絨囊流體控制煤巖儲層水力裂縫形態研究

聶帥帥，鄭力會，孟尚志，魏攀峰，張賀，孫昊

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.承德石油高等專科學校石油工程系，河北承德 067000；3.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011）

0 引言

水力壓裂是實現煤層氣商業化開采的關鍵。但是，受煤層中面割理、端割理及天然裂隙影響，水力裂縫的起裂和延伸機理不同于常規油氣層，主要表現在壓裂液大量濾失和裂縫形態難以控制2 個方面。在壓裂過程中，天然裂縫會在水壓的作用下膨脹，加大壓裂液濾失量[1]。裂縫端部脫砂后砂堵，引起井口高壓，甚至刺漏井口，致使水力裂縫橫向延伸受阻[2]。同時，侵入煤層的壓裂液也會傷害煤層滲透率[3]和煤層氣的解吸能力[4]。室內研究也證明了吸附天然氣儲層存在這一現象[5]。

水力壓裂主裂縫容易沿著天然裂縫的方向擴展，導致裂縫扭曲延伸[6-7]。研究表明，煤層中的割理主要影響水力裂縫的延伸，天然裂縫對水力裂縫起裂和延伸都有影響[8]。受割理、天然裂縫干擾，煤層水力裂縫形態主要表現為垂直縫、單翼垂直縫、兩翼不對稱縫等3 種類型[9]。縱向上，其高度約是壓裂層厚度的4 倍，容易破壞煤層的隔水結構[10]。橫向上，縫長多為50～70 m，改造程度低[11]。如柳林區塊煤層氣壓裂井產氣量只有預期的30%，主要原因是水力壓裂形成了不規則短縫[12]。

綜上，割理和天然裂縫的存在是煤層水力裂縫延伸不規則的內因。如何避免或盡可能的削弱割理和天然裂縫對水力裂縫延伸的干擾，是提高煤層氣開發效果的關鍵。

1 煤巖水力裂縫形態控制難點與對策

為防止煤層割理和天然裂縫對水力裂縫延伸的干擾，北美首先提出了煤層氣直井間接垂直裂縫連接壓裂技術[13]，即在煤層頂底板或夾層中壓裂，形成的長縫與煤層割理溝通。國內沁水盆地某區塊[14-15]和鄂爾多斯盆地韓城區塊[16]相繼開展了間接壓裂試驗，但未規模化應用。這是因為間接壓裂有地層和工藝上的兩個關鍵難題一直無法解決[17]。一是當水力裂縫與煤層溝通后，割理和天然裂縫依然會干擾裂縫延伸方向。二是支撐劑在重力和水壓的作用下會嵌入到端割理中，而端割理是煤層氣主要的流動通道[1]。因此，間接壓裂并不能從根本上避免割理和天然裂縫對水力裂縫延伸的干擾。

割理和天然裂縫是煤層中的高滲透帶，壓裂過程中流體率先進入割理和天然裂縫中。猜想如果在裂縫延伸的同時采用內封堵材料暫堵割理和天然裂縫，消除煤層中的弱應力面，也許可以阻止水力裂縫向割理和天然裂縫方向偏轉。因此，解除割理和天然裂縫對水力裂縫延伸干擾的關鍵在于找到一種高強度的暫堵材料。這種暫堵材料能夠封堵不同尺度的割理和天然裂縫，又不能損害割理和天然裂縫的供氣能力。能夠實現高強度暫堵，又能返排的暫堵材料，目前來看絨囊是比較合適的。

絨囊是模糊封堵理論[18]指導下開發的一種油氣井用無固相封堵材料，以分壓、耗壓或撐壓封堵模式封堵不同尺度流動通道[19]。囊泡以堆積、拉抻、填塞等封堵形式提高裂縫性地層巖石強度[20]。同時，絨囊降低傷害煤層產氣能力[21]。目前，絨囊封堵后不破膠已成功應用于砂巖層轉向酸化[22]、油井重復壓裂[23]、煤層氣井轉向壓裂[24]、煤層氣井堵水壓裂[25]、高礦化度地層堵水[26]等，提高油氣井產量。但是，絨囊直接作為壓裂流體，在開發初期已經預測到這種功能，卻一直沒有投入現場試驗[27]。現準備試驗一井兩層。

試驗井X 井是一口煤層氣直井，完鉆井深815.00 m，套管射孔完井。山西組3#、4#和5#煤層位于687.70～717.10 m 井段，厚度6.50 m，噸煤含氣量19.22～24.49 m3/t；太原組8+9#和10#煤層位于728.30～808.60 m 井段，厚度9.00 m，噸煤含氣量12.10～24.49 m3/t。煤層氣賦存條件較好，是典型的多薄層煤巖儲層。在X 井山西組與太原組開展絨囊壓裂流體裂縫形態控制試驗，其壓裂效果不僅僅關系絨囊技術的進步和應用范圍，對于降低煤層氣勘探開發成本，提高煤層氣單井產量具有更為重要的價值[28-29]。

2 室內實驗

從前面分析來看，絨囊流體欲作為壓裂液，需具有較好的攜砂能力懸浮支撐劑、較強的封堵能力封堵裂縫，以及較低的儲層傷害程度保證產氣能力。因此，室內從攜砂能力、封堵能力、煤基質傷害程度等3 個方面測試絨囊壓裂流體的性能。

室內用常規攪拌器，采用煤層氣壓裂用絨囊4 種主處理劑配制絨囊壓裂流體。配方為：（1.5%～3.0%）囊層劑（主要成分為羥乙基淀粉）+（1.5%～2.3%）絨毛劑（主要成分為聚陰離子纖維素）+（0.4%～0.7%）囊核劑（主要成分為十二烷基磺酸鈉）+（0.8%～1.2%）囊膜劑（主要成分為十二烷基苯磺酸鈉）。

2.1 絨囊壓裂流體懸浮攜砂能力測試

依據SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》測試絨囊壓裂流體流變性。絨囊壓裂流體密度為0.85～0.95 g/cm3，表觀黏度為30～80 mPa·s，pH 值為9。模擬X 井地層溫度50 ℃，170 s-1剪切300 min 后，表觀黏度為32～78 mPa·s，流性指數為0.47～0.56，稠度系數為1.73～1.84 mPa·sn，流變性能良好。

用支撐劑沉降儀測試粒徑為0.9 mm 的陶粒（支撐劑）在絨囊壓裂流體中的沉降速率為0.003 cm/s，是活性水壓裂液中0.058 cm/s 的5.17%。這主要是因為流體中的絨囊對支撐劑的沉降起阻礙作用。因此，絨囊壓裂流體能夠滿足懸浮支撐劑的要求。

2.2 絨囊壓裂流體封堵能力測試

選取直徑為38 mm 的柳林山西組煤巖柱塞，中間造一直徑1 mm 的剖縫模擬天然裂縫，模擬X 井地層環境溫度50 ℃、回壓1.0 MPa、圍壓20 MPa，0.1 mL/min 恒流量下，分別用活性水和絨囊壓裂流體驅替柱塞。每隔20 min 記錄注入端壓力，實驗時間設置為2 h，驅替壓力與時間的關系見圖1。

圖1 活性水壓裂液和絨囊壓裂流體的驅替壓力與時間關系

從圖1可以看出，活性水壓裂液驅壓穩定在1.3 MPa，表明活性水壓裂液未封堵裂縫。因此，在實際壓裂過程中，壓力向割理和天然裂縫中傳遞，導致裂縫扭曲延伸。絨囊壓裂流體驅替2 h 后驅壓18 MPa，表明絨囊成功封堵裂縫。因此，實際壓裂過程中，絨囊在高壓下被壓縮，進入割理和天然裂縫，形成封堵帶；且絨囊封堵后的承壓能力強于原始煤巖強度，能夠防止水力裂縫轉向延伸。

2.3 絨囊壓裂流體煤基質傷害程度測試

選取直徑38 mm 的柳林山西組煤巖柱塞，先氣測原始滲透率K0；再用絨囊壓裂流體反向驅替2 h，模擬絨囊壓裂流體傷害煤基質的過程；最后氣測污染后的滲透率Kd，計算滲透率恢復值Kd/K0，結果見表1。從表1可以看出，滲透率恢復值介于82.35%～91.30%之間，絨囊壓裂流體的儲層傷害程度可以接受。

表1 絨囊壓裂流體煤基質傷害評價

綜上，絨囊壓裂流體具備開展現場試驗的條件。

3 現場施工

按照清水40 m3、囊層劑0.80 t、絨毛劑0.65 t、囊核劑0.20 t、囊膜劑0.40 t 的比例在50 m3的配漿灌中配制絨囊壓裂流體，共配制520 m3，密度為0.91 g/cm3，表觀黏度為61 mPa·s，pH 值為9，符合設計要求。

根據區內煤層氣直井壓裂經驗，決定X 井絨囊壓裂流體泵注程序，見表 2。

表2 X 井壓裂施工泵注程序

從表2 可以看出，X 井太原組壓裂施工，先以排量6.5 m3/min 泵入絨囊前置液92 m3，用于煤巖起裂，造出一條主縫；再以排量8.0 m3/min 泵入絨囊攜砂液150 m3，用于延伸主裂縫；最后以排量4.0 m3/min 泵入活性水頂替液11 m3，用于將井筒和管線內的絨囊壓裂流體頂入地層。

太原組壓裂施工結束后，下探砂管柱，探知砂面位置775.97 m，位于太原組10#煤層頂界以上0.23 m 處。上提探砂管柱，向套管內填入16/20 目石英砂0.55 m3，再探知砂面位置739.86 m，位于太原組8+9#煤頂界以上20.04 m 處，表明已經分隔太原組，可以進行山西組壓裂施工。

在X 井山西組壓裂施工過程中，先以排量為6.5 m3/min 交替泵入活性水前置液54 m3，絨囊前置液39 m3；再以排量為8.0 m3/min 泵入絨囊攜砂液239 m3；最后以排量4.0 m3/min 泵入活性水頂替液8 m3。

4 施工效果分析

目前，水力壓裂效果評估一般采用施工壓力曲線對比法[30]、壓后產量對比法[31]或者微地震監測裂縫形態的方法[32]，也可以利用現場施工數據模擬縫長縫高的方法評估工藝是否達到了設計要求[33]。由于X 井未采用微地震裂縫監測技術，壓后排采還需要較長的準備工作。因此，通過對比X井和鄰井施工壓力曲線以及壓后裂縫形態模擬的方法分析地下裂縫起裂和延伸情況，評價絨囊壓裂流體施工效果。

4.1 施工壓力曲線分析

對比X 井太原組、山西組和鄰井L 井太原組活性水壓裂液施工壓力曲線，如圖2 所示。

圖2 L 井太原組和X 井太原組、山西組壓裂施工壓力曲線

從圖2 可以看出，隨著絨囊前置液的泵入，X井太原組和山西組施工壓力迅速上升。當施工壓力上升至14.34 MPa 和14.83 MPa 后，趨于穩定，說明地下煤巖起裂，太原組和山西組煤巖破裂壓力基本一致；隨著活性水前置液的泵入，L 井太原組施工壓力迅速上升。當施工壓力上升至16.38 MPa 后，突然降低，說明地下煤層起裂。相對于L 井太原組破裂壓力，X 井太原組和山西組破裂壓力分別低了2.04 MPa 和1.55 MPa，這主要是因為絨囊壓裂流體的管線摩阻相對于活性水壓裂液較低所致。

從圖2 還可以看出，隨著絨囊攜砂液的泵入，X 井太原組和山西組施工壓力整體穩定在14.64～15.99 MPa 之間，表明絨囊壓裂流體濾失與水力裂縫延伸過程相平衡，水力裂縫延伸過程未發生轉向的跡象；而L 井活性水壓裂液延伸裂縫壓力呈波動上升趨勢，在14.70～19.70 MPa 之間，表明活性水壓裂液濾失量過大，裂縫端部脫砂，被支撐劑或煤粉堵塞，橫向上延伸受阻，不得不沿著割理或天然裂縫縱向延伸。

綜上，相對于活性水壓裂液，絨囊壓裂流體摩阻較低，且施工壓力穩定，水力裂縫延伸效果更好。

4.2 壓后裂縫形態模擬

FracproPT 壓裂軟件是目前模擬壓后裂縫形態的主流軟件之一[34]。根據L井和X井壓裂施工數據，利用FracproPT軟件模擬L井太原組和X井太原組、山西組裂縫形態。為保證凈壓力擬合與實際吻合，選用裂縫端部為主導的三維模型。其中，L 井活性水壓裂液黏度低，支撐劑運輸模型為支撐劑沉降；X 井絨囊壓裂流體黏度較大，支撐劑運輸模型為支撐劑對流。為保證擬合結果具有可對比性，模型其他參數保持一致，如濾失模型均選用默認的集總參數模型，井筒及射孔則選擇運行裂縫和井筒模型。L 井太原組裂縫形態如圖3 所示，X 井太原組和山西組裂縫形態分別如圖4 和圖5 所示。

圖3 L 井太原組壓裂裂縫形態模擬圖

從圖3 可以看出，L 井太原組壓裂縫長23.3 m，縫高54.8 m，裂縫橫向延伸長度是縱向延伸長度的43.63%。表明水力裂縫在煤層中延伸較短，難以形成較大的壓降漏斗，壓裂效果較差。

圖4 X 井太原組壓裂裂縫形態模擬圖

從圖4可以看出，X井太原組壓裂縫長155.7 m，縫高41.3 m，橫向延伸較長，縫高得到了控制。同時，垂向上貫穿了太原組8+9#和10#煤層，也說明絨囊壓裂流體適用于力學特征不同的地層合壓。

圖5 X 井山西組壓裂裂縫形態模擬圖

從圖5 可以看出，X 井山西組的壓裂縫長163.9 m，相對于X 井太原組水力裂縫長了8.2 m；縫高47.5 m，相對于X 井太原組水力裂縫高了6.2 m，且垂向上貫穿了3#上、3#下、4#和5#煤層。這主要是X 井山西組絨囊攜砂液用量比太原組多了89 m3，水力壓裂的規模更大，所以水力裂縫拓展范圍更大。

從壓后裂縫形態模擬結果來看，X 井山西組和太原組水力裂縫橫向延伸較長，縱向延伸較短，均形成了規則長縫，且山西組水力裂縫規模較太原組更為可觀。而L 井太原組壓裂效果遠不如X 井山西組和太原組，這與前面施工壓力曲線分析結果相一致。

5 結論

1.利用暫堵材料暫堵煤巖儲層中的割理和天然裂縫，可以阻止水力裂縫扭曲延伸。同樣的道理，還可以利用絨囊上下穿層，解決多層并采問題。這種創新思想是可行的。

2.室內實驗和現場應用表明，絨囊壓裂流體攜砂能力強，封堵性能好，可以形成規則長縫，為煤層仍至裂縫性地層水力裂縫形態控制提供了一種可行的技術。創新思想通過技術創新得到實現。

3.如何比較直觀的觀測和模擬絨囊壓裂流體壓裂煤層的造縫過程，理論上進一步探究絨囊壓裂流體控制煤巖儲層水力裂縫形態的機理，以及如何確定不同地質條件下絨囊壓裂流體的最佳性能參數和施工參數等，仍需進一步試驗，配套完善。