常曉亮，呂閏生，王 鵬，李 冰，高 琳

(1.永煤煤電(集團(tuán))股份有限公司，河南 永城 476600；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；3.河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191)

煤層氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣，其高效開發(fā)不僅可以緩解中國(guó)油氣供給難題，而且可以有效減少煤礦井下瓦斯事故，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義[1-2]。水力壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤儲(chǔ)層改造中，壓裂液攜支撐劑一同進(jìn)入地層充填在煤層裂縫中，對(duì)裂縫因應(yīng)力釋放而閉合起到有效支撐作用，通過對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂改造，以獲得足夠長(zhǎng)度的高導(dǎo)流能力裂縫。因此，支撐劑在煤層裂縫中的鋪置范圍和輸送距離是判斷水力壓裂效果的重要指標(biāo)[3-4]。支撐劑分為高密度支撐劑和低密度支撐劑，低密度支撐劑從原料制備技術(shù)方法可分為低密度陶粒支撐劑和低密度其他類型支撐劑，低密度支撐劑具有沉降速度小、充填效果好、有利于在裂縫中鋪置的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5-8]。許多學(xué)者對(duì)常規(guī)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行了支撐劑類型、粒徑、鋪砂濃度等參數(shù)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響進(jìn)行研究，而在煤儲(chǔ)層支撐劑參數(shù)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力和鋪置范圍方面研究相對(duì)較少[9-17]。為此，筆者選取潞安礦區(qū)煤層氣井，使用新型覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑，通過模擬不同粒徑下其導(dǎo)流能力和鋪置范圍，以期獲取壓裂支撐劑最優(yōu)粒級(jí)配比，為煤儲(chǔ)層輕質(zhì)陶粒壓裂設(shè)計(jì)與導(dǎo)流評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 覆膜輕質(zhì)陶粒性質(zhì)

本次實(shí)驗(yàn)選用粒徑為40～60(0.25～0.38 mm)、16～40(0.38～1.00 mm)、12～20目(0.83～1.40 mm)3種規(guī)格新型覆膜輕質(zhì)陶粒，密度小于1.15 g/cm3(40～60目規(guī)格陶粒體密度1.18 g/cm3)，在22 MPa壓力下，3種規(guī)格的陶粒破碎率不超過10%、15%和21%。普通輕質(zhì)陶粒和覆膜輕質(zhì)陶粒物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。為了便于表述，下文中粒徑均用目表示。

表1 不同規(guī)格輕質(zhì)陶粒物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Test results of different partical size of coated light ceramsite

由表1可知，覆膜輕質(zhì)陶粒的酸溶解度、導(dǎo)流能力均高于普通輕質(zhì)陶粒，而其圓度、球度、濁度、密度則低于普通輕質(zhì)陶粒。依據(jù)壓裂中支撐劑鋪置范圍和抗壓強(qiáng)度關(guān)鍵指標(biāo)，覆膜輕質(zhì)陶粒整體性能優(yōu)于普通輕質(zhì)陶粒。

2 壓裂裂縫內(nèi)支撐劑沉降及運(yùn)移規(guī)律

2.1 牛頓流體單顆粒自由沉降速度

單個(gè)支撐劑顆粒在靜態(tài)、無邊界的牛頓流體中沉降時(shí)，會(huì)受到自身重力、浮力和阻力作用，支撐劑會(huì)一直加速沉降直到受力平衡。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，支撐劑會(huì)勻速下沉，其自由沉降速度可用下式[18]表示。

式中：vp為單顆粒自由沉降速度，cm/s；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；ρs為顆粒密度，g/cm3；ρ為地層流體密度，g/cm3；dp為支撐劑顆粒直徑，cm；Cd為阻力系數(shù)。

由于Cd求解困難，Nowotny根據(jù)雷諾數(shù)提出了3種雷諾數(shù)下的自由沉降速度計(jì)算公式[18]：

式中：μ為地層流體黏度，Pa·s；Re為雷諾數(shù)。

2.2 支撐劑運(yùn)移模擬

基于牛頓液體單顆粒自由沉降速度理論，以潞安礦區(qū)華高63號(hào)煤層氣井為例，采用數(shù)值模擬軟件模擬了陶粒支撐劑在壓裂過程中的運(yùn)移狀態(tài)，模擬過程中基本參數(shù)見表2。

由圖1可知，覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力較強(qiáng)，其造縫能力也較強(qiáng)，覆膜輕質(zhì)陶粒最終會(huì)分布于裂縫高度剖面上，形成砂堤、懸砂區(qū)和純液區(qū)。砂堤最遠(yuǎn)可鋪至120 m，懸砂區(qū)最遠(yuǎn)可推送至160 m，活性水可達(dá)200 m。潞安礦區(qū)目前使用的石英砂支撐劑在裂縫高度剖面上的分布如圖2所示，砂堤可運(yùn)移至60 m，懸砂區(qū)可運(yùn)移至80 m。對(duì)比圖1、圖2，覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑砂堤和鋪砂區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石英砂的造縫能力，鋪砂范圍是石英砂的2倍左右。由微地震方法監(jiān)測(cè)獲得研究區(qū)華高149井石英砂壓裂后的裂縫半長(zhǎng)為89.1 m，與本次模擬結(jié)果相近。

圖1 覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑在縫高上分布剖面Fig.1 Concentration profile of coated ceramsite proppant at crack heights

圖2 石英砂支撐劑在縫高上分布剖面Fig.2 Concentration profile of quartz sand at crack heights

3 覆膜輕質(zhì)陶粒粒級(jí)配比優(yōu)化

作為煤層氣井壓裂支撐劑，覆膜輕質(zhì)陶粒相比傳統(tǒng)石英砂具有較大的優(yōu)勢(shì)，為最大限度提高壓裂增透效果，對(duì)不同粒級(jí)覆膜輕質(zhì)陶粒進(jìn)行壓裂模擬預(yù)測(cè)。

3.1 覆膜輕質(zhì)陶粒導(dǎo)流能力壓裂模擬

不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑按表2基本參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3、圖4所示。導(dǎo)流能力是指裂縫傳導(dǎo)(輸送)儲(chǔ)層流體的能力，并以裂縫支撐劑層的滲透率(Kf)與裂縫支撐縫寬(Wf)的乘積(KW)f來表示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無論何種粒徑輕質(zhì)覆膜陶粒支撐劑，隨著閉合壓力的增大其裂縫導(dǎo)流能力均降低。大粒徑陶粒受閉合壓力影響較大，隨著閉合壓力增大，其導(dǎo)流能力下降較快，說明大粒徑陶粒得不到有效支撐。閉合壓力相同，小粒徑陶粒被壓裂液攜帶距離遠(yuǎn)，支撐裂縫強(qiáng)度弱，導(dǎo)流能力低；大粒徑被壓裂液攜帶距離近，支撐裂縫強(qiáng)度強(qiáng)，導(dǎo)流能力高。

圖3 16～40目覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑導(dǎo)流能力Fig.3 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

圖4 40～60目覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑導(dǎo)流能力Fig.4 Conductivity of 16-40 mesh lightweight ceramsite

3.2 不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒壓裂模擬

以華高63號(hào)煤層氣井為例，采用FracproPT軟件對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂預(yù)測(cè)，壓裂過程使用的支撐劑為40～60目、16～40目和12～20目的3種不同粒徑的覆膜輕質(zhì)陶粒，3種粒徑的陶粒支撐劑鋪置面密度及壓裂裂縫導(dǎo)流能力預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒裂縫導(dǎo)流能力Fig.5 Fracture conductivity of different particle size covered lightweight ceramsite

不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒模擬結(jié)果見表3，由表中可知，40～60目的陶粒粒徑最小，其壓裂裂縫長(zhǎng)度、支撐縫長(zhǎng)和平均支撐劑密度最大，而導(dǎo)流能力則最低；12～20目的陶粒粒徑最大，壓裂裂縫長(zhǎng)度、支撐縫長(zhǎng)和平均支撐劑密度最小，而導(dǎo)流能力最高；16～40目陶粒介于其他兩類之間。

表3 不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒壓裂效果對(duì)比Table 3 Comparison table of fracturing effects with three grain sizes covered lightweight ceramsite

形成上述現(xiàn)象的原因：小粒徑陶粒由于其粒徑小，被壓裂液攜帶的距離最遠(yuǎn)，支撐裂縫的強(qiáng)度最弱，導(dǎo)流能力最低；大粒徑陶粒由于粒徑較大，被壓裂液攜帶的距離最近，支撐裂縫強(qiáng)度最強(qiáng)，導(dǎo)流能力最高。對(duì)比不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒，12～20目覆膜輕質(zhì)陶粒模擬結(jié)果最優(yōu)，無因次導(dǎo)流能力為1.447。

3.3 不同粒級(jí)配比壓裂模擬

分別模擬ω(40～60目)、ω(16～40目)和ω(12～20目)3種粒級(jí)陶覆膜輕質(zhì)粒配比分別為1∶1∶1、1∶6∶2和3∶1∶2的壓裂效果，壓裂模擬預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模擬壓裂時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力Fig.6 Fracture conductivity of different particle sizes covered lightweight ceramsite configuation

圖7 不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒(ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目))配比模擬壓裂時(shí)的裂縫支撐劑面密度Fig.7 Fracture proppant concentration for different particle size covered lightweight ceramsite configuation

表4 不同粒級(jí)配比壓裂效果對(duì)比Table 4 Comparison table of fracturing effects with three sizes ceramsite configuation

由表4可知，粒級(jí)配比為1∶6∶2的壓裂效果最好，其壓裂裂縫平均支撐劑面密度最大為5.16 kg/m2，裂縫無因次導(dǎo)流能力最高為1.263，但總裂縫縫長(zhǎng)與支撐裂縫縫長(zhǎng)最小，分別這320.0 m和287.6 m；粒徑配比為3∶1∶2的壓裂效果最差，由于最小陶粒粒徑所占比例最高，壓裂裂縫長(zhǎng)度、支撐縫長(zhǎng)最大分別為326.7 m和295.2 m，支撐劑濃度為4.74 kg/m2，導(dǎo)流能力最小為1.049；粒徑配比為1∶1∶1的壓裂效果二者之間。不同配比形成的壓裂差異原因?yàn)?，粒徑配比?∶1∶2的陶粒由于其小粒徑陶粒所占比例大，雖然被壓裂液攜帶的距離最遠(yuǎn)，但支撐裂縫的強(qiáng)度最弱，導(dǎo)流能力最低；而粒徑配比為1∶6∶2的陶粒由于中等粒度陶粒所占比例大，被壓裂液攜帶的距離較遠(yuǎn)，能夠有效填充裂縫，裂縫中支撐劑面密度最高，同時(shí)支撐裂縫強(qiáng)度較強(qiáng)，導(dǎo)流能力最高。綜合對(duì)比3種粒級(jí)配比壓裂模擬效果，粒級(jí)配比ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)為1∶6∶2時(shí)，華高63井壓裂模擬效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

a.新型覆膜輕質(zhì)陶粒整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)輕質(zhì)陶粒，不同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒支撐劑的裂縫導(dǎo)流能力均隨著閉合壓力的增大而降低；相同粒徑覆膜輕質(zhì)陶粒在裂縫中形成的砂堤和鋪砂區(qū)長(zhǎng)度是傳統(tǒng)石英砂的2倍左右。

b.40～60目、16～40目、12～20目3種粒級(jí)覆膜輕質(zhì)陶粒中，12～20目壓裂裂縫長(zhǎng)度、支撐縫長(zhǎng)和平均支撐劑面密度最小，而導(dǎo)流能力最高；40～60目導(dǎo)流能力最小，16～40目介于二者之間。

c.選取潞安礦區(qū)華高63井為壓裂模擬對(duì)象，當(dāng)ω(40～60目)∶ω(16～40目)∶ω(12～20目)覆膜輕質(zhì)陶粒粒級(jí)配比為1∶6∶2時(shí)，壓裂效果最好，此時(shí)，裂縫縫長(zhǎng)320 m，平均裂縫寬度0.672 cm，平均支撐劑面密度為5.16 kg/m2，無因次裂縫導(dǎo)流能力為1.263；當(dāng)質(zhì)量配比為3∶1∶2時(shí)壓裂隙效果最差，無因次裂縫導(dǎo)流能力為1.049；質(zhì)量配比為1∶1∶1時(shí)裂縫導(dǎo)流能力介于二者之間，為1.113。