煤岩压裂多裂缝风险识别及防治机理研究

袁 征 ，杨洪锐 ，兰丽娟 ，杨 震 ，李新发 ，张 静 ，杨红斌

（1.中海油田服务股份有限公司，天津 300459；2.中国石油玉门油田分公司 钻采工程研究院，甘肃 酒泉 735000；3.中国石油玉门油田分公司 酒东采油厂，甘肃 酒泉 735000；4.中国石油大学（华东），山东 青岛266580）

水力压裂作为重要的储层改造工艺，是煤层气井增产的关键和必要措施。弄清水力裂缝形态是优化压裂参数，提高增产效果的基础。煤岩弹性模量低、泊松比高、节理丰富、构造发育等特点[1]，造成水力裂缝起裂、扩展机理复杂。因此国内外大量学者对煤岩扩展水力裂缝进行了深入的研究[2-6]。对于煤岩压裂裂缝形态的实验及理论研究较多，但研究成果大多无法直接应用到现场施工中。作为现场施工裂缝形态的直接响应，压裂施工曲线的研究、分析工作还相对缺乏。统计分析了140 余口煤层气井现场施工曲线、数据，发现与常规油气井不同[7]，煤岩压裂施工曲线具有以下特点：①煤层气井压裂施工常出现破裂压力不明显现象；②煤岩破裂压力梯度变化范围较大，统计140 余口煤岩破裂压力梯度为0.016～0.062 MPa/m，平均值 0.035 MPa/m，远高于理论值[8-9]；③部分井在恒定排量阶段，施工压力出现持续上升的现象；④周围无断层时，部分井施工压力出现大幅的波动。理论研究表明造成煤岩多点起裂及多裂缝形态延伸现象的主要因素包括射孔方式、煤层应力、储层物性、煤岩节理等因素[10]。为研究裂缝形态与压裂施工曲线的响应关系，从物模实验、G 函数分析、净压力拟合3 个角度进行深入研究工作。

1 多裂缝形态分析

1.1 物模实验

应力状态是控制人工裂缝形态的主导因素，根据程远方等人研究，当煤岩最小水平主应力与上覆岩层应力差为小于4 MPa 时，水力裂缝以垂直缝为主；当三向应力状态接近时，水力裂缝趋于复杂[11-12]。基于上述理论，人为控制物模实验岩样应力状态，以得到不同形态裂缝同时记录实验压力值。以此为基础，研究裂缝形态与施工压力曲线的响应关系。

实验采用真三轴围压控制系统，岩样尺寸为105 mm×105 mm×95 mm，通过计算机实时采集注入压力值，共进行40 组实验，煤岩起裂模拟实验结果见表1。

表1 煤岩起裂模拟实验结果Table 1 Results of simulation experiment of coal rock fracture initiation

1.1.1 单裂缝形态与注入压力响应规律

实验结果表明：40 组物模实验中有22 组以单裂缝形态起裂。单裂缝-注入压力曲线响应图如图1。单裂缝形态下注入压力曲线形态特征明显：如煤样A1、A2起裂图形，当煤样以单裂缝形态起裂时破裂压力明显，注入压力瞬大幅下降并趋于平稳，扩展压力接近围压最小主应力值σmin。

图1 单裂缝-注入压力曲线响应图Fig.1 Diagram of injection pressure curves with single fracture

1.1.2 多裂缝形态与注入压力响应规律

结果中18 组煤样出现多裂缝起裂现象，且多裂缝形态又可分为平行和相交2 种。多裂缝形态及注入压力曲线如图2。

图2 多裂缝形态及注入压力曲线图Fig.2 Response diagram of injection pressure curves with multiple fractures

图2 中裂缝形态特征与单裂缝明显不同：如煤样A3、A4 起裂图形，多裂缝形态时注入破裂压力不明显；且在恒定排量下，注入压力不断上升且趋于稳定值；此形态下的延伸压力高于围岩最小主应力值σmin。

1.2 测试压裂分析

测试压裂G 函数分析是识别地层多裂缝形态的有效手段，由Ken G.Nolte 首先提出并应用于水力压裂施工中[13]。G 函数是关于时间为变量的函数，处理后的不同压力曲线形态具有不同的物理含义：①过原点切线后自然降落的代表以产层内单裂缝为主；②过原点切线在切点之前具有下凹曲线表示裂缝突破隔层现场；③过原点切线在切点之前具有上凸，表示出现多裂缝现象[14]。

TS-A1 井煤层垂深940.5 m，施工破裂压力不明显，携砂液阶段平均施工压力25.86 MPa，且加砂阶段出现砂堵迹象，TS-A1 井压裂施工曲线如图3。对该井压裂测压降并对数据进行G 函数分析，TSA1 井压降数据G 函数分析曲线如图4，图中井底测定的压力是指通过井口压力数据计算的井底压力。携砂液效率是指裂缝的体积与施工压裂液体的体积百分比。

图3 TS-A1 井压裂施工曲线Fig.3 Fracturing construction curves of TS-A1 well

由图4 可以看出，TS-A1 井压降数据分析曲线具有典型的多裂缝特征，过原点的曲线在切点之前曲线具有明显的上凸特征，因此认为本井在裂缝扩展期间出现了多裂缝延伸现象。

1.3 净压力分析

压裂施工作业发现前置液阶段在恒定排量时，常出现施工压力不断上升现象，且施工平均压力高于预测值，TS-A2 井压裂施工曲线如图5。研究发现：当应力状态不变时，裂缝条数对施工压力影响较大[15]。为研究不同裂缝条数对施工压力的影响，以TS-A3 井为例进行拟合。选用压裂施工专业分析软件Fracpro，分别对3 种情况进行净压力拟合：①1条裂缝；②4 条裂缝；③由1 条增加至4 条裂缝。TSA3 井不同裂缝条数下施工压力拟合曲线如图6。

图4 TS-A1 井压降数据G 函数分析曲线Fig.4 G function analysis curves of pressure drop data in TS-A1 well

图5 TS-A2 井压裂施工曲线Fig.5 Fracturing construction curves of TS-A2 well

图6 TS-A3 井不同裂缝条数下施工压力拟合曲线Fig.6 Fitting curve of construction pressure under different fracture numbers of TS-A3 well

TS-A3 井施工破裂压力明显，且施工过程相对平稳，净压力拟合结果如下：①当以1 条裂缝形态进行拟合时，计算净压力值和测定的净压力值较吻合较好；②当以4 条裂缝对净压力值进行拟合时，计算净压力值远高于测定的净压力值；③当以1 条裂缝起裂，且随着施工裂缝条数增加至4 条时，净压力拟合值随着裂缝条数也逐渐增加。

水力压裂裂缝净压力与缝宽存在如下关系：

式中：△p 为井底缝口净压力，MPa；p 为压裂施工井底压力，MPa；σ 为储层最小主应力，MPa；G 为储层剪切模量，MPa；W 为井筒处最大裂缝宽度，mm；H 为水力裂缝高度，m；v 为储层弹性模量。

PKN 裂缝扩展模型能够很好地解释多裂缝导致更高的地面压力。研究多条裂缝同时扩展时，多条裂缝的平均缝宽之和高于单条裂缝扩展的宽度。另外，多裂缝的扩展使储层最小水平主应力急剧增加，主要表现为以下2 个方面：一方面压裂裂缝争夺缝宽使得岩石骨架应力增加；另一方面储层孔隙压力随滤失面积的增加而大量增加[16-17]。

2 多裂缝危害及防治案例

2.1 多裂缝危害

煤层气井水力压裂多裂缝扩展诱导因素较多，准确识别多裂缝扩展，并采取相应的措施是煤岩水力压裂成功的关键。通过对140 余口井的资料总结分析，煤层气井水力压裂多裂缝延伸时，施工曲线多具有以下形态：①前置液阶段破裂压力不明显，部分井出现明显破裂压力后施工压力又持续增加；②在恒定排量施工阶段，施工压力持续增加；③压裂施工压力远高于邻井施工压力或预测值。

与常规油气井相比，煤层气井水力压裂施工成功率较低。多裂缝扩展是压裂施工失败的重要因素之一。其影响主要体现在以下2 个方面：①施工压力超过或者接近限压，无法进行加砂压裂：多条裂缝同时扩展时，缝宽之和高于单一裂缝的缝宽，另外多裂缝延伸导致储层应力增加，以上2 点均最终导致施工压力升高；②多裂缝现象极大地增加了砂堵的可能性：因为多裂缝的存在，施工液体由多条裂缝所共同拥有，与单裂缝延伸相比每条裂缝将更短和更窄，另外，滤失面积增加，导致液体滤失量增加，液体效率降低，造缝能力降低进一步导致砂堵概率更高。

2.2 多裂缝防治措施

基于对煤岩压裂多裂缝的认识和识别方法，提出可调式多段塞压裂工艺，以降低压裂施工期间多裂缝现象带来的影响。可调式多段塞是指在前置液阶段，根据施工压力、排量、液量逐步泵注一定体积和浓度的段塞，并实时调整段塞的排量、液量、支撑剂浓度、个数等参数，起到有效堵塞微裂缝，降低储层滤失，提高缝内净压力，最终诱导形成主裂缝的压裂工艺。多段塞作用原理示意图如图7。

图7 多段塞作用原理示意图Fig.7 Schematic diagram of multi-slug operation principle

TS-A3 井埋深1 021 m，受碎裂煤控制为主，压裂施工时造缝困难，施工压力不断升高，判断形成多裂缝。对本井采用多段塞压裂工艺，TS-A3 井多段塞应用实例如图8。

图8 TS-A3 井多段塞应用实例Fig.8 Application example of multi-slug in TS-A3 well

施工曲线显示本井无明显破裂压力，且当排量恒定时施工压力持续上升，分析认为本井裂缝延伸初期受多裂缝影响。排量5 m3/min 开始分别泵注3%、5%、7%、7%的 4 个段塞，砂量 2 m3。当第 2 个段塞进入地层后压力大幅下降，诱导煤层形成主裂缝。

对13 口煤层气井采取可调式多段塞压裂工艺，多数井加入段塞后出现了压力响应，可调式多段塞压裂工艺效果统计见表2，其中12 口井顺利完成施工，大幅提高了煤层气井压裂的成功率。

表2 可调式多段塞压裂工艺效果统计表Table 2 Adjustable multiple slug statistics of the fracturing effect

3 结 论

1）煤层气井水力压裂施工出现多裂缝延伸时，常具有以下特点：破裂压裂不明显或破裂后压力继续升高；恒定排量下施工压力不断上升；施工压力常高于预测值等特征。

2）物模实验显示多裂缝起裂、延伸时，破裂压力不明显，施工压力较高，且恒排量下持续上升时；分析具有多裂缝现象的井，G 函数分析显示闭合前曲线呈现上凸形态；恒排量下施工压力不断上升，且净压力曲线拟合结果多裂缝相符。

3）对于具有多裂缝特征的煤层气井，提出了可调式多段塞压裂工艺，并应用到现场。多数井采用此工艺后具有压力响应，大幅提高了施工成功率。