范明福

中国石化中原石油工程公司

中国具有丰富的煤层气资源量，约占世界总量的14%，其中埋藏浅于2 000 m的煤层气资源量高达36.81 104m3，但煤层气产量远低于其他富煤国家[1]。由于煤层渗透性较差，为了获得较高的煤层气产量，煤层一般需经过压裂改造方式来增产。

我国煤层气储层地质条件相对复杂，大量煤层气赋存于构造变形严重、煤体破碎、质地松软的构造煤层中，地面煤层气抽采难度很大[2]，例如安徽的淮北、淮南，河南的焦作[3]、平顶山，江西的丰城等矿区。对于构造煤层，采用常规的在煤层内部进行水平井钻井和压裂改造方法难以实现有效的改造，主要原因在于：①由于构造煤煤层碎软，水平井眼极易发生井壁失稳、垮塌，甚至引发卡钻、埋钻事故；
②由于构造煤低杨氏模量、高泊松比的力学性质及裂隙发育的特点，使得裂缝长度受到限制，加之煤层裂缝中支撑剂的镶嵌明显[4]、 煤粉堵塞等原因，压裂缝的有效长度更短，其压裂增产效果很不尽人意。构造煤层压裂改造难度大、增产效果差，制约了国内煤层气大规模工业开发步伐。

针对构造煤层压裂改造难题，笔者根据煤层顶板水平井穿层压裂技术，即在煤层顶板选择距离煤层合适距离进行水平井钻井、定向射孔和分段压裂施工，可以造出较长且与煤层沟通良好的压裂裂缝，形成高导流渗流通道，并有效降低入井液对煤层的伤害，提高煤层气排采效果的作用，建立了煤层及其顶底板岩层水力压裂数值模拟模型，开展了穿层压裂缝扩展规律模拟计算，优化了水平井分段参数、射孔参数及压裂工艺参数，并在安徽淮北进行了现场应用实践。结果表明在煤层顶板进行水平钻井和分段压裂具有较好的优越性。

1.1 构造煤层压裂裂缝特点

水力压裂过程中，压裂液首先在井筒附近憋压，当压力大于地层岩石的破裂极限时，裂缝起裂，并在裂缝尖端延伸；
由于在裂缝尖端存在应力集中现象，故裂缝延伸压力小于裂缝起裂压力[5]。

然而对于煤层来说，尤其是构造煤，由于其中存在天然裂隙或构造破碎裂缝，水力压裂缝将在原有裂隙处开启并延伸，这时破裂压力不明显[6]。

构造煤结构分散松软，具有相对较差的力学强度，水力压裂缝在构造煤中的延伸比较困难。由于各种裂缝（隙）的存在，且这些裂缝（隙）相互交，叉分布不均匀，导致压裂缝延伸极易转向并形成更为复杂的裂缝，后续压裂液在这些复杂裂缝中流动阻力增加，缝内净压力也增加，从而进一步造成新的压裂缝，并在整个压裂过程中煤中的不同位置不断发生，造成构造煤中很难形成简单而长的压裂缝。因此，煤层水力压裂缝的起裂和延伸特点表现为极易起裂但难以延伸，压裂增产的效果较差[7]。

1.2 压裂裂缝沟通煤层机理

煤层顶底板一般为泥岩、泥质砂岩、细砂岩或灰岩[8]。由于煤层脆性大、强度低，极易破碎，在后期构造作用下极易遭到破坏而演变为构造煤，但其顶底板岩层由于强度高或柔性强受破坏程度较小，故保存完整。煤层顶板压裂就是在煤层顶板岩层内进行水平井钻井，并通过定向射孔及分段压裂对顶板和煤层进行改造，在顶板与煤层之间建立具有高导流能力的裂缝通道和网络，达到有效沟通富含甲烷、塑性强、不易成缝的煤层的目的。

当对煤层顶板进行压裂作业时，裂缝首先在顶板岩层中产生，裂缝在这些岩层较容易延伸，能形成长的压裂缝，同时压裂缝能够在垂向上从高应力值的顶板岩层向下穿层扩展到较低应力值的煤层[9]，在垂向上进入煤层后，裂缝同时在岩层和煤层中横向扩展，裂缝在顶板岩层中表现为脆性断裂扩展，而煤层中表现为韧性断裂扩展，所以煤层虽然易起裂但不易延伸，压裂缝在煤层中仅扩展一定范围[10]。图1展示了裂缝在顶板岩层与煤层中的扩展过程，表明裂缝横向扩展是由顶板岩层中脆性扩展主导的，在扩展过程中裂缝尖端始终位于煤层顶板岩层中，即顶板岩层中裂缝扩展更快更长，尖端扩展造成“拉扯”作用带动煤层中的裂缝横向同时扩展，这样在煤层中形成的裂缝比直接在煤层中压裂形成的裂缝要长得多，改造煤层体积更大，压裂效果更好。

图1 煤层顶板压裂裂缝形态模拟图

1.3 水平井穿层压裂技术优势

煤层顶板水平井穿层压裂优势主要体现在降低钻井风险、降低入井液（钻井液和压裂液）对煤层的伤害、造缝效果好和利于后期排采等5个方面[11-15]：①煤层顶板具有较高的力学强度，在顶板岩层中进行水平井钻井，井眼的稳定性较高，降低钻进过程中发生钻孔坍塌、埋钻等风险；
②对于顶板水平井，由于井筒在钻井阶段不与煤层接触，避免了钻井液对煤层的浸泡和伤害，这一点对于欠压高渗储层尤为重要；
③煤层顶板岩性为砂岩、砂泥岩、石灰岩或脆性泥岩时，其脆性矿物含量远高于煤层，可压裂指数远高于煤层，易形成长度更长、更加稳定的导流裂缝，沟通更大的煤层体积；
④压裂后由于支撑剂的重力沉降作用，大量支撑剂在顶板与煤层交界处的裂缝中充填，这种形态的裂缝铺砂剖面更加利于煤层气的产出；
⑤在顶板岩层中压裂产生的煤粉很少，对压裂通道的堵塞降到最低；
在排采过程中砂粒和煤粉在重力的作用下难以向上运移进入井筒，煤层气排采通道流畅，排采效果提高。

2.1 水平井眼轨迹与煤层距离优化

碎软低渗煤层顶板岩层水平井压裂裂缝垂向上能否穿层进入煤层及其扩展范围在很大程度上取决于水平井井眼与煤层距离，它是决定压裂成败的一个关键因素[16]。

一般在中（顶板上覆岩层）—高（顶板）—低（煤层）应力剖面条件下，水力裂缝更趋向于往地应力小的层位延伸。应用压裂软件模拟水平井眼距煤层不同距离时裂缝形态（图2），计算出水平井眼距煤层不同距离时在煤层内的裂缝占总的裂缝面积比例（图3）。从图2中可以得到一般规律，既水平井眼距煤层顶面的距离越大，扩展进煤层的裂缝面积越小；
由图3可以看出，当水平段距离煤层顶面1 m时，煤层裂缝的面积占总改造面积的90%以上；
而当水平段距离煤层顶面7 m时，煤层裂缝的面积仅占总改造面积的25%左右，由此可见在低—高—低应力剖面下水平段距煤层顶面的距离对有效裂缝面积及有效裂缝面积比例有较大影响。这是由于顶板处于高应力层，裂缝在顶板内扩展受到阻力最大，因此裂缝一旦突破顶板层进入到低应力的煤层，裂缝将会主要在煤层扩展。水平井离顶面距离越小，裂缝从顶板层扩展到煤层的距离越小，更容易进入煤层，提高改造煤层的能力。

图2 水平井眼距煤层不同距离的裂缝形态示意图（分三簇射孔）

图3 距煤层不同距离的煤层裂缝有效面积比例变化图

在现场施工时，一般有效裂缝面积占总改造面积的比例大于70 %时即认为该地应力剖面适合进行顶板压裂施工，则在常规中（顶板上覆岩层）—高（顶板）—低（煤层）应力剖面下，水平井眼轨迹距离煤层顶面1～3 m较为合适。

2.2 射孔工艺参数优化

为有利于压裂缝穿透煤层顶板并延伸至目的煤层，采用垂直向下的定向射孔方式、并配合超深穿透复合射孔工艺[17]。垂直向下射孔有利于诱导裂缝纵向上向煤层延伸，确保压开煤层，提高压裂施工的成功率和压裂效果。

应用压裂软件模拟不同射孔簇数（3、4、6、8簇）对有效裂缝面积（裂缝总面积）及其比例（扩展进煤层的裂缝面积与总裂缝面积之比）的影响。

由图4、图5可以看出，裂缝簇数对总有效面积影响较小，对有效面积比例影响较为明显。随着裂缝簇数增多（从3簇增加到8簇），有效裂缝面积比例呈逐渐减小趋势，射孔簇数越小，沟通煤层效果越好。此外由于煤层压裂活性水造缝性能差，煤层层理、裂缝发育致使液体效率低，若采用密切割多簇射孔（6～8簇/段），在一定的排量下，压裂液流量被多条裂缝拥有，各条裂缝缝长将变得更短，缝宽将更窄，会导致加砂难度大，沟通煤层效果差。所以保证顶板压裂每段主裂缝的长度和宽度，并有效沟通煤层，宜采用少簇（2～4簇/段）射孔分段压裂，每簇射孔长度1.0～1.5 m，孔密10 m/孔，具体射孔参数如表1所示。

图4 不同射孔簇时的裂缝形态展示图

图5 不同射孔簇数时煤层裂缝总有效面积和有效面积比例图

表1 煤层顶板压裂射孔参数一览表

2.3 压裂施工参数优化

2.3.1 排量优化

顶板压裂沟通煤层的效果与施工排量密切相关，排量的大小在一定程度上可以反映净压力的大小[18]。通过压裂软件模拟可知（图6），随着排量的增加，缝高增大，且顶界变浅、底界变深，当水平井与煤层的距离为3 m时，施工排量越小，裂缝压开煤层的程度越小，当排量为10.0 m3/min时，缝高贯穿整个煤厚，当施工排量小于 6.0 m3/min时，顶板压裂裂缝几乎不能沟通煤层。排量可以促使裂缝垂向向下扩展，当最小主应力差相差不大时或煤层塑性较大时，可以通过加大排量促使裂缝扩展，表明必须较高的施工排量能使一定范围内的顶板水平井取得较好的压裂效果。综合可得最佳施工排量10～ 12 m3/min。

图6 三簇裂缝下不同施工排量时的裂缝形态图

2.3.2 施工规模优化

利用压裂软件模拟优化施工规模。压裂施工选取3种不同规模的施工用量，输入相关地层参数，裂缝模拟结果如表2所示。

表2 不同压裂规模下裂缝模拟结果统计表

从表2可以看到，当压裂规模达到一定规模时，随着规模的增加，半缝长和在煤层内的裂缝体积的增加趋势逐步减缓。综合考虑，压裂施工规模采用方案3：液量 1 000 m3+支撑剂70 m3。

2.3.3 施工砂比优化

应用压裂软件模拟分析不同加砂浓度（10%、15%、20%、25%）对顶板压裂效果的影响（图7）。由图7可以看出，加砂浓度超过20%后，由于加砂浓度较高，靠近水平井井筒区域支撑剂浓度接近100%，远离水平井井筒区域支撑剂浓度远低于50%，造成支撑剂极不均匀分布，近井地带出现高浓度支撑剂分布，容易造成砂堵，导致裂缝渗透率降低，影响裂缝导流能力，从而影响增产效果。此外，由于煤层的高滤失性，压裂液易于滤失入煤层，失去了压裂液的携带作用，支撑剂容易在裂缝端部积聚，造成“端部脱砂”效应[19-20]，受到重力作用，密度较大的石英砂支撑剂容易沉积在裂缝底部。综上所述，支撑剂的砂比推荐为10%～15%。

图7 不同加砂砂比时的裂缝形态图

LG-X-H井位于安徽省淮北芦岭煤矿区，完钻井深1 558 m，水平段长676 m。压裂改造目的层为上石盒子组的8煤，埋深723.92～737.33 m。8号煤层为特厚煤层，全区可采，平均厚度8.96 m。

该井共分9段进行射孔及压裂，采用泵送桥塞—射孔联作方式进行分段压裂工艺技术；
射孔弹采用102深穿透弹，垂直向下定向射孔，孔密10孔/m，每段射孔1～3簇，射孔总长度3.0 m/段，一般施工排量10～12 m3/min，压裂施工共注入活性水18 502.6 m3，共加入石英砂723.6 m3，平均单段加砂量80.3 m3，平均砂比达到13.5%。

该井整个压裂施工过程中来看，第1段、第2段的水平井轨迹距离煤层较远（3～6 m），施工压力较高，加砂困难，排量提升慢，砂比低，此2段都进行了3次压裂施工，期间出现5次砂堵（图8-a），施工砂比一般在7%～10%，施工泵压34.4～38.1 MPa，沟通煤层效果较差。第3段至第9段井眼轨迹距离煤层较近（1～3 m）施工较为顺利，细砂（40/70目石英砂）砂比3%～14%，中砂（20/40目石英砂）砂比8%～18%，单段加砂量在75～85 m3，单段液量在1 000～1 100 m3一般施工压力在19.2～33.1 MPa（图8-b），沟通煤层效果较好。表明了水平井眼轨迹与煤层顶面的距离是压裂成功的关键。

图8 LG-X-H井压裂施工曲线图

淮北矿区LG-X-H井在正式排采半年后最高产气量达到4 200 m3/d，井口套压0.35 MPa；
目前稳产2 000 m3/d左右，井口套压0.19 MPa，而且产气量稳定，已经连续产气518 d，截至2021年7月，已累计产气量达到100 104m3/d，压后效果显著。

1）煤层顶板水平井穿层压裂技术可以避免水平井钻进时煤层易垮塌的问题，可以产生较长且与煤层沟通良好的压裂裂缝，具有降低入井液对煤层的伤害、提高排采效果的优势。

2）在淮北矿区LG-X-H井进行现场应用中，取得了好的效果。水平井眼轨迹控制在距离煤层顶面1～3 m最为合适；
最佳射孔方式是定向垂直向下射孔，2～4簇/段，每簇射孔长度1.0～1.5 m；
最佳压裂施工排量10～12 m3/min，单段注入液量1 000 m3、加砂量70 m3，加砂平均砂比10%～15%。

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