煤系“三氣”共采產層組壓裂裂縫擴展物模試驗研究

孟尚志，侯　冰，張　健，譚　鵬，熊振宇

(1.中聯煤層氣有限責任公司,北京　100011；2.中國石油大學(北京) 油氣資源與國家重點實驗室,北京　102249)

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煤系“三氣”共采產層組壓裂裂縫擴展物模試驗研究

孟尚志1，侯冰2，張健1，譚鵬2，熊振宇2

(1.中聯煤層氣有限責任公司,北京100011；2.中國石油大學(北京) 油氣資源與國家重點實驗室,北京102249)

摘要:硬脆性砂巖、頁巖儲層與塑性的煤層組合開發時，層間應力差、巖性差異、界面性質等因素會對水力裂縫擴展產生較大影響，復合儲層人工裂縫擴展規律存在認識不清的難點，給儲層改造方案的合理設計帶來了難度。基于此，選取鄂爾多斯盆地東緣臨興地區天然露頭巖石進行不同巖性組合，開展室內大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬試驗，研究不同地應力差、彈性模量差異、煤巖割理等參數對水力裂縫起裂及擴展的影響。結果表明：水力裂縫起裂方向受地應力條件及近井筒天然弱面共同控制；當應力差在4～6 MPa時，既能保證裂縫穿透界面，又能保證高效溝通煤巖中天然弱面形成網絡裂縫；層間彈性模量差異越大，縫內流體壓力越高，穿透界面時釋放的壓力脈沖有助于激活煤巖中的微裂縫形成復雜的裂縫網絡。水力裂縫在煤巖中的擴展路徑受割理影響較大，易發生轉向或者分叉擴展；水力裂縫穿透界面時壓裂曲線存在明顯的2次憋壓，溝通煤巖割理過程中壓裂曲線上下波動明顯。研究復合儲層水力裂縫起裂及擴展規律可為油田現場預測裂縫形態以及優化泵注程序提供參考。

關鍵詞:三氣共采；復合儲層；組合壓裂；裂縫擴展；地應力差；彈性參數

我國以鄂爾多斯盆地東緣為主的煤層氣田廣泛分布含煤系的煤層氣、致密氣、頁巖氣，氣量豐富，開發潛力巨大[1-2]。由于煤層厚度變化大、層數多，層間發育的頁巖氣、致密氣與煤層氣具有連續成藏、區內共存的特點，達不到機械分層壓裂條件，難以單獨開采煤層氣[2-3]。“十三五”提出將煤層氣與周邊的頁巖氣、致密氣3種氣體組合開采(即“三氣共采”)，實施滑套連續多層水力壓裂改造技術，綜合開發非常規資源。

復合儲層組合壓裂設計中水力裂縫垂向擴展范圍是需要重點考慮的因素之一，它在一定程度上影響著水力壓裂的效率，也是決定壓裂作業成敗的關鍵因素[4-5]。因此在進行壓裂作業之前必須判斷裂縫是否穿透隔層，對裂縫垂向擴展范圍及裂縫形態進行預測，以便確定合理的參數作業。水力裂縫在多儲層之間的擴展行為受地層條件和施工條件共同控制，國內外學者開展了相關理論及實驗研究。Van等[6]從理論方面對影響分層介質縫高擴展的因素進行了分析，認為模量差對裂縫高度擴展的影響不大，水平應力差對分層界質中縫高擴展的影響較大。Biot等[7]采用剪切模量及擴展能給出了穿層擴展判別條件，但模型比較簡單，忽略了層間物性差等重要因素。Teufel等[8]通過水力壓裂實驗及彈性有限元研究表明，分層巖石中裂縫的擴展很大程度上受交接面兩邊巖石力學性質的差異、穿過交接面時水平應力狀態的改變及交接面的剪切強度的影響。Rueda等[9]采用數值模型對儲隔層應力差、流體黏度、楊氏模量、射孔位置、壓裂液效率對壓裂凈壓力、裂縫寬度、裂縫高度的影響進行了分析研究。Suarez-Rivera等[10]通過室內實驗得到在不受圍壓條件下，當裂縫擴展遭遇交接面時，裂縫擴展或受阻，或沿交接面延伸。Zhang等[11]認為水力裂縫與由摩擦產生的地質不連續性相互之間的作用同樣可能導致裂縫擴展受阻、穿過、進入不連續面的交接處3種情況。Athavale等[12]通過人造試樣的室內實驗得到分層介質物性差異以及應力差會導致分層巖塊中形成的裂縫比較復雜(彎曲，分支等)并可能伴隨著沿交接界面出現剪切滑移。Zhao等[13]通過應力強度因子疊加建立數學模型，認為裂縫擴展遇到分層界面時存在1個擴展停止的臨界長度，當裂縫的擴展長度大于該臨界長度時，裂縫可沿交接面擴展或穿透交接面。Russel等[14]通過實驗(試件：中間為砂巖，上下隔層為水泥)觀察和聲發射監測，對層狀介質裂縫擴展形態進行分析。

上述研究多以理論研究為主，以致數學模型以及判別準則得不到有效的驗證；少數的試驗研究也主要針對混凝土等造試件，與真實巖石的性質差異顯著。另外，目前研究多以裂縫是否穿透界面作為重點，對穿透前后的裂縫形態研究甚少。因此，筆者采用大尺寸真三軸壓裂設備對由不同天然巖性露頭組合的分層試件開展物模試驗，試驗參數依據相似準則[15]而定，研究地應力差、彈性模量差、天然弱面等因素對水力裂縫起裂方向、穿層條件以及擴展規律的影響。試驗結果可為論證理論研究、認識裂縫擴展規律以及指導現場壓裂施工提供參考。

1試驗準備及方案設置

1.1試樣制備及試驗裝置

試件采用鄂爾多斯盆地東緣地區的天然頁巖、煤巖、砂巖以及灰巖露頭加工組合而成，具體組合形式有3種：煤巖-灰巖-煤巖組合、煤巖-頁巖-煤巖組合、煤巖-砂巖-煤巖組合，將灰巖、頁巖以及砂巖作為中間層進行鉆完井作業以確保鉆孔過程中井壁的穩定。在15 MPa圍壓條件下，利用三軸實驗測得巖石力學參數：煤巖抗壓強度為0.09 GPa，彈性模量為4.05 GPa，泊松比為0.25；頁巖抗壓強度為174 MPa，彈性模量為30.55 GPa，泊松比為0.094；砂巖抗壓強度為137 MPa，彈性模量為10.5 GPa，泊松比為0.15；灰巖抗壓強度為250 MPa，彈性模量為39.07 GPa，泊松比為0.075。試件具體制備方法如下：① 借助大型巖石切割機輔助加工，將不規則的露頭巖石切割成尺寸為10 cm×30 cm×30 cm的長方體薄板；② 采用直徑為2 cm、長度為20 cm的空心鉆頭沿頁巖、砂巖以及灰巖試樣的窄面鉆取長度為16 cm的沉孔，模擬鉆井井眼；③ 將內徑為0.6 cm、外徑為1.6 cm、長度為18 cm的模擬井筒固結于孔眼中，固結深度為13 cm，井筒下方預留3 cm作為裸眼段，上方預留5 cm用作后期水泥包裹層的厚度；④ 以固結好井筒的頁巖、砂巖以及灰巖薄板作為中間層，在靠近井筒兩側的寬面上用粘接劑將試樣與煤巖薄板進行粘接，形成尺寸為30 cm×30 cm×30 cm的立方塊；⑤ 采取混凝土將粘接牢固的立方塊均勻包裹成尺寸為40 cm×40 cm×40 cm壓裂試件。如圖1所示。

圖1　試件制備流程Fig.1　Process of preparing specimen注：中間層巖性為頁巖、砂巖或者灰巖，上下層巖性為煤巖

試驗設備采用中國石油大學(北京)巖石力學實驗室設計、組建的一套大尺寸真三軸模擬試驗系統。試驗過程中，為模擬水平井壓裂，在施加三向應力時，沿著井筒方向施加最小水平地應力，沿垂直巖面的水

平方向施加上覆巖層壓力，沿平行巖面的水平方向施加最大水平地應力(圖2)。為便于在壓裂試驗結束后觀察水力裂縫擴展幾何形態，在壓裂液中添加一定量熒光粉作為裂縫示蹤劑，以獲得良好的裂縫監測效果。

圖2　試件示意Fig.2　Schematic drawing of specimen

1.2試驗方案

試驗設置了3種組合共6組試驗，考察不同組合形式條件下地應力差、彈性參數差異、巖性界面、煤巖割理等因素對水力裂縫起裂及垂向延伸規律的影響，試驗參數依據相似準則[15]而定，具體試驗參數設置見表1。

表1　試驗參數設置

2試驗結果及其分析

2.1水力裂縫在中間層中的起裂及擴展

試驗結束后，沿著裂縫面將試件劈裂，觀察水力裂縫的起裂及擴展形態。發現水力裂縫的起裂方向主要有沿井筒水平向起裂與縱向起裂2種方式，起裂后裂縫在灰巖及砂巖中的擴展形態相對單一，在頁巖層中受天然裂縫影響擴展形態復雜；裂縫垂向擴展至巖性界面處總體表現為穿透界面擴展或者沿界面擴展；穿透巖性界面進入煤層后裂縫擴展路徑受煤巖割理等弱面影響較大。試件壓后裂縫形態如圖3所示。

圖3(a)～(f)中左側為沿垂直井筒方向投影的平面圖，其中，中間深藍色矩形框表示中間層(頁巖、砂巖或者灰巖)，上下灰色矩形框表示煤巖，白色圓形表示模擬井眼，白色虛線為巖性界面或者天然裂縫，綠色實線為水力裂縫；圖3(a)～(f)中右側為各真實試件壓后裂縫形態。

(1)地應力差對裂縫起裂及擴展的影響。

地應力差不僅決定水力裂縫的總體延伸方向，也是影響裂縫起裂方向的重要因素之一。試驗中觀察到主要有3種起裂方向：張開基質水平向起裂、張開基質縱向起裂、沿近井筒天然裂縫起裂。試驗結果表明，在不同的地應力差異條件下，裂縫的起裂方向不同。

圖3　試樣壓后裂縫形態Fig.3　Fracture geometry after hydraulic fracturing

當地應力差(Δσ=σv-σh)較小時(4 MPa)，地應力對水力裂縫的起裂方向的控制力相對較弱，起裂方向具有隨機性，既可沿水平向起裂(圖3的2號試樣)，也可沿縱向起裂(圖3的4,6號試樣)。當地應力差(Δσ=σv-σh)較大時(6 MPa)，地應力對裂縫起裂方向的控制力增強，裂縫幾乎都沿縱向起裂(圖3的1,5號試樣)。3號試樣在較大的應力差異條件下沿水平向起裂后發生轉向，這主要是受到了近井筒天然弱面的影響，分析認為，裂縫擴展路徑局部受天然弱面影響，整體走向受地應力控制。頁巖儲層天然裂縫發育，鉆完井后井筒附近或多或少存在微裂縫，這些天然裂隙會影響裂縫的起裂方向，導致井筒附近裂縫形態復雜。大量的室內和現場實驗[8,16-18]表明在裂縫性儲層中不連續間斷面會影響裂縫起裂方向及擴展路徑，裂縫呈非平面形式擴展。

基于含煤系多種氣體資源綜合開發的理念，復合儲層組合壓裂技術不僅要求壓裂中間巖層開采致密氣或頁巖氣，更要求裂縫能夠穿透巖性界面，在煤層中形成復雜縫網獲得豐富的煤層氣資源。當應力差較小裂縫沿水平向起裂并擴展時(圖3的2號試樣)，裂縫不能或者以小逼近角[19-21]擴展至交界面，裂縫易轉向沿界面擴展。特別是當頁巖作為中間層時(圖3的3號試樣)，發育的層理、節理等弱面會加劇水力裂縫的偏轉，耗散水力能量，降低穿層擴展幾率。從這種意義考慮，較大地應力差對獲得更長的裂縫延伸距離、穿透巖性界面更為有利。

(2)彈性參數差異對裂縫穿層的影響。

理論和實驗研究表明[22-23]表明，層間模量差會影響裂縫垂向穿層的效果，水力裂縫從高彈性模量巖石擴展至低彈性模量巖石時裂縫穿透界面繼續擴展，而從低彈性模量巖石擴展至高彈性模量巖石時可能會受阻。本文設置6組試驗，對比在不同層間模量差異條件下，研究裂縫穿層情況以及穿層水力裂縫在煤巖中的造縫行為。

在地應力差為6 MPa的條件下，當彈性模量差值(ΔE=E2-E1)較小時，進入煤層后縫寬變化不大，縫內流體壓力幾乎不變，水力裂縫沿原路徑繼續擴展，裂縫形態相對簡單(圖3(c)，圖4(b))；當彈性模量差值(ΔE=E2-E1)較大時，中間巖層模量大縫寬相對小，縫內流體壓力高，穿透界面時水力能量突然釋放，形成壓力脈沖，有助于激活煤巖天然裂縫、割理等弱面，形成復雜的網絡裂縫。如圖4(a)所示，水力裂縫在延伸過程中溝通天然裂縫，遇到面割理時發生動態轉向和分叉擴展，形成了“工”字型復雜裂縫。由于裂縫的轉向與扭曲擴展，會加劇裂縫面的粗糙程度，粗糙不平的裂縫表面提高了裂縫的彎曲摩阻，為避免過大的彎曲摩阻影響壓裂施工，建議采用多級支撐劑段塞進行打磨。

圖4　1號、5號試樣壓后裂縫形態Fig.4　Fracture geometry of specimen Nos.1 and 5 after fracturing

地應力差為4 MPa與地應力差為6 MPa時的試驗現象相似，層間模量差異越小，在煤層形成的裂縫形態越簡單(圖3的6號試樣)；模量差異越大，裂縫形態越復雜(圖3的4號試樣)。分析認為，彈性模量反映維持裂縫擴展的能力，彈性模量與巖石破壞前彈性蓄能能力有關，彈性越好，累積的可恢復的變形能力越大，裂縫擴展致裂巖石時作為釋放的能量可有效使地層多維破裂，進而形成網狀裂縫。以4號試樣中縫網形成機制為例進行分析，由于脆性頁巖與塑性煤巖的彈性模量差異較大，當裂縫垂向擴展至界面時，縫內流體壓力存在1個突降過程，水力能量釋放并產生壓力脈沖，由于垂向地應力較小，巖性界面會不同程度的張開并開啟界面附近煤巖中的微裂縫，壓裂液向界面及微裂縫中滲透；當壓力再次升高時，在界面附近多裂縫同時起裂并擴展，從而大大提高了裂縫網絡的擴展規模。

2.2水力裂縫在煤巖中的擴展

影響裂縫性儲層水力裂縫擴展形態的影響因素[24]主要包括儲層地質條件(巖石力學性質、地應力等)和工程條件(壓裂液性質、排量、砂比等)。研究[25-27]認為，地應力差和儲層裂縫發育程度是決定網絡裂縫擴展規模的最關鍵因素。基于此，試驗重點考察了在多巖性復合條件下，應力差和模量差對水力裂縫在煤巖中擴展行為的影響。在2.1節中已經詳細分析了模量差對裂縫擴展的影響，在此僅討論地應力差的作用機制。

上文分析得到，地應力差值越大，越有利于水力裂縫穿層擴展，但是在高應力差條件下(Δσ=6 MPa，圖3的5號試樣)，水力裂縫縱向延伸過程中垂直穿透天然裂縫，未溝通天然裂縫，壓裂后形成的是一條簡單的垂直平面縫，沒有形成復雜的水力裂縫，如分支縫，分段縫，偏移縫等。在低應力差條件下(Δσ=4 MPa，圖3的6號試樣)，水力裂縫在井底起裂并穿層后，向前擴展遇到天然裂縫時，由于低應力差對主裂縫的控制作用較弱，容易溝通天然裂縫形成復雜裂縫。但是，天然裂縫的開啟會引起壓裂液的分流，分支裂縫數量越多，分流作用越強，導致主裂縫內的壓裂壓力降低，引起縫長變短、縫寬變窄，進而引發支撐劑動移困難，在局部區域形成堵塞，影響最終施工質量。另外，過低的應力差會導致裂縫起裂方向的隨機性，影響裂縫穿透巖性界面。因此，過低或者過高的應力差都不利于最優縫網的形成，試驗結果表明當應力差在4～6 MPa時，既能保證裂縫穿透界面，又能有效溝通煤巖天然弱面形成裂縫網絡。

2.3水力裂縫穿層擴展規律

實驗結果表明，對于上下巖性相同的分層試件，水力裂縫在垂向擴展過程中并沒有表現出對稱擴展的特點，如圖3所示(1號,5、6號試樣)，水力裂縫在中間層中對稱起裂后，一端擴展至界面時停止，另一端則穿透繼續擴展。

通過分析認為，由于巖石自身非均質性以及層間物性差異顯著，水力裂縫的擴展遵循阻力最小性、優先性以及擴展路徑最短性的原則進行延伸，即水力壓裂過程中裂縫首先在阻力最小區域起裂擴展，如果在各起裂方向上水力裂縫擴展阻力同等小，如圖3(1號、4號、5號、6號試樣)中井筒附近沿井筒對稱的雙翼縫，則縫內的壓裂液會優先向最先形成的壓裂通道內流動，在滿足阻力最小及優先性的條件下裂縫最終沿擴展路徑最短的方向延伸，一旦壓裂液流動的最終水力通道形成，那么其他方向的擴展通道就會延遲或者停止，除非縫內流動壓力變得異常大，否則延遲或者停止擴展的裂縫很難繼續向前延伸。

2.4壓裂曲線分析

觀察試樣的壓后壓裂曲線發現，當裂縫從高模量的巖層中起裂并穿透界面進入低彈性模量的煤巖擴展時，穿透巖性分界面時壓裂曲線存在明顯的2次憋壓過程，水力裂縫在煤巖中擴展并不斷溝通割理等弱面時壓力曲線發生明顯的上下波動，溝通程度越大，波動幅度越大。以1號試樣壓后曲線為例進行分析，如圖5所示。a-b-c表示隨著壓裂的不斷注入，井筒內壓力持續增大。當液壓升到第1個峰值c點時，井筒裸眼段開始破裂。c-d表示水力裂縫在中間層中的擴展，在d點與巖性界面相遇。d-e表示水力裂縫擴展并穿透巖性界面。e-f表示進行2次憋壓，當泵壓到達第2個峰值f時，煤巖破裂。f-g表示水力裂縫繼續在煤巖中擴展，在不斷溝通天然弱面的過程中，泵壓波動幅度較大。水力裂縫在煤巖中的延伸壓力超過了最大主應力，一方面是由于隨著裂縫不斷擴展縫內流體流動摩阻增大，另一方面由于裂縫的分叉、轉向以及多裂縫同時擴展導致主多裂縫共同分配水力能量。基于以上分析可知，通過壓裂曲線上的2次憋壓過程可定性的判斷水力裂縫是否穿透界面進入煤巖，為油田現場分析壓裂曲線提供參考。

圖5　1號試樣壓后曲線Fig.5　Fracturing curve of specimen No.1

5結論與認識

(1)頁巖層理及煤巖割理等弱面會影響裂縫起裂及擴展幾何形態，但是水力裂縫的整體擴展方式是由天然裂縫和地應力的雙重作用結果，局部小裂縫受弱面影響，宏觀大裂縫受地應力控制。過低或者過高的應力差都不利于最優縫網的形成，試驗結果表明當應力差在4～6 MPa時，既能保證裂縫穿透界面，又能保證有效溝通煤巖天然弱面形成裂縫網絡。

(2)中間巖層的彈性模量相對上下煤巖的彈性模量越大，縫內流體壓力越高，越容易穿透界面。穿透界面時突然釋放水力能量，產生的壓力脈沖能夠激活煤巖中發育的微裂縫以及割理等弱面，形成復雜的裂縫網絡。煤巖中裂縫的轉向以及扭曲擴展會加劇裂縫面的粗糙程度、提高裂縫的彎曲摩阻，為避免過大的彎曲摩阻影響壓裂施工，建議采用多級支撐劑段塞進行打磨。

(3)試驗結果表明中間層中發育天然裂縫會嚴重影響裂縫垂向擴展，建議油田現場在壓裂選層時盡量規避裂縫系統發育且層厚較大的巖層。

(4)復合儲層壓裂水力裂縫垂向延伸過程中，由于巖石自身非均質性以及層間物性差異顯著，水力裂縫的擴展遵循阻力最小性、優先性以及擴展路徑最短性的原則進行延伸。

(5)水力裂縫穿透巖性界面時，壓裂曲線上存在明顯的2次憋壓過程，水力裂縫不斷溝通割理等弱面時壓力曲線發生明顯的波動，溝通程度越大，波動幅度越大。通過壓裂曲線上的2次憋壓特點可定性的判斷水力裂縫是否穿透界面進入煤巖，為指導油田現場壓裂施工提供參考。

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Experimental research on hydraulic fracture propagation through mixed layers of shale,tight sand and coal seam

MENG Shang-zhi1,HOU Bing2,ZHANG Jian1,TAN Peng2,XIONG Zhen-yu2

(1.ChinaUnitedCoalbedMethaneCo.,Ltd.,Beijing100011,China;2.SateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Abstract:When multi-layers strata with shale gas,tight gas and coal bed gas are developed together,differential stress between interlayer,lithology difference,interfacial property and other factors have great impacts on hydraulic fracture geometry.So it is difficult to understand the fracture propagation rule in composite reservoir,which brings great challenges in planning for reservoir stimulation.In this paper,the natural outcrop rocks from the eastern margin of Ordos Basin are excavated and mixed in a certain way to carry out the physical simulation experiments with a true tri-axial fracture system.The effects of differential stress,differential elastic modulus and cleats on the hydraulic fracture initiation and propagation are studied.The result shows that the stress condition and natural weak plane commonly control the propagation direction of hydraulic fracture.When the stress difference ranges from 4 MPa to 6 MPa,the hydraulic fracture can not only penetrate the interface in vertical direction but also activate the natural fractures in coal to form a complex fracture network.The higher elastic modulus difference between layers brings a higher pressure in fracture,when the hydraulic fracture reaches interface pressure releases to generate pressure wave which can contribute to activate the micro fracture in coal.The expansion path of hydraulic fracture in coal rock is greatly influenced by cutting principle,and could easily deflect to form branches.There are obvious hold pressure for two times when hydraulic fracture penetrates interface,and the fluctuation of fracturing curve is obvious when the weak planes in coal is activated.The study of hydraulic fracture initiation and propagation in multi-layers reservoir can provide a reference for the field prediction of fracture morphology and optimize pump injection program.

Key words:commingling production;compound reservoir;combination fracturing;fracture propagation;stress difference;elastic parameter

中圖分類號:P618.11;P618.33

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0221-07

作者簡介:孟尚志(1973—),男，天津人,高級工程師,博士。Tel：010-64265253，E-mail：mszlily@126.com

基金項目:中國海油石油總公司“ 煤層氣/頁巖氣/致密砂巖氣三氣共采先導性試驗研究”資助項目

收稿日期:2015-07-08修回日期:2015-11-12責任編輯:許書閣

孟尚志，侯冰，張健，等.煤系“三氣”共采產層組壓裂裂縫擴展物模試驗研究[J].煤炭學報,2016,41(1):221-227.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9006

Meng Shangzhi,Hou Bing,Zhang Jian,et al.Experimental research on hydraulic fracture propagation through mixed layers of shale,tight sand and coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):221-227.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9006