徑向井復合脈動水力壓裂煤層氣儲層解堵和增產室內實驗

田守嶒 黃中偉 李根生 陸沛青 張宏源 王天宇

“油氣資源與探測”國家重點實驗室·中國石油大學（北京）

0 引言

《能源發展“十三五”規劃》中指出，中國能源將朝著加快技術創新，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系推進。中國的煤層氣地質資源儲量十分豐富，加快煤層氣開發利用，對保障我國煤礦安全生產和增加清潔能源供應具有極其重要意義[1-2]?！笆濉逼陂g，中國的煤層氣地面開發取得重大進展。然而與預期目標仍有一定的差距。其主要原因之一是中國煤巖顯著具備低壓、低滲透、低孔隙度的“三低”特征，低滲透儲層在鉆井過程中易產生中儲層傷害[3-4]，有效解除儲層傷害是其關鍵問題。

可以采用水力噴射徑向水平井技術或者水力壓裂的技術方法解除煤層氣生產過程中煤粉造成的儲層傷害。水力噴射徑向水平井（以下簡稱徑向井）技術[5-7]，是指在垂直井眼內沿徑向鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平井眼，從而穿透近井污染帶，增大與儲層接觸面積，建立高導流通道，達到增產增注減少儲層傷害的目的。脈動水力壓裂技術是近年探索的水力壓裂方法之一，它是將壓裂液以動載形式泵入地層從而產生交變載荷，交變載荷作用誘導產生微裂縫并逐漸溝通貫穿天然裂縫，從而形成有效的體積縫網[8-12]。脈動水力壓裂具有起裂壓力低、卸壓范圍廣、解堵作用強等優勢，已在煤層中實施了工業性先導試驗[13-24]。

筆者提出徑向井復合脈動水力壓裂的解堵和增產思路：即水力噴射多分支徑向井，利用高導流徑向孔眼，進行適度的脈動水力壓裂改造，從而在主井筒附近一定區域內最大程度地沖擊、破碎煤層，形成高導流通道與裂縫網絡相結合的大范圍卸壓增透區。為了驗證其技術原理，設計并開展了徑向井復合脈動水力壓裂室內實驗，研究了徑向井復合脈動水力壓裂形成裂縫的聲發射響應特征與煤巖的破裂程度、宏觀裂縫形態之間的關系。該方法提供了一種煤層氣解除儲層堵塞程度和高效開發的新思路，可望實現大幅提高煤層氣單井產量。

1 徑向井復合脈動水力壓裂實驗

1.1 實驗系統

實驗系統主要由壓裂液泵注系統和聲發射監測系統兩部分組成，如圖1所示。

設置試驗機的脈沖加載波形為正弦波（振幅為2 MPa，頻率介于1～3 Hz）；脈沖次數調至最大，即保持脈沖伺服加載直至型煤開裂或滲油。實驗壓裂流體介質為液壓油，其黏度為47 mPa·s。聲發射信號監測系統主要進行實驗過程的聲發射接收、放大、分析等信號處理。巖樣發生破裂時會產生的單信號為一個振鈴數；若干連續振鈴計數響應歸整為一個聲發射事件，認為形成一個裂縫。聲發射接收器在型煤試樣上的展布方位如圖1-b所示?；跀嚆U實驗與環境噪聲測試，采用門限式觸發作為信號接收模式，設置聲源定位參考波速為1 890 m/s，信號接收門檻值為50 dB，采樣率為3 MHz。

圖1 徑向井復合脈動水力壓裂實驗系統示意圖

1.2 試樣制備

室內實驗的模擬井筒由垂直井筒和徑向井筒兩部分構成。垂直井筒為不銹鋼，其長度為190 mm。在垂直井筒下部距離底部35 mm處為徑向井筒， 由2～4個直徑5 mm的孔眼連接。磨具尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，煤試樣制備采用一定配比的煤粉與水泥漿混合。

灌注磨具完成后，在室溫下擱置28 d，待水泥漿完全固結。對4組制備型煤測試試件（?25 mm×50 mm），進行巖石力學性質測試，測試試件力學參數平均值分別為：楊氏模量為4.38 GPa，泊松比為0.22，抗壓強度為5.69 MPa，密度為1.75 g/cm3，制備試件與天然煤巖的力學性質基本一致。

1.3 實驗方案及步驟

制備6塊實驗型煤試樣，其中用于徑向井準靜態水力壓裂實驗1塊，徑向井復合脈動水力壓裂實驗5塊。本實驗暫未考慮地應力的影響，主要研究徑向井動、靜態水力壓裂過程中的聲發射反應特征。按照徑向井（RW）、常規水力壓裂（CHF）、脈動水力壓裂（PHF）、分支數（支）、長度（mm）、加載頻率（Hz）等實驗參數順序對6個實驗試樣進行編號如下：1號試樣RW-CHF-2-35-0；2號試樣RWPHF-2-35-1；3號試樣RW-PHF-2-35-3；4號試樣RWPHF-2-50-3；5號試樣RW-PHF-3-35-3；6號試樣RWPHF-4-35-3。

實驗步驟如下：①實驗前，檢查試樣完整性，確保實驗設備正常運轉；②連接管線，試運行泵注系統，排空管線及井筒中的空氣；③準靜態水力壓裂實驗：恒定排量注入，排量為20 mL/min，直至試樣開裂或滲油；④脈動水力壓裂實驗：按照設計的頻率與初始振幅組合開始壓裂，觀測聲發射信號的響應直至不再接收到聲發射信號；每次脈動壓裂實驗提高振幅為0.5 MPa，直至試樣開裂或滲油，停止實驗；⑤及時記錄實驗數據，密切關注型煤破裂狀態，適時停止實驗。

2 實驗結果分析

基于設計的實驗方案，采用6塊型煤試樣開展了室內實驗，其中1號試樣采取準靜態水力壓裂實驗方法，其他5個試樣采取脈動水力壓裂方法，獲得了壓裂過程中系列型煤聲發射響應、宏觀裂縫形態及破裂壓力的實驗數據。

2.1 不同壓裂方式實驗下的聲發射響應

由圖2可知，1號試樣在時間為0～32 min階段，泵壓近線性穩步增加，幾乎未接收到聲發射信號；32~37 min階段，壓力迅速增加，接收到少量聲發射信號，表明試樣內有少量微裂縫開始生成；37～41 min階段，泵壓迅速升高，出現第一個峰值（10.7 MPa），該階段聲發射信號接收率最強，說明試樣內形成主裂縫，并伴生一定數量的微裂縫；在41～44 min，泵壓有一定波動，峰值泵壓達11.1 MPa，大量的聲發射信號接收，說明此階段為主裂縫擴展期；在44 min后，觀察到試樣開裂滲油，停泵結束實驗。在徑向井準靜態壓裂條件下，1號試樣的起裂壓力為10.7 MPa，峰值壓力為11.1 MPa，聲發射事件總數為174件（主要集中于主裂縫起裂與擴展期）。在準靜態壓裂條件下，徑向井壓裂主要經歷了蓄能—起裂—擴展等過程。

圖2 1號試樣振鈴計數與泵壓隨時間變化曲線圖

圖3為2～6號試樣的振鈴計數隨時間變化分布圖。脈沖伺服疲勞試驗機輸出的是標準的正弦波壓力曲線，其振幅值即為峰值壓力。

由圖3-a可知，2號試樣在低頻（1 Hz）條件下實驗的振鈴計數變化規律與1號試樣振鈴計數的分布規律（圖2）類似。不同之處在于：在相對低頻（1 Hz）條件下，2號試樣峰值壓力僅為3.5 MPa，而聲發射事件總數卻達240件，是1號試樣的1.38倍。由此可見，相對低頻條件下，脈動水力壓裂型煤破裂時峰值壓力大幅降低，且形成的裂縫更為復雜；但在較低的振幅條件下，由于能量不足，因而型煤主裂縫無法得到充分擴展。

圖3 2～6號試樣振鈴計數隨時間變化分布圖

由圖3-b可知，3號試樣的實驗頻率為3 Hz。實驗結果與1號及2號試樣已呈現出顯著差異，全過程實驗中幾乎都接收到了大量的聲發射信號。在0～4 min階段，采用振幅2.0 MPa的正弦波壓力壓裂試樣，初始階段即出現了大量的聲發射響應，說明該階段已有大量的微裂縫產生，直至3.5 min確認不再有聲發射信號；在4～9 min階段，振幅增大至2.5 MPa，接受到的聲發射信號響應達到最強，說明試樣內形成主裂縫，并伴生了大量的微裂縫，直至8.5 min確認聲發射信號消失；在9～13 min階段，再次增大振幅至3.0 MPa，與上一階段相比，該階段聲發射信號接受強度稍弱，主裂縫快速擴展；至13 min時，主裂縫貫穿試樣。在相對較高頻（3 Hz）條件下，3號試樣其峰值壓力為3.0 MPa，聲發射事件總數為650件。在相對高頻條件下，當振幅較低時徑向井復合脈動水力壓裂即可產生大量微裂縫，但僅當振幅達到一定值后，主裂縫才開始擴展；其峰值壓力進一步降低，裂縫規模與復雜程度進一步增加。

由圖3-c可知，4號試樣實驗表現出的振鈴計數變化規律，其規律與3號試樣類似。在徑向井眼長度更長（50 mm）的條件下，4號試樣峰值壓力為3.0 MPa，聲發射事件總數為815件，由此可見，徑向井復合脈動水力壓裂微裂縫規模及復雜程度與徑向孔眼長度的增加有關。

由圖3-d可知，5號試樣實驗表現出的振鈴計數變化規律，與前4塊試樣相比，5號試樣在整個脈動水力壓裂實驗過程中，聲發射信號強度明顯增強且持續時間大約100 min，直至將振幅增大到4.0 MPa才顯示宏觀劈裂主裂縫產生。該試樣實驗破裂壓力達4.0 MPa，為2～6號試樣中最高破裂壓力，聲發射事件總數高達1 230 件，為所有試樣中的最大值，說明該試樣在三分支徑向井條件下，在室內脈動水力壓裂實驗的前期階段形成了數量較多、較復雜的微裂縫網絡，即徑向井復合脈動水力壓裂微裂縫規模及復雜程度隨分支數目的增加而大幅度增加。

由圖3-e可知，6號試樣實驗表現出的振鈴計數變化規律，其與5號試樣規律基本類似：整個壓裂實驗過程中產生密集的聲發射信號，強度遠大于1～4號試樣；峰值壓力為3.0 MPa，聲發射事件總數為1 107件，與均低于5號試樣，說明其產生的微裂縫數量與復雜度低于5號試樣。實驗結果表明，當分支數目進一步增加時，實驗條件下徑向井復合脈動水力壓裂微裂縫規模及復雜程度略微有所下降，徑向井分支數目應該存在最優值。

比較不同試樣的聲發射事件數與峰值壓力的關系（圖4）可知，1號試樣峰值壓力最高（11.7 MPa）而聲發射事件數最少（174件），3號、4號和6號試樣峰值壓力最低（3.0 MPa），5號聲發射事件最多（1 230件）。實驗條件下，徑向井復合常規壓裂的峰值壓力大于徑向井復合脈動水力壓裂的峰值壓力，其值介于3～4倍，后者聲發射事件數大于前者，其值介于1.38～7.07倍，表明徑向井復合脈動水力壓裂可以較低的峰值壓力產生較多的微裂縫網絡。

圖4 1～6號試樣的聲發射事件數與峰值壓力圖

2.2 宏觀裂縫形態分析

圖5為不同壓裂方式下，1～6號型煤試樣表現出的宏觀裂縫形態。

圖5 1～6號試樣宏觀裂縫形態照片

2.2.1 徑向井準靜態水力壓裂條件下裂縫形態

圖5-a中1號試樣結構保持完整，沿徑向井筒水平一側的水力裂縫擴展有限，壓裂縫未能貫穿試樣。經劈裂試樣后觀察，壓裂液僅見于徑向井井筒周邊區域，浸入范圍有限。

2.2.2 在徑向井復合脈動水力壓裂條件下裂縫形態

圖5-b～f反映了2～6號試樣均形成了貫穿試樣的宏觀裂縫，其中，2～4號試樣形成了垂直劈裂裂縫；5號試樣形成了與垂直方向約成45°的轉向裂縫，裂縫形態趨于復雜；6號試樣形成了水平裂縫，其沿著四分支徑向井所在的平面擴展。此外，觀察2～6號試樣裂縫剖面可以發現，壓裂液深入浸入試樣內部，形成了大范圍的潤濕面積。由宏觀裂縫形態分析可知，基于徑向井展布所形成的弱面，借助動載沖擊形成數量龐大的微裂縫網絡。徑向井復合脈動水力壓裂形成的宏觀裂縫幾何尺度更大，更易擴展并劈裂型煤試樣。

綜合對比聲發射事件總數、峰值壓力、裂縫形態、劈裂程度及破裂時間等參數下的室內實驗結果，相較于徑向井復合常規水力壓裂（1號試樣），徑向井復合脈動水力壓裂（3～6號試樣）具有以下特點：①實驗過程中獲得的聲發射信號響應更強烈，最高達到1 230件（5號試樣），表明相同條件下更易形成體積縫網；②型煤產生宏觀破裂的峰值壓力較低，峰值壓力最低僅為3 MPa（3號、6號試樣），可一定程度緩解傳統水力壓裂過程中異常高壓引起的應力敏感性損傷；③宏觀裂縫更易擴展，可一定程度降低煤巖水力裂縫曲折度；④徑向井分支數、井眼長度、動載頻率及振幅等工程參數為影響裂縫形成與擴展的主要因素。

結合前人研究成果[25-29]，徑向井復合脈動水力壓裂具有上述特點的原因主要在于：①動載沖擊引起的強應力擾動，在型煤試樣內形成大范圍的拉剪破壞區，促使微裂縫大量發育；②多分支徑向井展布所形成的弱面與微裂縫網絡，有助于促進水力裂縫沿一定方向快速擴展；③動載可引起試樣的疲勞破壞，有利于巖石內部大量微裂隙的生出，同時動載應力波疊加作用，在井筒遠端形成會聚效應，可大幅降低破裂門檻值。

3 結論

1）室內實驗結果表明，徑向水平井復合脈動水力壓裂方法利用動載沖擊引起的強應力擾動和多分支徑向井眼展布，有利于獲得一定程度的體積縫網。

2）徑向井分支數、井眼長度、動載頻率及振幅等參數是影響徑向水平井復合脈動水力壓裂效果的重要影響因素。

3）徑向水平井復合脈動水力壓裂可一定程度增強煤層泄壓面積，緩解傳統水力壓裂過程中由異常高壓引起的應力敏感性損傷和降低煤巖水力裂縫曲折度，從而有效解除儲層傷害，提高煤層氣增產效果。