﻿ 煤层气径向水平井压裂室内试验与产能数值分析

Laboratory Testing and Productivity Numerical Simulation for Fracturing CBM Radial Horizontal Wells
FU Xuan , LI Gensheng , HUANG Zhongwei, CHI Huanpeng, LU Peiqing
State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing), Beijing, 102249, China
Abstract: Fracturing to CBM (coalbed methane) radial wells is expected to be an effective means in China for hydraulic fracturing stimulation after one or multiple radial wells are drilled in the target coal seams. In order to understand the fracturing effect ont he coal seam, a physical simulation was carried out on the fracturing process of radial wells by using large-scale true tri-axial hydraulic fracturing test equipments, and consequently three fracture morphologies were obtained. The influential rules of borehole parameters on the fracture initiation and propagation were analyzed on the basis of the experiment results. In addition, a model for coal seams stimulated by the radial horizontal well fracturing was constructed by using numerical reservoir simulation software. The great potential of radial horizontal well fracturing in high-efficiency CBM exploitation was demonstrated by comparing the productivity in different well completion modes. It was proposed that a radial well fracturing network should be formed as one horizontal fracture and multiple vertical fractures. Finally, the specific engineering design suggestion was put forward, and provided a theoretical basis for the application of radial fracturing to the development of coalbed methane.
Key words: coalbed methane    radial horizontal well    hydraulic fracturing    laboratory test    productivity analysis

1 室内物理模拟试验 1.1 试样制作

1) 将煤样加工成长、宽、高均为200.0 mm的立方体；

2) 在顶端中心沿垂直于层理方向钻一个直径为20.0 mm的孔作为主井眼，在侧面中心位置钻穿2个或4个直径为6.0 mm的孔眼与主井眼相交；

3) 将模拟井筒放入主井眼内，使模拟井筒上的孔眼与侧钻的孔眼对齐，用植筋胶将模拟井筒封置主井眼内；

4) 侧钻孔眼内部预留长70.0 mm的空间模拟径向水平井，外部用植筋胶密封；

5) 将煤岩试样用混凝土(水泥与细河砂体积比为1∶1)制成长、宽、高均为300.0 mm的立方体标准试样。

 图1 Structural schematic of coal rock samples Fig.1 煤岩试样结构示意
1.2 试验设计

 图2 4块岩样的径向孔眼设计 Fig.2 Radial hole design for 4 rock samples

1.3 试验结果 1.3.1 裂缝形态

1) 垂直起裂+T形缝。4号试样在最大水平主应力方向设计了2条分支，受径向井引导和应力控制，沿这2个分支开启了一条垂直缝径直穿透整个煤块，在裂缝向上下扩展过程中遭遇了一条层理弱面之后形成了T形缝形态，没有形成裂缝网络；沿最小水平主应力的2个分支方向没有产生裂缝(如图3所示)。

 图3 号试样压裂结果 Fig.3 Fracturing result of No.4 sample

2) 水平起裂沟通远端天然裂缝。在压裂之前，

2号试样表面可以观察到较为清晰的天然裂缝(见图4(a))，压裂后这3条天然裂缝被径向水平井所在的水平裂缝沟通(见图4(b))，均未与主井眼相交，说明该试样是从径向井所在层理面起裂。

 图4 2号试样压裂前后对比 Fig.4 Comparison of No.2 sample before and after fracturing

3) 水平起裂+主井眼多点起裂。1号、3号试样的压裂结果如图6所示。从图6可以看出，1号、3号试样除径向水平井所在的层理面被开启之外，主井眼周围也产生多条垂直裂缝与主井眼相连，其中沿最大水平主应力方向有明显的垂直缝开启。

 图5 4块试样压裂曲线 Fig.5 Fracturing curves of 4 rock samples
 图6 1号、3号试样压裂结果 Fig.6 Fracturing results of No.1 and No.3 samples
1.3.2 孔眼参数影响

4块试样中有3块(1号、2号和3号试样)出现了沿径向井所在平面的水平缝起裂。分析其原因，一方面是因为在钻孔过程中，层理面作为煤岩的第一弱面容易遭到破坏形成微裂纹，压裂液易渗透进微裂纹并在尖端形成应力集中，试验中垂向应力虽然是最大主应力，但与水平应力的差别较小，因此当微裂纹尖端应力因子超过裂纹断裂韧性时容易发生失稳并沿层理面扩展；另一方面是因为井眼方位偏离最大水平主应力方向较远(45°和90°)，依据前人对定向射孔的研究结果[16]，当孔眼方位偏离最大水平主应力方向较大时，裂缝沿孔眼方位开启垂直缝的概率降低。而4号试样的压裂结果显示，当径向孔眼方位与最大水平主应力方向平行时，径向井压裂沿孔眼方位垂直起裂。以上结果说明，试验条件下，当径向井眼偏离最大水平主应力方向较远时容易发生水平起裂，而当径向井眼与最大水平主应力方向平行或接近时，容易发生沿井眼方向的垂直起裂。

2 产能数值模拟

 图7 不同完井方式下的数值模型 Fig.7 Numerical model for different completion modes

 参数 数值 参数 数值 裂缝孔隙度 0.01 地层压力/MPa 11.0 x方向渗透率/mD 0.60 朗缪尔压力/MPa 4.1 y方向渗透率/mD 0.60 朗缪尔体积/(m3·kg-1) 0.022 z方向渗透率/mD 0.02 扩散系数/(m2·d-1) 0.093 原始含水饱和度，% 100 解吸时间/d 10 水力裂缝渗透率/D 10.0 井底压力/MPa 2.8

 图8 不同完井方式下的总产气量对比 Fig.8 Comparison of total gas production in different completion modes

1) 完井方式1尽管采用了12个分支的径向井进行完井，但由于没有高导流裂缝的存在，其产能比压裂完井要低得多，说明高导流裂缝的存在对于产能有很大影响，仅靠径向水平井增加与储层的接触面积，单井产量无法得到有效增加；

2) 完井方式3和完井方式2的裂缝形态相同，一年总产气量有所上升，但幅度不大，仅为10.6%，其增加的部分主要来自于沿最小水平主应力方向的2个径向分支井眼，由于高导流裂缝对于产能的贡献要远大于径向井眼的贡献，因此完井方式3形成的裂缝形态对于煤层气的增产幅度有限；

3) 完井方式4的水平水力裂缝与径向水平井处于同一个平面，4个分支的井眼均参与了生产，2条水力裂缝同时还提高了主井筒周围较大范围的天然裂缝渗透率，总产气量相较于射孔压裂工艺提升幅度达88.9%，增产效果优于完井方式3。

3 工程设计建议

1) 筛选合适的地层。尽量选取地层倾角相对平坦、上覆岩层压力略高于或低于最大水平主应力的地层进行压裂施工，以确保能够以水平缝起裂。我国煤层气储层构造应力普遍较大[15, 19, 20]，逆断层结构普遍存在，地质条件有利于该工艺的实施。

2) 优选布孔方案。为尽量降低裂缝起裂与延伸压力，单层布孔方案应选择4分支90°相位布孔，孔眼与水平应力方向夹角为45°，该布孔方案可避免某一方位孔眼与最大水平主应力方向太接近而形成垂直起裂的情况

3) 根据煤层性质优选压裂方案。对于薄煤层，可采用单层布孔进行压裂；而对于厚煤层，则可以考虑布置多层径向水平井，配合封隔器进行多段压裂。

4 结 论

1) 试验条件下，径向水平井压裂在煤岩中形成了2种裂缝形态：一种是沿径向井眼方向垂直起裂，形成T形缝形态；另一种是沿层理水平起裂，形成“一平多纵”的缝网形态。

2) 沿层理水平起裂时，孔眼长度越长、分支井眼数越多，起裂压力和延伸压力越低。

3) 产能对比结果表明，径向水平井压裂可以有效提高单井产能，其中“一平多纵”的裂缝形态对产能提升幅度较大，应当作为径向井压裂的优化设计目标。

4) 选择地层倾角相对平坦且上覆岩层压力略高于或低于最大水平主应力的地层进行压裂施工，有利于形成“一平多纵”的缝网形态；单层建议以4分支90°相位布孔，孔眼与水平应力夹角为45°。

#### 文章信息

FU Xuan, LI Gensheng, HUANG Zhongwei, CHI Huanpeng, LU Peiqing

Laboratory Testing and Productivity Numerical Simulation for Fracturing CBM Radial Horizontal Wells

Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(02): 99-105.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201602017