許耀波

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

頂板水平井是一種開(kāi)發(fā)碎軟煤層煤層氣的有效方法，而穿層壓裂是實(shí)現(xiàn)頂板水平井增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。目前穿層分段壓裂工藝已成功實(shí)施，但對(duì)于不同煤層特征的頂板水平井，分段壓裂改造效果差異非常明顯，其中，分段間距設(shè)計(jì)是頂板水平井壓裂成敗的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，頂板水平井進(jìn)行分段壓裂時(shí)，裂縫周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生一定的誘導(dǎo)應(yīng)力作用，先壓裂縫對(duì)后壓裂縫造成應(yīng)力擾動(dòng)，而后壓裂縫又會(huì)受到先壓裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力影響，因此，水平井壓裂應(yīng)力干擾對(duì)裂縫的擴(kuò)展具有重要影響[1-5]。

L.East 等[6]基于裂縫間應(yīng)力擾動(dòng)作用，提出了一種旨在提高裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的兩步法壓裂技術(shù)；N.P.Roussel 等[7]通過(guò)研究壓裂水平井有效裂縫誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)，優(yōu)化了壓裂設(shè)計(jì)中水平井的裂縫間距；黃榮樽[8]推導(dǎo)了直井壓裂過(guò)程中地層應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型；陳勉等[9]推導(dǎo)了水平井壓裂過(guò)程中地層應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型，研究不同條件下壓裂段間應(yīng)力干擾規(guī)律；尹建等[10]通過(guò)研究水平井分段壓裂的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，優(yōu)化了水平井分段壓裂間距；李士斌等[11]建立水平井井筒集中應(yīng)力與裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力疊加的水平井壓裂裂縫局部應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型，模擬分析水平井壓裂裂縫局部應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律；曲占慶等[12]、何鑫[13]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)水平井分段多簇壓裂規(guī)律進(jìn)行研究，優(yōu)化了相關(guān)裂縫參數(shù)。

相關(guān)學(xué)者在水平井分段壓裂理論研究方面開(kāi)展了大量工作，取得了豐富的研究成果，為認(rèn)識(shí)、理解水平井分段壓裂段間干擾機(jī)理起到推動(dòng)作用。但是前人的研究主要是基于砂巖或頁(yè)巖的單一巖層，沒(méi)有考慮多巖層的穿層干擾影響，尤其在煤層頂板水平井穿層壓裂的段間干擾規(guī)律方面研究較少。因此，筆者通過(guò)研究頂板水平井穿層壓裂裂縫周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)分布特征，分析單井多縫下的穿層段間干擾規(guī)律，提出煤層頂板水平井分段壓裂段間距優(yōu)化方法，以期為不同煤儲(chǔ)層條件下的頂板水平井分段壓裂參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 頂板水平井壓裂段間應(yīng)力干擾原理

頂板水平井壓裂過(guò)程中在原始的地應(yīng)力基礎(chǔ)上會(huì)產(chǎn)生附加的誘導(dǎo)應(yīng)力，原始應(yīng)力和誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加作用會(huì)影響下一條裂縫的起裂與延伸(圖1)。設(shè)定水平井井筒的方向平行于最小水平主應(yīng)力，水平井位于煤層頂板巖層內(nèi)，依據(jù)劉立峰等[14]推導(dǎo)的水平井壓裂在XOZ平面上產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力：

式中：σx、σy、σz分別為沿著x、y、z方向的裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa；p為壓裂時(shí)裂縫壁面上的凈壓力，MPa；L為誘導(dǎo)應(yīng)力點(diǎn)在x軸方向距離原點(diǎn)的距離，m；h為裂縫的高度，m；ν為泊松比。

壓裂之后由于壓裂液滲濾不斷進(jìn)行，孔隙流體壓力不斷降低，井筒周?chē)a(chǎn)生的應(yīng)力集中不斷釋放，從而引起誘導(dǎo)應(yīng)力的降低，水平主應(yīng)力與孔隙壓力之間的關(guān)系可以用組合彈簧經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅硎荆?/p>

式中：α為Biot 系數(shù)；pp為地層孔隙壓力，MPa；E為彈性模量，MPa；εh、εH為最小、最大主應(yīng)力方向上的應(yīng)變。

地層流體的滲流關(guān)系采用Forchheimer 定律進(jìn)行模擬，則Forchheimer 定律的形式可以改寫(xiě)為：

式中：f是多孔介質(zhì)每單位面積流體的體積流速；ρw為流體的密度，ρw=γw/g；γw是流體的容重；g為重力加速度；k是完全飽和時(shí)介質(zhì)的滲透率；pp是流體孔隙壓力。

從誘導(dǎo)應(yīng)力分析可以得出，壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力與巖石的力學(xué)參數(shù)、裂縫內(nèi)的凈壓力、裂縫間距、裂縫高度和流體的滲流擴(kuò)散作用密切相關(guān)。而壓裂施工排量對(duì)裂縫高度和凈壓力的影響較大，由此得出，誘導(dǎo)應(yīng)力主要受施工排量、巖石力學(xué)參數(shù)、段間距離和滲流擴(kuò)散條件影響較大。較高的壓裂施工排量產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力更大，壓裂段間距可以適當(dāng)增加；煤層的巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力影響較大，軟煤層塑性更強(qiáng)，產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力更弱，壓裂段的間距可以適當(dāng)降低；滲流擴(kuò)散越充分，產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力越弱，壓裂段間距可以適當(dāng)降低[15-18]。

圖1 頂板水平井壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)示意Fig.1 Schematic diagram of fracturing-induced stress field in horizontal well within roof

2 頂板水平井穿層壓裂段間干擾規(guī)律

鑒于目前煤層氣頂板水平井清水?dāng)y砂壓裂工藝要求，為了安全高效實(shí)現(xiàn)穿層壓裂施工，施工排量基本設(shè)計(jì)在9.0～10.0 m3/min，因此施工排量對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力的影響不作討論；但煤層的巖石力學(xué)特征差異較大，影響更明顯，連續(xù)施工和滲流擴(kuò)散泄壓施工兩種方式對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力的影響也至關(guān)重要。因此，本文主要探討煤層巖石力學(xué)性質(zhì)和滲流擴(kuò)散條件對(duì)不同段間距離下穿層壓裂段間干擾規(guī)律的影響，通過(guò)建立穿層壓裂數(shù)值模型，模擬不同條件下的應(yīng)力分布規(guī)律和裂縫擴(kuò)展形態(tài)。

2.1 頂板水平井穿層壓裂數(shù)值模型

穿層壓裂數(shù)值模擬采用Abaqus 軟件，保證模擬既可以反映地層的復(fù)雜性，又能表現(xiàn)出裂縫擴(kuò)展在不同地層間的差異；從上至下設(shè)計(jì)與實(shí)際地層接近的地層模型，即砂巖10 m—砂質(zhì)泥巖10 m—泥巖5 m—煤層5 m—泥巖10 m。建立頂板水平井穿層壓裂數(shù)值模型，在有限元模擬中，依照參數(shù)使用part模塊建立模擬地層各部件，并對(duì)部件進(jìn)行分區(qū)，使用mesh 模塊對(duì)生成的各分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本次模擬的模型尺寸設(shè)定為40 m×200 m×160 m，模型劃分形成256 000 個(gè)單元(圖2)。數(shù)值模擬時(shí)垂向和水平應(yīng)力分別為16.0、12.0、10.0 MPa；水平井的位置部署在距離煤層1.0 m 的頂板巖層內(nèi)；水平井壓裂施工排量為10 m3/min，壓裂液黏度1 Pa·s；軟煤彈性模量0.5 GPa、泊松比0.5，中硬煤彈性模量1.0 GPa、泊松比0.35；頂板泥巖彈性模量3.0 GPa、泊松比0.3，砂質(zhì)泥巖彈性模量4.5 GPa、泊松比0.25，砂巖彈性模量6.0 GPa、泊松比0.2。滲流擴(kuò)散模擬時(shí)通過(guò)在兩次注液步驟之間插入一個(gè)無(wú)注入荷載的soil 分析步驟，模擬現(xiàn)場(chǎng)兩次壓裂間存在較長(zhǎng)間隔的地層內(nèi)滲流過(guò)程，此過(guò)程中地層內(nèi)的液體遵循Forchheimer 定律繼續(xù)滲流擴(kuò)散[19]。

圖2 頂板水平井穿層分段壓裂數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of layer-penetrating staged fracturing in horizontal well within roof

2.2 穿層壓裂段間干擾規(guī)律

2.2.1 中硬煤層

通過(guò)對(duì)中硬煤層(彈性模量為1.0 GPa，泊松比0.35，堅(jiān)固性系數(shù)0.8)誘導(dǎo)應(yīng)力下的段間干擾問(wèn)題進(jìn)行分析，在確保其他參數(shù)不變的條件下，分別設(shè)置兩段壓裂點(diǎn)之間的距離為60、75、90 m，模擬得到3 種條件下連續(xù)壓裂施工的裂縫擴(kuò)展形態(tài)和應(yīng)力分布云圖(圖3，圖4)。由云圖中的顏色分布可以看出，裂縫內(nèi)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力最大，隨著距離的增加裂縫周邊產(chǎn)生的疊加應(yīng)力減弱，最后接近原始地層的應(yīng)力分布規(guī)律；且頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力大于煤層中的疊加應(yīng)力，頂板巖層形成的應(yīng)力干擾比煤層更嚴(yán)重。進(jìn)一步對(duì)裂縫的擴(kuò)展形態(tài)(圖4)分析可知，當(dāng)分段間距低于60 m 時(shí)，在第1 段的干擾影響下，第2 段壓裂裂縫穿層效果較差，甚至不能全部穿透煤層，煤層中形成的裂縫長(zhǎng)度非常短；當(dāng)分段間距大于90 m 時(shí)，在第1 段干擾作用下影響較弱，第2 段壓裂裂縫穿層效果較好，基本接近于第1 段的壓裂效果；分段間距為60～90 m 時(shí)，隨著段間距離的增加，第2 段的壓裂改造效果逐漸增加。主要原因是當(dāng)段間距離較小時(shí)，容易在第1 段壓裂裂縫附近產(chǎn)生疊加應(yīng)力，致使地應(yīng)力增加，使得第2 段壓裂的施工壓力增加、施工難度增加、壓裂液濾失增加，穿層壓裂形成的裂縫長(zhǎng)度較短、穿透效果降低。當(dāng)段間距離較大時(shí)，受第1 段壓裂的干擾影響較弱。綜合考慮水平井改造效果，建議中硬煤層頂板水平井穿層分段間距為75～90 m 較合理，能實(shí)現(xiàn)頂板水平井的高效穿層分段壓裂改造。

2.2.2 軟煤層

圖3 中硬煤層不同段間距離干擾下應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution under the interference of different interval distances in medium hard coal seam

圖4 中硬煤層中不同段間距離下穿層裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.4 Fracture propagation morphology under different interval distances in medium hard coal seam

對(duì)軟煤層(彈性模量為0.5 GPa，泊松比0.5，堅(jiān)固性系數(shù)0.3)誘導(dǎo)應(yīng)力下的段間干擾問(wèn)題進(jìn)行分析。在確保其他參數(shù)不變的條件下，分別設(shè)置兩段壓裂點(diǎn)之間的距離為50、65、80 m，模擬得到3種條件下連續(xù)壓裂施工的裂縫擴(kuò)展形態(tài)和應(yīng)力分布云圖(圖5，圖6)。由云圖中的顏色分布可以看出，裂縫附近產(chǎn)生的疊加應(yīng)力分布規(guī)律與中硬煤層一致，但軟煤層中形成的應(yīng)力干擾相對(duì)中硬煤層較弱。進(jìn)一步對(duì)裂縫的擴(kuò)展形態(tài)分析可知，當(dāng)分段間距低于50 m 時(shí)，在第1段的干擾影響下，第2段壓裂裂縫穿層效果較差，煤層中形成的裂縫長(zhǎng)度非常短；當(dāng)分段間距大于80 m 時(shí)，在第1段的干擾作用下影響較弱，第2段壓裂裂縫穿層效果較好，基本接近于第1段的壓裂效果；當(dāng)段間距離由50 m 增加到80 m時(shí)，裂縫都穿透了煤層，并且在煤層中形成了較長(zhǎng)的裂縫，且裂縫的寬度、高度和長(zhǎng)度都隨著段間距離的增加而增加，且應(yīng)力干擾對(duì)煤層中形成裂縫效果的影響較頂板巖層中形成裂縫效果的影響更弱。由此得出，軟煤層受段間應(yīng)力干擾的影響較硬煤層弱，主要原因是軟煤層的塑性相對(duì)較強(qiáng)，疊加應(yīng)力傳導(dǎo)距離相對(duì)更近，使得段間干擾的距離相應(yīng)降低，但頂板巖層的應(yīng)力干擾與中硬煤層一樣。綜合考慮水平井改造效果，建議軟煤層頂板水平井分段間距應(yīng)不低于65 m，段間距70～80 m 較合理，能實(shí)現(xiàn)頂板水平井的高效穿層分段壓裂改造目標(biāo)。

圖5 軟煤層中不同段間距離干擾下應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress distribution under the interference of different interval distances in soft coal seam

圖6 軟煤層中不同段間距離下穿層裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.6 Fracture propagation morphology under different interval distances in soft coal seam

2.2.3 泄壓施工

壓裂液滲濾使井筒周?chē)a(chǎn)生的應(yīng)力集中不斷釋放，從而引起誘導(dǎo)應(yīng)力的改變，因此，滲流擴(kuò)散泄壓施工對(duì)頂板水平井段間干擾具有重要影響。通過(guò)對(duì)滲流擴(kuò)散泄壓方式下誘導(dǎo)應(yīng)力的分布規(guī)律和段間干擾問(wèn)題進(jìn)行分析，考慮滲流擴(kuò)散作用下誘導(dǎo)應(yīng)力減弱，在確保其他參數(shù)不變的條件下，分別設(shè)置中硬煤層兩段壓裂點(diǎn)之間的距離為60、75 m，軟煤層兩段壓裂點(diǎn)之間的距離為50、65 m，模擬得到滲流擴(kuò)散作用下的裂縫擴(kuò)展形態(tài)和應(yīng)力分布云圖(圖7，圖8)。由云圖中的顏色分布可以看出，與第二次無(wú)間隔連續(xù)壓裂的模擬相比，時(shí)間更長(zhǎng)的滲流過(guò)程會(huì)導(dǎo)致地層孔隙壓力的分布更為均勻、差異更小，改變了第二次壓裂開(kāi)始時(shí)的地層應(yīng)力分布狀態(tài)，頂板和煤層的誘導(dǎo)應(yīng)力相應(yīng)降低，段間干擾程度減弱。進(jìn)一步對(duì)裂縫的擴(kuò)展形態(tài)分析可知，中硬煤層滲流擴(kuò)散泄壓施工，當(dāng)分段間距為60 m 時(shí)，在第1 段的干擾作用下，第2 段壓裂裂縫穿層受到一定影響；當(dāng)分段間距為75 m 時(shí)，在第1 段的干擾作用下影響較弱，第2 段壓裂裂縫穿層效果較好，基本接近于第1 段的壓裂效果。軟煤層滲流擴(kuò)散泄壓施工，當(dāng)分段間距為50 m 時(shí)，在第1 段的干擾作用下，第2 段壓裂裂縫穿層受到一定影響；當(dāng)分段間距為65 m 時(shí)，在第1 段的干擾作用下影響較弱，第2 段壓裂裂縫穿層效果較好，基本接近于第1 段的壓裂效果。由此得出，滲流擴(kuò)散泄壓施工與連續(xù)壓裂施工相比，應(yīng)力干擾程度明顯降低，穿層壓裂效果得到提升，使得段間干擾的距離相應(yīng)降低，綜合考慮水平井改造效果，建議在滲流擴(kuò)散泄壓施工下，中硬煤層、軟煤層頂板水平井分段間距分別為75、65 m 左右較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)頂板水平井的高效分段壓裂改造目標(biāo)。

圖7 不同距離的滲流擴(kuò)散泄壓施工下應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution under the different interval in seepage diffusion pressure relief

圖8 不同距離的滲流擴(kuò)散泄壓施工穿層裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.8 Fracture propagation morphology under the different interval in seepage diffusion pressure relief

3 工程驗(yàn)證

基于上述研究結(jié)果，在淮北蘆嶺井田和山西余吾井田進(jìn)行了工程應(yīng)用。蘆嶺井田頂板水平井控制區(qū)域煤層埋深730 m，煤層厚度10.9 m，空氣干燥基含氣量為 6.19 m3/t，水平井水平段長(zhǎng)度為585.96 m，根據(jù)蘆嶺井田8 號(hào)煤層物性特征(測(cè)井顯示彈性模量為0.29 GPa、泊松比0.5，屬于軟煤層)，結(jié)合頂板水平井段間干擾規(guī)律，優(yōu)化得到連續(xù)施工段間距為70～80 m 壓裂效果較好；將水平井分割成7 段進(jìn)行強(qiáng)化改造，壓裂注入排量為10 m3/min，平均每段加砂77 m3，平均每段注入壓裂液938 m3。余吾井田頂板水平井控制區(qū)域煤層埋深601 m，煤層厚度6.3 m，空氣干燥基含氣量為12 m3/t，水平井水平段總長(zhǎng)834 m，根據(jù)余吾井田的3 號(hào)煤層物性特征(測(cè)井顯示彈性模量為0.95 GPa、泊松比0.37，屬于中硬煤層)，結(jié)合頂板水平井段間干擾規(guī)律，優(yōu)化得到滲流擴(kuò)散泄壓施工段間距為80 m 左右時(shí)壓裂效果較好；將水平井分割成10 段進(jìn)行強(qiáng)化改造，壓裂注入排量為10 m3/min，平均每段加砂61.2 m3，平均每段注入壓裂液897 m3。

通過(guò)微地震裂縫監(jiān)測(cè)方法對(duì)上述兩組頂板水平井壓裂裂縫長(zhǎng)度、高度和產(chǎn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖9)，結(jié)果顯示，水平井壓裂裂縫穿透了煤層，且均形成了較長(zhǎng)的裂縫，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的強(qiáng)化改造，蘆嶺井田頂板水平井產(chǎn)氣突破10 000 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣7 000 m3/d；余吾井田頂板水平井產(chǎn)氣突破7 000 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣6 000 m3/d；兩組水平井均取得了較好的壓裂改造效果，由此也驗(yàn)證了頂板水平井穿層分段壓裂規(guī)律的正確性與可靠性。

圖9 頂板水平井壓裂微震事件監(jiān)測(cè)Fig.9 Monitoring diagram of microseismic events of fracturing in horizontal wells within roof

4 結(jié)論

a.煤層的巖石力學(xué)參數(shù)、段間距離和壓裂施工方式是影響頂板水平井穿層壓裂段間干擾的3 個(gè)重要因素，隨著煤層彈性模量的增加，疊加水平應(yīng)力逐漸增加，段間干擾程度增加；隨著段間距離的增加，疊加水平應(yīng)力逐漸減少、應(yīng)力干擾逐漸減弱；頂板巖層內(nèi)的疊加水平應(yīng)力和應(yīng)力干擾程度明顯大于煤層內(nèi)；擴(kuò)散泄壓壓裂產(chǎn)生的疊加水平應(yīng)力明顯低于連續(xù)壓裂施工，段間干擾程度明顯降低。

b.數(shù)值模擬得出，連續(xù)施工的中硬煤層的分段間距設(shè)計(jì)為90 m 左右，軟煤層分段間距為70～80 m比較合理。滲流擴(kuò)散泄壓壓裂施工段間距相應(yīng)降低，中硬煤層的分段間距設(shè)計(jì)為75 m 左右，軟煤層分段間距為65 m 左右較合理。

c.淮北蘆嶺井田和山西余吾井田工程實(shí)踐表明，按照模擬設(shè)計(jì)的分段間距開(kāi)展的頂板水平井壓裂裂縫穿透了煤層，形成了具有一定導(dǎo)流能力的長(zhǎng)裂縫，取得了較好的產(chǎn)氣效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的高效穿層分段壓裂改造，驗(yàn)證了頂板水平井穿層分段壓裂規(guī)律的正確性與可靠性。

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