煤岩压裂多裂缝风险识别及防治机理研究_袁征.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 煤岩压裂多裂缝风险识别及防治机理研究 袁征 1， 杨洪锐2， 兰丽娟2， 杨 震 2， 李新发2， 张 静 3， 杨红斌4 （1．中海油田服务股份有限公司， 天津 300459； 2．中国石油玉门油田分公司 钻采工程研究院， 甘肃 酒泉 735000； 3．中国石油玉门油田分公司 酒东采油厂， 甘肃 酒泉 735000； 4．中国石油大学 （华东） ， 山东 青岛 266580） 摘要 为了提高煤层气井压裂施工成功率， 并掌握施工压力与裂缝形态之间的响应规律， 基于 140 余口煤层气井压裂施工曲线，分析总结了煤岩压裂具有破裂压力不明显，平均施工压力较 高， 前置液阶段恒定排量时施工压力不断上升等特点。同时从物模实验、 G 函数分析、 净压力拟 合 3 个方面进行了论证研究， 认为多裂缝起裂、 延伸是上述特点产生的主要原因。研究结果表 明 多裂缝延伸时破裂压力不明显或破裂后压力继续上升， 平均实验压力偏高； G 函数、 净压力 拟合分析显示煤岩压裂出现多裂缝现象。基于以上研究， 提出可调式多段塞压裂工艺防治多裂 缝延伸， 施工结果表明该工艺可大幅提高煤层气井压裂的一次施工成功率。 关键词 煤岩； 水力压裂； 曲线特征； 多裂缝； 风险识别； 防治措施 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02-0020-05 Mechanism Research of Risk Identification and Prevention of Multiple Fractures in Hydraulic Fracturing of Coal Rock YUAN Zheng1, YANG Hongrui2, LAN Lijuan2, YANG Zhen2, LI Xinfa2, ZHANG Jing3, YANG Hongbin4 （1．China Oilfield Services Limited, Tianjin 300459, China;2．Drilling and Production Engineering Research Institute, Yumen Oilfield Company, Jiuquan 735000, China;3．Jiudong Oil Extraction Factory, Yumen Oilfield Company, Jiuquan 735000, China;4．China University of Petroleum, Qingdao 266580, China） Abstract In order to improve the success rate of fracturing in coalbed methane wells and master the response rule between construction pressure and fracture morphology, based on the fracturing operation curve of more than 140 coalbed gas wells, this paper analyzes and summarizes the characteristics of coal and rock fracturing, such as not obvious fracture pressure, high average construction pressure, and rising construction pressure with constant displacement in the pre-liquid stage． At the same time, the physical model experiment, G function analysis and net pressure fitting are demonstrated and studied． It is concluded that multi- crack initiation and extension are the main reasons for the above characteristics． The results showed that the fracture pressure was not obvious when the fracture was extended or increased after the fracture, and the average experimental pressure was high． The fitting analysis of G function and net pressure shows that there are multiple fractures in coal fracturing． Based on the above research, the adjustable multi-slug fracturing technology is proposed to prevent multi-fracture extension, and the construction results show that this technology can greatly improve the success rate of primary fracturing in coalbed gas wells． Key words coal rock; hydraulic fracturing; curve characteristics; multiple fractures; risk identify; prevention measures 水力压裂作为重要的储层改造工艺，是煤层气 井增产的关键和必要措施。弄清水力裂缝形态是优 化压裂参数，提高增产效果的基础。煤岩弹性模量 低、 泊松比高、 节理丰富、 构造发育等特点[1]， 造成水 力裂缝起裂、扩展机理复杂。因此国内外大量学者 对煤岩扩展水力裂缝进行了深入的研究[2-6]。对于煤 岩压裂裂缝形态的实验及理论研究较多，但研究成 果大多无法直接应用到现场施工中。作为现场施工 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．006 袁征， 杨洪锐， 兰丽娟， 等．煤岩压裂多裂缝风险识别及防治机理研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 20-24． YUAN Zheng, YANG Hongrui, LAN Lijuan, et al． Mechanism Research of Risk Identification and Prevention of Multiple Fractures in Hydraulic Fracturing of Coal Rock［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2 ） 20-24．移动扫码阅读 20 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2多裂缝形态及注入压力曲线图 Fig.2Response diagram of injection pressure curves with multiple fractures 表 1煤岩起裂模拟实验结果 Table 1Results of simulation experiment of coal rock fracture initiation 图 1单裂缝-注入压力曲线响应图 Fig.1Diagram of injection pressure curves with single fracture 裂缝形态的直接响应，压裂施工曲线的研究、分析 工作还相对缺乏。统计分析了 140 余口煤层气井现 场施工曲线、 数据， 发现与常规油气井不同[7]， 煤岩 压裂施工曲线具有以下特点①煤层气井压裂施工 常出现破裂压力不明显现象；②煤岩破裂压力梯度 变化范围较大，统计 140 余口煤岩破裂压力梯度为 0.016～0.062 MPa/m， 平均值 0.035 MPa/m， 远高于理 论值[8-9]； ③部分井在恒定排量阶段， 施工压力出现 持续上升的现象；④周围无断层时，部分井施工压 力出现大幅的波动。理论研究表明造成煤岩多点起 裂及多裂缝形态延伸现象的主要因素包括射孔方 式、 煤层应力、 储层物性、 煤岩节理等因素[10]。 为研究 裂缝形态与压裂施工曲线的响应关系，从物模实 验、 G 函数分析、 净压力拟合 3 个角度进行深入研究 工作。 1多裂缝形态分析 1.1物模实验 应力状态是控制人工裂缝形态的主导因素， 根 据程远方等人研究，当煤岩最小水平主应力与上覆 岩层应力差为小于 4 MPa 时， 水力裂缝以垂直缝为 主； 当三向应力状态接近时， 水力裂缝趋于复杂[11-12]。 基于上述理论，人为控制物模实验岩样应力状态， 以得到不同形态裂缝同时记录实验压力值。以此为 基础， 研究裂缝形态与施工压力曲线的响应关系。 实验采用真三轴围压控制系统，岩样尺寸为 105 mm105 mm95 mm， 通过计算机实时采集注入 压力值， 共进行 40 组实验， 煤岩起裂模拟实验结果 见表 1。 1.1.1单裂缝形态与注入压力响应规律 实验结果表明 40 组物模实验中有 22 组以单 裂缝形态起裂。单裂缝-注入压力曲线响应图如图 1。单裂缝形态下注入压力曲线形态特征明显 如煤 样 A1、 A2起裂图形，当煤样以单裂缝形态起裂时破 裂压力明显，注入压力瞬大幅下降并趋于平稳， 扩 展压力接近围压最小主应力值 σmin。 1.1.2多裂缝形态与注入压力响应规律 结果中 18 组煤样出现多裂缝起裂现象， 且多裂 缝形态又可分为平行和相交 2 种。 多裂缝形态及注入 压力曲线如图 2。 裂缝形态组数形态描述 单裂缝22煤岩样以单条裂缝为主 多裂缝18 以多条裂缝为主， 多条裂缝之间以相交或平 行形态分布 21 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 3TS-A1 井压裂施工曲线 Fig.3Fracturing construction curves of TS-A1 well 图 4TS-A1 井压降数据 G 函数分析曲线 Fig.4G function analysis curves of pressure drop data in TS-A1 well 图 5TS-A2 井压裂施工曲线 Fig.5Fracturing construction curves of TS-A2 well 图 6TS-A3 井不同裂缝条数下施工压力拟合曲线 Fig.6Fitting curve of construction pressure under different fracture numbers of TS-A3 well 图 2 中裂缝形态特征与单裂缝明显不同 如煤样 A3、 A4 起裂图形， 多裂缝形态时注入破裂压力不明 显；且在恒定排量下，注入压力不断上升且趋于稳定 值； 此形态下的延伸压力高于围岩最小主应力值σmin。 1.2测试压裂分析 测试压裂 G 函数分析是识别地层多裂缝形态 的有效手段， 由 Ken G.Nolte 首先提出并应用于水力 压裂施工中[13]。 G 函数是关于时间为变量的函数， 处 理后的不同压力曲线形态具有不同的物理含义 ① 过原点切线后自然降落的代表以产层内单裂缝为 主；②过原点切线在切点之前具有下凹曲线表示裂 缝突破隔层现场；③过原点切线在切点之前具有上 凸， 表示出现多裂缝现象[14]。 TS-A1 井煤层垂深 940.5 m，施工破裂压力不 明显， 携砂液阶段平均施工压力 25.86 MPa， 且加砂 阶段出现砂堵迹象， TS-A1 井压裂施工曲线如图 3。 对该井压裂测压降并对数据进行 G 函数分析， TS- A1 井压降数据 G 函数分析曲线如图 4， 图中井底测 定的压力是指通过井口压力数据计算的井底压力。 携砂液效率是指裂缝的体积与施工压裂液体的体积 百分比。 由图 4 可以看出， TS-A1 井压降数据分析曲线 具有典型的多裂缝特征，过原点的曲线在切点之前 曲线具有明显的上凸特征，因此认为本井在裂缝扩 展期间出现了多裂缝延伸现象。 1.3净压力分析 压裂施工作业发现前置液阶段在恒定排量时， 常出现施工压力不断上升现象，且施工平均压力高 于预测值， TS-A2 井压裂施工曲线如图 5。研究发 现当应力状态不变时，裂缝条数对施工压力影响 较大[15]。为研究不同裂缝条数对施工压力的影响， 以 TS-A3 井为例进行拟合。 选用压裂施工专业分析 软件 Fracpro， 分别对 3 种情况进行净压力拟合 ①1 条裂缝； ②4 条裂缝； ③由 1 条增加至 4 条裂缝。 TS- A3 井不同裂缝条数下施工压力拟合曲线如图 6。 TS-A3 井施工破裂压力明显，且施工过程相对 22 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 7多段塞作用原理示意图 Fig.7Schematic diagram of multi-slug operation principle 图 8TS-A3 井多段塞应用实例 Fig.8Application example of multi-slug in TS-A3 well 平稳， 净压力拟合结果如下 ①当以 1 条裂缝形态进 行拟合时，计算净压力值和测定的净压力值较吻合 较好； ②当以 4 条裂缝对净压力值进行拟合时， 计算 净压力值远高于测定的净压力值；③当以 1 条裂缝 起裂， 且随着施工裂缝条数增加至 4 条时， 净压力拟 合值随着裂缝条数也逐渐增加。 水力压裂裂缝净压力与缝宽存在如下关系 △pp-σ GW H （1－v） 式中 △p 为井底缝口净压力， MPa； p 为压裂施 工井底压力， MPa； σ 为储层最小主应力， MPa； G 为 储层剪切模量， MPa； W 为井筒处最大裂缝宽度， mm； H 为水力裂缝高度， m； v 为储层弹性模量。 PKN 裂缝扩展模型能够很好地解释多裂缝导 致更高的地面压力。研究多条裂缝同时扩展时， 多 条裂缝的平均缝宽之和高于单条裂缝扩展的宽度。 另外，多裂缝的扩展使储层最小水平主应力急剧增 加， 主要表现为以下 2 个方面 一方面压裂裂缝争夺 缝宽使得岩石骨架应力增加；另一方面储层孔隙压 力随滤失面积的增加而大量增加[16-17]。 2多裂缝危害及防治案例 2.1多裂缝危害 煤层气井水力压裂多裂缝扩展诱导因素较多， 准确识别多裂缝扩展，并采取相应的措施是煤岩水 力压裂成功的关键。通过对 140 余口井的资料总结 分析，煤层气井水力压裂多裂缝延伸时，施工曲线 多具有以下形态①前置液阶段破裂压力不明显， 部分井出现明显破裂压力后施工压力又持续增加； ②在恒定排量施工阶段，施工压力持续增加；③压 裂施工压力远高于邻井施工压力或预测值。 与常规油气井相比，煤层气井水力压裂施工成 功率较低。多裂缝扩展是压裂施工失败的重要因素 之一。其影响主要体现在以下 2 个方面①施工压 力超过或者接近限压，无法进行加砂压裂多条裂 缝同时扩展时，缝宽之和高于单一裂缝的缝宽， 另 外多裂缝延伸导致储层应力增加，以上 2 点均最终 导致施工压力升高；②多裂缝现象极大地增加了砂 堵的可能性因为多裂缝的存在，施工液体由多条 裂缝所共同拥有，与单裂缝延伸相比每条裂缝将更 短和更窄， 另外， 滤失面积增加， 导致液体滤失量增 加，液体效率降低，造缝能力降低进一步导致砂堵 概率更高。 2.2多裂缝防治措施 基于对煤岩压裂多裂缝的认识和识别方法， 提 出可调式多段塞压裂工艺，以降低压裂施工期间多 裂缝现象带来的影响。可调式多段塞是指在前置液 阶段， 根据施工压力、 排量、 液量逐步泵注一定体积 和浓度的段塞， 并实时调整段塞的排量、 液量、 支撑 剂浓度、 个数等参数， 起到有效堵塞微裂缝， 降低储 层滤失， 提高缝内净压力， 最终诱导形成主裂缝的压 裂工艺。多段塞作用原理示意图如图 7。 TS-A3 井埋深 1 021 m， 受碎裂煤控制为主， 压 裂施工时造缝困难， 施工压力不断升高， 判断形成多 裂缝。对本井采用多段塞压裂工艺， TS-A3 井多段 塞应用实例如图 8。 施工曲线显示本井无明显破裂压力，且当排量 恒定时施工压力持续上升，分析认为本井裂缝延伸 初期受多裂缝影响。排量 5 m3/min 开始分别泵注 3、 5、 7、 7的 4 个段塞， 砂量 2 m3。 当第 2 个段 塞进入地层后压力大幅下降， 诱导煤层形成主裂缝。 对 13 口煤层气井采取可调式多段塞压裂工艺， 多数井加入段塞后出现了压力响应，可调式多段塞 23 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 表 2可调式多段塞压裂工艺效果统计表 Table 2Adjustable multiple slug statistics of the fracturing effect 压力响应时 段塞数量 压力响应井数 1压力略升4 1压力下降2 2压力略升1 2压力下降1 -不明显5 压裂工艺效果统计见表 2， 其中 12 口井顺利完成施 工， 大幅提高了煤层气井压裂的成功率。 3结论 1） 煤层气井水力压裂施工出现多裂缝延伸时， 常具有以下特点破裂压裂不明显或破裂后压力继 续升高；恒定排量下施工压力不断上升；施工压力 常高于预测值等特征。 2） 物模实验显示多裂缝起裂、 延伸时， 破裂压力 不明显， 施工压力较高， 且恒排量下持续上升时； 分 析具有多裂缝现象的井， G 函数分析显示闭合前曲 线呈现上凸形态；恒排量下施工压力不断上升， 且 净压力曲线拟合结果多裂缝相符。 3） 对于具有多裂缝特征的煤层气井， 提出了可 调式多段塞压裂工艺，并应用到现场。多数井采用 此工艺后具有压力响应， 大幅提高了施工成功率。 参考文献 ［1］ 叶建平， 陆小霞．我国煤层气产业发展现状和技术进 展 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （1） 24－28． ［2］ 林英松， 周雪， 韩帅．煤层气压裂裂缝起裂扩展规律研 究 ［J］ ．煤炭技术， 2014， 33 （4） 115－117． ［3］ 单学军， 张士诚， 李安启， 等．煤层气井压裂裂缝扩展 规律分析 ［J］ ．天然气工业， 2005， 25 （1） 130－132． ［4］ 程远方， 吴百烈， 袁征， 等．煤层气井水力压裂 “T” 型缝 延伸模型的建立及应用 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （8） 1430－1434． ［5］ 俞益新， 唐玄， 吴晓丹， 等．澳大利亚苏拉特盆地煤层 气地质特征及富集模式 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （3） 160－167． ［6］ 刘建中， 王秀娟， 孙玉玲， 等．人工压裂形成多裂缝的 可能性研究 ［J］ ．石油勘探与开发， 2002， 29 （3） 103. ［7］ 肖中海， 刘巨生， 陈义国．压裂施工曲线特征分析及应 用 ［J］ ．石油地质与工程， 2008， 22 （5） 99－102． ［8］ 邓广弘， 罗克勇， 马东民， 等．煤层气储层流固耦合数 学模型 ［J］ ．天然气地球科学， 2011， 22 （4） 723－726． ［9］ 倪小明， 王廷斌， 接铭训， 等．不同构造部位地应力对压 裂裂缝形态的控制 ［J］ ．煤炭学报， 2008， 33 （5 ） 505. ［10］ 魏宏超．煤层气井水力压裂多裂缝理论及酸化改造 探索 ［D］ ．武汉 中国地质大学， 2011 10－19． ［11］ 赵立强， 刘飞， 王佩珊， 等．复杂水力裂缝网络延伸规律 研究进展 ［J］ ．石油与天气地质， 2014， 35 （4） 562－569． ［12］ 张鹏．煤层气井压裂液流动和支撑剂分布规律研究 ［D］ ．青岛 中国石油大学， 2011 64－71． ［13］ 程远方， 徐太双， 吴百烈， 等．煤岩水力压裂裂缝形态 实验研究 ［J］ ．天然气地球科学， 2013， 24 （1 ） 134－137． ［14］ 杨焦生， 王一兵， 李安启， 等．煤岩水力裂缝扩展规律 试验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （1） 73－77． ［15］ 王艳丽．压裂压力曲线解释方法研究 ［D］ ．东营 中国 石油大学， 2005 22－25． ［16］ 张玉广．扩展 “G 函数” 模型在火山岩测试压裂参数 解释中的应用-以大庆油田徐深气田为例 ［J］ ．天然 气工业， 2013， 33 （4） 61－65． ［17］ 陈铭， 胥云， 翁定为．水平井多段压裂多裂缝扩展形 态计算方法 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2016， 35 （2） 3906－3914． 作者简介 袁 征 （1987） ， 山东济宁人， 工程师， 硕 士， 2013 年毕业于中国石油大学， 主要从事煤层气、 致密气 压裂增产、 海上压裂解堵及充填防砂技术的研究工作。 （收稿日期 2019-02-22； 责任编辑 王福厚） 24 ChaoXing