吉县区块煤层气U形水平井水力压裂裂缝形态监测与模拟实验

修乃岭，严玉忠，付海峰，窦晶晶，黄高传，梁天成，骆禹

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中国石油集团油气藏改造重点实验室，河北廊坊065007）



吉县区块煤层气U形水平井水力压裂裂缝形态监测与模拟实验

修乃岭1，2，严玉忠1，2，付海峰1，2，窦晶晶1，2，黄高传1，2，梁天成1，2，骆禹2

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中国石油集团油气藏改造重点实验室，河北廊坊065007）

摘要：为准确获得吉UX井开采层位水力压裂裂缝的形态及方位，利用地面测斜仪水力压裂裂缝监测技术，对吉UX 井9段开采层位进行水力压裂裂缝监测，获得了水力压裂裂缝的形态；利用真三轴水力压裂模拟系统，模拟吉县区块地应力状态，对煤岩进行了水力压裂模拟。监测和实验结果都表明，裂缝扩展以水平缝为主，用水平井在一个小层内压裂，纵向上难以有效沟通多个小层。据此认为，吉县区块采用水平井压裂沟通多个小层的开采方式，具有极大的投资风险。

关键词：鄂尔多斯盆地；吉县区块；煤层气；U形井；裂缝监测；水力压裂模拟

水力压裂是煤层气开采常用的增产技术，也是煤层气井的主要增产措施[1-8]，为增加煤层的采气面积、提高煤层气井采收率，U形井在煤层气开采中得到了应用[9-13]。与直井相比，U形井能很好地与煤层连通，扩大井筒与煤层的接触面积，增加煤层气的渗流通道[14-15]；如果在水平井的基础上，再进行水力压裂，则可在更大程度上改善煤层气的渗透条件，使煤层形成更完善的割理和裂隙网络系统[16]，从而有效扩大煤层压降漏斗范围，提高煤层气单井产量。

吉UX井是鄂尔多斯盆地吉县区块内的一口U形水平井，目的层为下二叠统山西组5号煤层（由2～3个小层组成）。吉UX井采用水平井水力压裂技术，以期达到“一井控多层、一缝串多层”的压裂效果。对于含多个小层的煤层，裂缝能否穿透隔层，有效沟通多个小层，形成有一定导流能力的裂缝，是水平井水力压裂开采方式成功的关键。本文采用地面测斜仪对吉UX井开采层位共9段压裂裂缝进行了现场监测，并在模拟吉UX井地应力条件下，利用真三轴水力压裂大型物理模拟系统，开展了煤岩中水力压裂裂缝扩展形态模拟；通过现场监测和室内压裂模拟，获得了吉UX井地应力条件下水力压裂裂缝形态和扩展规律，为评价“一井控多层、一缝串多层”的技术构想在吉县区块适应性提供了依据。

1　吉UX井基本情况

吉UX井位于鄂尔多斯盆地东部晋西挠褶带南段吉县区块，由一口水平井（吉UX-H井）和一口直井（吉UX-V井）组成（图1）。吉UX-H井水平段穿越山西组5号煤层，考虑到煤层较软，易垮塌，主要在5号煤层中的夹矸中钻进；直井吉UX-V井在5号煤层采用洞穴完井，以实现与吉UX-H井对接。吉UX井目的层下二叠统山西组5号煤层煤岩类型以光亮煤为主，半亮煤居中，暗淡煤次之。光亮煤以宽条带结构为主，纵向与半亮煤和暗淡煤呈层状过渡，部分为无泥岩夹矸的简单结构，其余为含夹矸的复杂煤体，泥岩夹矸层厚0.1～1.0 m，煤层的裂隙和割理普遍发育，中—低孔隙，渗透率变化大。吉UX井目的层地层压力梯度0.90 MPa/hm，最小水平主应力梯度1.41 MPa/hm，破裂压力梯度1.70 MPa/hm．

图1　吉UX井井身结构示意

2　压裂工艺及施工参数

山西组5号煤层厚1～4 m，由2～3个小层构成，预设通过水平井形成横切裂缝，垂向沟通小层来提高压裂后效果（图2）。分9段光套管压裂，采用可钻式桥塞分段、分簇射孔的大规模改造工艺。表1是吉UX井第1段—第9段分簇射孔数据，表2是第1段—第9段压裂施工数据。

图2　吉UX井压裂构想示意

3　水力压裂裂缝监测

3.1地面测斜仪布置

为了获得吉UX井水力压裂裂缝形态，采用地面测斜仪水力压裂裂缝监测技术，对吉UX井开采层位共9段水力压裂裂缝进行了监测。测斜仪监测点布置在吉UX井周围1 500～2 500 m.根据压裂作业的参数设计相应的监测井眼数量，吉UX井周围共布置33个监测点（图3），监测点位置都是通过卫星导航定位现场确定的。

表1　吉UX井第1段—第9段射孔数据

表2　吉UX井第1段—第9段压裂施工数据

图3　吉UX井地面监测点分布

3.2水力压裂裂缝监测结果

对吉UX井9段水力压裂裂缝进行了地面测斜仪监测，得到了压裂施工过程中水力压裂裂缝扩展而引起的地面位移场的形态和位移量（图4）。图4清晰地反映了吉UX井第1段水力压裂裂缝引起的地面位移场的形态、位置、范围等，开采层位第1段地面位移场为以水平压裂裂缝为主体的单峰隆起，与常规砂岩形成较为简单的垂直裂缝的位移场（图5）比较，砂岩产生垂直裂缝时，其位移场是岩缝长方向对称的双隆起，二者的区别显而易见。第5段—第7段因受夹矸层的影响，裂缝形态较为复杂，水平分量和垂直分量均有一定比例，呈水平缝与斜交缝交互，裂缝延展呈“T”型。

图4　吉UX井第1段裂缝地面位移场

图5　砂岩地层单一垂直裂缝的地面位移场

上述测斜仪监测所获得的变形矢量场（图6）给出了不同位置的变形方位和大小，应用测斜仪裂缝解释技术，基于误差最小化的模式对倾斜量进行反演拟合，理论变形场与监测变形场获得最佳拟合后，即获得实际的裂缝信息（表3）。

从监测结果看，吉UX井水力压裂裂缝以水平缝或“T”形缝特征为主，裂缝复杂，尤其是第5段—第7段，第5段水平裂缝体积比例50%，第6段水平裂缝体积比例49%，第7段水平裂缝体积比例38%，水平分量和低倾角分量的体积比例接近，裂缝形态呈“T”型。

图6　吉UX井第一压裂段地面变形矢量拟合

表3　吉UX井分段压裂裂缝监测结果

图7　煤岩水力压裂模拟实验泵注曲线

4　实验研究

为了进一步研究吉县区块煤层气井水力压裂裂缝形态，笔者采用大尺寸真三轴实验系统，对通过地面矿井取得的大块煤样，进行压裂物理模拟实验。将岩样加工成760 mm×760 mm×940 mm的立方体，中间钻取井眼。实验中模拟了吉UX井应力条件，垂向应力19 MPa，水平最大主应力17 MPa，水平最小主应力15 MPa，为了便于观察，在注入液体中添加了绿色荧光剂，以模拟吉UX井压裂注入过程（图7）。泵注结束后剖开岩心在荧光灯下观察发现，形成了4条平行水平裂缝，并且每条水平缝进液情况比较均衡，纵向上沟通较少（图8），垂直应力与水平应力接近，且样品水平层理发育是造成多条水平缝延伸的主要原因。实验结果与吉UX井地面测斜仪监测的以水平缝为主、水平分量比例高达80%～100%的结果是一致的。现场监测得到的裂缝以水平缝或“T”形缝为主，原因可能是裂缝在小层内无法在纵向上穿透隔层，限制了缝高的延伸，这与实验中观察到的裂缝扩展到水泥包裹层后，没有穿过包裹层现象一致。

图8　吉UX井开采层位共9段水力压裂裂缝形态示意

裂缝监测和真三轴水力压裂模拟表明，吉UX井裂缝以水平缝为主，没能通过压裂形成与水平井横切的垂直缝，实现纵向上的沟通，“一井控多层，一缝串多层”的压裂构想在该井没能实现。

5　结果分析

利用地面测斜仪裂缝监测技术对吉UX井开采层位共9段水力压裂裂缝进行了监测，监测结果表明，裂缝以水平缝或“T”形缝为主，裂缝形态复杂，尤其是第5段—第7段，水平分量和低倾角分量均有一定的比例，且水平分量体积与分量体积比例接近，水平分量体积比例为38%～50%，低倾角裂缝倾角为27°～ 38°.水平方向改造范围较大，从侧面也说明裂缝纵向延伸不足。真三轴水力压裂模拟实验进一步证实水力压裂裂缝以水平扩展为主，这与现场监测结果一致。造成裂缝水平延伸的原因有多种：①目的层水平层理发育，裂缝容易沿着层理延伸；②目的层由2～3个小层构成，小层中间有隔层，隔层与煤层胶结强度低，界面上摩擦因数小，且隔层与煤层物性差异大，导致裂缝扩展到隔层后，在界面处转向[17]，不能穿过界面进入隔层扩展；③应力状态也是影响裂缝扩展的重要因素[17-18]，5号煤层垂直应力与水平主应力相差不大，裂缝扩展到界面时，容易在界面上产生横向滑移，难以穿透隔层。

6　结论

（1）地面测斜仪水力压裂裂缝监测结果表明，吉UX井开采层位共9段水力压裂裂缝中的第6段裂缝为水平缝，水平分量体积占总体积的81%～100%，第5段—第7段由于受夹矸影响，压裂裂缝为“T”形缝。

（2）真三轴水力压裂实验结果表明，在模拟吉UX井地应力条件下，压裂裂缝以多条平行发育的水平缝为主，纵向沟通较少。实验结果与吉UX井地面测斜仪监测得到的裂缝均以水平缝为主，水平分量比例高达81%～100%，表明在吉UX井地应力条件下，水平层理及隔层对垂直缝的延伸限制作用明显。

（3）监测结果和实验结果都表明，吉UX井通过压裂形成垂直缝沟通多个小层的技术构想没能实现。建议该区域先采用直井多层的方式进行压裂，同时采用不同监测方法，并结合真三轴水力压裂物理模拟，对水力压裂裂缝形态、裂缝垂向扩展范围进行监测和实验，进一步确定水平层理、隔层和应力状态对水力压裂裂缝扩展的影响，为通过U形井多段改造沟通多个小层的改造方式在该区块的可行性提供支持。

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（编辑叶良）

HydraulicFractureMonitoringand PhysicalSimulationExperiment for U⁃Shaped Horizontal WellwithCoalbed Methane(CBM)inJixianBlock

XIU Nailing1,2,YAN Yuzhong1,2,FU Haifeng1,2,DOU Jingjing1,2,HUANG Gaochuan1,2,LIANG Tiancheng1,2,LUO Yu2
(LangfangBranch,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Langfang,Hebei 065007,China; 2.Key Laboratory of Reservoir Stimulation,CNPC,Langfang,Hebei 065007,China)

Abstract:Accurate understanding of the hydraulic fracture morphology and orientation can be of significance for horizontal well deploy⁃ment and fracturing design optimization.Nine sections of hydraulic fractures are monitored using tiltmeter,and the morphologies of them are obtained,followed by physical simulating in⁃situ stress state in this block and hydraulic fractures in CBM using true triaxial hydraulic fracturing simulation system.Monitoring and the experimental results show that the fracture propagation is dominated by horizontal frac⁃ture.To make hydraulic fracturing within one of the layers by horizontal well process is hard to shape effective connection of the multiple layers in longitudinal direction.It is concluded that such a process of horizontal well plus hydraulic fracturing to connect multiple layers in Jixian block has agreat risk of investment.

Keywords:Ordos basin;Jixian block；coalbed methane；U⁃shaped well；hydraulic fracture monitoring；fracturingsimulation

作者简介：修乃岭（1981-），男，河北邢台人，工程师，硕士，流体力学，（Tel）010-69213489（E-mail）xiunailing@163.com

基金项目：国家油气重大专项（2011ZX05037）

收稿日期：2015-08-18

修订日期：2015-11-19

文章编号：1001-3873（2016）02-0213-05

DOI：10.7657/XJPG20160216

中图分类号：TE357.1

文献标识码：A