煤层水力压裂影响因素数值模拟研究

2021-01-14甄怀宾张伟强吴飞鹏朱卫平

非常规油气 2020年6期

甄怀宾，张伟强，吴飞鹏，孙伟，朱卫平

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100089；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100020；3.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580)

煤层气又称煤层甲烷，是煤的伴生矿产资源。煤层甲烷是一种非常规性天然气资源，其作为一种储量巨大的新兴洁净能源日益受到世界各国的关注[1]。我国煤层气资源丰富，目前探明储量是天然气可采资源量的1/2左右[2]。但我国煤层气储层大都渗透率较低，非均质性较强[3]，煤层气储层本身具有的特征带来了相应的开发难度，所以要实现煤层气的有效开发利用需要使用一些增产措施。

国内外煤层气储层改造增产的主要手段之一是水力压裂[4-6]。对煤层压裂而言，水力压裂后形成的裂缝网络为煤层气流通提供了通道，同时压裂沟通了煤层中的低孔低渗区域，降低了井底压力，促进了煤层气的解吸[7]。但在增产工艺上，煤层与常规砂岩储层相比又有所区别，与砂岩相比，煤层的岩石物性参数区别较大，煤层气储层弹性模量较低，并且天然裂隙较发育，同时煤岩具有吸附性[8]；流体在煤层中的渗流特点与常规砂岩储层相比也有所区别。因此，要准确评价煤层的压裂施工效果，需要对现有压裂工艺在煤层下的效果进行评价。为此，笔者总结分析了现有压裂技术的影响因素，并建立了煤层压裂施工模型分析这些因素对煤层压裂施工的影响，为煤层压裂施工提供参考依据和相关技术指导。

1 煤层压裂裂缝起裂扩展机理

本文选用cohesive单元表征裂缝行为，零厚度coheisve单元主要有两个作用[9-13]：

(1)cohesive单元的损伤模式遵从traction-separation准则，可以应用损伤判据判断水力裂缝的起裂。

(2)采用刚度衰减方法模拟裂缝的起裂及扩展行为。

1.1 线弹性traction-separation准则[14-15]

cohesive单元的损伤机理服从traction-separation准则，单元刚度退化之前，单元所受应力随应变的增加而增加。如图1所示，当单元所受应力达到材料强度时单元损伤，单元所受应力随应变增加而减少，宏观上表现为材料刚度退化。

图1 cohesive单元损伤的trantion-separation准则示意图

1.2 单元破裂准则[19-20]

1.2.1 最大应力准则

该准则假设当法向或者切向应力达到单元临界应力时，cohesive单元破裂。

1.2.2 二次名义应力准则

该准则在最大主应力破坏准则基础上，假设法向和切向的应力与其极限应力的比值的平方和为1时，cohesive单元破裂。

1.2.3 最大应变准则

最大应变准则假设当法向或者切向应力达到单元临界应变时，cohesive单元破裂。

1.2.4 二次名义应变准则

该准则基于最大应变准则，假设法向和切向的应变与其极限应变的比值的平方和为1时，cohesive单元起裂。

2 煤层水平井压裂裂缝扩展计算模型

通过华北某地区部分水平井的地震测试和动态监测资料及解释结论，可知该区块的地层倾角较小，构造相对平缓，断裂不发育，构造简单，地层连续稳定，在水平井压裂施工过程中，发现该区块压裂裂缝大部分为平面裂缝，因此，本文所建立模型为水平井平面裂缝模型。

本文所建立的煤层水平井压裂裂缝扩展计算模型如图2所示，所建立的计算模型长度为200 m，煤层厚度为50 m，模型宽度为100 m，基于有限元方法将模型划分为16 564个单元，网格尺寸为5 m。

图2 煤层水平井压裂计算模型示意图

压裂计算模型的参数见表1，计算模型参数主要包岩石的力学性质、储层物性以及施工参数等。作者为了研究某些参数对裂缝发育干扰的影响，对部分建模参数进行了适当调整。

表1 计算模型参数

3 模拟结果分析

煤层微裂隙和层理十分发育，并且储层物性与常规砂岩储层相比有较大的差别，因此常规压裂参数并不完全适合煤层压裂施工。如果施工过程中某些压裂施工参数不合理，可能导致井壁部分区域无法形成有效的裂缝和高效的渗流通道，从而降低储层的改造体积，减少压裂施工的效率。

本节利用上文所建立的煤层水平井水力压裂计算模型并结合数值模拟软件，主要研究了射孔相位角、地应力差异以及储层物性对水力裂缝扩展规律的影响。

3.1 射孔相位角

射孔布孔方式对储层水力压裂改造效果有很深远的影响，在调研目前常规射孔工艺对煤层气储层射孔效果(包括射孔方位、深度、密度、孔径等)的基础上，结合煤层气储层改造产能变化理论分析与影响因素数值模拟的手段，研究射孔参数对裂缝分布规律、缝网形成条件的影响，开展射孔参数对裂缝扩展及参数敏感性数值的模拟实验。

作者模拟了60°、90°以及180°射孔相位角下水力裂缝的展布情况(图3)。综合对比3种射孔相位角的模拟结果后发现，当排量和注入时间相同时，以60°相位角射孔后裂缝整体呈向下扩展趋势，且裂缝展布面积较小，裂缝开度较小，主裂缝沿垂向向下延伸，地层破裂压力较低；以90°相位角射孔后裂缝同样呈向下扩展趋势，但裂缝展布面积增大，裂缝开度相对最大，主裂缝呈扩散趋势，地层破裂压力适中；以180°相位角射孔时，裂缝以井筒为轴心向四周扩散，主裂缝关于井筒对称分布，地层破裂压力较高，且裂缝开度低于90°相位角时。

图3 不同相位角裂缝开度云图

由压裂施工曲线可以看出，射孔相位角会影响地层破裂压力和水力裂缝的起裂时间。从图4可以看出，随着射孔相位角的增加，地层破裂压力逐渐上升，裂缝起裂时间逐渐降低。

图4 不同射孔相位破裂压力与起裂时间对比图

综合对比以上3种模拟结果后发现，射孔相位对裂缝展布的影响较大，针对水平井射孔而言，相位角影响水力裂缝走向，相位角越小，水力裂缝展布范围越小，主裂缝延伸长度越大；相位角越大，裂缝破裂压力逐渐增大，裂缝起裂时间逐渐减小。其中，90°射孔相位裂缝破裂压力较低，缝网展布较大，且裂缝开度最大。经过综合分析后确定90°相位角为最佳射孔相位。

3.2 水平地应力

水平主应力差是煤层水力压裂设计与选井选层中需要考虑的重要影响因素。根据最大拉应力破裂准则与摩尔—库伦剪切破坏准则，岩石的拉伸破坏与最小主应力大小有关，其剪切破坏也与最大最小主应力的关系有关，而最大最小主应力则由储层原地应力、Biot流固耦合有效应力与射孔诱导应力场叠加求得。最大最小主应力差主要影响了岩石受压损伤的程度与改造体积。

定义初始地应力差异系数为：

(1)

式中σH——最大水平主应力；

σh——最小水平主应力；

R——地应力差异值。

本次模拟保持最小水平主应力和垂向应力不变，通过改变最大水平主应力来改变地应力差异系数。根据现场测井解释数据分析后，本次模拟以华北某区块煤层特点选取3个典型的地应力差异系数1.04、1.1和1.2进行压裂模拟，研究地层破裂压力以及裂缝展布等情况。

从裂缝开度云图(图3)以及裂缝扩展云图(图5)中也可看出，在压裂过程中，地应力差异主要影响裂缝扩展方向。随着地应力差异系数的增大，水力裂缝主裂缝逐渐发生偏移。

图5 不同应力差异系数的裂缝扩展云图

3.3 弹性模量

弹性模量是表征岩石抵抗形变的能力，弹性模量越低，材料相对变形越大，材料变形柔性越好，越容易发生延性破坏；弹性模量越高，岩石刚度越大，材料脆性越强，越容易发生塑性破坏。相对于其他类型的储层，煤层的弹性模量值明显较低，不易产生复杂裂缝网络。岩石的可压性可以用脆性指数评价：

(2)

式中E——岩石弹性模量；

ν——岩石泊松比。

从式(2)中可以看出，岩石脆性指数与弹性模量和泊松比相关，弹性模量越低，泊松比越高，岩石的脆性指数越小。而脆性指数越低，越不利于压裂并产生复杂缝网。

作者根据现场测井解释数据以及调研分析后，选取高(6 GPa)、中(3 GPa)、低(1 GPa)3个等级的弹性模量作为实验参数，具体分析地层裂缝展布受弹性模量的影响。模拟结果如图6、图7所示。

图6 不同弹性模量裂缝的扩展云图

从模拟结果可以看出，弹性模量会影响水力裂缝展布；从裂缝扩展云图中可以看出，弹性模量越高的地层中，水力压裂后主裂缝的缝长、缝高越大，且微裂缝越发育，缝网面积越大，地层可压性越好。从模拟结果也可以看出，高弹性模量的地层容易形成长窄缝，低弹性模量的地层容易形成短宽缝。此外，弹性模量对裂缝延伸压力的影响较大。由图7中可以看出，裂缝延伸压力随弹性模量增大而减小，高弹性模量地层裂缝的延伸压力最小为23.77 MPa。