大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

姜 伟，张 军，仲 劼，赵 琛，唐助云，卢海兵，易新斌，王 海

大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

姜 伟1，张 军2，仲 劼2，赵 琛2，唐助云2，卢海兵1，易新斌1，王 海3

(1. 中国石油勘探开发研究院压裂酸化技术服务中心，河北 廊坊 065007；2. 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 830000；3. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300000)

为研究大倾角煤层水力压裂裂缝扩展形态，采用大尺寸真三轴压裂模拟系统，分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验。结果表明：最大主应力方向沿地层走向时，裂缝起裂容易，缝高受限，裂缝连通性好，裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝，形成垂直缝形态，地层倾角对压裂施工影响相对较小，建议进行大规模压裂以充分改造煤储层；最大主应力方向沿地层倾向时，裂缝起裂困难，前期缝高受限，后期缝高失控，裂缝连通性差，受节理影响，不易形成主缝，所以裂缝扩展困难，转向及多级破裂较多，此类煤层建议进行多级小规模压裂改造。实验结果对新疆等地区大倾角煤层的改造模式和改造规模具有指导作用。

煤层气；大倾角；应力方向；裂缝形态；物理模拟；施工规模；新疆阜康

我国煤层气资源丰富，其中，新疆煤层气资源占全国煤层气预测资源量的26%[1]，与国内外其他煤层气藏相比，新疆阜康白杨河矿区煤层具有低煤阶、大倾角(地层倾角一般42°~68°，局部倒转)的地质特点[2]，煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地区水平煤层有较大差异，水平煤层压裂一般形成水平裂缝，裂缝高度扩展受限，大倾角煤层是否形成水平缝，高度上如何扩展等问题需进一步研究。

目前，对大倾角煤层压裂方面的研究工作较少，程亮等[3]开展倾斜地层水力压裂数值模型推导和相关试验，得到施工压力随煤层倾角增大而增大；谢相军[4]统计了大量现场压裂施工井及裂缝监测结果，采用压降分析方法对阜康白杨河矿区的大倾角煤层水力裂缝形态、方位等参数进行研究，并提出了相应的增产改造建议；罗骁[5]建立大倾角煤层L井破裂点及破裂压力计算模型，对大倾角煤层破裂压力计算提供一定指导；高建成等[6]采用数值模拟方法开展不同倾角煤层对水力压裂压力的影响，水力压裂压力随煤层倾角增大而减小，达到一定值后又随着煤层倾角的增大而增大；王志荣等[7]分析了煤层倾角和埋深对压裂起裂压力和起裂位置影响，起裂压力在埋深相同时不随煤层倾角的改变而改变。前人研究主要是采用数值模拟方法，计算大倾角煤层倾角变化导致的施工压力变化，并未考虑最大主应力方向对施工压力和裂缝形态的影响。基于前人的研究认识，为了研究大倾角煤层条件下，水力压裂裂缝扩展过程、裂缝形态的演化规律，笔者采用大尺寸真三轴压裂模拟系统，分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝形态物理模拟实验，探讨固定倾角下，应力方向对施工压力和裂缝形态的影响，并对不同应力方向下的水力压裂施工模式进行探讨。

1 实验设备及方法

1.1 实验装置与试样制备

大尺寸真三轴压裂模拟系统主要由真三轴岩样模型、真三轴压力加载系统、恒流速恒压泵、电器控制系统、数据采集系统、管阀件、辅助装置等部分组成，如图1所示。应力加载系统在水平方向和垂直方向最大应力分别可以达到30 MPa和15 MPa，恒速恒压泵采用双缸连续供液方式，最大注入压力65 MPa。

实验煤样采集自新疆阜康乌东矿井43号煤，采集煤样标高460~480 m，煤层埋深300 m左右，煤层裂隙长度0.01~2.70 cm，高度0.01~1.90 cm，宽度1~550 μm，密度0.60~8.20条/cm，裂隙系统多呈网状和平行状，煤层倾角42°~68°，煤体结构以碎裂—碎粒煤为主。

图1 大尺寸真三轴压裂模拟系统示意

采用环形全封闭数控砂线切割机床(型号DL7750)切割煤样，沿着煤样层理和与层理呈60°方向将煤块切割成倾斜煤样立方体，如图2a所示。在煤样周围采用水泥包裹制成38 cm×38 cm×38 cm试样(包裹试样水泥采用煤粉和水泥按照3∶7比例制作，尽可能模拟煤层周围岩石性质)，并在煤样中心钻孔，以模拟井眼至煤样中部、在距离井底2 cm处下套管固井，如图2b所示。

1.2 实验方法

通过计算，储层段最小水平主应力梯度为0.02 MPa/m，井深750 m，则实验加载最小水平主应力15 MPa、最大水平主应力19 MPa、垂向应力14.5 MPa。

采用速度相似准则，结合实验模型尺寸，确定实验室物理模拟实验排量。现场施工排量12 m3/min，套管内径124.26 mm，煤层平均厚度17 m，实验室注入管线内径3 mm，实验室设定水力裂缝贯穿煤样，高度取38 cm。确定物理模拟实验排量为150 mL/min。

1.3 实验步骤

开展2块试样的水力压裂模拟实验：模拟压裂液使用1% KCl活性水。模拟60°倾斜地层，分别按最大主应力沿地层倾向和沿地层走向开展模拟压裂实验。

2 大倾角煤层水力压裂裂缝形态

2.1 最大主应力沿地层走向的水力裂缝形态

如图3a所示，恒定注入排量150 mL/min，压裂过程中压力沿一定斜率直线逐渐上升，从2 MPa逐渐上升到6 MPa。双对数曲线[8-9]中(图3b)，前期斜率为1.375，后期斜率为0.303，反映了裂缝向前延伸过程中缝高受限。停泵后压力很快降到零，说明裂缝连通性较好。

图2 模拟实验煤样

图3 最大主应力沿地层走向实验压裂曲线及双对数曲线

试样从加压舱中取出后可以看到明显的水力裂缝(图4a)，水力裂缝为沿最大主应力方向的垂直缝，从试样外表来看，人工裂缝基本贯穿整个试样，且裂缝宽度较大，所以压裂停泵后的压力很快降到零。煤样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方向，由于地层倾角较大，形成垂直缝形态(图4b)。

2.2 最大主应力沿地层倾向的水力裂缝形态

由图5a可以看出，开始采用150 mL/min排量恒流注入时，压力上升特别快，决定改用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，后续采用50 mL/min完成压裂。注入过程中压力缓慢下降，由19 MPa降至9.5 MPa；其中出现多次破裂，双对数曲线中(图5b)前期斜率为1.209，说明裂缝高度和长度扩展受限，后期斜率小于零，缝高失控。停泵后压力缓慢下降，说明裂缝连通性较差。

图4 最大主应力沿地层走向模拟压裂后煤样的内外形态

试样从加压舱中取出后可以看到明显的水力裂缝，水力裂缝基本沿着煤与水泥的交界面，有一条垂直交界面的水力裂缝(图6a)。将煤样剖开，煤中裂缝网络纵横交错，所有层理和割理基本都有颜料，任意选择一个面剖开均可以看到颜料呈星点状分布(图6b)。

图5 最大主应力沿地层倾向实验压裂曲线及双对数曲线

图6 最大主应力沿地层倾向模拟压裂后煤样的内外形态

3 讨论

水力压裂过程中，水力裂缝沿最大主应力方向扩展，但同时受到层理的影响，尤其对于层理特别发育的煤储层，水力裂缝的起裂和扩展都与层理面密切相关[10]。当最大主应力方向沿煤层走向，即最大主应力方向沿层理方向，水力裂缝沿最大主应力方向扩展与层理弱面方向一致，使得裂缝起裂较为容易，且由于储层倾角较大，形成垂直缝形态，在整个扩展过程中裂缝高度不断扩展，裂缝延伸较远[11-12]，故针对此类储层建议开展活性水大规模大排量压裂，或者采用低黏瓜胶提高液体携砂性能，提高较长裂缝的远端支撑[13]。

对于最大主应力方向沿地层倾向，即最大主应力方向沿节理方向，裂缝沿节理方向扩展与层理弱面方向垂直，导致裂缝开启困难，且很快达到试样的最大高度。裂缝在沿最大主应力(节理)方向与沿层理弱面方向间来回转换，导致裂缝转向和多级破裂较多。最终形成的裂缝为沿节理的近水平缝与沿层理的垂直缝相互交织的复杂缝。裂缝长度较小，故针对此类储层建议开展活性水小规模改造[14-15]，采用连续油管拖动等分层工具，提高储层纵向动用程度。

4 现场试验

选取煤储层为大倾角的Z-5煤层气井开展微地震裂缝监测，Z-5井是一口沿地层倾向钻进的大斜度井，地层走向NE向65°，倾角65°左右，采用连续油管水力喷射环空加砂底部封隔器拖动压裂，共进行4段压裂，每段平均液量800 m3，砂量45 m3，施工排量7~8 m3/min，监测的裂缝走向NE向65°~100°，裂缝延伸方向主要沿地层走向，监测裂缝倾角90°，全部为垂直缝(表1)，现场监测与室内实验结果一致。

5 结论

a. 大倾角煤样压裂物理模拟实验表明，最大主应力方向沿煤层走向时，裂缝起裂容易，缝高受限，裂缝连通性好，裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝，由于地层倾角较大，形成垂直缝，地层倾角对施工影响相对较小。

表1 Z-5井微地震监测结果

b. 最大主应力方向沿地层倾向时，裂缝起裂困难，前期裂缝扩展受限，后期缝高失控，裂缝连通性差；受节理影响，不易形成主缝，转向及多级破裂较多。

c. 现场微地震裂缝监测证实，大倾角煤层沿地层倾向钻进时，形成以垂直缝为主的裂缝形态。

d. 最大主应力方向沿地层走向时，沿地层倾向钻进为优势钻进方向，形成横切井筒的垂直缝，建议大规模改造，但大倾角煤层水力裂缝向上延伸距离较远，建议适当控制施工排量；最大主应力方向沿倾向时，受应力和层理的双重控制，水力压裂施工难度较大，建议采用多级小规模改造。

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Physical simutation experiment investigation on hydraulic fracture propagation in high-dip coal seam

JIANG Wei1, ZHANG Jun2, ZHONG Jie2, ZHAO Chen2, TANG Zhuyun2, LU Haibing1, YI Xinbin1, WANG Hai3

(1. Fracturing and Acidizing Technology Service Center, PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang 065007, China; 2. No.156 Coalfield Geological Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, Ürümqi 830000, China; 3. CNPC Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300000, China)

In order to study the hydraulic fracture geometry in high-dip coal seam, a large-scale true triaxial fracturing simulation system was used to carry out physical simulation experiments, and the hydraulic fracture geometry of the maximum horizontal principal stress along the strike direction and along the dip direction-in 60° dip coal seam were investigated respectively. Experimental results of the maximum principal stress direction along the strike direction show that: hydraulic fracture initiation is easily; fracture height is limited in the whole time; fracture connectivity is good; fracture propagates mainly along bedding and natural fracture, vertical fracture is formed; the influence of high-dip on stimulation is relatively small; massive volume stimulation is needed. Experimental results of the maximum principal stress direction along the dip direction show that: hydraulic fracture initiation is hard; fracture height is limited in the early time and out of control in the later period; fracture connectivity is poor; fracture is not easy to form influenced by joint, and hydraulic fracture propagates difficultly; fracture diversion and multi-stage breakdown can be observed in the fracturing curve; small volume but multi-stage stimulation is needed. The experimental results have a good guiding effect on the stimulation model and scale determination of the high-dip coal seam in Xinjiang and other regions.

coalbed methane; high-dip angle; stress direction; hydraulic fracture geometry; physical simulation; constraction scale; Xinjiang Fukang

TE321

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.007

1001-1986(2020)03-0045-06

2019-11-15；

2020-02-08

新疆维吾尔自治区科技重大专项项目(2017B03019)

Science and Technology Major Project of Uygur Autonomous Region of Xinjiang(2017B03019)

姜伟，1988年生，男，湖北襄阳人，硕士，工程师，从事非常规油气藏储层改造方面的研究工作. E-mail：jiangwei69@petrochina.com.cn

姜伟，张军，仲劼，等. 大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：45–50.

JIANG Wei，ZHANG Jun，ZHONG Jie，et al. Physical simutation experiment investigation on hydraulic fracture propagation in high-dip coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：45–50.

(责任编辑 范章群)