煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

庞 涛，姜在炳,*，惠江涛，贾秉义

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；3.青海油田公司第五采油厂，青海 海西 817000)

我国煤层气资源丰富，但碎软低渗煤层发育广泛，常规压裂技术效果差、单井产气量低[1-3]。通过多年技术发展，煤层顶板水平井和煤矿井下定向长钻孔分段压裂技术已经成为碎软低渗煤层发育区煤层气高效开发和矿井区域瓦斯治理的主要技术之一[4-8]，定向射孔孔眼是压裂施工前井筒沟通地层的唯一通道，是水力压裂裂缝的起裂点，是影响裂缝形态的关键[9-10]。对于顶板水平井/孔压裂而言，理想的裂缝能够快速进入煤层且主要在煤层中扩展，形成较大的煤层改造体积。但含煤地层结构复杂，煤/岩层中可能发育层理、界面等弱面，影响裂缝的穿层扩展，可能造成压裂能量集中于非煤岩层中，在工程施工中表现为裂缝起裂扩展泵压高、加砂困难等，改造效果差。所以，有必要针对煤系水平井定向射孔压裂裂缝的扩展机制进行研究，探寻有利于煤层改造的工程措施。

对于常规储层而言，前人基于弹性力学提出了水力压裂裂缝起裂压力计算模型[11]；建立了考虑地层天然裂缝、煤层割理的起裂特征分析模型，由模型可知不同完井方式水力压裂的起裂压力和相应起裂模式不同[12-15]。对于层状地层，层间应力差是影响裂缝能否穿层的重要因素[16-17]，大排量压裂有助于裂缝垂向延伸[18-19]，通过裂缝垂向扩展数学模型可获得裂缝穿层扩展、停止扩展和转向扩展的判别准则[20]。由物理模拟实验可知裂缝在界面附近会出现穿层、产生次生裂缝、发生扭转或沿界面扩展的行为[21]；裂缝从砂岩层进入泥岩层难度大[22]；地应力差异系数越大、非连续面走向角度越高，裂缝越容易贯穿[23]。另外，顶板压裂时水平井空间位置也影响裂缝扩展[24]。以上研究对于认识定向射孔压裂裂缝扩展机理均具有重要意义，但是针对煤层顶板水平井定向射孔条件下的压裂裂缝扩展机制的相关研究较少。笔者采用ABAQUS 模拟裂缝的扩展形态，采用黏聚单元(Cohesive)预设裂缝的扩展路径，研究裂缝在顶板弱面、煤岩界面等处的扩展特征，分析不同结构顶板岩层、水平井筒位置条件下裂缝扩展规律并讨论其机制，以期为现场压裂施工提供支持。

1 煤系水平井压裂工程地质模型

顶板水平井井眼布置在煤层顶板，定向射孔孔眼垂直井筒向下，实际工程中受煤层起伏、井眼轨迹调整等影响，射孔孔眼位置存在多种可能，包括全部位于顶板岩层中、部分位于顶板岩层部分位于煤层和全部位于煤层3 种情况。同时，取心显示煤层顶板结构特征可分为两类：结构完整，取心能够获得较为完整的柱状岩心，如图1a 所示；相对破碎，难以获取较长柱块岩心，出心时即沿结构面断裂呈层状圆柱块，如图1b 所示。

图1 不同结构特征岩心Fig.1 Cores with different structural characteristics

顶板岩层结构结合射孔孔眼位置，可建立5 种压裂工程地质模型，如图2 所示。

图2 顶板压裂地质模型Fig.2 Geological model of fracturing in coal-bearing strata

2 水平井定向射孔压裂分析模型

2.1 数值模型

水力压裂裂缝扩展过程是水力裂缝与储层基质的耦合、孔隙压力与有效应力的动态耦合过程，采用有限元分析软件ABAQUS 模拟裂缝的扩展形态。在储层基质单元边界上嵌入零厚度的黏聚单元(Cohesive)是模拟水力压裂裂缝扩展的重要手段之一。本文采用黏聚单元(Cohesive)预设裂缝在煤层及顶板岩层中的扩展路径，研究裂缝在煤层、岩层、层理及煤岩界面等处的扩展特征，分析不同结构顶板岩层、水平井筒位置条件下裂缝扩展规律。

以射孔孔眼完全位于煤层中为例，二维数值模型如图3 所示，模型上、下分别为2.5 m 厚的顶板和底板岩层，模型中部为5 m 厚的煤层。模型中共插入6 个零厚度单元层，用于表征裂缝的起裂和扩展，其中顶板内设置1 个，表征顶板岩层本体可能形成的裂缝，底板内设置1 个，界面设置2 个，分别表征顶、底板界面可能形成的裂缝，煤层中设置2 个，表征煤层本体可能形成的垂直裂缝和水平裂缝，煤层和顶、底板岩层水平应力差为1 MPa。

图3 数值模型Fig.3 Numerical model

水平井井筒沿水平方向布置，井筒及定向射孔孔眼(预制初始裂缝)位于煤层中部，射孔孔眼长度为0.8 m。采用变密度的网格划分方法，对裂缝扩展范围的网格进行加密，模型上下侧施加垂向应力σv，两侧分层施加最小水平主应力σh，最大水平主应力为σH。

2.2 模型参数

数值模型采用文献[25]中相关参数，具体见表1、表2，采用清水压裂，二维注液流量为1.0×10-4m2/s[26]。

表1 模型参数[25]Table 1 Parameters of numerical model[25]

表2 黏聚单元参数[25]Table 2 Cohesive parameters[25]

根据康红普等[27]统计的1 357 个地应力数据可知，我国煤矿区地应力状态类型多样，浅部地层(埋深150 m以内)以逆断层型应力状态(σH>σh>σv)为主，千米深井以正断层型应力状态(σv>σH>σh)为主，介于两者之间的以走滑型应力状态(σH>σv>σh)为主。垂向应力与最小水平主应力差异，即 σv-σh值，是影响裂缝穿层扩展的主要因素，故本文选用不同 σv-σh值进行研究，分析其对裂缝扩展形态的影响。

2.3 模型验证

为验证模型对现场工程描述的准确性，将模拟结果与现场工程结果进行对比。王生维[28]对沁水盆地南部寺河矿、成庄矿的煤储层压裂裂缝延展几何形态进行了井下实地观察和描述，其结果是验证模型准确性的最优依据。SH-125 井煤层深度为426.55 m，属于中浅部煤层，且煤体结构相对完整，有利于与均质模型对比。文献[28]指出在煤层上部形成垂直裂缝，在界面处形成水平裂缝，呈“T”型展布(图4)。山西寺河煤矿地应力场为典型的构造应力场，即σH>σv>σh，平均最大水平应力 σH为14.53 MPa，最小水平应力 σh为7.27 MPa，垂向主应力σv为9.36 MPa，对应的σv-σh=2.09 MPa[29-30]。本文以此地应力参数进行数值模拟和对比分析，裂缝扩展形态如图5 所示。

图4 裂缝解剖形态[28]Fig.4 Scheme of hydraulic fractures[28]

图5 数值模拟裂缝扩展形态Fig.5 Numerical simulation of fracture propagation

由图5 可以看出，裂缝首先在预制初始裂缝上下端同步起裂，形成垂直裂缝，向上下侧延伸接触到煤岩界面即停止垂向扩展，随之沿界面水平扩展，形成上下端水平、中部垂直的“工”字型裂缝。

模型考虑了顶底板岩层特征，而现场实际受巷道掘进等限制未对裂缝遇到底板岩层时的裂缝扩展情况进行描述，与模拟结果存在差异，但模拟结果精确地描述了在相同应力条件下，在煤层中扩展的裂缝遇到煤岩界面即停止垂向延伸、沿界面扩展成水平裂缝的过程，最终形成垂直裂缝+水平裂缝的复合型裂缝形态，证明了数值模型能够有效地描述煤系裂缝扩展过程。

3 煤系裂缝扩展机制研究

将 σv-σh值分别设置为-4、-2、0、2、4 MPa，分析不同应力差、不同顶板岩层结构及工程条件下裂缝扩展特征。

3.1 射孔孔眼位于煤层中

如图6 所示，当 (σv-σh)=-4、-2 MPa 时，裂缝受地应力影响明显，形成较宽的、端部钝化的水平裂缝；σv-σh=0 MPa时仅形成发育于煤层中的较宽垂直裂缝；σv-σh=4 MPa时形成宽度小、缝端尖锐的垂直裂缝，且裂缝能够迅速穿越界面，在上下岩层中形成较窄的垂向裂缝。可见只要射孔位置位于煤层中，无论应力差大小，裂缝都主要在煤层中扩展。当垂直应力较大时裂缝能穿透界面进入上、下岩层，但在岩层中的裂缝相对于煤层更窄，支撑剂很难进入，有效裂缝仍主要在煤层中。可以据此认为，当水平井射孔孔眼位于煤层中时，裂缝呈“-”“│”“工”型，顶底板岩层及界面能够对裂缝形成“阻隔”，使裂缝在煤层中及界面扩展，有利于煤层改造。

图6 煤层中裂缝扩展形态Fig.6 Fracture propagation in coal seam

3.2 射孔孔眼在顶板中

3.2.1 顶板岩层层理发育

如图7 所示，当 (σv-σh)=-4、-2 MPa时形成沿层理面的“-”型水平缝；σv-σh=0 MPa时裂缝主要沿层理面扩展，形成两平一竖的非对称型裂缝；σv-σh=2 MPa时形成沿层理水平扩展的非对称“工”字型裂缝；σv-σh=4 MPa时裂缝扩展受垂向应力控制明显，形成的垂直裂缝能够直接穿越层理和界面，在煤层中形成宽、短形态的裂缝。可见对于层理发育的顶板岩层，σv-σh=4 MPa 时裂缝才能够延伸进入煤层，形成有效裂缝。应力差和层理控制着裂缝的扩展形态，应力差小于0 MPa时裂缝沿层理水平扩展，形成“-”型缝；应力差为2 MPa时首先形成垂直缝，但穿层能力不足，遇界面后形成“-”型缝，应力差大于 2 MPa后，能够形成进入煤层的“│”型缝。

图7 层理发育顶板中裂缝扩展形态Fig.7 Fracture propagation in the bedding developed roof strata

3.2.2 顶板岩层层理不发育

如图8 所示，当 σv-σh=-4 MPa时只能在煤层顶板形成水平缝；σv-σh=-2 MPa时能够沿界面形成“-”型水平缝；(σv-σh)=0、2、4 MPa 时能够穿越界面形成理想的“│”型垂直缝。说明当顶板岩层结构完整时，地应力条件对裂缝扩展方向控制作用明显。

图8 层理不发育顶板中裂缝扩展形态Fig.8 Fracture propagation in intact roof strata

3.3 射孔孔眼部分进入煤层

3.3.1 顶板岩层层理发育

如图9 所示，当 (σv-σh)=-4、-2 MPa时形成沿界面发育的“-”型水平裂缝；当 σv-σh=0 MPa时裂缝沿垂向起裂、上下同时扩展，但向上扩展的缝端止于层理面，形成水平裂缝，向下扩展的裂缝进入煤层、持续扩展，形成“T”型缝；当 (σv-σh)=2、4 MPa时形成单一的“│”型垂直裂缝。总之，当射孔孔眼部分进入煤层时，水力裂缝都能够接触到煤层。界面和孔眼诱导作用明显，应力差≤ -2 MPa时从强度更低的界面形成“-”型缝，应力差＞ -2 MPa时孔眼的诱导作用凸显，形成“│”“T”型缝。

图9 层理发育煤层中裂缝扩展形态Fig.9 Fracture propagation in the bedding developed coal seam

可见，对于水平应力大于垂直应力的地质条件，顶板水平井压裂应优选井筒距煤层距离小于射孔长度的井段，如果水平井筒距煤层距离较大，可采用深穿透射孔、分支孔、径向孔等方式沟通煤层，如此才能形成有效的改造通道。

3.3.2 顶板岩层层理不发育

如图10 所示，当 (σv-σh)=-4、-2 MPa时形成沿界面扩展的水平缝，(σv-σh)=0、2、4 MPa时形成垂向扩展的裂缝，均能够改造煤层，射孔孔眼位置和地应力差控制着裂缝的扩展形态。

图10 层理不发育煤层中裂缝扩展形态Fig.10 Fracture propagation in intact coal seam

4 工程验证

以陕西韩城某矿为例，主采二叠系山西组3 号煤层，煤层间接顶板岩性为泥岩，厚度为0.05～0.20 m，直接顶板岩性为灰色粉砂岩，厚度为1.5～1.8 m，基本顶为中、细粒砂岩，厚度为3.0～8.0 m，较致密坚硬。煤层坚固性系数f最小为0.20，在煤层中钻进难以成孔。

为了抽采瓦斯，将主孔布置在距3 号煤层顶界约5 m 的坚硬砂岩层中，保证钻探安全。据康红普等[27]试验区属于 σH>σv>σh的地应力类型，在顶板岩层中水力压裂时，受层理、界面影响易形成水平缝，难以接触到煤层。而且受煤矿井下作业空间限制，现有井下压裂设备排量小，更不利于裂缝的垂向穿层扩展。根据前文模拟，试验采用分支孔沟通煤层，在分支孔的诱导作用下进行压裂，可有效改造煤层。因此，该试验设计在施工完成主孔后，再在主孔内向下施工分支钻孔揭露煤层，如图11 所示。实钻钻孔主孔长度588 m，主孔与煤层顶界距离为0～3.28 m，包含1-1-1-8 号8 个分支孔，分支孔钻遇地层岩性主要为粉砂岩、粉砂质泥岩及其互层，地层层理、界面发育。

图11 钻孔轨迹设计Fig.11 Borehole trajectory design drawing

试验采用分段水力压裂工艺，用封隔器将分支孔两侧主孔进行封隔，使压裂液进入分支孔进行分段压裂，钻孔累计压裂液用量2 012 m3，最大泵注压力8.74 MPa，累计压裂用时55.5 h，平均排量0.61 m3/min。压裂施工后采用煤样全水分分析测得煤层水力压裂影响范围最大为39.63 m；通过孔内瞬变电磁剖面探测到压裂形成的主裂缝最大延伸范围达30 m，延伸方向均为钻孔下方[31]。抽采初期钻孔瓦斯抽采纯量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采甲烷体积分数为19.6%～54.0%，平均31.7%；抽采增长阶段，钻孔瓦斯抽采纯量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，甲烷体积分数为31.0%～56.0%，平均47.7%；抽采稳定阶段瓦斯抽采纯量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，甲烷体积分数40.0%～52.0%，平均43.5%，如图12 所示。同一区域，换算的百米钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2 倍，是本煤层顺层钻孔的4.0 倍。

图12 钻孔抽采曲线Fig.12 Curves showing changes in borehole extraction

分析可知，在主孔距煤层较远，顶板岩层层理、界面发育的地质条件下，采用分支孔技术进行压裂，即使排量小也能够形成有效裂缝，取得较好的煤层改造效果。如不采取分支孔压裂方式，则会由于钻孔和煤层间距大、存在多个结构弱面和压裂设备排量小，裂缝难以穿层延伸到达目标煤层，致使压裂效果欠佳，无法保证后期瓦斯抽采效果。

受地质条件的复杂性和目前钻探施工技术工艺等影响，顶板水平钻孔轨迹控制难度大，当施工的钻孔轨迹距离煤层较远时，压裂裂缝可能不能有效沟通目标煤层，致使裂缝延伸困难，最终导致压裂钻孔的瓦斯抽采效果不佳。因此，对于顶板结构复杂的水平井建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证压裂效果。

5 结论

a.基于黏聚单元的水力压裂有限元数值模型模拟试验的水力裂缝形态与实际裂缝形态一致，分析模型能够较好地反映实际裂缝的扩展过程及形态。

b.射孔位置、地应力条件和地层特征综合影响裂缝的扩展形态。孔眼位于煤层中时裂缝在煤层中扩展，岩层对裂缝具有“阻隔”作用。孔眼位于顶板，当顶板层理发育，应力差大于2 MPa 时裂缝能够穿越层理、界面进入煤层，而顶板完整时，应力差大于-2 MPa 时裂缝即可进入煤层，顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用。孔眼部分进入煤层，对裂缝诱导作用显著，无论顶板是否完整、地应力条件是否有利，都能形成有效裂缝。

c.陕西韩城井下瓦斯抽采工程应用表明，研究结果可很好地优化施工方案、控制压裂裂缝形态，保证压裂工程的顺利实施和钻孔良好的抽采效果。压裂钻孔瓦斯抽采纯量最高达1.93 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2 倍，是本煤层顺层钻孔的4.0 倍。

d.当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂设备排量小时，建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证煤层改造效果。