煤储层水力压裂技术新进展

孙明闯 白新华，2

(1．河南省煤层气开发利用有限公司，河南 450016;2．中国矿业大学资源与地球科学学院，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 221008)

中国低渗透率、低临储压力比、低含气饱和度的煤储层条件不利于煤层气开发和瓦斯抽采，工程技术人员和科研工作者尝试了物理增透技术、化学增透技术、化学能量方式降低煤储层的亲甲烷能力等方面的研究，对煤储层的改造取得了一定的效果。其中物理增透技术，主要包括水力压裂和裸眼洞穴等手段。水力压裂技术兼具物理、化学作用增加煤储层透气性，对煤层气开采、瓦斯抽采具有现实意义。

1 煤层水力压裂的发展

煤储层的水力压裂源自油气田开发所用的水力压裂技术，1947年，世界上第一口煤层气压裂井在美国堪萨斯州Hugoton气田Kelpper 1井实施，开启了煤储层水力压裂增透技术研究的序幕。煤储层的水力压裂技术是开采煤层气的一种有效增产方法，利用地面水动力在井眼形成高压，当井底压力超过煤层抗压强度后，煤层破裂或裂缝张开;在纵向上，受围岩遮挡制约，裂缝被限制在一定范围内;在横向上，受煤层结构影响，裂缝沿煤层主裂缝和次裂缝方向同时延伸;受煤层应力和裂缝发育条件影响，主裂缝沿主应力方向延伸较长，次裂缝也在一定范围内延伸。在有限范围的煤层内，人造裂缝将煤层原生和次生裂缝有效连通，在煤层中形成大量大裂缝和微裂缝，通过支撑裂缝和裂缝效应改善煤层的渗流特性，提高煤储层导流能力。目前煤储层水力压裂的发展方向以清水、加砂压裂为主，以重复压裂、多层、薄层控制缝高、端部脱砂、低渗储层深穿透、连续油管压裂、高强低密度支撑剂和低伤害压裂液等技术为前导，形式上以同步、重复、多级、体积、通道压裂等新概念出现，通过直井、水平井、羽状井来实现。

20世纪60年代初期以浅层水平造缝为主，并发展了高压水力压裂技术，大量的廉价水基压裂液，各种添加剂、支持剂得以深入研究，我国以油田解堵和增产技术为主;70年代开始了高排量高压水力压裂，水力压裂也由简单的、低液量、低排量压裂增产方法，发展为高度工程考虑的大排量高压水力压裂方法，由于水力压裂技术携砂能力较差，开始尝试液氮泡沫压裂技术，这一时期我国发展了适应高含水层所需的蜡球选择性压裂工艺，以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术;对于低压储层返排能力差的缺点，80年代发展了液氮泡沫加砂压裂技术;90年代CO2加砂压裂技术有所发展，同时探索出了一整套压裂实时监测和施工参数监控技术，并研制出了一整套适用于不同地层条件(温度、渗透率)的低伤害新型压裂材料 (支撑剂、压裂液、添加剂等)以及相应的新工艺、新技术，这其中又以端部脱砂压裂 (TSO)、重复压裂、裂缝检测、缝高控制、高渗层防砂压裂、低渗层深穿透压裂、低渗层大砂量多级压裂、压裂实时监控等技术为代表。

国内外对水力压裂裂缝起裂、扩展、延伸规律的学术研究主要集中在以下几个方面:

(1)煤体结构及储层原始渗透率空间展布预测研究

从煤体低杨氏模量、高泊松比、非均质性、裂隙－孔隙系统等方面进行了研究，国内方面曹代勇、琚宜文、焦作矿业学院瓦斯地质研究室等对煤体结构提出了分类方法，最终形成了一致认可的四分法、五分法;国外方面Gash、Levine从割理裂隙系统角度研究其与渗透率的关系，并建立了相应模型。

(2)水力压裂造缝机理与裂缝展布形态的研究

王鸿勋认为水力压裂的造缝机理在于高压液体以大于煤层滤失的速度劈开煤层，并将支撑剂带入其中，在煤层中形成导流能力较高的人造裂缝;李胜利针对软煤试样，在三轴加载试验下，研究了裂隙的整个演化过程;赵阳升通过三维应力下的控制压裂实验和数值模拟分析，得出水力压裂对硬煤适用，而软煤基本没效果的结论;邓广哲通过对大型煤块试件的压裂实验，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数，对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系，进行了系统的试验研究，并对水压裂缝破坏煤体结构的力学机制进行了分析;杜春志根据最大拉应力准则，给出了原级裂隙扩展的力学条件，进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件，并利用RFPA2D-Flow有限元数值软件模拟了高压水作用下煤层裂缝的扩展延伸过程。

在裂缝形态方面，水力压裂施工设计最常用的有以PKN、GDK为代表的二维裂缝模型，以Van Eekelen、Palmer代表的拟三维裂缝延伸模型，以Clifton、Abou－sayed、Cleary为代表的全三维裂缝延伸模型;赵金洲、吴继周、乌效鸣、申晋、郭大立等利用各种数学、物理根据对水力压裂裂缝的产状和形态进行了理论分析与模拟。

(3)煤岩应力－应变破坏过程渗透率变化实验研究

傅雪海等基于三轴对比力学实验得出，在煤层压裂过程中，随着气、水介质的排出，煤基质发生收缩，煤体强度提高，泊松比减小，煤储层渗透率得到改善;杨永杰等、赵毅鑫等通过研究发现，煤体非均质性影响了渗透率变化。

2 压裂设备

压裂设备主要介绍通用的压裂泵车、混砂车、仪表车、管汇车及辅助设备的发展情况。

2.1 国外压裂设备现状

国外对压裂设备的研制经验丰富，其中美国压裂设备的性能和技术水平居于世界领先地位，有哈里伯顿、斯伦贝谢、BJ公司、西方公司、S＆S公司等，他们依据压裂施工工艺对压裂设备做整体要求，加拿大有皇冠公司，法国有道威尔公司。除S＆S公司和皇冠公司外，其他压裂设备制造公司既从事设备制造，又从事油田工程技术服务。

国外能够提供压裂泵车的成套技术装备，包括底盘卡车、动力机、传动系统及压裂泵等，形成了电力、液压、柴油机或燃气轮机等多种动力驱动形式的系列产品。美国因汽车制造业发达，压裂设备制造厂商对底盘卡车的选择范围比较广泛，可以直接选用肯沃斯、万国、马克等载重卡车。美国有适合压裂设备用的大功率高速柴油机，如卡特彼勒、底特律、康明斯等知名品牌。近几年，卡特彼勒公司和底特律公司相继开发了电喷柴油机，更加适合车装，噪音低，能耗小，废气排放均达到欧Ⅱ以上标准。

混砂车主要集中在北美地区，早期的混砂车多用装载汽车发动机作动力，现在的混砂车多用单独的动力驱动主机，因汽车发动机作动力的混砂车，功率有限，传动系统复杂，故障率比较高，不能够满足高压、大排量、多功能压裂施工的工艺技术要求。

加拿大皇冠公司生产的混砂车采用0.3m3的混合罐内混合后直接排出，将搅拌和排出合二为一，省去了一个排出泵，由于混合罐上部设有控制砂子流入的闸板，使加砂浓度在低端可以实现任意控制，且密度计的实测信号又参与对加砂浓度的控制，真正实现对混砂车加砂浓度的精确控制，但是搅拌叶轮的正常设计寿命只有2340t的加砂量。美国斯伦贝谢公司生产的混砂车的混合罐的容积只有0.09m3，这将大大提高施工过程中对砂浓度调节的反应速度，有效解决了砂浓度调整过程中的延时滞后现象。

2.2 国内压裂设备现状

我国压裂装备研制从20世纪80年代起步。江汉石油四机厂在原石油工业部大力支持下，引进美国“OPI”1800型压裂泵、FMC公司高压活动弯头、SPM公司高压管汇、西方公司压裂机组等设计制造技术，并从1990年开始进口压裂机组的散件组装。

我国相继研制了 50MPa、70MPa、85MPa、105MPa系列的压裂设备，为实现低渗透油田、煤层气的稳产、高产开发和提高采收率做出了贡献。目前主要生产厂家有兰州通用机器制造有限公司、南阳二机石油装备 (集团)有限公司、江汉第四石油机械厂和四机赛瓦石油钻采设备有限公司等。江汉第四石油机械厂的产品，代表了国内压裂设备的较高水平，他们生产的三缸压裂泵从3ZB70－265型～3ZB105－1490型共7种产品，五缸压裂泵有5ZB105-1860L型、5ZB105-1860H型2种产品。

YLS105－1340型压裂混砂车是江汉第四石油机械厂自行设计制造的压裂设备，将压裂泵车和混砂车功能合二为一的多功能集成化的压裂设备，适用于油气田各种小型压裂、防砂施工作业;YLC105-1860型五缸压裂泵车具有排量大、压力波动小、运转平稳等性能特点，适用于油气田深井、煤层气井的各种压裂作业，最高工作压力可达105MPa，在国内开创了五缸压裂泵车设计制造先河，缩短了我国同国外压裂设备制造的差距。

3 新技术的应用

3.1 重复压裂

重复压裂包括重新张开、延伸原裂缝和压新缝重复压裂两方面。重新张开、延伸原裂缝是在油藏数值模拟的基础上根据油藏特征和重复压裂工艺特点，优选压裂材料并进行优化设计。压新缝重复压裂裂缝方位的变化规律是:重复压裂新裂缝方向从垂直于初始裂缝缝长方向变为与初始裂缝缝长方向平行的一个渐进过程，而不是突然转向，并且为时间的函数。

3.2 多层、薄层压裂

多裂缝的存在可能导致出现施工压力高、低砂比砂堵等情况。目前国内外已经建立了许多有效的直接或间接的多裂缝检测手段，检测结果与大量室内实验证实了多裂缝存在的客观事实。多裂缝的形成主要与破裂压力、射孔方式与方位、井斜、裸眼或套管井等有关。为了防治多裂缝的形成，分别从固井质量、射孔方案、射孔段长度、井斜、排量、黏度、支撑剂段塞技术等方面结合现场实例进行了研究:封堵缝宽较小的裂缝，随着井底压力的升高，增大的段塞颗粒可以堵塞较大的裂缝，可有利于创造主缝。

对于层状储层的压裂思路有3种:①采用封隔工具隔开各层实施分层压裂，单独对每层进行设计;②采用笼统的多层合压技术，假定只产生一条裂缝，使用单裂缝的延伸模拟方法进行设计;③应用多产层同时进行水力压裂的多裂缝数学模型进行模拟设计。

3.3 通道压裂

通道压裂主要通过改善支撑剂与压裂液的相关性质，添加相应的添加剂结合施工工艺，如提高支撑剂的强度、降低支撑剂的破碎率、改善压裂液的携砂性和交联剂的破胶性以及相关的施工工艺等，在支撑缝内形成具有无限导流能力的通道，从而最大程度地解决传统压裂施工支撑缝由于支撑剂破碎、微粒运移、压裂液引起伤害、多相流和非达西效应影响等原因引起的导流能力偏低的方法。该技术需要选择合适的完井方式、压裂液体系和泵注程序，并且需要在压裂液中加入纤维材料，确保形成“压裂通道”。通过对比常规压裂和通道压裂的效果发现，应用通道压裂技术后油井、煤层气的产量会增加27.5%，其支撑剂用量也相对较低，压裂规模相对优化。

3.4 水力喷射逐层压裂技术

水力喷射逐层压裂技术是喷砂射孔技术和加砂压裂技术的结合，优点是利用连续油管连续在一个井筒内压裂多条裂缝，尤其适合直井多层压裂、水平井分段压裂以及薄互层的压裂改造，该技术缩短试油周期、节约射孔费用、不需要封隔器或者桥塞、井下管串简单、出现井下工具问题的机率小。施工过程包括:①喷嘴在压裂层段喷砂，完成射孔;②喷射压力在井底积聚，超过破裂压力后产生裂缝;③喷射压力加上环空压力使裂缝延伸;④环空补充压裂液，保证达到加砂所需排量;⑤施工完一层后，上提油管，继续压裂第二层。

3.5 体积压裂

体积压裂是通过注入大量的高滤失、高弹性、轻度胶化的液体来探寻天然裂缝，同时使用合适规模和粒径的支撑剂作为筑堤砂的介质，使暴露裂缝面上产生更高的压差，从而使压裂液和砂进入后续张开的裂缝，直至井底压力变化，裂缝扩展，形成裂缝网络，从而改善储层渗流面积。通常包括近井单级及多级缝网体积压裂、主裂缝、远端至近井缝网体积压裂、多井同步缝网体积压裂等工艺。

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