煤层气储层复杂裂缝导流能力影响因素研究

张红军，王 渊，杨 函

（1.中联煤层气有限责任公司，北京 100011；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028；3.山西地质博物馆，山西 太原 030024）

我国的煤层气资源储量十分丰富，主要分布在鄂尔多斯盆地、沁水盆地以及准葛尔盆地等地区，2015 年时我国的煤层气抽采量已经达到了300 亿m3，具有良好的勘探开发前景[1-3]。煤层通常具有低渗透率、割理裂隙发育、易碎以及易压缩等特点，与其他非常规储层压裂施工相比，煤储层压裂具有其自身的一些特点，其压裂施工后形成的裂缝形态也更加复杂，此外，由于煤层特殊的性质，支撑剂嵌入、煤粉脱落聚集以及压裂返排液污染等因素也会对压裂形成的裂缝造成一定的堵塞损害[4-6]。因此，有必要对煤层气储层水力压裂支撑裂缝导流能力的影响因素进行深入的研究，为提高煤层气储层压裂施工效率提供一定的参考。根据大量的资料调研及分析结果，目前国内外针对煤层气储层裂缝导流能力的影响因素研究主要集中在支撑剂类型、支撑剂粒径、闭合压力、实验时间、铺砂浓度、支撑剂嵌入以及煤粉等方面[7-16]，并且以上研究大多是基于单一裂缝的情况，没有考虑复杂裂缝对导流能力的影响。煤岩储层由于天然微裂缝发育较多，且受到地应力场的影响，在压裂施工过程中形成的人工裂缝与天然裂缝互相交织，形成比较复杂的裂缝网络，而目前针对煤岩储层复杂裂缝导流能力影响因素的研究及报道相对较少[17-19]。因此，以鄂尔多斯盆地东部某煤层气储层岩样为研究对象，使用改进型支撑剂充填层裂缝导流能力测试仪分别评价了支撑剂类型、铺砂浓度、煤岩弹性模量、煤粉含量以及压裂液类型对煤岩储层复杂裂缝导流能力的影响，为煤层气储层压裂施工参数的制定以及压裂液的选择提供一定的借鉴。

1 实验部分

煤层气储层水力压裂支撑裂缝导流能力的测试及计算方法参照石油与天然气行业标准SY/T 6302—2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》。

实验仪器采用自行研制的改进型支撑剂充填层裂缝导流能力测试仪（主要包括改进型API 导流室、压力控制系统、流量控制系统、液压泵、测量系统以及数据采集处理系统等）。由于API 导流室在使用气体作为实验流体时无法保证其密封性，因此将API 导流室进行改进，改进后的导流室使用新型合金材料制作，并加入耐温、耐腐蚀的橡胶圈密封，确保导流室与煤岩导流板之间不会存在漏气的问题。实验仪器的最高测试压力可以达到120 MPa，最高实验温度可以达到200 ℃。

为简化煤层气地层复杂裂缝缝网结构，将单一的水平裂缝设计成“一”字型（1 条裂缝），将复杂裂缝分别设计成“T”字型（2 条裂缝）和“E”字型（3 条裂缝）。裂缝导流能力的影响因素实验评价方案及实验步骤如下：

1）按照导流能力测试仪中导流室的尺寸将煤层气储层岩样打磨成相应形状的导流板。导流板制作过程中使用具有一定强度的化学胶剂将煤样导流板包裹，此方法不仅可以避免导流板的损坏，还可以保证导流板的形状与导流室内壁的完全贴合，提高其密封性，进而保证实验结果的准确性。

2）将煤样导流板放入导流室中，按照实验要求加入支撑剂并且铺置均匀后，组装好导流室，连接实验流程并测试其密闭性，保证实验流程有良好的密封性。

3）将实验温度升高至50 ℃，输入相应的实验参数，在不同的闭合压力条件下测定支撑裂缝的导流能力值，实验流体使用氮气，实验过程中每个压力点应保持60 min，并每隔2 min 记录1 次导流能力值，取其平均值，以保证实验结果的精度。

4）改变实验条件，重复上述实验步骤，评价不同影响因素条件下煤层气储层裂缝导流能力的变化情况。

2 实验结果

2.1 支撑剂类型的影响

按照实验方法，评价了不同类型支撑剂对不同类型裂缝导流能力的影响，支撑剂粒径均为0.425～0.850 mm，铺砂浓度均为7.5 kg/m2，煤岩弹性模量均为4 GPa 左右，实验闭合压力分别选择10 MPa和30 MPa，支撑剂类型对不同裂缝导流能力的影响如图1。

图1 支撑剂类型对不同裂缝导流能力的影响Fig.1 Effect of proppant type on conductivity of different fractures

由图1 可知，在相同的裂缝形态和闭合压力条件下，3 种不同类型的支撑剂导流能力大小顺序为陶粒＞覆膜砂＞石英砂；而在相同的支撑剂类型和闭合压力条件下，3 种不同类型的裂缝导流能力大小顺序为“E”型裂缝＞“T”型裂缝＞单一裂缝。由于在相同的铺砂浓度条件下，裂缝的形态越复杂，裂缝条数越多，其铺砂总量就越大，从而可以使裂缝总宽度增大，降低流体的渗流阻力，使裂缝的导流能力增大。另外，闭合压力越高，裂缝的导流能力值越低，在低闭合压力条件下（10 MPa），3 种支撑剂均能保持较高的导流能力值，当闭合压力达到30 MPa 时，支撑剂陶粒仍能保持较高的导流能力值，而覆膜砂和石英砂的导流能力则迅速降低，这是由于陶粒的强度和硬度大于覆膜砂和石英砂，在高闭合压力条件下支撑剂的破碎率较小，破碎颗粒对支撑裂缝孔隙的堵塞损害程度较小，使其保持较高的导流能力。

因此，针对施工压力较低的浅煤层压裂可以选择来源广、价格低廉的石英砂作为支撑剂，在保证压裂支撑裂缝导流能力的同时，可以降低压裂施工的成本；而针对施工压力较高的中深煤层压裂则需要选择强度较高、抗破碎能力较强的陶粒作为支撑剂，以降低支撑剂破碎对裂缝孔隙的堵塞损害，提高压裂施工的效果。

2.2 铺砂浓度的影响

参照上述实验方法，评价了不同铺砂浓度对不同类型裂缝导流能力的影响，支撑剂类型均为陶粒，支撑剂粒径均为0.425～0.850 mm，煤岩弹性模量均为4 GPa 左右，铺砂浓度对不同类型裂缝导流能力的影响见表1。

由表1 可知，在相同的闭合压力条件下，随着铺砂浓度的逐渐增大，不同类型裂缝的导流能力均逐渐增大。这是由于铺砂浓度越大，支撑剂之间形成的孔隙数量就越多，从而可以提高支撑裂缝的孔隙度，使裂缝具有较高的导流能力。此外，在相同的铺砂浓度和闭合压力条件下，裂缝形态越复杂，支撑裂缝的导流能力值就越高，“E”型裂缝的导流能力明显高于“T”型裂缝和单一裂缝，这说明裂缝形态对裂缝导流能力的影响较大，在相同的施工条件下，形成的裂缝条数越多，缝网结构越复杂，导流能力值就越高。

表1 铺砂浓度对不同类型裂缝导流能力的影响Table 1 Influence of sand concentration on conductivity of different types of fractures

2.3 煤岩弹性模量的影响

参照上述实验方法，评价了煤岩弹性模量对不同类型裂缝导流能力的影响，支撑剂类型均为陶粒，支撑剂粒径均为0.425～0.850 mm，铺砂浓度均为7.5 kg/m2，煤岩弹性模量对不同裂缝导流能力的影响如图2。

图2 煤岩弹性模量对不同裂缝导流能力的影响Fig.2 Influence of elastic modulus of coal and rock on conductivity of different fractures

由图2 可知，在相同的实验条件下，随着煤岩弹性模量的逐渐增大，支撑裂缝的导流能力值逐渐升高。这是由于煤岩弹性模量越大，岩石的抗压强度就越大，支撑剂在相同的闭合压力条件下嵌入煤岩的深度就越小，对裂缝导流能力造成的伤害程度就越小，因此，煤岩弹性模量值越大，裂缝导流能力值就越高。另外，与2.1 章节和2.2 章节中的实验结果相似，在相同的煤岩弹性模量条件下，裂缝形态越复杂，支撑裂缝的导流能力值就越高。

2.4 煤粉含量的影响

在煤层气储层压裂施工的过程中，往往会产生大量的煤粉，其在储层裂缝中与支撑剂混合后容易对裂缝产生堵塞，进而使裂缝的导流能力下降。因此，参照上述实验方法，在支撑剂中加入不同质量的煤粉混合均匀，评价了煤粉含量对不同类型裂缝导流能力的影响，实验所用煤粉为目标区块储层段煤样研磨而成（过粒径为0.150 mm 的筛网），支撑剂的类型均为陶粒，支撑剂粒径均为0.425～0.850 mm，铺砂浓度均为7.5 kg/m2，煤岩弹性模量均为4 GPa 左右，煤粉含量对不同裂缝导流能力的影响如图3，煤粉含量对不同类型裂缝导流能力的损害程度如图4。

图3 煤粉含量对不同裂缝导流能力的影响Fig.3 Influence of pulverized coal content on conductivity of different fractures

图4 煤粉含量对不同类型裂缝导流能力的损害程度Fig.4 Damage degree of coal powder to conductivity of different types of fractures

由图3 和图4 可知，随着支撑剂中混入煤粉含量的不断增大，支撑裂缝的导流能力值逐渐下降，并且闭合压力值越高，裂缝导流能力下降的幅度越大。当闭合压力为30 MPa 时，与没有煤粉相比，支撑剂中混入5%的煤粉就会使单一裂缝、“T”型裂缝和“E”型裂缝的导流能力值分别降低35.4%、41.0%和52.2%，导流能力降低幅度较大，并且裂缝形态越复杂，导流能力下降的幅度越大。这是由于当煤粉进入支撑裂缝孔隙中后，在一定的闭合压力下，随着实验流体的注入会发生运移聚集，对渗流通道产生堵塞，煤粉的含量越高，积聚所造成的堵塞程度越大；另外，裂缝的形态越复杂，总铺砂量就越大，支撑剂颗粒之间形成的孔隙数量就越多，相应的煤粉积聚所堵塞的孔隙数量就越多，所以煤粉堵塞对导流能力的影响程度就越大。

因此，在煤层气储层压裂施工过程中，应注意选择合理的施工参数，尽可能的减少煤粉的产出，降低煤粉对水力压裂支撑裂缝导流能力造成的堵塞程度。

2.5 压裂液类型的影响

在煤层气储层压裂施工过程中，压裂液与煤岩和支撑剂产生接触之后，会对压裂产生的支撑裂缝的导流能力造成一定的损害，因此，应选择合适的压裂液类型，以最大限度地降低其对裂缝导流能力的伤害。

参照上述实验方法，使用中间容器在裂缝中注入不同类型的压裂液（完全破胶后），关闭两端阀门静置24 h 后，再使用氮气充分冲刷，直至压裂液完全排出，然后测定裂缝导流能力的变化情况。实验用压裂液取自现场压裂施工破胶后返排液，支撑剂类型均为陶粒，支撑剂粒径均为0.425～0.850 mm，铺砂浓度均为7.5 kg/m2，煤岩弹性的模量均为4 GPa左右，压裂液对不同类型裂缝导流能力的影响见表2，压裂液对不同类型裂缝导流能力的损害程度（30 MPa）如图5。

图5 压裂液对不同类型裂缝导流能力的损害程度（30 MPa）Fig.5 Damage degree of fracturing fluid to conductivity of different types of fractures（30 MPa）

表2 压裂液对不同类型裂缝导流能力的影响Table 2 Effect of fracturing fluid on conductivity of different types of fractures

由表2 和图5 可知，与空白实验相比，经过不同类型的压裂液污染后，支撑裂缝的导流能力值均出现不同的降低现象，其中胍胶压裂液对导流能力的影响程度最大，清洁压裂液次之，活性水压裂液最小，并且闭合压力越高，裂缝形态越复杂，导流能力降低的幅度越大。当闭合压力为30 MPa 时，与空白结果相比，通入胍胶压裂液、清洁压裂液和活性水压裂液后单一裂缝的导流能力损害率分别为40.3%、27.0%和12.1%，“T”型裂缝的导流能力损害率分别为50.8%、30.2%和18.2%，而“E”型裂缝的导流能力损害率分别为60.9%、39.3%和24.3%。这是由于3种压裂液中胍胶压裂液的残渣含量最高，其会对支撑裂缝的孔隙造成严重堵塞，并且其返排率较低，液相进入煤岩板，引起煤岩表面强度降低，支撑剂嵌入程度增大，造成裂缝导流能力的严重下降；而活性水压裂液不仅残渣含量较小，并且其表面活性较强，返排率较高，可以降低裂缝导流能力的损害程度。

因此，在煤层气储层压裂施工过程中，应注意选择合适的压裂液体系，在满足安全压裂施工要求的同时，尽可能选择固相含量较低、残渣含量较少、返排效果较好的压裂液体系，避免压裂液对支撑裂缝造成比较严重的损害。

3 结 语

1）裂缝的形态对导流能力的影响比较大，在相同的铺砂浓度条件下，裂缝形态越复杂，裂缝条数越多，导流能力就越大。

2）在相同的实验条件下，使用陶粒作为支撑剂时的裂缝导流能力明显大于覆膜砂和石英砂；另外，铺砂浓度越高、煤岩板弹性模量越大，裂缝的导流能力越大。

3）煤粉的加入能够大幅降低裂缝导流能力，煤粉含量越高，裂缝导流能力越低；并且裂缝形态越复杂，裂缝条数越多，煤粉对裂缝导流能力的损害率越大。

4）不同类型的压裂液对裂缝导流能力的损害程度差异较大，胍胶压裂液的损害率明显大于清洁压裂液和活性水压裂液；同样，裂缝形态越复杂，压裂液对裂缝导流能力的损害程度越严重。

5）在浅煤层压裂施工过程中，应选择石英砂作为支撑剂，而在中深煤层压裂施工过程中，应选择陶粒作为支撑剂，并尽可能的提高铺砂浓度以达到良好的压裂施工效果；此外，为降低煤粉和压裂液对裂缝导流能力的损害程度，应选择合适的压裂施工参数、合理的排采生产制度以及合适的压裂液体系，在满足安全施工要求的同时，尽可能的提高煤层气储层压后裂缝的导流能力。