山西沁水煤層氣壓裂施工的橫向效應

李夢溪，張 聰

(中國石油山西煤層氣勘探開發分公司，山西晉城 048000)

1 前言

隨著我國的經濟起飛與快速發展，對能源的渴求越來越迫切。我國煤田多、儲量大，煤層氣成為最重要的清潔能源。煤層氣開采成為獲得能源的重要途徑。

煤層氣開采必須壓裂，目的有3個:對吸附在煤層上的氣體形成擾動，形成游離氣體流出通道;降低煤層中氣體壓力，為束縛煤層氣逸出創造條件;在井距比較大時，壓裂以裂縫的走向、形態、溝通對地層進行改造，影響氣井生產狀態。

山西是我國煤炭大省，煤層氣儲量巨大，是我國重要的煤層氣開發基地。筆者對煤層氣井壓裂過程進行了微地震監測。通過監測發現，不僅沿人工裂縫方向的鄰井對壓裂施工有反應，而且與壓裂裂縫方向夾角很大的鄰井也有反應，并且反應是即時的。這里的反應特指鄰井產氣量變小，甚至枯竭，產水量上升。這一發現使我們在分析煤層氣井壓裂效果時，不得不考慮煤層特有的力學特性，壓裂對人工裂縫法向鄰井的影響，增加了壓裂設計必須考慮的因素。

2 煤層氣井壓裂的微地震監測結果

在華加區塊監測了9口煤層氣壓裂井，壓裂、監測深度400～600 m。監測的井中，有兩口井沒有對比資料，有一口井對比資料不足以說明問題;余下的6口井中，鄰井有5井次對壓裂施工即時反應。經對比，這5井次均在壓裂裂縫的法向位置上;有4井次滯后反應，這4井次均在與壓裂裂縫走向夾角較小的位置上(見圖1，圖2)。規律如此強，必然反映了一個必有的內在因素，探討這個因素將對煤層氣井壓裂、煤層氣田改造帶來重要影響。圖1給出3條壓裂裂縫與鄰井的相對位置;圖2給出另外6條壓裂裂縫與鄰井的相對位置。

圖1、圖2中，黑色井是壓裂氣井，灰色井是即時反應氣井，白色井是鄰近氣井。即時反映氣井(灰色)通常表現為產氣量降低。黑色線連接壓裂井與即時反應的鄰井，灰色線連接壓裂井與滯后反應的鄰井。黑色箭頭、黑色線方向是壓裂裂縫的主方向。可以看到:即時反應的鄰近井與壓裂井的連線與壓裂裂縫方向夾角大，滯后反應的鄰近井與壓裂井的連線與壓裂裂縫方向夾角小。統計上述結果可以看出，鄰井、壓裂井連線與壓裂裂縫的夾角越小，反應滯后時間越長，見表1。

圖1 華加1井、華加2井、華加3井人工裂縫方向與鄰井Fig.1 Hydraulic fracture directions of HJ1，HJ2 and HJ3 and adjacent wells

圖2 華加4井、華加5井、華加6井、華加7井、華加8井、華加9井人工裂縫方向與鄰井Fig.2 Hydraulic fracture directions of HJ4，HJ5，HJ6，HJ7，HJ8 and HJ9 and adjacent wells

表1 鄰井反應時間隨鄰井、壓裂井連線與壓裂裂縫的夾角的變化Table 1 The changes of adjacent well reaction time with the angle between hydraulic fracturing and the connected line of adjacent well and fractured well

3 煤層氣井壓裂對鄰井影響的原因分析

壓裂對鄰井的影響有兩種可能:一是壓裂裂縫的溝通及對地層的改造作用;二是壓裂裂縫的增寬及內壓作用。第二種作用與介質的力學性質有關。在油田壓裂中，從未觀察到沿壓裂裂縫法向方向的作用與影響，但在煤層氣壓裂中沿壓裂裂縫法向方向的作用明顯、即時。擠壓作用的直接影響可以表示為[1]

式(1)中，TZ是經地層傳遞的擠壓力，R是距離，P是壓裂時作用在裂縫側面的水壓，ψ是的作用點與壓裂井連線與人工裂縫方向的夾角。由式(1)可以看出，越近于法線方向，經地層傳遞的擠壓力TZ越大。如式(2)所示，這個擠壓力使鄰井的裂縫關閉，出現我們看到的反應:

式(2)中，w是裂縫即時寬度;w0是裂縫受到擠壓作用前的寬度;L是裂縫高度;Es是介質的楊氏模量;υs是介質的泊松比;σN－σ0是擠壓作用增加的裂縫面有效法向應力增量，是TZ法向分量。可以看到，擠壓力使裂縫寬度變小，變小程度與楊氏模量成反比。

在煤層，煤介質楊氏模量小，裂縫抗壓能力也小，如果井距過小，壓裂過程中附加的地層壓力，應力狀態的改變成為不可忽視的因素[2](見表2)。

表2 油田、煤層常見介質的巖石力學參數Table 2 Rock mechanical parametersof common medium of oil and coal

由表2可以看出，常見油層介質砂巖的變形模量是煤層的10倍以上，這是只在煤層壓裂時監測到壓裂施工橫向影響的重要原因。由于壓裂時，以很大的壓力把裂縫二側地層推開，即時增大不沿裂縫方向的應力，越接近法向，應力增加的量值也大。后者以近于即時的速度向裂縫二側傳去，影響是即時的。

從監測資料中，與壓裂井壓裂裂縫走向夾角較大的鄰井多為即時反應，反映了應力狀態改變的影響。該影響會使已有裂縫關閉，增大氣體流動阻力;煤層游離氣壓力升高，降低煤層氣從束縛態逸出的速率;擠壓地層中原有的水向低壓位置流動。理論分析表明，壓裂附加的應力應該與壓裂裂縫走向的夾角、鄰井與壓裂裂縫的垂直連線與壓裂裂縫中點的距離相關，最大可以達到井底壓裂壓力的一半。由于煤層較軟，裂縫本身剛度低，在應力增加時，開閉程度變化顯著，加劇了這一影響。例如，華加1井壓裂，裂縫方向北東向，在華加1井北西位置的華固21－8井與裂縫走向大體垂直，與裂縫走向的垂直連線近于中點，壓裂當天氣量降為零。華加3井壓裂，華固20－6井大體垂直壓裂裂縫方向，氣量即時降低100 m3。已有的資料中，有5井次出現相同的反應。

裂縫走向、形態、溝通的影響是以把井與裂縫、裂縫與裂縫對接起來為前提，即使走向一致，也很難即時溝通，總是要通過滲流、涌流、連通幾個過程才可以實現溝通，以裂縫溝通影響氣井產量，相對壓裂時間應該有足夠的滯后。我們在安棚堿礦對井連通實驗時，從監測到連通到事實上的連通，接近30 d[3]。

監測資料中顯示，與壓裂井壓裂裂縫走向夾角較小的鄰井多為滯后反應，反映了裂縫溝通的影響。從壓裂裂縫尺度、走向，壓裂裂縫與鄰近氣井溝通應該有一個時間過程。溝通后，鄰井通常表現為水量變化。例如，華固21－8井，大體沿壓裂裂縫方向，8 d后氣量降，10 d后降為零，存在明顯的滯后。

上述對比資料見表3，比較動態資料，僅有華固3－13井壓裂，華加5井的結果略偏離這一結論。但是，與壓裂裂縫走向夾角大的井位響應時間仍然小于與壓裂裂縫走向夾角比較小的井位，彼此相差5 d。這可能與華固3－13井在區塊邊緣有關。

表3 不同相對方位的壓裂響應Table 3 Response from different directions to hydraulic fracturing

續表

表3中列出了比較規律，即時相應的均為與壓裂裂縫夾角較大的井位，與壓裂裂縫夾角越小的井位響應越滯后，這反映了響應模式的不同。

4 結語

分析以上監測結果，煤層氣井壓裂存在沿裂縫面法向方向的即時反應。這種反應是煤層楊氏模量偏小、鄰井裂縫易于關閉的結果，只有測得人工裂縫方位可靠才能表現出這一規律。這一結果反映煤層氣壓裂裂縫多為直立裂縫，對水平傳遞的壓裂施工井的橫向擠壓有較大的受力面，反應才會如此強烈。壓裂設計時應該考慮橫向擠壓這個負面作用。

壓裂附加應力對生產的影響時間通常有限，會隨著時間的推移調整應力場，逐漸恢復原來的產能。

[1]劉建中.油田應力測量[M].北京:地震出版社，1993.

[2]申衛兵，張保平.不同煤階煤巖力學參數測定[J].巖石力學與工程學報(增刊)，2000，19:860 －862.

[3]齊鐵新，劉建中，秦桂林.井下裂縫連通技術在安棚堿礦的應用[J].中國工程科學，2006，8(7):63 －67.