田守嶒 黃中偉 李根生 陸沛青 張宏源 王天宇

“油氣資源與探測(cè)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（北京）

0 引言

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，中國(guó)能源將朝著加快技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系推進(jìn)。中國(guó)的煤層氣地質(zhì)資源儲(chǔ)量十分豐富，加快煤層氣開發(fā)利用，對(duì)保障我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和增加清潔能源供應(yīng)具有極其重要意義[1-2]。“十二五”期間，中國(guó)的煤層氣地面開發(fā)取得重大進(jìn)展。然而與預(yù)期目標(biāo)仍有一定的差距。其主要原因之一是中國(guó)煤巖顯著具備低壓、低滲透、低孔隙度的“三低”特征，低滲透儲(chǔ)層在鉆井過程中易產(chǎn)生中儲(chǔ)層傷害[3-4]，有效解除儲(chǔ)層傷害是其關(guān)鍵問題。

可以采用水力噴射徑向水平井技術(shù)或者水力壓裂的技術(shù)方法解除煤層氣生產(chǎn)過程中煤粉造成的儲(chǔ)層傷害。水力噴射徑向水平井（以下簡(jiǎn)稱徑向井）技術(shù)[5-7]，是指在垂直井眼內(nèi)沿徑向鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平井眼，從而穿透近井污染帶，增大與儲(chǔ)層接觸面積，建立高導(dǎo)流通道，達(dá)到增產(chǎn)增注減少儲(chǔ)層傷害的目的。脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)是近年探索的水力壓裂方法之一，它是將壓裂液以動(dòng)載形式泵入地層從而產(chǎn)生交變載荷，交變載荷作用誘導(dǎo)產(chǎn)生微裂縫并逐漸溝通貫穿天然裂縫，從而形成有效的體積縫網(wǎng)[8-12]。脈動(dòng)水力壓裂具有起裂壓力低、卸壓范圍廣、解堵作用強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已在煤層中實(shí)施了工業(yè)性先導(dǎo)試驗(yàn)[13-24]。

筆者提出徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂的解堵和增產(chǎn)思路：即水力噴射多分支徑向井，利用高導(dǎo)流徑向孔眼，進(jìn)行適度的脈動(dòng)水力壓裂改造，從而在主井筒附近一定區(qū)域內(nèi)最大程度地沖擊、破碎煤層，形成高導(dǎo)流通道與裂縫網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的大范圍卸壓增透區(qū)。為了驗(yàn)證其技術(shù)原理，設(shè)計(jì)并開展了徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂形成裂縫的聲發(fā)射響應(yīng)特征與煤巖的破裂程度、宏觀裂縫形態(tài)之間的關(guān)系。該方法提供了一種煤層氣解除儲(chǔ)層堵塞程度和高效開發(fā)的新思路，可望實(shí)現(xiàn)大幅提高煤層氣單井產(chǎn)量。

1 徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓裂液泵注系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的脈沖加載波形為正弦波（振幅為2 MPa，頻率介于1～3 Hz）；脈沖次數(shù)調(diào)至最大，即保持脈沖伺服加載直至型煤開裂或滲油。實(shí)驗(yàn)壓裂流體介質(zhì)為液壓油，其黏度為47 mPa·s。聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的聲發(fā)射接收、放大、分析等信號(hào)處理。巖樣發(fā)生破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生的單信號(hào)為一個(gè)振鈴數(shù)；若干連續(xù)振鈴計(jì)數(shù)響應(yīng)歸整為一個(gè)聲發(fā)射事件，認(rèn)為形成一個(gè)裂縫。聲發(fā)射接收器在型煤試樣上的展布方位如圖1-b所示?；跀嚆U實(shí)驗(yàn)與環(huán)境噪聲測(cè)試，采用門限式觸發(fā)作為信號(hào)接收模式，設(shè)置聲源定位參考波速為1 890 m/s，信號(hào)接收門檻值為50 dB，采樣率為3 MHz。

圖1 徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 試樣制備

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的模擬井筒由垂直井筒和徑向井筒兩部分構(gòu)成。垂直井筒為不銹鋼，其長(zhǎng)度為190 mm。在垂直井筒下部距離底部35 mm處為徑向井筒， 由2～4個(gè)直徑5 mm的孔眼連接。磨具尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，煤試樣制備采用一定配比的煤粉與水泥漿混合。

灌注磨具完成后，在室溫下擱置28 d，待水泥漿完全固結(jié)。對(duì)4組制備型煤測(cè)試試件（?25 mm×50 mm），進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，測(cè)試試件力學(xué)參數(shù)平均值分別為：楊氏模量為4.38 GPa，泊松比為0.22，抗壓強(qiáng)度為5.69 MPa，密度為1.75 g/cm3，制備試件與天然煤巖的力學(xué)性質(zhì)基本一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

制備6塊實(shí)驗(yàn)型煤試樣，其中用于徑向井準(zhǔn)靜態(tài)水力壓裂實(shí)驗(yàn)1塊，徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)5塊。本實(shí)驗(yàn)暫未考慮地應(yīng)力的影響，主要研究徑向井動(dòng)、靜態(tài)水力壓裂過程中的聲發(fā)射反應(yīng)特征。按照徑向井（RW）、常規(guī)水力壓裂（CHF）、脈動(dòng)水力壓裂（PHF）、分支數(shù)（支）、長(zhǎng)度（mm）、加載頻率（Hz）等實(shí)驗(yàn)參數(shù)順序?qū)?個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行編號(hào)如下：1號(hào)試樣RW-CHF-2-35-0；2號(hào)試樣RWPHF-2-35-1；3號(hào)試樣RW-PHF-2-35-3；4號(hào)試樣RWPHF-2-50-3；5號(hào)試樣RW-PHF-3-35-3；6號(hào)試樣RWPHF-4-35-3。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①實(shí)驗(yàn)前，檢查試樣完整性，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；②連接管線，試運(yùn)行泵注系統(tǒng)，排空管線及井筒中的空氣；③準(zhǔn)靜態(tài)水力壓裂實(shí)驗(yàn)：恒定排量注入，排量為20 mL/min，直至試樣開裂或滲油；④脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)：按照設(shè)計(jì)的頻率與初始振幅組合開始?jí)毫?，觀測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的響應(yīng)直至不再接收到聲發(fā)射信號(hào)；每次脈動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)提高振幅為0.5 MPa，直至試樣開裂或滲油，停止實(shí)驗(yàn)；⑤及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，密切關(guān)注型煤破裂狀態(tài)，適時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，采用6塊型煤試樣開展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其中1號(hào)試樣采取準(zhǔn)靜態(tài)水力壓裂實(shí)驗(yàn)方法，其他5個(gè)試樣采取脈動(dòng)水力壓裂方法，獲得了壓裂過程中系列型煤聲發(fā)射響應(yīng)、宏觀裂縫形態(tài)及破裂壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 不同壓裂方式實(shí)驗(yàn)下的聲發(fā)射響應(yīng)

由圖2可知，1號(hào)試樣在時(shí)間為0～32 min階段，泵壓近線性穩(wěn)步增加，幾乎未接收到聲發(fā)射信號(hào)；32~37 min階段，壓力迅速增加，接收到少量聲發(fā)射信號(hào)，表明試樣內(nèi)有少量微裂縫開始生成；37～41 min階段，泵壓迅速升高，出現(xiàn)第一個(gè)峰值（10.7 MPa），該階段聲發(fā)射信號(hào)接收率最強(qiáng)，說明試樣內(nèi)形成主裂縫，并伴生一定數(shù)量的微裂縫；在41～44 min，泵壓有一定波動(dòng)，峰值泵壓達(dá)11.1 MPa，大量的聲發(fā)射信號(hào)接收，說明此階段為主裂縫擴(kuò)展期；在44 min后，觀察到試樣開裂滲油，停泵結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在徑向井準(zhǔn)靜態(tài)壓裂條件下，1號(hào)試樣的起裂壓力為10.7 MPa，峰值壓力為11.1 MPa，聲發(fā)射事件總數(shù)為174件（主要集中于主裂縫起裂與擴(kuò)展期）。在準(zhǔn)靜態(tài)壓裂條件下，徑向井壓裂主要經(jīng)歷了蓄能—起裂—擴(kuò)展等過程。

圖2 1號(hào)試樣振鈴計(jì)數(shù)與泵壓隨時(shí)間變化曲線圖

圖3為2～6號(hào)試樣的振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化分布圖。脈沖伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波壓力曲線，其振幅值即為峰值壓力。

由圖3-a可知，2號(hào)試樣在低頻（1 Hz）條件下實(shí)驗(yàn)的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律與1號(hào)試樣振鈴計(jì)數(shù)的分布規(guī)律（圖2）類似。不同之處在于：在相對(duì)低頻（1 Hz）條件下，2號(hào)試樣峰值壓力僅為3.5 MPa，而聲發(fā)射事件總數(shù)卻達(dá)240件，是1號(hào)試樣的1.38倍。由此可見，相對(duì)低頻條件下，脈動(dòng)水力壓裂型煤破裂時(shí)峰值壓力大幅降低，且形成的裂縫更為復(fù)雜；但在較低的振幅條件下，由于能量不足，因而型煤主裂縫無法得到充分?jǐn)U展。

圖3 2～6號(hào)試樣振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化分布圖

由圖3-b可知，3號(hào)試樣的實(shí)驗(yàn)頻率為3 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與1號(hào)及2號(hào)試樣已呈現(xiàn)出顯著差異，全過程實(shí)驗(yàn)中幾乎都接收到了大量的聲發(fā)射信號(hào)。在0～4 min階段，采用振幅2.0 MPa的正弦波壓力壓裂試樣，初始階段即出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射響應(yīng)，說明該階段已有大量的微裂縫產(chǎn)生，直至3.5 min確認(rèn)不再有聲發(fā)射信號(hào)；在4～9 min階段，振幅增大至2.5 MPa，接受到的聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)達(dá)到最強(qiáng)，說明試樣內(nèi)形成主裂縫，并伴生了大量的微裂縫，直至8.5 min確認(rèn)聲發(fā)射信號(hào)消失；在9～13 min階段，再次增大振幅至3.0 MPa，與上一階段相比，該階段聲發(fā)射信號(hào)接受強(qiáng)度稍弱，主裂縫快速擴(kuò)展；至13 min時(shí)，主裂縫貫穿試樣。在相對(duì)較高頻（3 Hz）條件下，3號(hào)試樣其峰值壓力為3.0 MPa，聲發(fā)射事件總數(shù)為650件。在相對(duì)高頻條件下，當(dāng)振幅較低時(shí)徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂即可產(chǎn)生大量微裂縫，但僅當(dāng)振幅達(dá)到一定值后，主裂縫才開始擴(kuò)展；其峰值壓力進(jìn)一步降低，裂縫規(guī)模與復(fù)雜程度進(jìn)一步增加。

由圖3-c可知，4號(hào)試樣實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律，其規(guī)律與3號(hào)試樣類似。在徑向井眼長(zhǎng)度更長(zhǎng)（50 mm）的條件下，4號(hào)試樣峰值壓力為3.0 MPa，聲發(fā)射事件總數(shù)為815件，由此可見，徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂微裂縫規(guī)模及復(fù)雜程度與徑向孔眼長(zhǎng)度的增加有關(guān)。

由圖3-d可知，5號(hào)試樣實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律，與前4塊試樣相比，5號(hào)試樣在整個(gè)脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)過程中，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間大約100 min，直至將振幅增大到4.0 MPa才顯示宏觀劈裂主裂縫產(chǎn)生。該試樣實(shí)驗(yàn)破裂壓力達(dá)4.0 MPa，為2～6號(hào)試樣中最高破裂壓力，聲發(fā)射事件總數(shù)高達(dá)1 230 件，為所有試樣中的最大值，說明該試樣在三分支徑向井條件下，在室內(nèi)脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)的前期階段形成了數(shù)量較多、較復(fù)雜的微裂縫網(wǎng)絡(luò)，即徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂微裂縫規(guī)模及復(fù)雜程度隨分支數(shù)目的增加而大幅度增加。

由圖3-e可知，6號(hào)試樣實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律，其與5號(hào)試樣規(guī)律基本類似：整個(gè)壓裂實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生密集的聲發(fā)射信號(hào)，強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1～4號(hào)試樣；峰值壓力為3.0 MPa，聲發(fā)射事件總數(shù)為1 107件，與均低于5號(hào)試樣，說明其產(chǎn)生的微裂縫數(shù)量與復(fù)雜度低于5號(hào)試樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)分支數(shù)目進(jìn)一步增加時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件下徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂微裂縫規(guī)模及復(fù)雜程度略微有所下降，徑向井分支數(shù)目應(yīng)該存在最優(yōu)值。

比較不同試樣的聲發(fā)射事件數(shù)與峰值壓力的關(guān)系（圖4）可知，1號(hào)試樣峰值壓力最高（11.7 MPa）而聲發(fā)射事件數(shù)最少（174件），3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)試樣峰值壓力最低（3.0 MPa），5號(hào)聲發(fā)射事件最多（1 230件）。實(shí)驗(yàn)條件下，徑向井復(fù)合常規(guī)壓裂的峰值壓力大于徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂的峰值壓力，其值介于3～4倍，后者聲發(fā)射事件數(shù)大于前者，其值介于1.38～7.07倍，表明徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂可以較低的峰值壓力產(chǎn)生較多的微裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖4 1～6號(hào)試樣的聲發(fā)射事件數(shù)與峰值壓力圖

2.2 宏觀裂縫形態(tài)分析

圖5為不同壓裂方式下，1～6號(hào)型煤試樣表現(xiàn)出的宏觀裂縫形態(tài)。

圖5 1～6號(hào)試樣宏觀裂縫形態(tài)照片

2.2.1 徑向井準(zhǔn)靜態(tài)水力壓裂條件下裂縫形態(tài)

圖5-a中1號(hào)試樣結(jié)構(gòu)保持完整，沿徑向井筒水平一側(cè)的水力裂縫擴(kuò)展有限，壓裂縫未能貫穿試樣。經(jīng)劈裂試樣后觀察，壓裂液僅見于徑向井井筒周邊區(qū)域，浸入范圍有限。

2.2.2 在徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂條件下裂縫形態(tài)

圖5-b～f反映了2～6號(hào)試樣均形成了貫穿試樣的宏觀裂縫，其中，2～4號(hào)試樣形成了垂直劈裂裂縫；5號(hào)試樣形成了與垂直方向約成45°的轉(zhuǎn)向裂縫，裂縫形態(tài)趨于復(fù)雜；6號(hào)試樣形成了水平裂縫，其沿著四分支徑向井所在的平面擴(kuò)展。此外，觀察2～6號(hào)試樣裂縫剖面可以發(fā)現(xiàn)，壓裂液深入浸入試樣內(nèi)部，形成了大范圍的潤(rùn)濕面積。由宏觀裂縫形態(tài)分析可知，基于徑向井展布所形成的弱面，借助動(dòng)載沖擊形成數(shù)量龐大的微裂縫網(wǎng)絡(luò)。徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂形成的宏觀裂縫幾何尺度更大，更易擴(kuò)展并劈裂型煤試樣。

綜合對(duì)比聲發(fā)射事件總數(shù)、峰值壓力、裂縫形態(tài)、劈裂程度及破裂時(shí)間等參數(shù)下的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相較于徑向井復(fù)合常規(guī)水力壓裂（1號(hào)試樣），徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂（3～6號(hào)試樣）具有以下特點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)過程中獲得的聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)更強(qiáng)烈，最高達(dá)到1 230件（5號(hào)試樣），表明相同條件下更易形成體積縫網(wǎng)；②型煤產(chǎn)生宏觀破裂的峰值壓力較低，峰值壓力最低僅為3 MPa（3號(hào)、6號(hào)試樣），可一定程度緩解傳統(tǒng)水力壓裂過程中異常高壓引起的應(yīng)力敏感性損傷；③宏觀裂縫更易擴(kuò)展，可一定程度降低煤巖水力裂縫曲折度；④徑向井分支數(shù)、井眼長(zhǎng)度、動(dòng)載頻率及振幅等工程參數(shù)為影響裂縫形成與擴(kuò)展的主要因素。

結(jié)合前人研究成果[25-29]，徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂具有上述特點(diǎn)的原因主要在于：①動(dòng)載沖擊引起的強(qiáng)應(yīng)力擾動(dòng)，在型煤試樣內(nèi)形成大范圍的拉剪破壞區(qū)，促使微裂縫大量發(fā)育；②多分支徑向井展布所形成的弱面與微裂縫網(wǎng)絡(luò)，有助于促進(jìn)水力裂縫沿一定方向快速擴(kuò)展；③動(dòng)載可引起試樣的疲勞破壞，有利于巖石內(nèi)部大量微裂隙的生出，同時(shí)動(dòng)載應(yīng)力波疊加作用，在井筒遠(yuǎn)端形成會(huì)聚效應(yīng)，可大幅降低破裂門檻值。

3 結(jié)論

1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，徑向水平井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂方法利用動(dòng)載沖擊引起的強(qiáng)應(yīng)力擾動(dòng)和多分支徑向井眼展布，有利于獲得一定程度的體積縫網(wǎng)。

2）徑向井分支數(shù)、井眼長(zhǎng)度、動(dòng)載頻率及振幅等參數(shù)是影響徑向水平井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂效果的重要影響因素。

3）徑向水平井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂可一定程度增強(qiáng)煤層泄壓面積，緩解傳統(tǒng)水力壓裂過程中由異常高壓引起的應(yīng)力敏感性損傷和降低煤巖水力裂縫曲折度，從而有效解除儲(chǔ)層傷害，提高煤層氣增產(chǎn)效果。