卢海兵，王玉斌，张 军，仲 劼，姜 伟，王 杰，曲喜墨

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028；3.新疆维吾尔自治区煤田地质局 一五六煤田地质勘探队，新疆 乌鲁木齐 830009； 4.中国石油大学(北京)，北京 102249)

新疆煤层气资源丰富，预测煤层气资源量达9.5万亿m3，占全国煤层气预测资源量的26%。准噶尔盆地沿天山一带的东部和南缘，煤层气资源量预计超过了1万亿m3，已超过常规天然气资源量[1-3]。

新疆阜康白杨河矿区的煤多为低变质烟煤，属低煤阶煤层气藏，主力煤层为侏罗系八道湾组中下段，分布稳定，具有较好的弱含水砂泥岩遮挡层，成藏条件好。煤层含气量8 m3/t左右，平均孔隙度3.3%左右，渗透率0.1×10-3～4.3×10-3μm2，物性条件与保德区块相当，属低孔中低渗煤层气藏，具有良好的经济开发前景[4]。前期开发取得了较好的成果，建成了3 000万m3产能的煤层气开发利用示范基地[5]。

研究区域煤层具有大倾角、多煤层、大厚度的地质特点，煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地区有较大差异，影响单井产量的因素及规律也不明确，导致在沁水盆地南部及鄂尔多斯盆地东缘成功应用的“套管完井、清水加砂压裂”等改造技术适应性不强，后期部分井压裂后产量较低[6-9]。

为了研究白杨河矿区煤层井产量对水力压裂裂缝参数需求以及煤层压裂裂缝扩展规律，评价适应该煤层特征的低伤害高效能压裂液体系及压裂施工参数，进行了大倾角厚煤层压裂改造工艺研究，依托白杨河矿区煤层气开发利用示范基地，攻关低煤阶大倾角厚煤层增产改造优化技术，探索大倾角、多煤层、大厚度煤层气压裂裂缝扩展规律，提高区块煤层气产量，对国内类似特征煤层气增产改造具有重大意义[10]。

1 低煤阶煤层深度有效支撑压裂技术

由于煤层和油气储层的巨大差别，使得煤层水力压裂与油气井压裂既存在相似之处，又存在很大差异。目前虽然水力压裂技术在改造低渗透油气藏方面得到了迅速的发展和应用，并取得了理想的增产效果，但是水力压裂技术在改造煤层气藏方面还是一个崭新领域，还没有形成适合煤层气特征的压裂增产理论和方法。因此，掌握煤层压裂改造过程中裂缝起裂、扩展和裂缝形态规律，通过完井参数、施工参数等的优化，形成一套适用于煤层压裂改造的配套压裂工艺技术，对提高煤层的渗透率和煤层气的开采效果具有重要的理论意义和现实意义[11-14]。

导流能力受裂缝缝宽和渗透率影响，根据煤岩特征及压裂施工中可以进入煤层对裂缝缝宽或渗透率造成影响的因素进行分类，可以得到影响煤岩压裂裂缝导流能力的主要因素有以下3大类：①地层参数。其中闭合应力和煤粉会对裂缝渗透率造成影响，多裂缝会影响主裂缝的铺砂浓度，进而影响缝宽。②支撑剂。支撑剂的粒径会影响裂缝渗透率，支撑剂嵌入和铺砂浓度会影响裂缝宽度。③压裂液。压裂液主要包括活性水、清洁压裂液和胍胶压裂液3种类型，而这3种类型对裂缝渗透率的伤害程度差异较大，压裂液中添加剂的浓度也会对裂缝渗透率有很大影响，压裂液的黏度会影响压裂液滤失及支撑剂对裂缝的支撑效果，从而影响缝宽。同时，发现导流能力随着时间的变化是逐渐降低的，故评估压裂效果时，研究导流能力随时间的变化规律也是必不可少的[15-20]。

2 大倾角煤层多缝压裂技术

2.1 大型物理模拟实验仪器

大尺寸真三轴压裂模拟系统主要由真三轴模型、真三轴压力加载系统、恒速恒压泵、电气控制系统、数据采集系统、管阀件、辅助装置等部分组成[1]，如图1所示。

图1 大尺寸真三轴压裂模拟系统Fig.1 Large-scale true triaxial fracturing simulation system

2.2 大型物理模拟实验结果

(1)最大主应力沿地层走向方向。恒定注入排量150 mL/min，压裂过程中压力沿一定斜率的直线逐渐上升，从2 MPa逐渐上升到6 MPa。双对数曲线中前期斜率1.375，说明裂缝高度和长度限制扩展；后期斜率0.303，反映了缝高受限的裂缝向前延伸的过程。停泵后压力很快降到零，说明裂缝连通性较好(图2)。

岩样从加压舱中取出后可以看到明显的水力裂缝，水力裂缝沿最大主应力方向的一条垂直缝，人工裂缝基本贯穿整个岩样，且裂缝宽度较大，所以压裂停泵后的压力很快降到0(图3)。

将煤岩周围的水泥包裹层剖开，颜料在胶结面处均匀分布，液体未横向突破水泥层。煤岩剖开后观察到明显的人工裂缝，染料铺满整个裂缝面；裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝(图4)，由于地层倾角较大，形成类似“高角度—垂直”缝形态。

图4 最大主应力沿地层走向方向实验后交界面处裂缝形态Fig.4 Fracture morphology at the interface after the experiment of maximum principal stress along the direction of formation strike

(2)最大主应力沿地层倾向方向。实验时，最大主应力沿地层走向方向煤样剖开后裂缝形态如图5所示。采用50 mL/min恒流注入尝试压裂，50 mL/min注入后压力快速上升到19 MPa。注入过程中压力缓慢下降，其中出现多次尖端破裂，注入过程中压力由19.0 MPa降至9.5 MPa；双对数曲线中前期斜率1.209(图6)，说明裂缝高度和长度限制扩展，后期斜率为0，稳定高度扩展。

图5 最大主应力沿地层走向方向实验后煤样剖开后裂缝形态Fig.5 Fracture morphology after coal sample is split after the maximum principal stress experiment along the direction of stratum strike

图6 最大主应力沿地层倾向方向实验压裂曲线及双对数曲线Fig.6 Experimental fracture curve and log-log curve of maximum principal stress along the formation dip direction

将煤岩周围的水泥包裹层剖开，颜料在胶结面处均匀分布，液体未突破水泥层，煤岩中裂缝网络纵横交错，基本所有层理和割理都有颜料，任意选择一个面剖开均可以看到颜料呈星点状分布。

最大主应力沿走向方向(图7)，裂缝起裂容易，地层倾角对施工影响相对较小，需大规模改造。

图7 最大主应力沿地层倾向方向实验后煤样形态Fig.7 Morphology of coal sample after the experiment of maximum principal stress along the strata dip direction

最大主应力方向沿倾向方向，裂缝起裂困难，前期裂缝受限扩展，后期稳定扩展，所以裂缝扩展困难，转向及多级破裂较多，需要多级小规模改造(图8、图9)。

图8 最大主应力沿地层倾向方向实验后交界面处裂缝形态Fig.8 Fracture morphology at the interface after the maximum principal stress experiment along the formation dip direction

图9 最大主应力沿地层倾向方向实验后煤样剖开后裂缝形态Fig.9 Fracture morphology after the coal sample is split after the maximum principal stress experiment along the formation dip direction

3 结论

通过基础实验研究、前期压裂井施工分析和试验井施工，针对大倾角、厚煤层改造有以下结论。

(1)垂直层理面煤岩渗透率高于沿层理面煤岩渗透率，水力压裂裂缝最优延伸方向为沿渗透性较差的方向，即沿层理面延伸，有利于水平方向缝长延伸及控制体积的提高，且有利于垂向上控制更大的改造和泄压体积，提高压裂效果。

(2)如果最大主应力方向沿走向方向，裂缝起裂容易，裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝，这种裂缝较为简单，裂缝张开度和沟通深度都较高，有利于提高改造体积，所以钻井过程中应尽量使井眼轨迹与最大应力(煤层走向方向)一致。