煤层气小型压裂测试与分析研究

郁登朗

（中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000）

一、煤层天然割理滤失特征

煤层基质的渗透性差，天然裂缝对于储层的渗流起到了关键作用，但由于裂缝及隐式裂缝的发育，造成了储层敏感性较强；受非均质、天然裂缝、水力裂缝的影响，导致渗流方向、水力裂缝方向、构造应力场方向不一致，同时储层流固耦合明显，缺乏对这类储层压裂产能预测的手段。压裂过程中水力裂缝受缝内净压作用天然裂缝的开启，增强了工作液的滤失，极易造成压裂过程早期砂堵。

天然割理裂缝根据其与水力裂缝的夹角不同，在较高的液体压力下由于剪切失效而失稳。一旦裂缝剪切滑动，其导流能力将会增加同时可以容纳更多的液体，这又会增加裂缝的不稳定性。剪切裂缝在裂缝的扩展过程中起作用有两种方式：一是在近井地带剪切裂缝可能会沿着裂缝扩展方向张开（所以他们受到较高的拉伸应力）；第二，水力裂缝在其扩展过程中可能遇到剪切裂缝而且不只是穿越它，水力裂缝有可能会跟着剪切裂缝走一段距离。然后水力裂缝将可能分叉出去。假如这种情况出现多次，多裂缝将会出现从而形成一个复杂的裂缝系统。另外，如果剪切裂缝或是天然裂缝失稳或是扩张，将会发生显著的液体滤失增加，形成过量滤失，后续注入会因为张开更多的天然裂缝使裂缝更加复杂化，滤失更加增大，导致压裂施工过程中异常压力。

二、天然裂缝滤失诊断

煤层受天然裂缝发育的影响，水力裂缝的产生与发展过程压力均表现出了不同于相对均质储层的特征。随着裂缝的延伸缝内净压力不断增加，不同组系的微裂缝依次不断开启导致压裂液滤失增强，容易导致加砂压裂砂堵；而在压裂泵注停止后，随着压裂液向地层的不断滤失，缝内净压力逐渐下降，开启的微裂缝又不断闭合，压裂液的滤失速率逐渐减小，最后天然裂缝完全闭合，压裂液继续通过基质向地层滤失，直至裂缝完全闭合。根据对双重介质储层裂缝闭合特征，基于能量与质量守恒，假定滤失系数是压差的函数：

无因次压力函数可以表述为：

（2）对于依赖于微裂缝开启的滤失情形，在压力大于裂缝开启压力时，不为常数，=常数，，同时，并且，因此压力曲线在此期间应该是上凸的。

（3）无因次压力函数在裂缝闭合期间应该为直线压力降落，即和曲线是线性的。

三、小型压裂诊断实例

（一）和3井小型压裂测试

和3井小型压裂测试于2009年4月28日进行，注入时间为19.8min,压降测试时间为50min。

测试方法：采用阶梯排量升和阶梯排量降，进行压力降落测试。

排量变化：

1.0 m3/min-2.0 m3/min-3.0 m3/min-4.0 m3/min-5.0m3/min-6.0 m3/min-7.0 m3/min-8.0 m3/min。

通过Stimplan软件和Gohfer软件对和3井不同排量对应的压力变化曲线进行分析，得出：和3井裂缝延伸排量为4.3m3/min，延伸压力15.6MPa。其中延伸压力大小与模拟小型压裂实验的裂缝有效开裂的延伸压力相仿。

同样，采用Stimplan软件和Gohfer软件两种方法计算的G函数叠加导数曲线可以看出：在停泵期间压力降落特征为直线变化，没有明显的闭合点。

与标准图板对比，压力降落初期存在明显的上凸曲线形状，这表明该煤层小型压裂期间天然裂缝较为发育。

通过双对数、平方根曲线可以看出：在停泵期间压力降落特征也表现为直线变化趋势，拟合直线没有明显的偏离点，因此可判断为煤层没有闭合，但从二阶导数曲线变化来看，呈现波浪变化，说明导流能力较低。

平方根初始曲线特征表明：在初期停泵的25min内裂缝仍在延伸。

（二）和4井小型压裂测试分析

2009年4月30日和4井进行小型压裂测试，测试方法采用阶梯排量升和阶梯排量降，进行压力降落测试。注入时间为20.8min,压降测试时间为50min。

排量变化：1.0 m3/min-2.0 m3/min-3.0 m3/min-4.0 m3/min-5.0 m3/min-6.0 m3/min-7.0 m3/min-8.0 m3/min。

结论及认识

1.通过模拟小型压裂实验，认为煤层压裂的滤失较常规油层的大，对于煤层压裂采用大排量施工有其必要性；压裂过程延伸压力大于最小主应力3-5MPa以上，裂缝才能得到较好的延伸和开启；并且煤层压裂的裂缝方向受套管轴向走向和最大主应力方向控制，对于和顺15#煤层的直井，压裂会产生垂直缝，并沿最大主应力方向延伸，顶底板对裂缝有一定的限制作用。压裂过程中煤块断裂缝中脱落较多的煤渣，煤层压裂有自支撑的特点。

2.通过实验还发现煤层压裂的裂缝扩展不对称，可能形成单向扩展裂缝（或一面裂缝扩展不充分），也有形成多条裂缝的可能。套管射孔相位和射孔密度对裂缝的初始开启难度和开启点有影响，煤层打开程度大会降低裂缝起裂压力。