煤储层水力压裂裂缝中支撑剂特征及研究意义

王生维，熊章凯，吕帅锋，高 超

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074；2.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012)

我国煤层气资源丰富，已形成沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘两大产业基地。同美国、澳大利亚等国家相比，我国煤层气资源条件特殊，地质条件复杂，含煤盆地构造活动强烈，煤储层渗透率普遍较低，且非均质性强，高、中低阶煤储层渗透率一般分别低于1×10-15m2和5×10-15m2。因此，几乎所有的煤层气井都需要进行储层改造，在煤储层内部形成高效的导流裂缝通道，从而提高煤储层的渗透性。水力压裂技术是目前最主要的储层改造技术，即利用地面高压泵组将前置液以超过地层吸液能力的排量泵入井底产生高压，并在岩石破裂准则控制下形成压裂裂缝，然后再注入含有支撑剂的携砂液，使形成的压裂裂缝继续扩展并得到有效支撑，待压裂施工结束后，储层中就能够形成具有高效导流能力的压裂裂缝，从而实现煤层气井增产改造。其中，支撑剂的类型、粒径配级、铺置顺序和浓度等因素对压裂裂缝的支撑效果具有重要影响，如何真实有效地评价支撑剂的支撑效果及其对导流能力的作用机制是目前亟待解决的科学问题。

支撑剂根据原材料和加工工艺主要分为天然石英砂、覆膜砂和陶粒三类。尽管天然石英砂支撑剂导流能力较弱，但由于成本较低且现场应用技术成熟，石英砂仍是煤层气井水力压裂作业中的首选支撑剂[1-3]。目前众多学者对支撑剂的制备、支撑剂在裂缝内的充填特征和运移规律进行了研究。秦梅[4]、杜杰[5]等以煤矸石和铝矾土为主要原料，高温烧结制备了煤层气井用经济型、低密度、低破碎率的陶粒支撑剂。成巧耘等[6]考虑到水力压裂时气体的滑脱效应与压裂液的渗流规律，量化了支撑剂的嵌入深度，构建了有效应力与支撑剂综合作用的裂隙渗透率模型。张鹏[7]通过数值仿真手段研究了煤层气井压裂液流动和支撑剂分布规律，建立了考虑多种因素的支撑剂沉降模型，提出通过增大施工排量、采用小粒径支撑剂、合理调整泵注程序来提高支撑剂的运移距离。黄炳香等[8]通过煤体单缝内支撑剂随闭合应力增大的压嵌全过程实验，揭示了裂缝内支撑剂压嵌的基本特性以及闭合应力对支撑剂嵌入煤的影响规律。唐方璇[9]通过裂缝导流能力实验探究了支撑剂类型、粒径组合、混合煤粉含量以及裂缝形态等因素对支撑裂缝导流能力的影响。M.A.A.Ahamed 等[10]利用三轴渗透率实验并结合显微CT 成像研究，认为支撑剂嵌入煤体对裂缝导流能力损伤非常显著。关舒文等[11]采用数值模拟方法，模拟了压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率的演变，基于颗粒接触力及配位数分布揭示了支撑剂空隙率分布的形成机制。潘林华等[12]认为计算流体动力学-颗粒元法(CFD-DEM 法)能真实考虑压裂过程中流体的流动状态和真实的固体颗粒特征，有望成为模拟技术的主流技术之一。Yang Shangyu 等[13]考虑了支撑剂颗粒间的相互作用，采用数值模拟方法研究了变密度支撑剂颗粒在水力裂缝中的运移规律，认为支撑剂粒径的增加会导致有效裂缝长度的减少，且随着压裂液黏度和排量的增加，支撑剂铺展和分布更加均匀。

前人主要通过物理实验、数值模拟和理论分析等手段开展支撑剂相关研究，但是由于实验模拟装置与实际压裂施工参数存在较大差距、模拟参数设置过于理想等局限，导致研究结果往往无法达到令人满意、能够指导现场施工的效果。我国煤层气勘探开发在过去的三十年中，尤其是煤矿区内随着煤矿开采揭露了数量可观的地面压裂井，创造了压裂裂缝原位观测和原位支撑剂采集的绝佳条件[14-19]。笔者通过井下解剖，摸清了煤层气井压裂裂缝内的支撑剂(石英砂)展布特征，开展了支撑剂分选性、完整性、煤粉附着特征、裂缝壁面滑痕等方面的综合评价，并以压裂裂缝的两个典型部位内的支撑剂为例，详细介绍了其形貌与堆积特征，分析其堆积过程。该研究可为物理和数值模拟实验提供真实可靠的数据支撑，以及对非常规储层改造施工技术提供参考依据。

1 支撑剂形貌与堆积特征

支撑剂颗粒注入煤储层后，压裂裂缝内支撑剂会受到压裂裂缝类型、压裂裂缝延展空间范围、裂缝壁面粗糙度、压裂施工参数等因素影响，不同裂缝部位内支撑剂颗粒往往具有不同的粒径和堆积方式、破碎状况、煤粉附着特征，以及煤岩碎粒粒径和裂缝壁面痕迹。这些特征对支撑剂的堆积过程和压裂流体的流动特征具有指示意义。图1 为水力压裂施工待用的石英砂支撑剂。

图1 水力压裂施工待用的石英砂支撑剂Fig.1 Quartz sand proppant for hydraulic fracturing

1.1 支撑剂分选性

支撑剂颗粒随压裂液注入煤储层内。在压裂液携运下，不同粒径支撑剂颗粒会在压裂裂缝内不同部位沉积，一般为井筒近处支撑剂颗粒粗，裂缝远端支撑剂颗粒细。但若压裂裂缝延展发生变化，会导致压裂流体流动特征发生变化，支撑剂在裂缝内的沉积位置也会因颗粒粒径不同而随之发生变化。因此可以根据支撑剂分选性来表征压裂裂缝延展空间变化。

支撑剂分选性好(图2a)，往往表明压裂裂缝内水动力简单，压裂裂缝延展笔直、顺畅，压裂液携运能力随压裂裂缝延伸而降低，粗颗粒支撑剂会先沉积，细颗粒支撑剂能在压裂液携运下移动到更远处沉积[20-21]。

支撑剂分选性差(图2b)，表明水动力混乱，压裂液提前卸载支撑剂，导致各种粒径支撑剂沉积在一处[22]。一般会发生在压裂裂缝延展弯曲、裂缝壁面粗糙度高等部位[21,23]。

图2 支撑剂分选性Fig.2 Sorting property of the proppant

1.2 支撑剂完整性

支撑剂颗粒破裂会降低压裂裂缝的导流能力。在前人的研究中，随着排水降压，导流裂缝有效应力增加，导致水力裂缝闭合压碎支撑剂[24-25]。但是在本研究中，发现部分支撑剂颗粒表面有撞坑，撞坑内有煤粉充填(图3)，不同于因压裂裂缝闭合导致的支撑剂颗粒破碎[25]。在压裂裂缝延展平直的部位，表面有撞坑的支撑剂数量少；在压裂裂缝延展曲折度高等支撑剂移动受阻部位，表面有撞坑的支撑剂数量多。可能是由于支撑剂颗粒移动过程中发生了颗粒间、颗粒与煤岩碎粒间的碰撞所导致。

图3 支撑剂颗粒表面撞坑Fig.3 Craters on the surface of the proppant

1.3 煤粉附着特征

在水力压裂和煤层气生产过程中，大量来源于煤岩破裂和软煤带的煤粉会沉积在支撑剂间的孔隙空隙中，导致压裂裂缝导流能力下降[26-29]。在显微镜下，井下采集的支撑剂颗粒表面附着有煤粉(图4，左分图)，尤其在软煤带内、压裂裂缝弯曲处、压裂裂缝边缘部位等水动力较混乱的部位，支撑剂表面附着煤粉较多，甚至是煤粉、支撑剂颗粒、煤岩碎粒之间相互粘附形成更大的团聚集合体(图4，右分图)，改变了支撑剂颗粒的原始形状和大小。

图4 煤粉附着特征Fig.4 Adhesion characteristics of the pulverized coal

1.4 裂缝壁面痕迹

支撑剂在压裂裂缝内运移过程中，会与裂缝壁面发生碰撞或是在裂缝壁面上滑动，在某些条件下会留下撞坑或滑痕(图5)。根据撞坑的深浅和滑痕的方向，可以分析支撑剂颗粒在此处的动能大小和移动方向。

图5 滑痕Fig.5 Slide mark

2 水平缝内支撑剂特征

1 号煤层气井井筒及其压裂裂缝在晋城寺河矿巷道壁面2 上被揭露，巷道壁面1 上无压裂裂缝(图6，图7a)，压裂裂缝以水平缝的形式在煤储层内延伸，井筒W 方向长约2.5 m，E 方向长约8.2 m，在井筒近井端发生砂堵现象，超过一半的支撑剂堆积在离井筒1 m 的范围内。在井筒的东西方向上，水平缝延伸进入软煤带内，支撑剂与煤粉混合。

图6 1 号煤层气井压裂裂缝在巷道壁面上的展布Fig.6 Distribution of hydraulic fractures of No.1 CBM well on the roadway wall

图7 1 号煤层气井支撑剂实景Fig.7 Realistic scene of the proppant of No.1 CBM well

1 号煤层气井压裂施工曲线如图8 所示，1 号煤层气井破裂压力不明显，在压裂前期，泵注压力稳定在15 MPa 左右，注入液量与压裂液滤失量几乎相等，压裂裂缝在煤储层内延展正常。后期随着裂缝延伸距离和摩阻增加，裂缝内部分区域可能出现支撑剂堵塞，井底压力出现波动并缓慢上升。

图8 1 号煤层气井压裂施工曲线Fig.8 Fracturing construction curve of No.1 CBM well

2.1 水平缝内支撑剂粒径特征

在水平缝内不同部位采集了4 组支撑剂样品(图9)，分别位于水泥环外表面(水泥环)、距井筒0.3～0.5 m 的水平缝中上部(取样点1)、距井筒0.3～0.5 m 的水平缝下部(取样点2)、距井筒1.2 m 的T 形缝内(取样点3)。按照粒径大于1.70 mm(粗颗粒)、1.18～1.70 mm(中颗粒)、小于1.18 mm(细颗粒)将支撑剂颗粒分为3 类[26]。所获取的样品中，水泥环样品在视域内有77 颗支撑剂颗粒，其中粒径大于1.7 mm 有13 颗，占16.9%，粒径小于1.18 mm 有3 颗，占3.9%；取样点1 样品在视域内有87 颗支撑剂颗粒，其中粒径大于1.7 mm 有13 颗，占14.9%，粒径小于1.18 mm 有3 颗，占3.4%；取样点2 样品在视域内有40 颗支撑剂颗粒，其中粒径大于1.7 mm 有8 颗，占20%，粒径小于1.18 mm 有3 颗，占7.5%；取样点3 样品在视域内有81 颗支撑剂颗粒，其中粒径大于1.7 mm 有2 颗，占2.5%，粒径小于1.18 mm 有2 颗，占2.5%(表1，图10)。

图9 水平缝内各取样点支撑剂颗粒Fig.9 Proppant particles at each sampling point in the horizontal hydraulic fracture

表1 水平缝内各取样点支撑剂颗粒粒径分布Table 1 Particle size distribution of the proppant at each sampling point in the horizontal hydraulic fracture

图10 水平缝内各取样点支撑剂颗粒粒径分布Fig.10 Particle size distribution of the proppant at each sampling point in the horizontal hydraulic fracture

根据4 个取样点的支撑剂粒径对比，4 个样品内都以中颗粒为主，细颗粒含量都很低，且水泥环、取样点1、取样点2 的粗颗粒含量要高于取样点3，表明离井筒距离增加，支撑剂粒径逐渐变细，细颗粒相比粗颗粒更易在压裂液携运下移动到更远沉积。由压裂施工曲线可知，施工压力在中后期逐渐上升，推断由于近井端的砂堵，大量粗颗粒和中颗粒被限制在近井端，难以进入储层深部填充裂缝，导致该井的压裂效果并不理想。

2.2 水平缝软煤带内支撑剂沉积特征

在井筒西2.5 m 的巷道底部软煤带内，水平缝在此处停止延伸，水平缝内支撑剂充填(图7b)，开度3～5 mm，在此处采集了软煤带内支撑剂。支撑剂样品整体呈黑色，支撑剂颗粒、煤粉、煤岩碎粒混杂严重(图11)。支撑剂颗粒表面可见撞坑并附着煤粉(图11)，表明支撑剂颗粒在软煤带内移动不顺畅，沉积前经历过强烈的碰撞和混乱的水动力。且在沉积后，撞坑和煤粉会降低支撑剂颗粒的圆度，导致支撑剂颗粒呈不规则形状，变得棱角分明。不规则形状的支撑剂颗粒相互堆砌比圆度较好的支撑剂颗粒有着更差的孔隙空间(图12)，明显降低压裂裂缝的渗透性，抑制压裂流体继续进入裂缝空间[27-30]。

图11 软煤条带煤粉和支撑剂颗粒Fig.11 Pulverized coal and proppant particles in the soft coal zone

图12 煤粉充填孔隙空间Fig.12 Pore space filled with pulverized coal

2.3 水平缝软煤带内支撑剂空间特征

在井筒东1.2 m 的T 形缝区域(图13)，水平缝向软煤带内延伸约20 cm，软煤带厚6～10 cm，软煤带中由内向外形成煤粉带-支撑剂与煤粉混合带-支撑剂带的分带结构[31]，结合混合带内支撑剂颗粒的显微特征，可对支撑剂颗粒在软煤带内的堆积过程进行还原(图14)。

图13 T 形缝区域示意图Fig.13 Diagram of T shape fracture area

图14 水平缝在软煤带内延伸过程Fig.14 Extension process of the horizontal fracture in the soft coal zone

当水平缝在软煤带内延伸时，煤粉会通过裂缝前缘进入压裂液中，同时裂缝前缘会有一部分压裂液滤失进入软煤带内(图14a)。裂缝前缘内的支撑剂颗粒会被滤失的压裂液携带撞击软煤带，加速煤粉进入压裂液中和降低前缘内支撑剂颗粒的动能。而后续支撑剂颗粒被压裂液携带持续进入水平缝内，并向裂缝前缘移动，导致裂缝前缘内煤粉和支撑剂密度增大，支撑剂颗粒之间发生碰撞的频率和强度增大，煤粉也易附着在支撑剂颗粒上(图14b)。而当裂缝前缘内的支撑剂密度增大到一定程度，压裂液将无法携带支撑剂颗粒移动，此时软煤带内水平缝停止延伸(图14c)。但是压裂液向软煤带内的滤失还在进行，滤失的压裂液会将质量相对较轻、粒径小的煤粉通过支撑剂颗粒间的孔隙携带到水平缝边缘，在水平缝边缘形成支撑剂与煤粉混合带(图14d)。故水平缝内形成了由内向外的三段式分带结构。

3 转向垂直缝内支撑剂特征

转向垂直缝为压裂裂缝从水平缝形式转向垂直缝并在煤储层内延伸，在转向点位置往往水动力复杂，对支撑剂颗粒沉积有较大影响[21,23]。

3.1 小型转向垂直缝内支撑剂特征

1 号煤层气井井筒东1.2 m 的T 形缝区域(图13)，水平缝向上分支出垂直缝，在垂直缝内采集了支撑剂和带有垂直缝壁面的煤岩。

支撑剂颗粒粒径均匀，以中颗粒为主；颗粒表面干净，少有煤粉附着；部分颗粒表面有撞坑，但大部分撞坑较小(图9d)。

垂直缝面上有2 类差异明显的滑痕，一类为白色滑痕，痕迹深但稀疏，另一类为灰色滑痕，痕迹浅但密集。在两块带有裂缝面的煤岩上，两类滑痕具有不同的方向。煤样A 表面，两类滑痕在煤岩一端方向相似，在另一端方向相差约15°(图15)；在煤样B 表面，两类滑痕方向相差约70°(图16)。部分滑痕的一端为撞坑，表明该滑痕是支撑剂颗粒碰撞裂缝壁面后在壁面上滑动的痕迹。

图15 煤样AFig.15 Coal sample A

图16 煤样BFig.16 Coal sample B

根据支撑剂颗粒的形貌与堆积特征分析小型转向垂直缝内支撑剂的堆积过程。在压裂施工期间，压裂液携支撑剂移动到转向点时还具有较大动能，在转向点附近，支撑剂颗粒易碰撞到垂直缝面上，会降低支撑剂动能，易使支撑剂颗粒沉积，同时小型转向垂直缝受两条相连的水平缝影响，缝内流体流动状态复杂，支撑剂颗粒移动方向不定。

3.2 大型转向垂直缝内支撑剂特征

据微地震显示，2 号煤层气井压裂裂缝为以水平缝形式在煤储层内延伸。在近2 号煤层气井的巷道内(图17)，离井筒21.5 m 的巷道壁面1 上发现有垂直缝，而离井筒16 m 的巷道壁面2 上未发现有压裂裂缝，垂直缝高约3.5 m，最大开度达5 cm，内部充填满支撑剂，支撑剂压实紧密(图18)。故2 号煤层气井压裂裂缝先以水平缝形式在离煤层底板0～2 m 的范围内延伸，延伸至离井筒16～21 m 处转变为垂直缝在煤层内延伸。在垂直缝内采集了支撑剂。

图17 2 号煤层气井压裂裂缝延展Fig.17 Fracture surface extension of No.2 CBM well

图18 巷道壁面1 上垂直缝Fig.18 Vertical fracture on wall 1

2 号煤层气井在晋城成庄矿揭露，钻遇3 号煤层埋深段为384.86～391.26 m。该井压裂施工曲线如图19 所示，由于压裂初期，形成了垂直水力裂缝，沟通了煤储层中发育的内生裂隙和外生裂隙，压裂液滤失量增大，泵注压力显著下降。在压裂后期，随着裂缝延伸距离和摩阻增加，裂缝内部分区域可能出现支撑剂堵塞，井底压力出现波动并缓慢上升。

图19 2 号煤层气井压裂施工曲线Fig.19 Fracturing construction curves of No.2 CBM well

在显微镜下，支撑剂分选差，各种粒径支撑剂颗粒混杂在一起；支撑剂颗粒上凹坑较多，内部充填满煤粉(图20)；部分支撑剂颗粒表面附着较多煤粉，甚至少量支撑剂颗粒与煤粉相互粘附，形成大粒径的团聚集合体(图21)。

图20 大型转向垂直缝内支撑剂Fig.20 Proppant in the large steering vertical fracture

图21 大粒径的团聚集合体Fig.21 Large agglomerated particles

根据支撑剂颗粒的形貌与堆积特征对大型转向垂直缝内的支撑剂堆积过程进行分析。在压裂期间，此处水动力复杂，支撑剂颗粒的大量动能消耗在支撑剂颗粒之间、支撑剂颗粒与煤岩碎粒之间、支撑剂颗粒与裂缝壁面之间的碰撞上，导致各种粒径支撑剂都在此处沉积[21]。同时在转向点之前，水平缝内条件较好，压裂流体流动顺利，携砂能力较高，在转向点处还能携带粗颗粒，支撑剂颗粒能被压裂液携带到更远沉积[32-33]。

以上通过对2 个不同转向垂直缝内支撑剂的分析，压裂裂缝延伸形式转变会在转向点附近形成复杂的水动力微环境，扰乱压裂液携带支撑剂移动，降低支撑剂的前进动能，造成支撑剂提前沉积，甚至可能会造成砂堵，不利于压裂裂缝在煤层内延伸。同时，转向点之前水平缝延展状况、转向点离井筒距离、转向点规模大小等因素，也会造成转向垂直缝内支撑剂的分选性、煤粉附着特征、支撑剂颗粒移动到转向点时的动能等具有明显区别[33]。

4 认 识

笔者利用已开挖煤层气压裂井，以及在压裂裂缝内采集的支撑剂为第一手资料开展研究，获得了与前人研究结果和压裂施工效果预期不同的支撑剂新认识，有以下几方面。

第一，煤层中支撑剂石英砂的分布远比预期复杂，非均质性强。部分井近井筒堆积的支撑剂超过总量的一半；充填支撑剂的裂缝长度受到煤储层内原生裂隙系统的严格控制，其次是压裂施工参数的影响。

第二，在压裂裂缝中，支撑剂颗粒不会理想规律地分布在裂缝内，且支撑剂流动条件苛刻，难以运移沉积到预期指定位置。煤储层压裂裂缝的延伸形式、裂缝前缘的煤体结构、裂缝壁面粗糙程度、压裂液滤失性等因素都可能造成支撑剂提前沉积，导致实际充砂裂缝长度普遍短于预期长度。只有少数条件极好的压裂裂缝，其内部支撑剂铺展范围能达预期。

第三，笔者认为，大部分导流裂缝仿真模拟实验仅在理想环境下考虑支撑剂颗粒的移动和沉积，忽略了煤岩碎屑和煤粉混入压裂液、支撑剂颗粒碰撞、压裂液滤失等因素的影响。井下获取的支撑剂特征参数，有利于仿真模拟实验参数的科学设定，从而缩小模拟与实际效果差距。

第四，在生产中，支撑剂运移和沉积的最远位置对煤层气井有效改造和储层中关键导流通道的控制范围具有决定性作用。而大部分低产井受煤储层地质条件和现有技术的制约，支撑剂基本堆积在井筒周围，压裂裂缝远端(20～50 m)少有支撑剂堆积。因此，对于不同的煤储层条件，应当制定相应的压裂施工方案，同时在压裂作业中也应当根据压裂曲线响应，灵活调整压裂施工参数，以保证支撑剂具有足够远的运移距离且在压裂裂缝内均匀有效地铺置。

5 结 论

a.在水平缝内，随着距井筒距离增加，支撑剂粒径逐渐变细。在水平缝内软煤带中，支撑剂颗粒表面有撞坑和附着煤粉，表明支撑剂颗粒在沉积前经历过强烈的碰撞和混乱的水动力。同时，支撑剂颗粒沉积在软煤带内，由内向外形成煤粉带-支撑剂与煤粉混合带-支撑剂带的3 段式分带结构。

b.转向垂直缝内支撑剂受转向点影响，支撑剂颗粒移动方向变化大，且易发生碰撞，会导致支撑剂颗粒提前沉积。而转向点前水平缝延展状况、转向点离井筒距离、转向点规模大小等因素，也会导致转向垂直缝内支撑剂具有不同的形貌与堆积特征。

c.注入煤储层支撑剂受压裂裂缝类型、延展空间范围、壁面粗糙度、压裂施工参数等因素影响，不同裂缝部位内支撑剂颗粒的分选性、完整性、煤粉附着特征以及裂缝壁面痕迹等形貌与堆积特征往往不同，对支撑剂的堆积过程和压裂流体的流动特征具有指示意义。本研究能够为仿真模拟实验的参数设定提供科学依据和实验结果的有力验证。同时，对于现场同类型压裂施工设计及压裂效果预测具有一定的借鉴意义。

d.压裂裂缝内支撑剂受矿井下观测条件限制，加之裂缝形态的复杂性，需要加强不同部位支撑剂颗粒特征和空间分布的精细化和定量化研究，深入挖掘支撑剂展布与煤层条件和施工参数之间的关系。