 实验结果与分析

2.1 应力敏感性实验

由于采用水作为实验流体，控制实验中导流室进、出口流体压力达到平稳流动比较困难，实验结果反而可靠性差。因此，在实验中，设定出口压力为101.325kPa，导流室进、出口的压差不会超过5kPa，相对于加载的闭合压力(最小为6.9MPa)，可以忽略不计，即闭合压力约等于排采过程中裂缝壁面及支撑剂的有效应力，故在下文中统一用有效应力描述实验闭合压力。

实验采用5和10kg/m2两种铺砂浓度，在流量分别为2.5，5.0和10.0mL/min条件下，模拟在6.9，10.0，13.8，18.0，23.0，27.6 MPa共6个有效应力点处裂缝导流能力的大小变化，实验结果如图2所示。

图2 有效应力与导流能力的关系曲线Fig.2 Relationships of effective stress and conductivity

由图2可以看出，在不同的铺砂浓度和流量条件下，裂缝导流能力总是随着有效应力的增大而减小。有效应力从6.9MPa增大到13.8MPa，导流能力下降57.9%～75.3%；有效应力从13.8MPa增大到27.6 MPa，导流能力下降8.2%～19.9%。

实验结果表明，在煤层气井排采过程中，由于快速排水降压引起的有效应力增加，对煤储层裂缝导流能力存在较大伤害，尤其在排采初期的伤害更大，这一实验结果印证了一些煤层气井的排采特征和排采效果的分析认识[9-10]。

实验结果表明，排采过程中要克服应力敏感性可以采取3个措施：

(1)井底流压要缓慢下降。图2说明应力敏感对导流能力的影响是不可避免的。排采应尽量推迟应力敏感对导流能力的伤害时间，使其发生的时间越晚越有利。即在压降漏斗充分形成、气水两相流形成后，再将液面降低到煤层附近，并保持一定的套压，尽量避免裂缝内流体压力过低。

(2)提高铺砂浓度。对比图2(a)和(b)可以看出，有效应力小于20MPa时，铺砂浓度由5kg/m2变为10kg/m2，导流能力提高了0.5～1.0倍。经测试3号煤的抗压强度为5.12～9.24MPa，当有效应力大于10MPa后，开始发生支撑剂嵌入(图3)，造成导流能力下降。提高铺砂浓度，能够避免因嵌入产生的支撑缝宽减小[11]，因此在压裂施工作业时，提高加砂量可以减小排采阶段的应力敏感性，即压裂支撑裂缝要宽且长。

图3 煤片被支撑剂嵌入实验现状Fig.3 Experimental plot of coal sample by proppant embedment

(3)深井要采用高强度支撑剂。石英砂抗压强度低，在有效应力大于20MPa后，就开始大量破碎而呈粉末状，致使裂缝闭合与堵塞，导致实验后期导流能力进一步下降。通过对实验后的石英砂收集筛分后，计算出闭合压力为27.6 MPa时，石英砂破碎率为16.3%～19.81%。其中粒径为0.8～0.9mm，破碎率为31.56%；粒径为0.45～0.80mm，破碎率为13.49%。支撑剂破碎不仅影响裂缝的有效支撑，而且破碎后的粉细粒支撑剂可堵塞裂缝流动通道。采用高强度支撑剂(如陶粒)，可在一定程度上缓解这种影响[12]。地应力研究结果表明：深度为2500～2700m时，铅直应力大致相当于平均容重为27 kN/m3计算出来的重力，并且水平应力多数大于铅直应力[13]；深度为800m时，铅直应力估算值为21.6 MPa，最小水平主应力为13.5～20.0MPa[14-16]，在此闭合压力下，石英砂做支撑剂开始破碎导致裂缝导流能力下降。因此，对于埋深大于800m的煤层气井，应选用更高强度支撑剂并增加砂比。

2.2 流速敏感性实验

实验采用5和10kg/m2两种铺砂浓度，有效应力为6.9，13.8，27.6 MPa，分别用定流量和变流量来模拟煤层气井排采过程中连续稳定排采和不连续断续排采时，压裂裂缝导流能力的变化特征。实验结果如图4，5所示。

图4 定流量条件下导流能力变化曲线Fig.4 The curves of conductivity under the constant flow

图5 变流量条件下导流能力变化曲线Fig.5 The curves of conductivity under the variable flow

图4中，铺砂浓度为10kg/m2，在5和10mL/min定流量条件下，同一有效应力点处导流能力变化均小于10%。而图5中，在有效应力为6.9MPa时，两种铺砂浓度下，裂缝导流能力都随流速的增大而快速下降，平均降幅达25%以上；当有效应力为13.8MPa时，铺砂浓度为5kg/m2的裂缝导流能力不再随流速增大而变小，而铺砂浓度为10kg/m2的裂缝导流能力仍随流速的增大而减小50%；当有效应力为27.6 MPa时，两种铺砂浓度下，裂缝导流能力均不再随流量的增大而变小。由此可见，对于有效应力较低、埋深较浅的煤储层，流量的波动对导流能力影响严重，即速敏对导流能力伤害大；而有效应力大、埋深大的煤储层裂缝的导流能力则主要取决于应力敏感。

变流量实验中裂缝导流能力快速下降的主要原因是由于流速的增大促使支撑剂的破碎微粒运移堵塞了支撑缝隙。而在煤层气井生产实践中，排水降压速率过大变化，不仅会引起支撑剂颗粒的运移，而且会引起煤粉运移[17-19]，堵塞孔隙裂缝。由图6可知，当排采连续进行时，如果降液速率合适，则不会发生支撑剂与煤粉的运移；如果降液速率较大，支撑剂与煤粉颗粒会部分运移到井筒，沉淀在口袋中。而当排采关井时，支撑剂与煤粉将沉降聚集堵塞裂缝[20]。如果多次关井，裂缝堵塞情况逐渐加重，并最终导致彻底堵塞，特别是在近井应力集中带形成一个致密的环状堵塞带，使得导流能力无效。

图6 不连续排采造成煤粉堵塞裂缝示意Fig.6 The sketch of coal power blocking fracture

克服速敏现象可以通过合理的排采制度实现“连续、缓慢、稳定”降压，即最大限度克服支撑剂与煤粉不运移、不沉淀。

3 结 论

(1)煤层气井排采过程中，应力敏感对裂缝导流能力影响不可避免，但可以控制排采降液速率，实现缓慢、连续、平稳降压，使压降漏斗充分扩展前确保应力敏感对导流能力的伤害最小。

(2)当有效应力大于10MPa后，会发生不同程度的支撑剂嵌入煤片，而高铺砂浓度下嵌入对导流能力的影响较小。因此，在压裂施工过程中可以通过提高砂比来改善排采时支撑剂嵌入煤层造成的影响。当有效应力大于20MPa后，石英砂支撑剂开始破碎。因此对于埋深大于800m的煤层气井，应考虑选取更高强度支撑剂。

(3)定流量时导流能力只发生较小变化，而变流量时导流能力则大幅度下降，说明了快速、断续排采能够造成煤粉堵塞裂缝，使煤层气井开发效果变差，因此煤层气井的排采降液速率必须坚持“连续、缓慢、平稳”六字方针。

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Controllingthedamageofconductivityofhydraulicfacturesduringtheprocessofdrainageincoalbedmethanewell

ZHANG Shuang-bin1,2，SU Xian-bo1，GUO Hong-yu1，LIN Xiao-ying1

(1.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.DepartmentofMiningEngineering,JinchengInstituteofTechnology,Jincheng048026,China)

During the process of drainage to coalbed methane(CBM)well,the change of conductivity of hydraulic fractures directly affects the extending range of pressure drop funnel,which can further influence the gas production level.The change regular pattern of fractures conductivity in coal reservoir during the process of drainage was simulated physically in the laboratory by means of the FCES-100fracture long-term flow conductometer,and by using coal samples made by No.3 coal of Sihe Mine in Jincheng Anthracite Mining Group and Lanzhou sand as the proppant.According to the analysis of the experiment,the conductivity of hydraulic fractures has a fairly strong stress sensitivity during the process of drainage,which controls the reservoir pressure dropping slowly and ensures that before the pressure drop funnel is fully extended,the stress sensitivity does less damage to the conductivity.Increasing sand ratio is considered to decrease the effect of proppant embedment and selecting higher-strength proppant aims to overcome the damage of its break in deep well.Instability and intermittent drainage is another important reason for the rapid decreasing of fracture conductivity,and only by adhering to draining continuously,slowly and stably can the damage of stress sensitivity and drainage velocity sensitivity be avoided and ensure coalbed methane wells development with good results achieved.

conductivity;hydraulic factures;coalbed methane well;drainage;closure pressure

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0123

国家自然科学基金资助项目(40972109，41002047)

张双斌(1977—)，男，山西夏县人，博士研究生。Tel：0391-3987981，E-mail:kygcxjs@163.com

P618.11

A

0253-9993(2014)01-0124-05

张双斌，苏现波，郭红玉,等.煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制[J].煤炭学报,2014,39(1):124-128.

Zhang Shuangbin，Su Xianbo，Guo Hongyu,et al.Controlling the damage of conductivity of hydraulic factures during the process of drainage in coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):124-128.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0123