袁 征 ，楊洪銳 ，蘭麗娟 ，楊 震 ，李新發(fā) ，張 靜 ，楊紅斌

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國石油玉門油田分公司 鉆采工程研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中國石油玉門油田分公司 酒東采油廠，甘肅 酒泉 735000；4.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島266580）

水力壓裂作為重要的儲(chǔ)層改造工藝，是煤層氣井增產(chǎn)的關(guān)鍵和必要措施。弄清水力裂縫形態(tài)是優(yōu)化壓裂參數(shù)，提高增產(chǎn)效果的基礎(chǔ)。煤巖彈性模量低、泊松比高、節(jié)理豐富、構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)[1]，造成水力裂縫起裂、擴(kuò)展機(jī)理復(fù)雜。因此國內(nèi)外大量學(xué)者對煤巖擴(kuò)展水力裂縫進(jìn)行了深入的研究[2-6]。對于煤巖壓裂裂縫形態(tài)的實(shí)驗(yàn)及理論研究較多，但研究成果大多無法直接應(yīng)用到現(xiàn)場施工中。作為現(xiàn)場施工裂縫形態(tài)的直接響應(yīng)，壓裂施工曲線的研究、分析工作還相對缺乏。統(tǒng)計(jì)分析了140 余口煤層氣井現(xiàn)場施工曲線、數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)油氣井不同[7]，煤巖壓裂施工曲線具有以下特點(diǎn)：①煤層氣井壓裂施工常出現(xiàn)破裂壓力不明顯現(xiàn)象；②煤巖破裂壓力梯度變化范圍較大，統(tǒng)計(jì)140 余口煤巖破裂壓力梯度為0.016～0.062 MPa/m，平均值 0.035 MPa/m，遠(yuǎn)高于理論值[8-9]；③部分井在恒定排量階段，施工壓力出現(xiàn)持續(xù)上升的現(xiàn)象；④周圍無斷層時(shí)，部分井施工壓力出現(xiàn)大幅的波動(dòng)。理論研究表明造成煤巖多點(diǎn)起裂及多裂縫形態(tài)延伸現(xiàn)象的主要因素包括射孔方式、煤層應(yīng)力、儲(chǔ)層物性、煤巖節(jié)理等因素[10]。為研究裂縫形態(tài)與壓裂施工曲線的響應(yīng)關(guān)系，從物模實(shí)驗(yàn)、G 函數(shù)分析、凈壓力擬合3 個(gè)角度進(jìn)行深入研究工作。

1 多裂縫形態(tài)分析

1.1 物模實(shí)驗(yàn)

應(yīng)力狀態(tài)是控制人工裂縫形態(tài)的主導(dǎo)因素，根據(jù)程遠(yuǎn)方等人研究，當(dāng)煤巖最小水平主應(yīng)力與上覆巖層應(yīng)力差為小于4 MPa 時(shí)，水力裂縫以垂直縫為主；當(dāng)三向應(yīng)力狀態(tài)接近時(shí)，水力裂縫趨于復(fù)雜[11-12]?；谏鲜隼碚?，人為控制物模實(shí)驗(yàn)巖樣應(yīng)力狀態(tài)，以得到不同形態(tài)裂縫同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)壓力值。以此為基礎(chǔ)，研究裂縫形態(tài)與施工壓力曲線的響應(yīng)關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)采用真三軸圍壓控制系統(tǒng)，巖樣尺寸為105 mm×105 mm×95 mm，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集注入壓力值，共進(jìn)行40 組實(shí)驗(yàn)，煤巖起裂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 煤巖起裂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of simulation experiment of coal rock fracture initiation

1.1.1 單裂縫形態(tài)與注入壓力響應(yīng)規(guī)律

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：40 組物模實(shí)驗(yàn)中有22 組以單裂縫形態(tài)起裂。單裂縫-注入壓力曲線響應(yīng)圖如圖1。單裂縫形態(tài)下注入壓力曲線形態(tài)特征明顯：如煤樣A1、A2起裂圖形，當(dāng)煤樣以單裂縫形態(tài)起裂時(shí)破裂壓力明顯，注入壓力瞬大幅下降并趨于平穩(wěn)，擴(kuò)展壓力接近圍壓最小主應(yīng)力值σmin。

圖1 單裂縫-注入壓力曲線響應(yīng)圖Fig.1 Diagram of injection pressure curves with single fracture

1.1.2 多裂縫形態(tài)與注入壓力響應(yīng)規(guī)律

結(jié)果中18 組煤樣出現(xiàn)多裂縫起裂現(xiàn)象，且多裂縫形態(tài)又可分為平行和相交2 種。多裂縫形態(tài)及注入壓力曲線如圖2。

圖2 多裂縫形態(tài)及注入壓力曲線圖Fig.2 Response diagram of injection pressure curves with multiple fractures

圖2 中裂縫形態(tài)特征與單裂縫明顯不同：如煤樣A3、A4 起裂圖形，多裂縫形態(tài)時(shí)注入破裂壓力不明顯；且在恒定排量下，注入壓力不斷上升且趨于穩(wěn)定值；此形態(tài)下的延伸壓力高于圍巖最小主應(yīng)力值σmin。

1.2 測試壓裂分析

測試壓裂G 函數(shù)分析是識(shí)別地層多裂縫形態(tài)的有效手段，由Ken G.Nolte 首先提出并應(yīng)用于水力壓裂施工中[13]。G 函數(shù)是關(guān)于時(shí)間為變量的函數(shù)，處理后的不同壓力曲線形態(tài)具有不同的物理含義：①過原點(diǎn)切線后自然降落的代表以產(chǎn)層內(nèi)單裂縫為主；②過原點(diǎn)切線在切點(diǎn)之前具有下凹曲線表示裂縫突破隔層現(xiàn)場；③過原點(diǎn)切線在切點(diǎn)之前具有上凸，表示出現(xiàn)多裂縫現(xiàn)象[14]。

TS-A1 井煤層垂深940.5 m，施工破裂壓力不明顯，攜砂液階段平均施工壓力25.86 MPa，且加砂階段出現(xiàn)砂堵跡象，TS-A1 井壓裂施工曲線如圖3。對該井壓裂測壓降并對數(shù)據(jù)進(jìn)行G 函數(shù)分析，TSA1 井壓降數(shù)據(jù)G 函數(shù)分析曲線如圖4，圖中井底測定的壓力是指通過井口壓力數(shù)據(jù)計(jì)算的井底壓力。攜砂液效率是指裂縫的體積與施工壓裂液體的體積百分比。

圖3 TS-A1 井壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing construction curves of TS-A1 well

由圖4 可以看出，TS-A1 井壓降數(shù)據(jù)分析曲線具有典型的多裂縫特征，過原點(diǎn)的曲線在切點(diǎn)之前曲線具有明顯的上凸特征，因此認(rèn)為本井在裂縫擴(kuò)展期間出現(xiàn)了多裂縫延伸現(xiàn)象。

1.3 凈壓力分析

壓裂施工作業(yè)發(fā)現(xiàn)前置液階段在恒定排量時(shí)，常出現(xiàn)施工壓力不斷上升現(xiàn)象，且施工平均壓力高于預(yù)測值，TS-A2 井壓裂施工曲線如圖5。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)不變時(shí)，裂縫條數(shù)對施工壓力影響較大[15]。為研究不同裂縫條數(shù)對施工壓力的影響，以TS-A3 井為例進(jìn)行擬合。選用壓裂施工專業(yè)分析軟件Fracpro，分別對3 種情況進(jìn)行凈壓力擬合：①1條裂縫；②4 條裂縫；③由1 條增加至4 條裂縫。TSA3 井不同裂縫條數(shù)下施工壓力擬合曲線如圖6。

圖4 TS-A1 井壓降數(shù)據(jù)G 函數(shù)分析曲線Fig.4 G function analysis curves of pressure drop data in TS-A1 well

圖5 TS-A2 井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing construction curves of TS-A2 well

圖6 TS-A3 井不同裂縫條數(shù)下施工壓力擬合曲線Fig.6 Fitting curve of construction pressure under different fracture numbers of TS-A3 well

TS-A3 井施工破裂壓力明顯，且施工過程相對平穩(wěn)，凈壓力擬合結(jié)果如下：①當(dāng)以1 條裂縫形態(tài)進(jìn)行擬合時(shí)，計(jì)算凈壓力值和測定的凈壓力值較吻合較好；②當(dāng)以4 條裂縫對凈壓力值進(jìn)行擬合時(shí)，計(jì)算凈壓力值遠(yuǎn)高于測定的凈壓力值；③當(dāng)以1 條裂縫起裂，且隨著施工裂縫條數(shù)增加至4 條時(shí)，凈壓力擬合值隨著裂縫條數(shù)也逐漸增加。

水力壓裂裂縫凈壓力與縫寬存在如下關(guān)系：

式中：△p 為井底縫口凈壓力，MPa；p 為壓裂施工井底壓力，MPa；σ 為儲(chǔ)層最小主應(yīng)力，MPa；G 為儲(chǔ)層剪切模量，MPa；W 為井筒處最大裂縫寬度，mm；H 為水力裂縫高度，m；v 為儲(chǔ)層彈性模量。

PKN 裂縫擴(kuò)展模型能夠很好地解釋多裂縫導(dǎo)致更高的地面壓力。研究多條裂縫同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，多條裂縫的平均縫寬之和高于單條裂縫擴(kuò)展的寬度。另外，多裂縫的擴(kuò)展使儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力急劇增加，主要表現(xiàn)為以下2 個(gè)方面：一方面壓裂裂縫爭奪縫寬使得巖石骨架應(yīng)力增加；另一方面儲(chǔ)層孔隙壓力隨濾失面積的增加而大量增加[16-17]。

2 多裂縫危害及防治案例

2.1 多裂縫危害

煤層氣井水力壓裂多裂縫擴(kuò)展誘導(dǎo)因素較多，準(zhǔn)確識(shí)別多裂縫擴(kuò)展，并采取相應(yīng)的措施是煤巖水力壓裂成功的關(guān)鍵。通過對140 余口井的資料總結(jié)分析，煤層氣井水力壓裂多裂縫延伸時(shí)，施工曲線多具有以下形態(tài)：①前置液階段破裂壓力不明顯，部分井出現(xiàn)明顯破裂壓力后施工壓力又持續(xù)增加；②在恒定排量施工階段，施工壓力持續(xù)增加；③壓裂施工壓力遠(yuǎn)高于鄰井施工壓力或預(yù)測值。

與常規(guī)油氣井相比，煤層氣井水力壓裂施工成功率較低。多裂縫擴(kuò)展是壓裂施工失敗的重要因素之一。其影響主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面：①施工壓力超過或者接近限壓，無法進(jìn)行加砂壓裂：多條裂縫同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，縫寬之和高于單一裂縫的縫寬，另外多裂縫延伸導(dǎo)致儲(chǔ)層應(yīng)力增加，以上2 點(diǎn)均最終導(dǎo)致施工壓力升高；②多裂縫現(xiàn)象極大地增加了砂堵的可能性：因?yàn)槎嗔芽p的存在，施工液體由多條裂縫所共同擁有，與單裂縫延伸相比每條裂縫將更短和更窄，另外，濾失面積增加，導(dǎo)致液體濾失量增加，液體效率降低，造縫能力降低進(jìn)一步導(dǎo)致砂堵概率更高。

2.2 多裂縫防治措施

基于對煤巖壓裂多裂縫的認(rèn)識(shí)和識(shí)別方法，提出可調(diào)式多段塞壓裂工藝，以降低壓裂施工期間多裂縫現(xiàn)象帶來的影響。可調(diào)式多段塞是指在前置液階段，根據(jù)施工壓力、排量、液量逐步泵注一定體積和濃度的段塞，并實(shí)時(shí)調(diào)整段塞的排量、液量、支撐劑濃度、個(gè)數(shù)等參數(shù)，起到有效堵塞微裂縫，降低儲(chǔ)層濾失，提高縫內(nèi)凈壓力，最終誘導(dǎo)形成主裂縫的壓裂工藝。多段塞作用原理示意圖如圖7。

圖7 多段塞作用原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of multi-slug operation principle

TS-A3 井埋深1 021 m，受碎裂煤控制為主，壓裂施工時(shí)造縫困難，施工壓力不斷升高，判斷形成多裂縫。對本井采用多段塞壓裂工藝，TS-A3 井多段塞應(yīng)用實(shí)例如圖8。

圖8 TS-A3 井多段塞應(yīng)用實(shí)例Fig.8 Application example of multi-slug in TS-A3 well

施工曲線顯示本井無明顯破裂壓力，且當(dāng)排量恒定時(shí)施工壓力持續(xù)上升，分析認(rèn)為本井裂縫延伸初期受多裂縫影響。排量5 m3/min 開始分別泵注3%、5%、7%、7%的 4 個(gè)段塞，砂量 2 m3。當(dāng)?shù)?2 個(gè)段塞進(jìn)入地層后壓力大幅下降，誘導(dǎo)煤層形成主裂縫。

對13 口煤層氣井采取可調(diào)式多段塞壓裂工藝，多數(shù)井加入段塞后出現(xiàn)了壓力響應(yīng)，可調(diào)式多段塞壓裂工藝效果統(tǒng)計(jì)見表2，其中12 口井順利完成施工，大幅提高了煤層氣井壓裂的成功率。

表2 可調(diào)式多段塞壓裂工藝效果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Adjustable multiple slug statistics of the fracturing effect

3 結(jié) 論

1）煤層氣井水力壓裂施工出現(xiàn)多裂縫延伸時(shí)，常具有以下特點(diǎn)：破裂壓裂不明顯或破裂后壓力繼續(xù)升高；恒定排量下施工壓力不斷上升；施工壓力常高于預(yù)測值等特征。

2）物模實(shí)驗(yàn)顯示多裂縫起裂、延伸時(shí)，破裂壓力不明顯，施工壓力較高，且恒排量下持續(xù)上升時(shí)；分析具有多裂縫現(xiàn)象的井，G 函數(shù)分析顯示閉合前曲線呈現(xiàn)上凸形態(tài)；恒排量下施工壓力不斷上升，且凈壓力曲線擬合結(jié)果多裂縫相符。

3）對于具有多裂縫特征的煤層氣井，提出了可調(diào)式多段塞壓裂工藝，并應(yīng)用到現(xiàn)場。多數(shù)井采用此工藝后具有壓力響應(yīng)，大幅提高了施工成功率。