煤岩二次压裂裂缝扩展影响因素试验研究

李东贤，张万春，竺 彪

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

二次压裂技术是指一口井在进行过初次或多次压裂措施后，为提高油气井产能而再次进行压裂改造的技术。煤气藏属于低渗透非常规气藏，水力压裂技术是提高煤层气井产量的重要措施[1]。与常规储层相比，煤岩具有低杨氏模量、高泊松比、低抗拉和抗压强度的特征，天然裂缝发育并且各向异性明显，垂直层理和平行层理的力学性质有很大差别[2，3]。由于煤层气储层结构的复杂性以及初次水力裂缝的存在，使得二次压裂造新缝的条件和裂缝扩展的机理更加复杂。国内外学者针对煤层的水力裂缝的扩展规律进行了一系列试验研究。Bell 等[4]、Abass[5]通过中阶煤样压裂试验发现，水力裂缝发育不规则，多呈不对称分布，且水力裂缝主要沿垂直于最小水平主应力方向扩展，同时也会沿着割理延伸。在国内邓广哲等[6]、杜春志[7]、杨焦生等[8]、张羽等[9]开展了天然煤样的水力压裂模拟试验，主要研究了地应力、隔层以及排量对水力裂缝扩展的影响。试验表明水力裂缝主要沿着垂直于最小地应力方向扩展，并且煤样中的割理系统对裂缝扩展有一定影响，同时发现垂向应力的大小和界面胶结强度一定程度上影响裂缝的垂向扩展。由于大尺寸煤样制备难度大，采用天然煤样进行二次水力压裂试验的研究还较少。因此，本文采用真三维试验系统，对采自沁水盆地南部晋城地区的高煤阶大块煤样进行室内物理模拟，研究了天然裂隙及割理、地应力、排量等因素综合影响下二次裂缝的扩展规律。

1 试验准备

1.1 试验装置和试件制备

本次压裂物理模拟试验应用中国石油大学（北京）储层改造实验室设计的一套真三轴模拟试验系统。该系统由大尺寸真三轴试验架、MTS 伺服增压泵、稳压源、油水隔离器及其他辅助装置组成（见图1）。仪器可装入最大试件尺寸为400 mm×400 mm×400 mm，X、Y、Z三轴可加载最大载荷分别为15 MPa、30 MPa、15 MPa，双缸恒速/恒压泵最大排量为60 mL/min。

图1 真三轴水力压裂模拟试验系统（Ma X，2017）[10]

试验使用的天然煤岩采自沁水盆地南部晋城地区的永安煤矿。由于煤块硬度较低易破碎，在试件制备时把天然煤样放入专用的模具中，在煤样周围用混凝土填充，以保证煤样的完整性。制备完成的试件尺寸为300 mm×300 mm×300 mm，待混凝土凝固后，沿垂直层理方向在试件中部钻一个直径16 mm、长165 mm 的沉孔，再用环氧树脂胶将外径15 mm、内径8 mm、长135 mm 的定制钢管粘接到试件的中心孔中作为模拟井筒，在其下部留有30 mm 的裸眼井段，压裂模拟时将在该井段形成初始裂缝。试验采用活性水作为压裂液，在初次压裂时添加绿色染色剂，二次压裂时添加蓝色染色剂，用以区分两次水力裂缝。试件的力学参数（见表1）。

表1 试件的基本力学参数

1.2 试验方案

煤样的天然裂隙和割理系统、地应力状态和排量对水力裂缝的扩展有重要影响，本试验主要对这三个因素进行分析研究。试件的受力情况（见图2），试验的总体思路：通过改变试件的水平主应力差大小、垂向应力的大小和排量，来综合研究水力裂缝的扩展规律。在初次压裂完成后，水平最大和最小应力进行置换，再进行二次压裂。为了真实模拟煤样在地下的受力状态，结合柿庄南实际地质状况，本次试验参数设置（见表2）。

表2 试验参数表

图2 试件剖面示意

2 试验结果与分析

2.1 水平主应力差、天然裂缝对水力裂缝扩展的影响

采用红线表示初次裂缝，蓝线表示二次裂缝，黄线表示天然裂缝和割理系统。对比试验结果可以得出：

当水平应力差在2 MPa 时（试件1），初次裂缝并不是完全单一的沿着垂直于最小水平主应力方向扩展，而是逐渐偏向最大水平主应力方向（见图3（a）），主要是受试件本身存在的天然裂缝的发育方向和裂缝的闭合程度等因素影响所致；而二次裂缝继续沿着初次裂缝延伸，与天然裂缝相遇后被其捕获，开始沿着天然裂缝的发育方向延伸；观察岩样的内部剖面，发现压裂液主要在初次压裂形成的主裂缝和岩样的天然裂缝内运移（见图3（b））。

当水平应力差为4 MPa 时（试件2），初次裂缝继续沿着垂直于最小水平主应力方向延伸，在与岩样的天然裂缝相遇后停止原方向的延伸，转为沿着天然裂缝扩展；初次裂缝到达水平方向的边界后继续在垂向方向扩展，形成了一条“工”型缝（见图3（d））；当应力场发生变化时，二次裂缝不会继续沿着老缝和天然裂缝延伸，形成了新的水力裂缝，裂缝沿着垂直于初次裂缝的方向扩展（见图3（c））。

图3 水平应力差2 MPa、4 MPa、8 MPa 时形成的裂缝形态

试件3 天然裂缝发育（见图3（e）、（f）），天然裂隙遍布于整个试件表面，压裂时压裂液滤失量大，不能形成有效的憋压，裂缝扩展没有固定规律，形成宽裂缝的可能性比较大，试件3 在压裂试验之前就已经高度破碎，因此水力裂缝并不能穿过这些预先存在的大开度的天然裂缝，整体水力裂缝形态取决于天然裂缝的分布。

2.2 排量对水力裂缝扩展的影响

从试验结果可以看出排量对裂缝复杂度存在一定的影响，当排量较低，如10 mL/min 时，由于裂缝内能量较低，压裂液优先选择优势路径流动，如试件内部发育的天然裂缝和层理，若天然裂缝直接没有沟通，压裂液在裂缝内堆积，压力升高，胶结薄弱的天然裂缝进一步开启延伸，水力裂缝形态受天然裂缝的发育情况影响很大（见图4（a））。随着排量增加到30 mL/min 时，裂缝内能量增加，水力裂缝在进入已开启的天然裂缝后，会产生新的起裂点，并沿起裂点向周围扩展，在此过程中水力裂缝大都能重新开启已闭合的天然裂缝，并沿着天然裂缝继续扩展（见图4（b）），裂缝的复杂度相对10 mL/min 时较高。当排量继续增加到一定程度后，如60 mL/min 时，压后裂缝复杂度最高，压裂液不仅可以在优势路径中滤失流动，还在裂缝面中起到润滑剂的作用，降低了裂缝的抗剪强度[11]，流体能量增加，水力裂缝更容易穿透天然裂缝和层理而不会被其捕获，产生新的裂缝（见图4（c））。因此在实际生产中，适当提高排量有助于提高储层的改造体积，增加水力裂缝的复杂程度。

图4 不同排量下的裂缝形态

2.3 煤岩压裂曲线分析

从试件6 的压裂曲线可以看出，试验开始后，压裂液逐渐注入试件中，由于煤岩天然裂缝特别发育但之间的连通性较差，压裂液首先进入煤岩的天然裂隙中，压力开始升高，当泵注压力高于煤岩的最小破裂压力时，天然裂隙会在很短的时间内打开，接着在井筒附近形成多条水力裂缝。水力裂缝的方向和形态受地应力和天然裂缝同时控制。此时井筒附近的压裂液填充到水力裂缝中，压力骤降，裂缝也停止扩展。随着试验的进行，压裂液在裂缝中不断累积，压力又开始升高，当压力再次高于破裂压力时，之前形成的水力裂缝会继续延伸，同时也可能形成新的水力裂缝。整个压裂过程一直重复着这样的循环，直到最后试件完全破裂。

对比初次和二次压裂曲线，以试件6 为例（见图5）。初次压裂时试件6 在192 s 时破裂，破裂压力为22.64 MPa，二次压裂时在276 s 时破裂，破裂压力为16.39 MPa。二次破裂压力比初次破裂压力小，分析原因是因为在初次压裂结束后，煤岩内部形成由水力裂缝和天然裂缝构成的复杂缝网，渗透率提高，再进行二次压裂时，压裂液会选择优势路径运移，从而使破裂压力降低；而且试件6 岩样本身天然裂缝发育，压裂液主要还是沿着初次压裂形成的主裂缝运移，裂缝内压力一直低于初次压裂的压力。

图5 试件6 初次、二次压裂曲线对比

3 现场实例应用

沁南盆地3#煤层为石炭-二叠系海陆交互相沉积组合，位于山西组下部，在层位和厚度上分布均较稳定，储层天然裂缝与面、端割理发育，煤体结构多为碎裂煤或碎裂-碎粒煤，目的煤层顶底板泥岩发育，煤层埋深主要集中在700～1 200 m 内，厚度主要集中在4～7 m，井区周围无断层。

根据沁南盆地柿庄南3#煤层压裂曲线分析表明，在施工过程中压裂液在煤层中高速流动冲刷煤表面易产生煤粉，同时压裂液中的支撑剂也会与煤层摩擦产生煤粉，造成压裂过程中煤粉在裂缝前缘堆积，导致压力迅速上升，异常波动，破裂压力显示不明显，而且因煤层天然裂缝与割理发育，施工过程中裂缝和割理面的开启与闭合使得压力曲线出现急剧上升或下降，从而进一步加剧了压力的波动，这与之前试验观测的现象是一致的（见图6～图8）。

图6 柿庄南XX-1 井压裂曲线

图7 柿庄南XX-2 井压裂曲线

图8 柿庄南XX-3 井压裂曲线

4 结论

（1）煤岩水力裂缝扩展是地应力和天然裂隙综合影响的结果。

（2）二次压裂中水平应力差较小时，难以形成新的水力裂缝，裂缝主要沿着初次裂缝和天然裂隙扩展；水平应力差较大时裂缝会发生转向，形成新的分支缝。

（3）在一定的条件下，煤层中天然裂缝的开启以及孔隙压力的变化会对近井地带的应力场产生影响，应力场的变化会使水力裂缝的扩展方向发生变化。

（4）在煤层气生产中适当提高排量，能有效提高储层改造体积，增加水力裂缝的复杂性。