煤层顶板水平井组饱和体积压裂技术及在淮南矿区的应用

《Energies》：Saturated Volume Fracturing Technology for Horizontal Well Groups in Coal Seam Roof and Application in the Huainan Mining Area

　　

淮南矿区发育广泛、破碎-松软且低渗透的煤层，具有低孔隙度和低渗透率、复杂地质构造以及煤层气（CBM）排水困难等特点。煤层顶板分段压裂水平井已成为区域瓦斯治理的关键方法。为了进一步提升体积压裂增产效果和单井产气量，本研究以淮南矿区8号煤层顶板水平井组为研究对象。提出了一种以高泵注排量（18–20 m³/min）和高支撑剂体积（>250 m³/段）为核心的煤层顶板水平井饱和体积压裂技术。研究人员调查了该技术的裂缝扩展机理和压裂参数优化，并进行了工程应用以验证其增产效果。提高压裂泵注排量改善了压裂液的携砂能力，成功实现了高排量、大体积支撑剂铺置。优化射孔参数——每簇每米12孔、簇间距15–25 m——利用高射孔摩阻和中等应力干扰促进段内多条裂缝均匀起裂和扩展。优化的“饱和”注入模式，单段液量超过2400 m³、单段支撑剂量超过250 m³、最大砂比超过20%，结合多粒径支撑剂组合，实现了主裂缝和分支裂缝的完全支撑。微地震监测显示，水力裂缝延伸长度比常规井增加约50%，显著扩大储层改造体积（SRV）。饱和压裂实现了2000至3000 m³/d的稳定产气量，平均增产速率为21.47–26.40 m³/d（是常规井5.34 m³/d的5倍），稳产时间从36天显著延长至超过150天。本研究所提出的饱和体积压裂技术为类似地质条件下的高效煤层气开采和地面瓦斯治理提供了重要参考。

**研究背景与问题：**
淮南矿区作为中国重要煤炭基地，煤层普遍具有低孔隙度、低渗透率、高应力和构造复杂等特征，随着开采深度增加（部分达1000 m），瓦斯压力与含量持续上升，单纯依靠井下传统防突措施难以满足安全要求。现有地面水平井分段压裂技术虽已应用于煤层气（CBM）开发，但在高应力、低渗透条件下，常规压裂形成的简单双翼裂缝导流能力有限，且分支裂缝在停泵后易闭合，导致储层改造体积（SRV）不足和单井产气量偏低。因此，亟需发展一种能显著扩大裂缝网络规模并实现长期有效支撑的新型体积压裂技术。

**研究内容与结论：**
研究人员以淮南矿区潘三矿8号煤层顶板水平井组为对象，提出了以高泵注排量（18–20 m³/min）和高支撑剂体积（>250 m³/段）为核心的“饱和体积压裂”技术。通过数值模拟和现场试验，优化了射孔参数（每簇12孔/米、簇间距15–25 m）、泵注排量及处理规模（单段液量>2400 m³、最大砂比>20%），并结合多粒径石英砂（70/100至16/20目）实现裂缝网络的全尺度饱和铺置。现场10口水平井的工程应用表明，微地震监测显示裂缝长度较常规井增加约50%，SRV显著扩大；饱和压裂井（PS-8-8、PS-8-10）稳定产气量达2000–3000 m³/d，平均增产速率为21.47–26.40 m³/d，是常规井（PX1-2，5.34 m³/d）的5倍，稳产期从36天延长至超150天。该技术为类似地质条件下高效CBM开采与区域瓦斯治理提供了重要参考，论文发表在《Energies》。

**主要关键技术方法：**
研究人员采用ABAQUS有限元软件（版本2018）构建内聚力模型（CZM）模拟局部地应力作用下裂缝起裂与扩展，结合Meyer商业压裂模拟器优化宏观泵注参数（排量、规模）。现场施工采用地表三分量（3C）检波器阵列（24站固定部署或12站分段平移）进行实时微地震监测，结合三维分层速度模型与双阶段网格搜索算法定位裂缝事件，以最大水平与垂直包络定义裂缝长度与高度。样本队列来源于淮南矿区潘三矿8号煤层顶板，共部署3个井场10口水平井。

**研究结果：**
**4.3.1 射孔数优化：**
通过数值模拟比较每簇12、16、20孔时的裂缝形态，发现12孔/簇时射孔摩阻最大，利用限流压裂效应使三段裂缝均匀起裂，长度分别为36.29 m、21.53 m和36.29 m；孔数增多则中间裂缝被抑制，因此确定每簇12孔/米为最优。
**4.3.2 簇间距优化：**
模拟簇间距10、20、30、40 m时的裂缝扩展，10 m时中间裂缝严重受侧向应力干扰仅扩展3.31 m；20 m时三段裂缝长度分别为36.29 m、21.53 m和36.29 m，均衡性最佳，因此最优簇间距为15–25 m。
**4.3.3 泵注排量优化：**
模拟排量16、18、20、22、24 m³/min时的裂缝形态，发现排量增大可增加裂缝长度和高度，但受地面设备限制，最优排量为18–20 m³/min，若压力允许可进一步增大。
**4.3.4 处理规模优化：**
模拟单段液量1500、2000、2500、3000 m³时的裂缝尺寸，2500–3000 m³时裂缝半长可达90–110 m，满足设计要求，并基于“液量优化（防止垂直高度失控）和支撑剂量最大化（实现饱和铺置）”原则确定该区间为最优。
**5.3 微地震监测与裂缝几何：**
对饱和压裂井（PS-8-8、PS-8-10）与常规井（PX1-2）的代表性压裂段进行对比，饱和压裂井裂缝长度为382–418 m，较常规井（228.7–268.4 m）增加约50%；裂缝高度均控制在25–38 m，未发生纵向失控，表明裂缝主要在煤层及邻近层位扩展。
**5.4 产气性能对比：**
PS-8-8井累计产气180天，以22.32 kPa/d的井底流压降速排采，最大日产气量3037.1 m³/d，平均增产速率26.40 m³/d，剩余地层能量1.92 MPa；PS-8-10井最大日产气量1932.7 m³/d，平均增产速率21.47 m³/d，剩余井底流压1.34 MPa。常规井PX1-2增产速率仅5.34 m³/d，峰值产气1522.81 m³/d后仅稳定36天即快速下降至约550 m³/d。双样本t检验显示增产速率差异具有高度统计学显著性（t = 6.01，p < 0.01）。

**讨论与结论：**
讨论部分指出，饱和体积压裂技术在中深煤层中的适用条件包括：低渗透率（避免滤失导致无效液量）、小水平主应力差（利于形成复杂缝网）、煤岩与顶底板力学性质差异大（限制裂缝垂向延伸）以及中等脆性（避免塑性变形或过度脆性导致简单裂缝）。未来研究方向包括：①基于测井、地震反演与地应力场模拟的“甜点”精细表征与适应性评价体系；②开发低损伤、高携砂能力的压裂液体系（如低浓度瓜尔胶或滑溜水），并集成暂堵转向技术；③利用微地震监测、示踪剂产出剖面与生产动态反演裂缝网络结构，建立耦合裂缝-渗流模型，并结合机器学习优化排采制度。
研究结论翻译如下：
(1) 最优射孔密度为每簇每米12孔，簇间距15–25 m，通过限流效应与中等应力干扰促进多裂缝均匀扩展。
(2) 饱和压裂（单段液量>2400 m³、支撑剂>250 m³、最大砂比>20%）使裂缝半长较常规压裂增加约50%，显著扩大SRV。
(3) 现场井PS-8-8和PS-8-10分别实现约3000 m³/d和2000 m³/d的稳定产气量，增产速率为常规井PX1-2（仅550 m³/d）的5倍。
(4) 该技术适用条件为低渗透率、低水平应力差、强顶底板力学性质对比及中等脆性。
(5) 未来工作需整合甜点表征、低损伤压裂液及基于人工智能的排采优化。