＊尹曉敏

（新疆科林思德新能源有限責(zé)任公司 新疆 831500）

我國(guó)2000m以淺的煤層氣儲(chǔ)量豐富，約為30.05×1012m3，居世界第三位[1]。新疆煤層氣資源量7.51×1012m3，約占全國(guó)煤層氣資源量的1/4，其中目前開(kāi)發(fā)最成熟的是四工河塊區(qū)。煤層氣主要分布在煤層的割理和裂縫中，但我國(guó)煤層構(gòu)造條件復(fù)雜，滲透率總體偏低[2]。煤層氣井水力壓裂可在地層中打造一條高導(dǎo)流能力的通道或者一個(gè)具有高速導(dǎo)流能力的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而有利于煤層氣從地層流向井底，以達(dá)到好的增產(chǎn)效果。因此，裂縫的導(dǎo)流能力是進(jìn)行壓裂施工過(guò)程中需要關(guān)心的一個(gè)重要指標(biāo)。

根據(jù)大量的資料收集及分析，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的研究主要集中在各種致密巖及致密氣儲(chǔ)層，而煤層氣儲(chǔ)層壓裂支撐劑導(dǎo)流能力的研究相對(duì)較少。溫慶志等[3]進(jìn)行低滲透油藏支撐裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究不同閉合壓力、支撐劑嵌入與否、不同濃度和用量的壓裂液對(duì)支撐劑充填裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度；紀(jì)國(guó)法等[4]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)，闡述了頁(yè)巖氣體積壓裂支撐劑支撐裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力研究的重要性；Fan等[5]研究在不同溫度和應(yīng)力條件下，頁(yè)巖隨時(shí)間變化的變形對(duì)支撐劑嵌入和壓裂導(dǎo)流損失的影響；吳百烈等[6]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了儲(chǔ)層黏土礦物含量、不同粒徑支撐劑組合方式和破膠液黏度對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力的影響；孟磊等[7]通過(guò)對(duì)采用裂縫導(dǎo)流儀對(duì)石英砂和陶粒支撐劑的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合數(shù)值模擬開(kāi)展導(dǎo)流能力與采收率相關(guān)性的研究，從而優(yōu)化支撐劑類型；時(shí)賢等[8]開(kāi)展致密白云巖儲(chǔ)層加砂壓裂裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，分析不同因素對(duì)加砂壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響。

雖然目前國(guó)內(nèi)煤層氣藏壓裂支撐劑導(dǎo)流能力的研究在支撐劑類型、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、鋪砂方式、支撐劑嵌入及煤粉等方面都有所涉及，但往往考慮因素較為單一，本文則針對(duì)支撐劑類型、支撐劑粒徑、鋪砂濃度、鋪砂方式四個(gè)方面對(duì)煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力進(jìn)行了較為全面的研究實(shí)驗(yàn)。

1.區(qū)域地質(zhì)概況

阜康礦區(qū)位于新疆烏魯木齊市東北60km的阜康市南部，面積為307.92km2，煤炭資源儲(chǔ)量為84×108t。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，礦區(qū)被劃分為西部、中部和東部三個(gè)區(qū)域，其中西部主要煤層自上而下為侏羅系西山窯組和八道灣組，兩組含煤地層被“V”形火燒區(qū)帶分割。目前，阜康礦區(qū)主要開(kāi)采八道灣組煤層氣的A2、A3、A4和A5煤層，其中A2和A5煤層是研究區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的主力煤層。這些煤層的埋深一般在200～1400m之間，厚度在4.5～40.3m之間，含氣量在2～13.5m3/t之間[9]。

2.實(shí)驗(yàn)及分析

(1)支撐劑類型對(duì)導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)選取了粒徑為10/20目的陶粒（林海）、樹(shù)脂砂、石英砂三種不同種類的支撐劑，在不使用壓裂液、不使用巖心條件下，將鋪砂濃度為10kg/m2時(shí)的導(dǎo)流能力進(jìn)行對(duì)比，考慮到石英砂為低強(qiáng)度支撐劑，閉合壓力只加到50MPa，得到了如下實(shí)驗(yàn)曲線（圖1）。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，陶粒支撐劑的導(dǎo)流能力明顯優(yōu)于樹(shù)脂砂和石英砂支撐劑（圖1）。閉合壓力達(dá)到50MPa時(shí)，陶粒支撐劑導(dǎo)流能力為35.74μm2·cm，仍然大于25MPa時(shí)其它類型的支撐劑，由此可見(jiàn)，在閉合壓力較大時(shí)使用陶粒支撐劑壓裂效果較好。

圖1 不同類型支撐劑導(dǎo)流能力對(duì)比圖

(2)支撐劑粒徑對(duì)導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)

為了克服單一大粒徑支撐劑在煤層氣井壓裂中加砂困難和壓裂失敗的問(wèn)題，以及單一小粒徑支撐劑無(wú)法提供足夠裂縫導(dǎo)流能力的缺點(diǎn)，可以采用支撐劑粒徑組合的方法。這種方法利用小粒徑支撐劑位于縫端位置，起到防砂和支撐微裂縫的作用；中等粒徑支撐劑位于裂縫中部，起到支撐裂縫的作用；大粒徑支撐劑位于縫口，提高裂縫周圍的導(dǎo)流能力，并減少支撐劑回流。通過(guò)這種支撐劑粒徑組合，可以獲得較高的導(dǎo)流能力[10]（圖2）。分別設(shè)置了18組試驗(yàn)，對(duì)不同支撐劑粒徑及不同粒徑組合的導(dǎo)流能力進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)用鋼板夾持支撐劑進(jìn)行，鋪砂濃度10kg/m2，所采用的支撐劑是石英砂（表1），20/40目、16/30目和40/70目石英砂支撐劑在導(dǎo)流室內(nèi)鋪置如圖3所示。

表1 支撐劑粒徑和組合導(dǎo)流能力試驗(yàn)方案

圖2 不同粒徑支撐劑組合鋪置

圖3 導(dǎo)流室內(nèi)不同粒徑支撐劑組合鋪置

當(dāng)閉合壓力在15MPa以內(nèi)時(shí)，不同單一粒徑石英砂的導(dǎo)流能力相比，16/30目的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)高于20/40目和40/70目的導(dǎo)流能力，對(duì)于組合粒徑支撐劑，大粒徑支撐劑越多，其導(dǎo)流能力越大。而當(dāng)閉合壓力高于15MPa時(shí)，16/30目和20/40目各比例組合導(dǎo)流能力相差不大，含40/70目支撐劑組合的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于大粒徑的20/40目或16/30目（圖4）。

圖4 單一粒徑支撐劑導(dǎo)流能力對(duì)比圖（A）；不同粒徑支撐劑和粒徑組合導(dǎo)流能力綜合對(duì)比圖（B）

圖5 石英砂10/20目不同鋪砂濃度導(dǎo)流能力對(duì)比圖（A）；剛玉20/40目不同鋪砂濃度導(dǎo)流能力對(duì)比圖（B）；Carb20/40目不同鋪砂濃度導(dǎo)流能力對(duì)比圖（C）；林海10/20:剛玉20/40=1:1不同鋪砂濃度導(dǎo)流能力對(duì)比圖（D）；剛玉20/40:林海30/60=1:1不同鋪砂濃度導(dǎo)流能力對(duì)比圖（E）

(3)鋪砂濃度對(duì)導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)選取了石英砂、中等強(qiáng)度陶粒、高強(qiáng)度陶粒及幾種支撐劑組合進(jìn)行分析（表2），設(shè)置了10kg/m2、7kg/m2和5kg/m2三種鋪砂濃度，實(shí)驗(yàn)不使用壓裂液，不使用巖心。

表2 支撐劑對(duì)導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)方案

不論哪種類型的支撐劑或哪種形式的支撐劑組合，鋪砂濃度與導(dǎo)流能力成正相關(guān)性，閉合壓力越大，這種現(xiàn)象越明顯。對(duì)于石英砂支撐劑，閉合壓力超過(guò)35MPa以后，中高強(qiáng)度陶粒支撐劑超過(guò)60MPa后，鋪砂濃度為10kg/m2的導(dǎo)流能力是5kg/m2時(shí)的2～3倍（圖6）。較大的鋪砂濃度可以增加支撐劑填充層的有效縫寬，可以獲得較大的導(dǎo)流能力。因此，在閉合壓力較高的地層，壓裂施工時(shí)應(yīng)盡量采用大鋪砂濃度。

圖6 鋪砂方式對(duì)導(dǎo)流能力的影響的方式

(4)鋪砂方式對(duì)導(dǎo)流能力的影響實(shí)驗(yàn)

壓裂施工過(guò)程中，由于壓裂液破膠時(shí)間的差異，不同粒徑的支撐劑在地層裂縫中可能產(chǎn)生許多種鋪砂方式。該實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試不同鋪砂方式對(duì)導(dǎo)流能力的影響，選擇三種不同粒徑的支撐劑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中選擇了可能出現(xiàn)的四種方式，分別是分段、分層、沉降和混合鋪砂，鋪砂濃度為10kg/m2。這四種鋪砂方式的示意圖如圖7，圖中的“圓圈”代表不同粒徑的支撐劑，箭頭方向?yàn)榱芽p中地層流體的流動(dòng)方向。以林海10～20目，剛玉20～40目和林海30～60目支撐劑為考察對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。在閉合壓力較低時(shí)，采用沉降方式鋪砂得到的導(dǎo)流能力要大一些，分段和混合方式得到的導(dǎo)流能力略小，分層鋪放支撐劑時(shí)導(dǎo)流能力最??；當(dāng)閉合壓力增加到60MPa以后，沉降方式鋪砂得到的導(dǎo)流能力降低最快，導(dǎo)流能力最小，分層和混合方式得到的導(dǎo)流能力最大，分段方式得到的導(dǎo)流能力居中。

圖7 不同鋪砂方式時(shí)支撐劑組合導(dǎo)流能力對(duì)比圖

3.結(jié)論

（1）閉合壓力低于50MPa時(shí)，陶粒支撐劑的壓裂效果遠(yuǎn)大于石英砂和樹(shù)脂砂；（2）閉合壓力低于15MPa時(shí)，對(duì)于單一粒徑，粒徑越大，導(dǎo)流能力越好；對(duì)于組合粒徑，大粒徑支撐劑所占比例越大，其導(dǎo)流能力也越大。當(dāng)閉合壓力高于15MPa時(shí)，16/30目和20/40目各比例組合導(dǎo)流能力相差不大；（3）不論哪種類型的支撐劑或哪種形式的支撐劑組合，鋪砂濃度越大得到的導(dǎo)流能力就越大，閉合壓力越大，這種現(xiàn)象越明顯；（4）沉降的鋪砂方式能夠在60MPa閉合壓力以內(nèi)的階段，提供穩(wěn)定且較高的導(dǎo)流能力，混合的鋪砂方式在15MPa閉合壓力內(nèi)能夠提供最高的導(dǎo)流能力，閉合壓力達(dá)到60MPa以后，分層和混合方式得到的導(dǎo)流能力最大。