应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律_许耀波.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY horizontal well within roof; layer-penetrating fracturing; staged fracturing; stress inter- ference; segmental interval 顶板水平井是一种开发碎软煤层煤层气的有效 方法，而穿层压裂是实现顶板水平井增产的关键技 术。目前穿层分段压裂工艺已成功实施，但对于不 同煤层特征的顶板水平井，分段压裂改造效果差异 非常明显，其中，分段间距设计是顶板水平井压裂 成败的一个关键参数， 顶板水平井进行分段压裂时， 裂缝周围会产生一定的诱导应力作用，先压裂缝对 后压裂缝造成应力扰动，而后压裂缝又会受到先压 裂缝的诱导应力影响，因此，水平井压裂应力干扰 对裂缝的扩展具有重要影响[1-5]。 L. East 等[6]基于裂缝间应力扰动作用，提出了 一种旨在提高裂缝网络复杂性的两步法压裂技术； N. P. Roussel 等[7]通过研究压裂水平井有效裂缝诱 导产生的应力扰动，优化了压裂设计中水平井的裂 缝间距；黄荣樽[8]推导了直井压裂过程中地层应力 场计算模型；陈勉等[9]推导了水平井压裂过程中地 层应力场计算模型，研究不同条件下压裂段间应力 干扰规律；尹建等[10]通过研究水平井分段压裂的裂缝 扩展规律，优化了水平井分段压裂间距；李士斌等[11] 建立水平井井筒集中应力与裂缝诱导应力叠加的水 平井压裂裂缝局部应力场计算模型，模拟分析水平 井压裂裂缝局部应力场的扰动规律；曲占庆等[12]、 何鑫[13]通过数值模拟方法对水平井分段多簇压裂规 律进行研究，优化了相关裂缝参数。 相关学者在水平井分段压裂理论研究方面开展 了大量工作，取得了丰富的研究成果，为认识、理 解水平井分段压裂段间干扰机理起到推动作用。但 是前人的研究主要是基于砂岩或页岩的单一岩层， 没有考虑多岩层的穿层干扰影响，尤其在煤层顶板 水平井穿层压裂的段间干扰规律方面研究较少。因 此，笔者通过研究顶板水平井穿层压裂裂缝周围应 力场分布特征，分析单井多缝下的穿层段间干扰规 律， 提出煤层顶板水平井分段压裂段间距优化方法， 以期为不同煤储层条件下的顶板水平井分段压裂参 数优化提供理论依据。 1 顶板水平井压裂段间应力干扰原理 顶板水平井压裂过程中在原始的地应力基础上 会产生附加的诱导应力，原始应力和诱导应力的叠 加作用会影响下一条裂缝的起裂与延伸图 1。 设定 水平井井筒的方向平行于最小水平主应力，水平井 位于煤层顶板岩层内，依据刘立峰等[14]推导的水平 井压裂在 XOZ 平面上产生的诱导应力 22 3 1 11 4 44 x pLpL σ LL hh hh - 1 22 3 1 11 4 44 z pLpL σ LL hh hh - - 2 2 2 2 1 4 y νpL σνp L h h - 3 式中σx、σy、σz分别为沿着 x、y、z 方向的裂缝诱 导应力，MPa；p 为压裂时裂缝壁面上的净压力， MPa；L 为诱导应力点在 x 轴方向距离原点的距离， m；h 为裂缝的高度，m；ν 为泊松比。 压裂之后由于压裂液渗滤不断进行，孔隙流体 压力不断降低， 井筒周围产生的应力集中不断释放， 从而引起诱导应力的降低，水平主应力与孔隙压力 之间的关系可以用组合弹簧经验模型表示 HH pp 22 111 xz EενEεν σαpσαp ννν -- --- 4 Hh pp 22 111 yz EενEεν σαpσαp ννν -- --- 5 式中α 为 Biot 系数；pp为地层孔隙压力，MPa；E 为弹性模量，MPa；εh、εH为最小、最大主应力方 向上的应变。 地层流体的渗流关系采用 Forchheimer 定律进 行模拟，则 Forchheimer 定律的形式可以改写为 p w w p k fρ g γx ∂ ⋅- ∂ 6 式中f 是多孔介质每单位面积流体的体积流速；ρw 为流体的密度，ρwγw/g；γw是流体的容重；g 为重 力加速度；k 是完全饱和时介质的渗透率；pp是流 体孔隙压力。 从诱导应力分析可以得出，压裂产生的诱导应 力与岩石的力学参数、裂缝内的净压力、裂缝间距、 裂缝高度和流体的渗流扩散作用密切相关。而压裂 施工排量对裂缝高度和净压力的影响较大，由此得 出，诱导应力主要受施工排量、岩石力学参数、段 间距离和渗流扩散条件影响较大。较高的压裂施工 排量产生的诱导应力更大，压裂段间距可以适当增 加；煤层的岩石力学性质对诱导应力影响较大，软 煤层塑性更强，产生的诱导应力更弱，压裂段的间 距可以适当降低；渗流扩散越充分，产生的诱导应 ChaoXing 第 4 期 许耀波 应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律 13 力越弱，压裂段间距可以适当降低[15-18]。 图 1 顶板水平井压裂诱导应力场示意 Fig.1 Schematic diagram of fracturing-induced stress field in horizontal well within roof 2 顶板水平井穿层压裂段间干扰规律 鉴于目前煤层气顶板水平井清水携砂压裂工艺 要求，为了安全高效实现穿层压裂施工，施工排量 基本设计在 9.0～10.0 m3/min，因此施工排量对诱导 应力的影响不作讨论；但煤层的岩石力学特征差异 较大，影响更明显，连续施工和渗流扩散泄压施工 两种方式对诱导应力的影响也至关重要。因此，本 文主要探讨煤层岩石力学性质和渗流扩散条件对不 同段间距离下穿层压裂段间干扰规律的影响，通过 建立穿层压裂数值模型，模拟不同条件下的应力分 布规律和裂缝扩展形态。 2.1 顶板水平井穿层压裂数值模型 穿层压裂数值模拟采用 Abaqus 软件， 保证模拟 既可以反映地层的复杂性，又能表现出裂缝扩展在 不同地层间的差异；从上至下设计与实际地层接近 的地层模型，即砂岩 10 m砂质泥岩 10 m泥岩 5 m煤层 5 m泥岩 10 m。 建立顶板水平井穿层压 裂数值模型，在有限元模拟中，依照参数使用 part 模块建立模拟地层各部件，并对部件进行分区，使 用 mesh 模块对生成的各分区进行网格划分， 本次模 拟的模型尺寸设定为 40 m200 m160 m， 模型划分 形成 256 000 个单元图 2。数值模拟时垂向和水平 应力分别为 16.0、12.0、10.0 MPa；水平井的位置 部署在距离煤层 1.0 m 的顶板岩层内；水平井压裂 施工排量为 10 m3/min，压裂液黏度 1 Pas；软煤弹 性模量 0.5 GPa、泊松比 0.5，中硬煤弹性模量 1.0 GPa、泊松比 0.35；顶板泥岩弹性模量 3.0 GPa、泊 松比 0.3，砂质泥岩弹性模量 4.5 GPa、泊松比 0.25， 砂岩弹性模量 6.0 GPa、泊松比 0.2。渗流扩散模拟 时通过在两次注液步骤之间插入一个无注入荷载的 soil 分析步骤，模拟现场两次压裂间存在较长间隔 的地层内渗流过程，此过程中地层内的液体遵循 Forchheimer 定律继续渗流扩散[19]。 图 2 顶板水平井穿层分段压裂数值模型 Fig.2 Numerical model of layer-penetrating staged fracturing in horizontal well within roof 2.2 穿层压裂段间干扰规律 2.2.1 中硬煤层 通过对中硬煤层弹性模量为 1.0 GPa，泊松比 0.35， 坚固性系数 0.8诱导应力下的段间干扰问题进 行分析，在确保其他参数不变的条件下，分别设置 两段压裂点之间的距离为 60、75、90 m，模拟得到 3 种条件下连续压裂施工的裂缝扩展形态和应力分 布云图图 3， 图 4。 由云图中的颜色分布可以看出， 裂缝内产生的叠加应力最大，随着距离的增加裂缝 周边产生的叠加应力减弱，最后接近原始地层的应 力分布规律；且顶板岩层内产生的叠加应力大于煤 层中的叠加应力，顶板岩层形成的应力干扰比煤层 更严重。进一步对裂缝的扩展形态图 4分析可知， 当分段间距低于 60 m 时，在第 1 段的干扰影响下， 第 2 段压裂裂缝穿层效果较差，甚至不能全部穿透 煤层，煤层中形成的裂缝长度非常短；当分段间距 大于 90 m 时，在第 1 段干扰作用下影响较弱，第 2 段 压裂裂缝穿层效果较好，基本接近于第 1 段的压裂 效果；分段间距为 60～90 m 时，随着段间距离的增 加，第 2 段的压裂改造效果逐渐增加。主要原因是 当段间距离较小时，容易在第 1 段压裂裂缝附近产 生叠加应力，致使地应力增加，使得第 2 段压裂的 施工压力增加、施工难度增加、压裂液滤失增加， 穿层压裂形成的裂缝长度较短、穿透效果降低。当 段间距离较大时，受第 1 段压裂的干扰影响较弱。 综合考虑水平井改造效果，建议中硬煤层顶板水平 井穿层分段间距为 75～90 m 较合理，能实现顶板水 平井的高效穿层分段压裂改造。 2.2.2 软煤层 对软煤层弹性模量为 0.5 GPa，泊松比 0.5，坚 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 3 中硬煤层不同段间距离干扰下应力分布云图 Fig.3 Stress distribution under the interference of different interval distances in medium hard coal seam 图 4 中硬煤层中不同段间距离下穿层裂缝扩展形态 Fig.4 Fracture propagation morphology under different interval distances in medium hard coal seam 固性系数0.3诱导应力下的段间干扰问题进行分析。 在确保其他参数不变的条件下，分别设置两段压裂 点之间的距离为50、65、80 m，模拟得到3种条件 下连续压裂施工的裂缝扩展形态和应力分布云图 图5，图6。由云图中的颜色分布可以看出，裂缝 附近产生的叠加应力分布规律与中硬煤层一致，但 软煤层中形成的应力干扰相对中硬煤层较弱。进 一步对裂缝的扩展形态分析可知，当分段间距低 于50 m 时，在第1段的干扰影响下，第2段压裂裂缝 穿层效果较差，煤层中形成的裂缝长度非常短；当 分段间距大于80 m 时，在第1段的干扰作用下影响 较弱，第2段压裂裂缝穿层效果较好，基本接近于 第1段的压裂效果；当段间距离由50 m 增加到80 m 时，裂缝都穿透了煤层，并且在煤层中形成了较长 的裂缝，且裂缝的宽度、高度和长度都随着段间距 离的增加而增加，且应力干扰对煤层中形成裂缝效 果的影响较顶板岩层中形成裂缝效果的影响更弱。 由此得出，软煤层受段间应力干扰的影响较硬煤层 弱，主要原因是软煤层的塑性相对较强，叠加应力 传导距离相对更近， 使得段间干扰的距离相应降低， ChaoXing 第 4 期 许耀波 应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律 15 但顶板岩层的应力干扰与中硬煤层一样。综合考虑 水平井改造效果，建议软煤层顶板水平井分段间距 应不低于65 m，段间距70～80 m 较合理，能实现顶 板水平井的高效穿层分段压裂改造目标。 图 5 软煤层中不同段间距离干扰下应力分布云图 Fig.5 Stress distribution under the interference of different interval distances in soft coal seam 图 6 软煤层中不同段间距离下穿层裂缝扩展形态 Fig.6 Fracture propagation morphology under different interval distances in soft coal seam 2.2.3 泄压施工 压裂液渗滤使井筒周围产生的应力集中不断 释放，从而引起诱导应力的改变，因此，渗流扩散 泄压施工对顶板水平井段间干扰具有重要影响。 通 过对渗流扩散泄压方式下诱导应力的分布规律和 段间干扰问题进行分析， 考虑渗流扩散作用下诱导 应力减弱，在确保其他参数不变的条件下，分别设 置中硬煤层两段压裂点之间的距离为 60、75 m， 软煤层两段压裂点之间的距离为 50、65 m，模拟 得到渗流扩散作用下的裂缝扩展形态和应力分布 云图图 7，图 8。由云图中的颜色分布可以看出， 与第二次无间隔连续压裂的模拟相比， 时间更长的 渗流过程会导致地层孔隙压力的分布更为均匀、 差 异更小， 改变了第二次压裂开始时的地层应力分布 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 48 卷 状态，顶板和煤层的诱导应力相应降低，段间干扰 程度减弱。进一步对裂缝的扩展形态分析可知，中 硬煤层渗流扩散泄压施工， 当分段间距为 60 m 时， 在第 1 段的干扰作用下， 第 2 段压裂裂缝穿层受到 一定影响；当分段间距为 75 m 时，在第 1 段的干 扰作用下影响较弱，第 2 段压裂裂缝穿层效果较 好，基本接近于第 1 段的压裂效果。软煤层渗流扩 散泄压施工，当分段间距为 50 m 时，在第 1 段的 干扰作用下，第 2 段压裂裂缝穿层受到一定影响； 当分段间距为 65 m 时，在第 1 段的干扰作用下影 响较弱，第 2 段压裂裂缝穿层效果较好，基本接近 于第 1 段的压裂效果。由此得出，渗流扩散泄压施 工与连续压裂施工相比，应力干扰程度明显降低， 穿层压裂效果得到提升， 使得段间干扰的距离相应 降低，综合考虑水平井改造效果，建议在渗流扩散 泄压施工下，中硬煤层、软煤层顶板水平井分段间 距分别为 75、65 m 左右较合理，能够实现顶板水 平井的高效分段压裂改造目标。 图 7 不同距离的渗流扩散泄压施工下应力分布云图 Fig.7 Stress distribution under the different interval in seepage diffusion pressure relief 图 8 不同距离的渗流扩散泄压施工穿层裂缝扩展形态 Fig.8 Fracture propagation morphology under the different interval in seepage diffusion pressure relief ChaoXing 第 4 期 许耀波 应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律 17 3 工程验证 基于上述研究结果，在淮北芦岭井田和山西余 吾井田进行了工程应用。芦岭井田顶板水平井控制 区域煤层埋深 730 m，煤层厚度 10.9 m，空气干 燥基含气量为 6.19 m3/t，水平井水平段长度为 585.96 m，根据芦岭井田 8 号煤层物性特征测井显 示弹性模量为 0.29 GPa、泊松比 0.5，属于软煤层， 结合顶板水平井段间干扰规律，优化得到连续施工 段间距为 70～80 m 压裂效果较好；将水平井分割成 7 段进行强化改造，压裂注入排量为 10 m3/min，平 均每段加砂 77 m3，平均每段注入压裂液 938 m3。 余吾井田顶板水平井控制区域煤层埋深 601 m，煤 层厚度 6.3 m，空气干燥基含气量为 12 m3/t，水平 井水平段总长 834 m，根据余吾井田的 3 号煤层物 性特征测井显示弹性模量为 0.95 GPa、 泊松比 0.37， 属于中硬煤层，结合顶板水平井段间干扰规律，优 化得到渗流扩散泄压施工段间距为 80 m 左右时压裂 效果较好；将水平井分割成 10 段进行强化改造，压 裂注入排量为 10 m3/min，平均每段加砂 61.2 m3，平 均每段注入压裂液 897 m3。 通过微地震裂缝监测方法对上述两组顶板水平 井压裂裂缝长度、高度和产状进行监测图 9，结果 显示，水平井压裂裂缝穿透了煤层，且均形成了较 长的裂缝，实现对煤层的强化改造，芦岭井田顶板 水平井产气突破 10 000 m3/d，稳定产气 7 000 m3/d； 余吾井田顶板水平井产气突破 7 000 m3/d，稳定产 气 6 000 m3/d；两组水平井均取得了较好的压裂改 造效果，由此也验证了顶板水平井穿层分段压裂规 律的正确性与可靠性。 图 9 顶板水平井压裂微震事件监测 Fig.9 Monitoring diagram of microseismic events of fracturing in horizontal wells within roof 4 结 论 a. 煤层的岩石力学参数、段间距离和压裂施工 方式是影响顶板水平井穿层压裂段间干扰的 3 个重 要因素，随着煤层弹性模量的增加，叠加水平应力 逐渐增加，段间干扰程度增加；随着段间距离的增 加，叠加水平应力逐渐减少、应力干扰逐渐减弱； 顶板岩层内的叠加水平应力和应力干扰程度明显大 于煤层内；扩散泄压压裂产生的叠加水平应力明显 低于连续压裂施工，段间干扰程度明显降低。 ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 48 卷 b. 数值模拟得出，连续施工的中硬煤层的分段 间距设计为 90 m 左右，软煤层分段间距为 70～80 m 比较合理。 渗流扩散泄压压裂施工段间距相应降低， 中硬煤层的分段间距设计为 75 m 左右， 软煤层分段 间距为 65 m 左右较合理。 c. 淮北芦岭井田和山西余吾井田工程实践表 明，按照模拟设计的分段间距开展的顶板水平井压 裂裂缝穿透了煤层，形成了具有一定导流能力的长 裂缝，取得了较好的产气效果，实现对煤层的高效 穿层分段压裂改造，验证了顶板水平井穿层分段压 裂规律的正确性与可靠性。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 潘林华，程礼军，张烨，等. 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