基于高能CT扫描的煤岩水力压裂裂缝扩展研究

孙逊，张士诚，马新仿，邹雨时

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

0 引 言

我国虽然拥有世界上第三大煤层气资源储量，但是煤层气开采起步较晚，直到2004年才开始商业规模开发，煤层气产能具有很大的上升空间[1]。煤岩基质渗透率低，气体难以在其内部流动，而割理广泛分布在煤储层中，因此，成为了渗流的主要通道[2-3]。水力压裂能够在煤层中开启连接天然裂缝和割理的高导流能力的裂缝系统，是煤层气开发的一项关键技术[4]。经多年发展，在常规水力压裂基础上研发出多种新型压裂方式，如高压电脉冲水力压裂、二次压裂、变排量压裂、氮气压裂等[5-7]。由于煤岩松软、天然裂缝发育、各向异性严重，水力压裂裂缝在煤层中的形态复杂，因此，进一步研究煤层水力压裂裂缝起裂和扩展机理对提高煤层气产量具有重要的意义。

水力压裂裂缝的形态受多种因素影响，如地应力场分布、储层孔隙压力、煤岩力学性质、天然裂缝和割理的发育情况以及施工排量等[8-11]。国内外一些学者[12-13]对煤层的水力压裂裂缝形态预测与控制进行了研究，他们认为当储层的地应力改变或者水力压裂裂缝逼近割理时，水力压裂裂缝的扩展路径会发生3种模式的变化，即沿着割理扩展、突破割理束缚并沿着不同方向继续延伸、被割理捕获裂缝扩展终止。还有学者[14-15]发现以天然裂缝为代表的地质不连续体对水力压裂裂缝的扩展和形态有很大影响，当水力压裂裂缝沿着不连续体的垂直方向扩展时，流体会优先渗入层间界面。LI D R等[16]进行了真三轴层状煤岩水力压裂试验，试验结果表明，水力压裂裂缝起裂和扩展受地应力、天然裂缝走向与发育程度以及泵注压力综合影响，在垂向应力差较大情况下会形成穿层垂直裂缝。N.R.Warpinski等[17]研究表明，天然裂缝会引起流体大量滤失，水力压裂裂缝扩展过程中形成大量分支裂缝，并且主裂缝朝着天然裂缝区域延伸。杨焦生等[18]采用大尺寸真三轴试验装置研究了原始地应力状态、割理走向、隔层性质对水力压裂裂缝形态的影响。

虽然人们通过试验对煤岩的水力压裂裂缝扩展规律有了一定的认识和了解，但是他们多用劈开试件的方法观察水力压裂裂缝的走向和扩展路径，在敲击过程中会对试件造成一定程度的损伤，不能真实反映压后的水力压裂裂缝形态，同时由于大型煤岩取样困难，试验使用自制煤岩，无法科学地反映煤层中水力压裂裂缝的扩展规律。因此，本文采用真三轴水力压裂装置和高能工业CT扫描成像技术，对取自沁水盆地柿庄南区块的大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)天然煤岩进行了水力压裂模拟试验，研究了割理和水平地应力差对水力压裂裂缝起裂和扩展的影响，试验结果对现场水力压裂施工和设计具有指导意义。

1 试验方法

1.1 试验设备和方案

本文采用真三轴水力压裂装置(图1)，对天然煤岩进行水力压裂试验。煤样取自沁水盆地南部区域二叠系山西组3号煤层，煤阶为无烟煤Ⅲ号。该地区是我国首个确定的具有经济开采效益的煤层气生产基地，目前煤层气井的最大日产量超过1×104m3，具有很高的开采价值。试验前分3个方向对煤岩进行了力学参数测试，结果如表1所示。测试结果显示试验煤岩较致密，孔隙度和渗透率分别为8.44%和1.91×10-3mD。割理的方向性对煤岩力学性质有较大影响，除了泊松比变化不大外，弹性模量、抗拉强度、抗压强度在3个方向上测得的结果有较大的离散性，这说明与砂岩相比，煤岩具有很强的各向异性。同时煤岩的低抗压强度、低弹性模量、高泊松比特性，使煤层中的水力压裂裂缝具有短、宽特征[19]。

图1 真三轴水力压裂装置Fig.1 True triaxial hydraulic fracturing equipment

表1 煤岩力学参数测试结果Tab.1 Mechanical parameters of coal samples

为模拟煤层气直井的水力压裂过程，在切割成正方体的煤岩中部沿着垂直层理方向钻出直径16 mm、长165 mm的沉孔，再将外直径15 mm、内直径8 mm、长135 mm的合金井筒用环氧树脂胶黏接到沉孔中，并留下30 mm的裸孔段，整个试件的制作流程如图2所示。

图2 标准试件制作流程Fig.2 Preparation process of a standard coal specimen

试验根据沁水盆地地应力特征设置参数[20]，具体如表2所示。试验采用活性水作为压裂液，恒定排量设置为20 mL/min。为研究水平应力的差值大小对水力压裂裂缝形态的影响，引入水平应力差异系数Kh，表达式为

Kh=(σH-σh)/σh,

(1)

式中：σH为最大水平应力；σh为最小水平应力。

表2 煤岩水力压裂试验参数设置Tab.2 Parameters setting in hydraulic fracturing experiments for coal specimen

1.2 试验流程

为了模拟煤岩在地层中的真实状态和防止煤岩内部发生剪切位移，需按顺序依次对试件加载地应力。首先,在Z轴方向加载垂向应力σv，其次在Y轴和X轴方向加载最大水平应力σH和最小水平应力σh，加载完成后试件静置30 min，以使应力达到平衡状态[21]。管线排空完成后正式开启恒流泵开始压裂，井口位置设有压力监控系统，实时监测注入压力，当注入压力在较低水平且稳定不变，观察到压裂液从压裂仓内渗出时关闭恒流泵，取出试件进行高能CT扫描，以观察压裂后煤岩内部的水力压裂裂缝空间展布形态。

2 结果与分析

高能CT扫描的试件压裂后裂缝形态如图3～6所示，其中x轴为σH方向，y轴为σh方向，z轴为σv方向。从CT扫描图(图4)中可以看出，煤岩的面割理和端割理相互垂直，容易辨别。一些天然裂隙没有与井筒相交，因此，也易与水力压裂裂缝区分(图5(b)，图6(b))，而另外一些天然裂缝在压裂前观测煤样表面的裂缝走向也能识别出来。至于水力压裂裂缝，在压裂液中加入了荧光剂，通过CT扫描和表面观测结合的方法进行辨别。从试验结果可以看出，不同于常规储层，煤岩的水力压裂裂缝扩展随机性较大，多发生偏转扭曲、非对称性扩展，扩展过程中连通面割理和端割理，路径不规则，裂缝壁面粗糙。

图3 试件1的水力压裂裂缝形态Fig.3 HF geometry created in specimen 1

图4 试件2的水力压裂裂缝形态Fig.4 HF geometry created in specimen 2

2.1 泵注压力曲线分析

通过分析泵注压力曲线，能够了解压裂过程中水力压裂裂缝的扩展情况。如图7所示，开泵后初始阶段注入压力呈线性上升状态，压裂液在裸孔段迅速积攒能量，直至储层发生破裂，此时注入压力达到最大，即为破裂压力，压力达到破裂压力后下降迅速。水力压裂裂缝起裂后，随着压裂液的持续注入，裂缝在储层内扩展延伸。天然裂缝，割理等微裂隙在压裂液流动时频繁开启关闭，使整个压力曲线发生锯齿状波动。压裂后期关泵后，储层内部仍存有一部分压裂液，在延伸压力作用下裂缝会继续延伸一小段,直至压裂作业结束。

图5 试件3的水力压裂裂缝形态

Fig.5 HF geometry created in specimen 3

图6 试件4的水力压裂裂缝形态Fig.6 HF geometry created in specimen 4

从试验结果可知，裂缝在不同位置起裂其破裂压力差别很大，如图7所示，试件1，2，3，4的破裂压力分别为4.46，4.14，15.02，23.03 MPa，观察它们压裂后的高能CT扫描裂缝形态图，发现试件1和试件2内部发育有大量天然裂缝和割理，水力压裂裂缝在这些胶结弱面处起裂(图3～4)，对比试件3和试件4的CT扫描图，它们的井筒附近裂缝发育程度低，整个试件较为完整，水力压裂裂缝在煤岩基质内部起裂(图5～6)，因此，后两块试件的破裂压力明显高于前两块。这种对破裂压力的分析可以判断煤岩中水力压裂裂缝起裂位置。

2.2 煤岩水力压裂裂缝空间展布特征分析

试件1的水平应力差Δσh为2 MPa，Kh为0.2，如图3所示，井筒周围天然裂缝和割理较多，水力压裂裂缝在天然裂缝和割理起裂，在xy平面内呈随机径向网状扩展模式，遇到天然裂缝后沿其继续延伸，整体扩展路径不规则。

图7 煤岩水力压裂泵注压力曲线

Fig.7 Injection pressure curves of coal specimen in hydraulic fracturing experiments

试件2的水平应力差Δσh为4 MPa，Kh为0.5，如图4所示，试验后最终形成了3条水力压裂裂缝，2条水力压裂裂缝分别沿着x轴正负2个方向(σH方向)扩展，另外一条沿着y轴正方向(σh方向)扩展，其中沿x轴负方向的裂缝遇到天然裂缝后被其捕获，而沿x轴正方向的裂缝穿透了天然裂缝，继续沿原方向扩展。

试件3的水平应力差Δσh为6 MPa，Kh为1，如图5所示，此时地应力对裂缝扩展的控制作用大大增强，主裂缝沿着x轴偏y轴约45°的方向延伸，沿途形成多条垂直于主裂缝的次级裂缝，这些次级裂缝连通多条天然裂缝，最终形成由主裂缝、次级裂缝和天然裂缝共同构成的立体网状裂缝系统。

试件4的水平应力差Δσh为8 MPa，Kh为2，如图6所示，在高水平应力差的作用下形成的裂缝形态较为单一，仅在x轴偏y轴约30°的方向形成了一条单翼水力压裂裂缝，沿途没有与天然裂缝和割理相交。

2.2.1 天然裂缝和割理对水力压裂裂缝形态的影响

通过高能CT扫描对裂缝的精细描述可以看出，煤岩这套独特的天然裂缝系统对水力压裂裂缝起裂和扩展有显著影响。压裂液进入煤层后在天然裂缝和割理中大量滤失，同时也起到润滑作用，降低了割理为代表的天然裂缝内部的摩擦系数，使割理成为渗流的优势路径[16]。在水力压裂裂缝不断向割理逼近过程中，裂缝尖端的诱导应力场使割理附近的应力分布发生改变，在割理尖端产生拉应力集中区，当水力压裂裂缝逼近产生的拉应力超过割理的断裂韧性时，水力压裂裂缝就会沿着割理延伸，增加裂缝的复杂性。

在试验过程中发现天然裂缝和割理具有优先开启的特性，这是煤岩储层改造提高裂缝连通性的有利条件，如图3～5所示，水力压裂裂缝在井筒周围的弱黏结面起裂，优先激活天然裂缝和割理，受天然裂缝胶结强度和裂缝逼近角度的影响，水力压裂裂缝沿着局部最小阻力区域扩展[22]，最终形成由水力压裂裂缝和开启的割理、天然裂缝构成的复杂裂缝系统，整个试件被分割成块状结构。

2.2.2 水平应力差对水力压裂裂缝形态的影响

地应力对水力压裂裂缝扩展的作用随着应力差的增大而增强。试件1和试件2处于低水平应力差条件，水力压裂裂缝扩展路径在这两块试件中多发生分叉弯曲，试件1的水力压裂裂缝在井筒周围呈径向放射状延伸(图3)，试件2的水力压裂裂缝则呈阶梯状(图4)，整体裂缝形态复杂，裂缝壁面粗糙，不利于支撑剂的运移和铺置。试件3和试件4的水平应力差较大，但是二者形成的水力压裂裂缝形态差别巨大，试件3中一条主裂缝在扩展过程中侧向形成多条次级裂缝，次级裂缝又激活天然裂缝，最终形成以主裂缝为主、局部以次级裂缝连通天然裂缝为辅的立体网状裂缝系统(图5)，而试件4在高水平应力差作用下水力压裂裂缝非对称扩展，仅形成了一条单翼缝(图6)，这说明水力压裂裂缝的形态不仅与煤层的割理与天然裂缝的发育程度有关。在低水平应力差条件下，裂缝易朝着最小阻力区域延伸，当水平应力差增大时，形成的主裂缝会连通更多的天然裂缝和割理，有利于提高储层连通性。因此，对煤层进行水力压裂改造时，不仅要求水力压裂裂缝转向连通薄弱的天然裂缝面，而且也需要裂缝在地应力作用下尽可能向储层未动用区域扩展，提高储层改造体积，改善煤层开发压裂效果，否则裂缝只会在局部区域内作无效延伸。

试验结果与陈勉等[23]在随机裂缝性储层中观察到的水力压裂裂缝形态相似，但他未给出具体的应力差控制范围。在裂缝性储层的水力压裂过程中，水平应力差的大小对水力压裂裂缝的扩展有很大影响。从试验结果可以看出，如果水平应力差较小(≤2 MPa)，煤层中天然裂缝、层理和割理发育，压裂液进入地层后大量滤失，难以积聚能量使水力压裂裂缝突破天然裂缝。煤层中有效的复杂缝网一定是以一条主水力压裂裂缝与多条分支裂缝组成的。试验中理想的水平应力差为2～6 MPa，这不仅有利于水力主裂缝的延伸，而且也能有效激活天然裂缝。

3 煤层水力压裂改造分析

煤层水力压裂改造的目的是形成一套以水力压裂裂缝为主、次级裂缝连通天然裂缝和割理为辅的缝网系统，通过对试验结果的综合分析发现，煤层中水力压裂裂缝的起裂和扩展是割理、天然裂缝和水平应力差共同作用的结果。水力压裂裂缝的起裂位置取决于井筒附近的割理与天然裂缝的发育程度，当井筒内压力上升直至超过煤岩的破裂压力时，井筒附近会形成多条水力压裂裂缝，而这些裂缝的扩展方向则取决于天然裂缝和割理的分布以及地应力状态，压裂后可能会形成复杂缝网，也可能形成单一水力压裂裂缝。同时试验还发现，不管形成的裂缝有多复杂，最终裂缝的扩展方向还是受地应力控制，当煤层中形成水力压裂裂缝后，虽然水力压裂裂缝沿途会转向分叉并激活多条天然裂缝，但是裂缝扩展的整体方向还是沿着最大水平主应力方向。

4 结 论

(1)泵注压力曲线特征能够反映水力压裂裂缝在煤层中的扩展情况。水力压裂裂缝起裂位置不同破裂压力也有所不同，在煤岩基质内部起裂时的破裂压力高于在天然裂缝和割理起裂时的破裂压力。水力压裂裂缝扩展路径中连通天然裂缝时会引起压力变化，因此，泵注压力曲线波动频繁。

(2)煤层中的天然裂缝和割理有利于形成复杂缝网。被激活的天然裂缝和割理通常促使水力压裂裂缝转向、分叉，扩展路径扭曲，并且提高整个煤层中水力压裂裂缝与天然裂缝的连通性。

(3)煤层水力压裂的有效复杂缝网必须由水力主裂缝和多条次级裂缝连通天然裂缝组成，低水平应力差有利于水力压裂裂缝转向，连通天然裂缝和割理，高水平应力差有助于水力压裂裂缝在最大水平主应力方向上延伸更远，裂缝的复杂程度是割理与天然裂缝的分布密度以及水平应力差共同作用的结果。