體積壓裂技術在煤層氣開采中的適應性研究

林英松，韓 帥，周 雪，魏曉菲

（中國石油大學〈華東〉石油工程學院，山東青島266580）

體積壓裂技術在煤層氣開采中的適應性研究

林英松*，韓 帥，周 雪，魏曉菲

（中國石油大學〈華東〉石油工程學院，山東青島266580）

體積壓裂技術已成功應用于國內外的頁巖氣開發中，目前國內開始試驗性地將此技術應用于煤層氣開發中。由于煤巖與頁巖特性的不同，研究體積壓裂技術在煤層氣開采中的適應性，對其在煤層氣開采中的應用具有指導意義。從煤巖力學性質、天然裂縫和滲透率3個方面進行了分析研究，得出高楊氏模量、低泊松比、脆性大、天然裂縫發育、低滲的煤層適合進行體積壓裂，并對進一步的壓裂施工提出建議。

煤巖；體積壓裂；縫網；適應性

煤層氣是自生自儲在由基質和割理系統組成的煤巖中，是以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質顆粒表面為主，并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。它是一種高效、清潔、新型的能源[1]。

我國煤層氣資源量豐富，埋深淺于2000m的煤層氣資源量為36.81×1012m3，居世界第三位。我國煤層氣儲層由于成煤期后構造破壞強烈，構造煤發育，滲透率普遍偏低，且還有低孔、低壓的特點。針對以上問題，要想提高煤層氣井產能，煤層氣生產井一般需要進行水力壓裂，以便形成工業性氣流。但是，常規的水力壓裂技術僅靠單一壓裂主縫很難取得預期的改造效果。因此，有人提出了體積壓裂技術。

體積壓裂是指在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，從而增加改造體積,提高初始產量和最終采收率[2]。國外已將此技術成功用于頁巖氣、致密砂巖氣以及頁巖油的開發。體積壓裂技術也逐漸成為國內非常規油氣藏高效開發的重要手段之一。

1 體積壓裂形成機理

通過水力壓裂對儲層實施改造，在形成一條或者多條主裂縫的同時，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，實現對天然裂縫、巖石層理的溝通，以及在主裂縫的側向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續分支形成二級次生裂縫，以此類推，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡（圖1）。從而將可以進行滲流的有效儲層打碎，實現長、寬、高三維方向的全面改造，增大滲流面積及導流能力，提高初始產量和最終采收率[3]。

2 體積壓裂技術在煤層氣開發中的適應性分析

2.1 煤巖主要特性描述

煤巖是自然界中由植物遺體轉變而成的可燃沉積礦物,由有機質和混入的礦物質所組成[4]。對煤巖進行元素分析，可得知，煤中有機物主要由碳、氫、氧和少量氮、硫、磷等元素構成。對煤巖進行顯微組分分析，主要包括鏡質組、殼質組和惰質組。煤巖的脆性隨鏡質組含量的增加而增大，并且一般來說，鏡質組含量越大，煤的硬度越小[5]。

煤巖的孔隙度一般小于10%，孔隙多為中孔（2～3nm）和微孔（＜2nm）屬微毛細管孔隙型，有獨特的割理、裂隙體系，且由于煤巖結構的不均質性，裂隙十分發育。煤巖的滲透率比較低，一般在0.3～0.5mD，并且應力敏感性大。與常規砂巖相比較，煤巖的彈性模量較低,泊松比較高,脆性大,易破碎,易受壓縮（表1）[6]。

表1 煤巖與常規砂巖力學性質對比表

2.2 煤巖力學性質對體積縫形成的影響

對于頁巖儲層來說，具有顯著的脆性特征是實現體積改造的物質基礎。脆性特征采用脆性指數表征，一般采用楊氏模量和泊松比來計算，也有用礦物組分來計算脆性指數的方式。巖石中的脆性礦物質含量越高，脆性指數越大；巖石的綜合楊氏模量越大，泊松比越小，脆性指數越大，越容易產生剪切裂縫，進而容易形成縫網。脆性指數越高,頁巖的可壓性越好。只有當頁巖儲層脆性特征參數＞40才有可能形成網絡裂縫，脆性指數越高越容易形成縫網。根據北美頁巖壓裂實踐經驗，給出了巖石脆性與壓裂裂縫形態的關系，見表2。

表2 巖石力學脆性與裂縫形態的關系表

實踐證明：巖石的脆性物質含量越多，其脆性越大，更能促進巖石的脆性斷裂。在體積壓裂過程中更易產生剪切破壞，更有利于形成復雜的網狀縫，從而提高裂縫體積[7]。

對于頁巖，其綜合楊氏模量越大，泊松比越小，脆性指數越大，越容易產生剪切裂縫。然而，煤巖的楊氏模量比頁巖小一個數量級，跟頁巖比較起來，煤巖具有低強度、低楊氏模量、高泊松比的特性。

在這些力學特性的相互作用下，水力壓裂裂縫的展布和幾何尺寸受到了重要影響。一方面，煤巖強度（特別是抗張強度）低，使得煤巖容易開裂；另一方面，煤巖泊松比較高，使得地層側向壓力增大，導致地層難以裂開。所以，煤巖破裂的難易程度需要通過實際計算才能得出結論。但煤巖的低楊氏模量和高泊松比一定將導致裂縫的長度減小，寬度增大。

煤巖楊氏模量越大，煤體越容易發生脆性斷裂，在相同的泵注總液量前提下，越有利于裂縫的延伸，即裂縫的長度越大，相應的，裂縫的寬度隨之減小。（圖2）因此，壓裂煤層時更容易形成短寬裂縫。

表3為不同泊松比下裂縫幾何形態分布數據。由表3可知，泊松比對裂縫幾何形態有一定影響。隨著泊松比的增大，縫長逐漸減小，縫寬逐漸減小，但從總體上看，泊松比的影響程度較小。

煤巖在進行體積壓裂時，建議選擇楊氏模量高，泊松比低，鏡煤組含量高的儲層（脆性大），這樣容易形成足夠長的人工裂縫，同時也有利于天然裂縫的開啟，更容易相互溝通形成復雜縫網。

2.3 儲層天然裂縫的影響

儲層中存在足夠的天然裂縫是實現體積改造的前提條件。天然裂縫的抗張、抗剪強度都遠遠小于基質巖石的抗張、抗剪強度。在體積壓裂過程中，天然裂縫先于基質達到抗張或抗剪強度，從而優先開啟并且相互連通；注入的壓裂液會順著天然裂縫大量濾失，并且隨著流體壓力的增加導致更遠區域的天然裂縫的開啟。同時還能夠形成人工水力裂縫，天然裂縫與人工裂縫相互溝通形成復雜的網絡裂縫進而增大改造體積。因此天然裂縫發育，同時易于壓裂的脆性地層更容易實現體積改造，而塑性較強的地層實現體積改造比較困難。

圖2 彈性模量與裂縫幾何形態的關系

表3 不同泊松比下裂縫幾何形態分布

在煤巖的形成過程中，受到復雜地質因素的影響，煤巖內形成了基質孔隙和裂隙孔隙并存的雙重孔隙結構[8]。其中，基質孔隙又稱為微孔隙，煤巖的微孔隙及其發育，是煤層氣的吸附儲集結構單元。而裂隙網絡系統是煤層氣主要的運移通道。煤巖的裂隙孔隙比較發育，按照肉眼的可見與否，將煤層裂隙分為外生裂隙和內生裂隙；從宏觀和微觀2個層次上，又可將煤層裂隙劃分為宏觀裂隙和微觀裂隙兩大類。煤巖儲層天然裂縫發育，在體積壓裂過程中，更容易形成復雜縫網結構，這為實現體積壓裂改造提供了物質基礎。

煤層天然裂隙比較發育，近井筒附近的天然裂隙會造成煤層壓裂施工壓力的瞬間劇烈變化，從而會引起裂縫寬度的快速變化，容易產生砂堵現象，對壓裂施工操作帶來很大的難度。對于該類煤層氣井建議通過觀察施工壓力的變化，及時通過調整排量來減小施工壓力的劇烈變化。

2.4 儲層滲透率的影響

壓裂后,裂縫性儲層的生產能力主要受控于主裂縫溝通的天然裂縫系統區域，短期產量主要來源于主裂縫，長期產量則主要取決于儲層發育的天然裂縫網絡。采用大規模壓裂正是為了保證形成大范圍的網絡裂縫[9]。

研究表明，當儲層滲透率K≤1mD時，裂縫網絡對產能極限貢獻率在10%左右；當K≤0.01mD時，裂縫網絡對產能極限貢獻在40%左右；當K≤0.0001mD時，裂縫網絡對產能極限貢獻在80%左右[10]。這說明儲層滲透率越低,次生裂縫網絡在產能貢獻中的作用越明顯,體積改造效果越好。

我國的煤巖氣藏滲透率普遍降低，一般平均在0.3～0.5mD[11]，屬于低滲氣藏，適合用體積壓裂技術進行改造。在進行壓裂時，由于煤巖的應力敏感性大，會造成煤層的滲透率急劇上升，從而導致壓裂液濾失嚴重，裂縫發育長度小。為了避免這種情況發生，煤層壓裂一般要采用較大的前置液量與較大的施工排量，同時控制砂比。并且采用性能優良的壓裂液，進行合理的泵注，避免壓裂施工過程中出現泵壓過高現象，避免復雜裂縫的擴張，降低壓裂液的濾失，并且有利于形成高導流能力的裂縫。

3 結論及建議

（1）通過對煤巖儲層的巖石力學特性進行分析，建議在進行體積壓裂時，選擇楊氏模量高，泊松比低，鏡煤組含量高的儲層，更容易形成復雜縫網。但是，適合進行體積壓裂的煤巖儲層的楊氏模量、泊松比和鏡煤組含量等的數值范圍需要進行進一步的研究確定。

（2）煤巖儲層天然裂縫發育，這是進行體積壓裂改造的前提。天然裂縫發育容易產生砂堵現象，對壓裂施工操作帶來很大的難度。建議通過觀察施工壓力的變化，及時通過調整排量來減小施工壓力的劇烈變化。 （3）我國的煤巖氣藏滲透率一般平均在0.3～0.5mD，屬于低滲氣藏，適合用體積壓裂技術進行改造。由于煤巖的應力敏感性大，一般要采用較大的前置液量與較大的施工排量，同時控制砂比。并且采用性能優良的壓裂液，進行合理的泵注，避免壓裂施工過程中出現泵壓過高現象，避免復雜裂縫的擴張，降低壓裂液的濾失，并且有利于形成高導流能力的裂縫。

[1]戴林.煤層氣井水力壓裂設計研究[D].長江大學,2012.

[2]陳作,薛承瑾,蔣廷學,等.頁巖氣井體積壓裂技術在我國的應用建議[J].天然氣工業,2010,30(10):30-32.

[3] 王海慶,王勤.體積壓裂在超低滲油藏的開發應用[J].中國石油和化工標準與質量,2012（2）:126.

[4] 孟召平,劉翠麗,紀懿明.煤層氣/頁巖氣開發地質條件及其對比分析[J].煤炭學報,2013,38(5).

[5]呂玉民,湯達禎,許浩,等.俄烏哈三大煤盆地煤層氣地質及開發潛力對比研究[J].資源與產業,2011（1）:20.

[6] 李同林,烏效鳴,屠厚澤.煤巖力學性質測試分析與應用[J].地質與勘探,2000,3(2):85-88.

[7] 姚中輝,張俊華.體積壓裂技術在石油開發中的應用[J].中國新技術新產品,2013(3):173-173.

[8]杜春志.煤層水壓致裂理論及應用研究[D].徐州:中國礦業大學,2008.

[9] 胡永全,賈鎖剛,趙金洲,等.縫網壓裂控制條件研究[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2013,35(4).

[10] Cipolla C,Warpinski N,Mayerhofer M,et al.The relationship between fracture complexity,reservoir properties,and fracture treatment design[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.2008.

[11]薛莉莉.煤層氣儲層壓裂數值模擬技術研究[D].中國石油大學,2009.

TE317

A

1004-5716(2015)04-0059-04

2014-04-11

2014-04-15

林英松（1964-），女（漢族），山東乳山人，教授，博士，研究方向：巖石力學在石油工程中的應用，包括井壁穩定性研究、油田地應力研究、油井出砂機理研究、爆炸壓裂研究等。