煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

姜在炳，李浩哲，许耀波，张 群，李贵红，范 耀，降文萍，舒建生，庞 涛，程 斌

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

在“碳达峰、碳中和”背景下，天然气需求大幅增长[1-3]。2021 年10 月发布的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出，加快推进页岩气、煤层气、致密油气等非常规油气资源规模化开发。我国煤层气资源丰富，2 000 m 以浅煤层气地质资源量30.05 万亿m3，可采资源量12.50 万亿m3[4]。开发煤层气，不仅可以获得优质高效的清洁能源，而且可以减少温室气体的排放，助力“碳达峰碳中和”目标的实现。

碎软低渗煤层煤层气高效开发是制约我国煤层气产业化发展的技术难题之一[5-7]。此类煤层煤体结构差，整体富气，但物性差[8-12]，煤层气开发难度大，单井产气量低。为解决该技术难题，“十二五”期间提出了煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式[13-16]，通过将水平井布置在煤层顶板中并实施分段压裂，实现煤层气高效抽采。中煤科工集团西安研究院有限公司在淮北芦岭煤矿实施了一口煤层顶板分段压裂水平井，分7 段进行水力压裂，连续92 d 日产气量稳定在10 000 m3以上，创造了我国碎软低渗煤层地面煤层气井日产气量超万方的新纪录[17-19]。

“十三五”期间，依托国家科技重大专项课题“碎软低渗煤层地面煤层气抽采技术与装备”(2016ZX05045-002)，围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采模式，继续开展理论支撑研究、技术优化设计、工艺装备提升、成果规模化应用[20-28]。

在对煤层顶板分段压裂水平井抽采技术原理进行系统阐述的基础上，笔者以水力压裂有限元数值模拟为手段，以裂缝延伸规律为切入点，对煤层顶板水平井技术的地质适应性进行分析，并优化设计水平井布井距离(水平井水平段与煤层顶面的距离)、布井方位与最小水平主应力方向的夹角，探讨煤层顶板水平井分段多簇压裂的多裂缝竞争扩展问题，为煤层顶板分段压裂水平井技术的进一步推广应用提供借鉴。

1 煤层顶板分段压裂水平井技术原理

与常规水平井煤层气抽采技术不同，煤层顶板分段压裂水平井技术将水平井布置在距离煤层顶面一定距离的顶板岩层中，通过实施密切割分段水力压裂，沟通井筒与下部煤层，避免碎软煤层中水平井钻进时的易垮孔、固井质量差、压裂效果不理想等问题，以实现煤层气高效抽采，其技术原理如图1 所示。其中所述的煤层顶板，是指煤层以上一定距离范围内的几层岩层的总称。

图1 煤层顶板分段压裂水平井技术原理Fig.1 Schematic diagram of the staged fracturing horizontal well in coal seam roof

分段压裂形成的三维裂缝网络是煤层气渗流进入井筒的通道。若对煤层直接压裂，由于支撑剂在煤层中的压嵌作用[29-30]，会影响水力压裂裂缝的导流能力以及煤层气在裂缝中的渗流，尤其对于碎软煤层，裂缝更易闭合、堵塞[31-33]。而对于煤层顶板分段压裂水平井技术，其裂缝网络和渗流模式如图2 所示。顶板岩层中的裂缝能够更好地扩展并获得良好的支撑，即使煤层中裂隙间的沟通受限，但是煤层与顶板、顶板与井筒间的沟通能够得到有效保持，从而获得高产、稳产。

图2 煤层顶板水平井裂缝网络及渗流模式Fig.2 Schematic diagram of the fracture network and seepage pattern of the horizontal well in the coal seam roof

与常规煤层气抽采技术相比，煤层顶板分段压裂水平井技术具有以下5 方面主要优势。

(1)将水平井布置在顶板岩层中，可避免钻井过程中钻井液直接接触煤层，避免了储层污染。

(2)在碎软煤层中直接钻进时易垮孔、埋钻，在顶板中钻进可显著降低井下事故发生的概率，提升水平井钻井施工安全性、水平段钻进长度、钻井成功率。

(3)在煤层顶板水平段下套管固井，固井质量要优于直接在煤层中固井，可为大规模体积压裂改造提供基础，避免水平井分段压裂时发生段间窜流。

(4)与碎软煤层相比，煤层顶板具有高强度、高弹性模量、低泊松比的特点。从顶板压裂能够形成更长的裂缝，对水平井实施分段压裂可获得类似于页岩气井的体积压裂效果，从而提高煤层气的解吸和扩散速率，加快煤层气井产气速度。

(5)煤粉产出堵塞水力压裂裂缝是造成煤层气井中后期产能低的重要因素，而对于煤层顶板分段压裂水平井技术，煤层位于井筒下部，在重力作用下煤粉向井筒的运移受到抑制，降低了煤粉对通道的堵塞概率。

2 地质适应性分析

裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层，为煤层气进入井筒提供高速渗流通道，是技术成功应用的关键。对于裂缝的穿层扩展，地应力起到关键控制作用。

采用数值模拟方法，研究垂向应力差异系数、地应力剖面和层间应力差对于裂缝穿层扩展的影响，建立的数值模型如图3 所示。模型尺寸为10 m×20 m，网格均匀划分，尺寸0.2 m。模型设计为3 层，上覆岩层厚度10 m，顶板厚度5 m，煤层厚度5 m。井筒及注入点位于煤层顶板中，井筒沿X方向，注入点距离煤层顶部2 m。采用垂直向下定向射孔，射孔孔眼长度为0.4 m。压裂液为清水，密度1 000 kg/m3，黏度1.0 mPa·s，地应力状态根据研究的参数进行调整。上覆岩层、顶板岩层、煤层的岩石力学性质见表1。

图3 穿层压裂有限元数值模拟模型Fig.3 Finite element numerical simulation model of through-layer fracturing

地层界面性质对于裂缝的扩展形态具有重要影响，采用零厚度Cohesive 单元表征裂缝面和地层界面。数值模拟模型中，界面抗剪切强度采用库伦准则计算，由于界面黏聚力较低，模拟中假定为0，界面摩擦因数取0.50。

表1 模型计算参数Table 1 Simulation model parameters

2.1 垂向应力差异系数

定义垂向应力差异系数k：

式中：σv、σh分别为垂向应力和最小水平主应力，MPa。

对于顶板岩层，固定最小水平应力，改变垂向应力为9、11、13 和16 MPa，对应的垂向应力差异系数k为-0.18、0、0.18 和0.45，研究裂缝穿层扩展情况，结果如图4 所示。为了清楚地观察裂缝形态，将图中裂缝放大100 倍。当k=-0.18 时，垂向应力小于最小水平应力，裂缝起裂后形成水平缝，裂缝在顶板内扩展；当k=0 时，在顶板和煤层中形成复杂缝网，既有在顶板内扩展的水平缝，也有向煤层中穿层延伸的垂直缝，裂缝整体穿层效果被削弱；当垂向应力大于最小水平主应力，裂缝起裂后形成垂直缝，裂缝穿层扩展。较大的垂向应力差异系数能够保证裂缝从煤层顶板中起裂后形成垂直缝，这是裂缝穿层扩展进入煤层的基础。

图4 不同垂向应力差异系数裂缝扩展形态Fig.4 Fracture propagation morphology under different vertical stress coefficients

2.2 层间应力差

由于煤层与顶板岩石力学性质存在差异，煤层与顶板间地应力也存在差异。康红普等[34]对我国煤矿地应力数据的统计表明，弹性模量较大的岩石，水平应力较高，弹性模量较低的碎软破碎岩层，水平应力较低。对于构造复杂区，水平应力与岩层弹性模量成正相关关系，因此，对于碎软低渗煤层，顶板的水平应力高于煤层，淮北芦岭煤矿8 号煤[16]和山西赵庄煤矿3 号煤[35]的地应力数据验证了该结论，因此，主要研究顶板应力高于煤层的情况。

保持煤层地应力不变，增加顶板最小水平主应力，模拟了应力差由0 增大至5 MPa 时裂缝的穿层扩展形态，结果如图5 所示。6 种应力差条件下，裂缝均可实现穿层扩展，但煤层中裂缝长度和宽度不尽相同。随着应力差增大，煤层中有效裂缝长度逐渐增大，并且层间应力差越大，裂缝在顶板内起裂和延伸时的压力越高，进入煤层后流体能量瞬间释放，有利于激活煤层内部的天然裂隙，形成复杂缝网。较大的层间应力差可促进裂缝穿层扩展，但是当应力差大于3 MPa 后，这种促进效果逐渐减弱。

图5 不同层间应力差条件下裂缝扩展形态Fig.5 Fracture propagation morphology under different interlayer stresses between roof and coal seam

煤层与顶板之间不同应力差条件下，注入压力变化如图6 所示。裂缝从顶板起裂后进入煤层中扩展，应力差越大，裂缝起裂和延伸压力也越高(图6)。当注入时间为15～20 s 时裂缝跨煤岩界面穿层扩展，与顶板相比，煤层的最小水平主应力和岩石力学强度更低，注入压力均有不同程度的下降，层间应力差越大，延伸压力降低幅度越明显。从裂缝起裂压力变化可以看出(图7)，随着层间应力差从0 增大至5 MPa，起裂压力整体呈上升趋势，并且当应力差由0 增大至3 MPa 时，裂缝起裂压力增加幅度更为明显，当应力差超过3 MPa 后，增加幅度趋缓。

图6 不同层间应力差条件下注入压力随时间的变化Fig.6 Variation of injection pressure with time under different interlayer stresses between roof and coal seam

图7 不同层间应力差条件下起裂压力的变化Fig.7 Variation of fracture initiation pressure under different interlayer stresses between roof and coal seam

综合考虑裂缝穿层扩展效果以及压裂施工压力，层间应力差为1～3 MPa 时，既能满足裂缝穿层扩展要求，也可避免施工压力过高。

以上研究表明，为保证裂缝穿层扩展，沟通井筒与下部煤层，顶板最小水平主应力应大于煤层。而针对煤层气直井压裂改造提出的间接压裂(IFVC)技术[36-37]，则是优选顶板应力低于煤储层条件，射孔时同时射开顶板和煤层，压裂时裂缝在应力较低、脆性较强的顶板岩层中或煤层与顶板界面处扩展，使裂缝与下部煤层接触，依靠煤层本身较高的垂向渗透率，实现煤层气高效抽采。而对于煤层顶板分段压裂水平井技术，其主要针对碎软低渗煤层提出，煤层本身渗透率低，必须依靠裂缝穿层扩展，沟通井筒与煤层，为煤层气渗流提供通道，其技术原理与间接压裂技术有所不同。此外，我国煤层普遍低渗，因此，煤层顶板分段压裂水平井技术对于我国煤储层情况具有更强的适应性。

2.3 地应力剖面类型

地应力剖面对于裂缝的纵向扩展具有重要影响。“上覆岩层-顶板-煤层”可能存在不同的地应力剖面类型。

模拟了“上覆岩层-顶板-煤层”地应力剖面分别为“高-中-低”(12 MPa-11 MPa-10 MPa)、“低-高-低”(10 MPa-11 MPa-10 MPa)、“低-高-中”(9 MPa-11 MPa-10 MPa)3 种类型时的裂缝延伸形态，结果如图8 所示。裂缝在顶板内起裂后同时向上部和下部延伸，裂缝下端到达煤层界面后可实现穿层扩展沟通井筒与下部煤层，并且3 种地应力剖面条件下裂缝穿层延伸效果相同。需要注意的是，模型中注入点与煤层顶面距离为2.0 m，而顶板岩层总厚度为5 m，裂缝从顶板起裂后，同时向上部和下部扩展，裂缝下端到达顶板下部的时间要先于裂缝上端到达顶板上部，裂缝率先进入煤层。并且由于煤层强度较低，最小水平主应力低于顶板岩层，因此，能够实现较好的穿层扩展。为了对比不同布井距离对于裂缝穿层扩展的影响，模拟了当距离增大至4 m 时3 种地应力剖面类型对应的裂缝扩展形态，结果如图9 所示。对于“高-中-低”和“低-高-低”型地应力剖面，裂缝均可实现穿层扩展，并且“高-中-低”型煤层中裂缝长度更长，裂缝穿层扩展效果更好。对于“低-高-低”型地应力剖面，裂缝上端首先到达上覆岩层与顶板的界面，但是由于上覆岩层强度较高，抑制了裂缝向上扩展，使裂缝继续向下部煤层方向延伸实现了穿层。“低-高-中”型地应力剖面裂缝穿层扩展效果最差，裂缝在煤层顶板中扩展后进入地应力较低的上覆岩层扩展，极大地削弱了裂缝的穿层扩展效果。

图8 不同地应力剖面条件下裂缝穿层延伸形态Fig.8 Fracture propagation morphology in different in-situ stress profiles

图9 不同地应力剖面裂缝穿层延伸形态Fig.9 Fracture propagation morphology in different in-situ stress profiles

因此，当地应力剖面为“高-中-低”和“低-高-低”型，并且煤层顶板厚度较大的岩层能够抑制裂缝向上部扩展时，水平井布置在煤层顶板岩层中均能获得较好的穿层效果。但是当地应力剖面为“低-高-中”型时，水平井与煤层顶面的距离对于裂缝的穿层扩展效果影响很大，较大的布井距离和较高的施工排量均可能导致裂缝向顶板上部扩展失控，从而使裂缝向下穿层扩展效果变差。

水平井布井距离及钻进层位的优选需要综合考虑目标煤层附近的地应力剖面、顶板岩性组合等因素，整体而言，距离越近，裂缝穿层扩展效果越好，推荐水平段与煤层顶面距离小于2.0 m。

3 水平井布井方位与最小水平主应力方向的夹角

采用有限元数值模拟方法，研究水平井与最小水平主应力方向呈不同夹角时，水力压裂裂缝的延伸形态，结果如图10 所示。当水平井与最小水平主应力方向夹角较小时(0°～15°)，水力压裂时形成与井筒垂直的横向裂缝，具有与地层较大的接触面积。随着夹角的增大(45°～60°)，裂缝起裂后发生明显转向，最终仍旧沿着最大水平主应力方向延伸。夹角越大，裂缝转向半径和转向距离越大。裂缝转向扩展处裂缝宽度小，不利于支撑剂在裂缝内的运移，从而使支撑剂堆积在近井筒区域。并且裂缝起裂压力升高，近井迂曲摩阻增大，地面施工压力升高，不利于压裂施工。

图10 不同布井方位角条件下裂缝延伸形态Fig.10 Fracture propagation morphology with different well placement azimuths

对于分段压裂，在压裂段间距相同的条件下，对比了水平井井筒方向与最小水平主应力方向夹角分别为0°和45°时裂缝的延伸形态，结果如图11 所示。当夹角为0°时，第1 段压裂形成的裂缝对第2 段压裂裂缝的延伸无明显影响，裂缝两翼对称扩展，2 条裂缝均能获得充分的延伸。而当夹角为45°时，裂缝起裂后向最大主应力方向偏转，裂缝延伸阻力增大。第1 段压裂形成的裂缝两翼近似对称扩展，而第2 段压裂形成的裂缝由于受到第1 段压裂裂缝的影响，其两翼出现不对称扩展的情况，裂缝上翼延伸受限，主要向下部延伸，并且转向处裂缝宽度更窄，不利于支撑剂向裂缝端部输送，压裂效果变差。

图11 不同布井方位角双裂缝延伸形态Fig.11 Fracture propagation morphology for double fractures with different well placement azimuths

因此，建议水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角在0°～15°范围为宜。

4 水平井分段多簇压裂

针对煤层顶板水平井，模拟了单段2 簇射孔和单段3 簇射孔条件下裂缝的延伸形态，模型如图12 所示。顶板岩层弹性模量3.0 GPa、泊松比0.30，三向主应力分别为16.0、13.0 和11.0 MPa。采用清水压裂，压裂液泵注排量10 m3/min，压裂液黏度1.0 mPa·s，压裂液密度1 000 kg/m3。单簇射孔数量为15 孔和30 孔，孔眼直径10 mm。水平井井筒注入点位于模型右侧2 簇射孔时，压裂液从射孔簇1 和射孔簇3 进入地层，射孔簇间距为40 m。对于3 簇射孔，压裂液同时进入射孔簇1、射孔簇2 和射孔簇3，射孔簇间距为20 m。

图12 分段多簇压裂有限元数值模拟模型Fig.12 Finite element numerical simulation model of staged multi-cluster fracturing

对于2 簇射孔，簇间距40 m，单簇15 孔和单簇30 孔的裂缝延伸形态分别如图13a 和图13b 所示。对于单簇射孔15 孔情况，2 个射孔簇裂缝半长均为46.10 m。对于单簇30 孔的情况，裂缝半长分别为40.96、51.77 m。由于裂缝间的竞争扩展现象，段内多裂缝扩展受到压裂液井筒流动摩阻、射孔孔眼摩阻以及缝间应力干扰作用的综合影响[38-42]，2 条裂缝未能实现均匀扩展，并且射孔簇距注入点越近，获得的压裂液分配越大，裂缝扩展优势也越大。这是由于裂缝距离注入点越近，压裂液进入裂缝的流动摩阻越小。单簇30 孔条件下，右侧裂缝根部受到左侧裂缝挤压，宽度降低，不利于后期支撑剂的输送。单簇15 孔条件下裂缝的扩展均匀程度高于30 孔，2 个射孔簇裂缝长度相等。这是由于射孔孔眼数量减少，增大了射孔孔眼摩阻，起到了限流压裂作用，促进裂缝的均匀扩展，但是裂缝延伸压力也相应提高(图14)。

图13 2 簇射孔条件下裂缝延伸形态Fig.13 Fracture propagation morphology for two-cluster perforation

图14 2 簇射孔条件下注入点压力变化Fig.14 Variation of injection pressure at the injection point for two-cluster perforation

对于3 簇射孔，簇间距20 m，单簇15 孔和单簇30 孔的裂缝延伸形态分别如图15a 和图15b 所示。单簇15 孔条件下，裂缝半长分别为40.96、24.70 和51.77 m；单簇30 孔条件下，裂缝半长分别为40.96、4.65 和46.10 m。3 簇裂缝未能实现均匀扩展，由于侧边裂缝的应力干扰作用，中间裂缝的延伸受到抑制。对于单簇30 孔的情况，中间射孔簇在压裂后期停止延伸，并且在两侧裂缝的应力干扰下发生闭合。而对于单簇15 孔的情况，射孔孔眼摩阻提高，起到了限流压裂的作用，尽管裂缝长度较单簇30 孔更加均匀，但是中间射孔簇延伸后对两侧裂缝的根部造成挤压，不利于后期支撑剂的输送，并且裂缝延伸压力也相应提高(图16)。

图15 三簇射孔条件下裂缝延伸形态Fig.15 Fracture propagation morphology for three-cluster perforation

图16 3 簇射孔条件下注入点注入压力变化Fig.16 Variation of injection pressure at the injection point for three-cluster perforation

与单段单簇射孔相比，在同样的泵注排量及压裂施工规模条件下，多簇射孔能够产生多条裂缝，但是单条裂缝长度和宽度均降低，水力压裂影响范围也会减小。此外，由于多个射孔簇间的压裂液分流作用，也可能导致部分裂缝在纵向上无法实现穿层扩展，影响压裂效果。

对于煤层顶板水平井分段多簇压裂施工，多裂缝同步扩展时存在竞争扩展现象，需要综合考虑地质情况和压裂施工参数，通过优化设计射孔簇孔眼数量、簇间距等，借助限流压裂、极限限流压裂或裂缝暂堵技术[43-45]促进段内多裂缝的均匀扩展，提高射孔簇效率及压裂改造效果。

5 工程验证

基于上述研究成果，在晋城矿区某井田开展工程应用。在含气量较高(≥10 m3/t)、煤层厚度较大(≥4.0 m)的优选区域，开展煤层顶板分段压裂水平井煤层气抽采工程试验。根据室内实验测试结果，目标煤层顶板弹性模量2.73 GPa，泊松比0.25，煤层坚固性系数0.62，弹性模量0.95 GPa，泊松比0.35。

水平井沿最小水平主应力布置，为保证裂缝穿层扩展，沟通井筒与下部煤层，设计水平井与煤层顶面距离在2.0 m 以内。X-01 井水平段长746.86 m，分8 段进行水力压裂改造，其中第3 段分2 簇射孔，单簇射孔数量为30 孔。施工过程中对第3 段和第7 段进行微地震监测，监测及解释结果见表2。

表2 水平井压裂裂缝微地震监测结果Table 2 Microseismic monitoring results of horizontal well hydraulic fracturing

微地震监测结果表明，2 段主裂缝产状均为垂直裂缝，裂缝穿层扩展，实现了煤层与水平井筒之间的沟通，且从缝长、缝高判断，2 段压裂均形成了具有一定导流能力裂缝，实现对煤层的强化改造，取得了良好的压裂改造效果。第7 段压裂形成的裂缝高度比第3 段小、裂缝长度比第3 段长，改造效果优于第3 段，由此也验证了顶板水平井距离煤层的距离越近、压裂施工压力越低，定向穿层压裂效果越好的理论认识。同时，从第3 段压裂施工效果也可以看出，两射孔簇裂缝未能实现均匀扩展，并且距离井口近的射孔簇裂缝延伸效果优于远端射孔簇，与前文单簇30 孔射孔施工时裂缝非均匀扩展数值模拟结果相吻合。

X-01 井自2019 年1 月开始排采，最高日产气量1.15 万m3，稳产6 000～8 000 m3。截至2020 年12 月累计产气325 万m3，目前稳产4 000～5 000 m3，取得了良好的生产效果，由此也验证了煤层顶板分段压裂裂缝延伸规律的正确性。

6 结 论

a.煤层顶板分段压裂水平井煤层气抽采技术通过优化布井位置，解决了碎软低渗煤层煤层气高效抽采难题，利用顶板岩层中分段压裂形成的稳定支撑裂缝，实现碎软低渗煤层煤层气井的高产和稳产，具有避免钻井液污染储层、提高水平井钻井施工安全性、提高固井质量、提高压裂改造效果和减少煤粉堵塞通道等综合技术优势。

b.较大的垂向应力差异系数能够保证裂缝在顶板内起裂后形成垂直缝。顶板与煤层的层间应力差为1～3 MPa 时，既能够保证裂缝的穿层扩展，也能避免裂缝的起裂和延伸压力过高。

c.当地应力剖面为“高-中-低”和“低-高-低”型，并且顶板岩层上部具有厚度较大的岩层能够抑制裂缝向上部扩展时，水平井布置在顶板岩层中均能获得较好的穿层效果。而对于“低-高-中”型应力剖面，布井距离对于裂缝的穿层扩展效果影响较大，整体而言，水平井布井距离越小，裂缝穿层扩展效果越好。

d.水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角越大，裂缝扩展的转向半径和转向距离越大，越不利于裂缝延伸和支撑剂输送，并且同样的压裂段间距条件下，当夹角为0°时缝间干扰程度小于夹角为45°的情况，优化水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角为±15°以内。

e.煤层顶板分段压裂水平井工程应用取得了良好的产气效果，可为相似地层条件煤层气高效抽采提供借鉴。