煤层气是一种非常规天然气，开发煤层气对于利用洁净能源、防治煤矿瓦斯灾害、减少温室气体排放具有极为重要意义。自20世纪80年代美国率先实现煤层气商业化开发以来，我国先后开展了大量煤层气资源评价勘探、开发利用技术研究工作，制定了一系列推进煤层气产业化发展的政策措施，已经在山西沁水、河东等煤田建成了多个煤层气产业化开发利用基地[1-4]。尤其是晋城矿区煤层气地面抽采发展迅猛，建成了全国最大的煤矿区煤层气地面抽采示范基地，日产气量高达300万m3，近5年累计抽采量超过70亿m3。
但是，在煤层气可采性差的碎软低渗煤层的煤田或矿区，例如河南的焦作、平顶山，安徽的淮南、淮北，江西的丰城等矿区，煤层气井单井产气量低，一般日产气量垂直井300 m3、水平井1 000～2 000 m3，开发试验效果不好，技术上尚未取得实质性突破[5-6]。
为了破解碎软低渗煤层的煤层气地面开发技术难题，探索地面煤层气井高效抽采、瓦斯灾害防治新技术，淮北矿业集团与煤炭科学研究总院西安研究院合作，在国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”两个项目“煤层气与煤炭协调开发关键技术”和“两淮矿区煤层群开采条件下煤层气抽采示范工程”支持下，自2011年开始，开展了历时5年的攻关研究与现场工程试验，取得了很好产气效果，受到业界广泛关注。
1 碎软低渗煤层的煤层气地面井抽采面临的问题
1.1 碎软低渗煤层的宏观特征
所谓碎软煤层，就是通常说的松软煤层、构造煤，主要是由于煤层形成后，在地质构造演化过程中，遭受了强烈的构造挤压、褶皱变形和层间滑动揉皱等作用，煤层整体，或者其中的一个、多个分层破碎成碎片状、碎块状、碎粒状、粉末状、鳞片状，与此同时，原有的天然裂隙网络系统也被毁坏甚至消失，在淮北芦岭煤矿井下煤层剖面和煤层气井煤芯采取的碎软煤层样品如图1所示。这种碎软煤层，弹性模量小、泊松比大，在原地条件下受上覆地层压力和构造应力作用，被挤压密实，粒间孔隙闭合，因而渗透率很低，通常小于0.1×10-15 m2。
图1 淮北矿区芦岭煤矿8号煤层煤矿井下煤层煤样和钻井煤芯煤样
Fig.1 Coal samples of underground mine seam and coalbed methane well core from No.8 coal seam in Lulling Coal Mine of Huaibei mining area
1.2 煤层气地面井抽采面临的问题
(1)煤层气井的水力压裂强化增产问题。目前，煤层气井，无论是垂直井、丛式井，还是水平井，都是直接在煤层中进行水力压裂。按照水力压裂理论，压裂裂缝的扩展延伸与岩层脆性有关，岩层脆性越大，形成的压裂裂缝越长[7]。由于碎软煤层脆性小甚至呈塑性，无论是垂直井还是水平井，直接在煤层中进行水力压裂，压裂缝延伸不长，泄压影响范围小，强化增产效果不好，煤层气单井产气量低并且衰减快。
(2)煤层气水平井钻井和固井问题。在碎软煤层中施工水平井，易出现垮孔、埋钻、下套管困难等问题;固井时钢质套管与煤层胶结不紧，分段压裂时在套管水泥环与煤层之间出现串流泄压，影响压裂改造效果。
(3)在煤层中下钢质套管，对后期的采煤活动会产生不利影响。
2 煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式
鉴于碎软煤层在水平井钻井、固井和水力压裂方面存在的问题，提出不按常规把水平井的水平段布置在煤层中，而是将水平井的水平段布置在煤层顶板或底板岩层，实施分段水力压裂的煤层气高效抽采技术思路。本文所说的煤层顶板或底板，是指煤层上或下一定距离范围内的几层岩层的总称。
分析认为，将水平井的水平段布置在煤层底板岩层可能出现两类问题，一是煤层底板岩层特点，多为浅水湖沼、浅水沼泽沉积环境充填补齐形成，通常起伏不平，岩性多为根土岩、泥岩、粉砂质泥岩，遇水易膨胀、缩径，不利水平井钻井施工;二是排采过程中煤粉在重力和瓦斯压力作用下，易通过套管的射孔孔眼，落入到水平井中造成堵塞，影响排水产气。为此，提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式(图2)，即井型采用远端水平对接井的U型井组，水平井段层位选择在距离煤层2 m左右的顶板岩层，水平井段下套管固井，采用泵送桥塞+定向射孔联作的分段压裂工艺，实施大液量、大排量、高砂比的高强度压裂作业，垂直井排水产气。
图2 煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式
Fig.2 Model of coalbed methane high efficiency production by roof strata-in horizontal well and staged hydraulic fracture
3 煤层气顶板岩层水平井水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理
上述模式是否可行，关键问题是要搞清楚顶板岩层水平井水力压裂过程中裂缝延伸扩展规律。也就是说，在煤层顶板岩层进行水力压裂，垂向上压裂缝能否从顶板岩层穿层延伸到煤层中并且切穿煤层？水平方向上压裂缝在顶板岩层中向外延伸扩展的同时，能否在煤层中也形成较长的压裂缝，而从沟通煤层和水平井筒，形成煤层气运移产出的导流通道？针对这些问题，开展了现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模等研究工作。
3.1 地层的原地应力大小和岩石力学性质与水平井段层位选定
本次工作对施工的煤层气垂直井进行了测井，测得了钻井地层柱状的密度和自然伽马测井曲线，解释获取了原地应力和岩石力学性质，目标煤层及其顶底板测井结果见表1和图3。另外，对煤层气井中钻遇的目标煤层及其顶板、底板岩层采取了煤芯煤样和岩芯样品，进行了力学性质测试，结果见表2。
表1 淮北芦岭煤矿煤层气垂直井煤层及其顶底板岩层测井结果
Table 1 Logging results from coalbed methane vertical well in Lulling Coal Mine of Huaibei mining area
图3 淮北矿区芦岭煤矿煤层气井8号煤层及其顶底板岩层测井曲线
Fig.3 Logging curves from coalbed methane vertical well in Lulling Coal Mine of Huaibei mining area
表2 淮北矿区芦岭煤矿煤层气井岩芯和煤芯的力学性质测试结果
Table 2 Results from rock and coal core mechanicalproperty test of coalbed methane vertical well in Lulling Coal Mine of Huaibei mining area
表1和图3显示，本区原地最大主应力为垂向主应力，随着地层埋藏深度的增加逐渐增加，原地最大主应力梯度为2.33 MPa/hm。煤层的原地最小水平主应力明显小于上覆顶板岩层的原地最小水平主应力，例如从目标煤层的8号煤层向上，依次为含碳泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、细沙岩、砂质泥岩，原地最小水平主应力分别为7.81，8.65，8.97，9.21，9.15，9.42，10.30 MPa。同样，8号煤层的原地最小水平主应力也明显小于下伏底板板岩层的原地最小水平主应力。
表1和表2表明，8号煤层的弹性模量明显小于顶板、底板的弹性模量，煤层一般为n×109 Pa，顶板、底板岩层一般为n×1010 Pa，相差1个数量级;8号煤层的泊松比大于顶板岩层的泊松比。虽然测井结果解释得出的岩层力学参数与实验室实测的样品力学参数存在差异，但是总的趋势是一致的。
总的来说，8号煤层顶板、底板岩层呈现相对高的原地最小水平主应力、高弹性模量、低泊松比、脆性的特征，8号煤层则呈现相对低的原地最小水平主应力、低弹性模量、高泊松比、塑性的特征。
综合考虑，将煤层气水平井的水平段层位选定布置在顶板砂质泥岩层。
3.2 顶板岩层水平井水力压裂裂缝扩展延伸规律及控制机理分析
常规煤层水平井的水平段进行分段水力压裂时，压裂裂缝在煤层中起裂、在煤层中水平和垂向扩展延伸，形成水平井筒与煤层之间的连通通道。但是，当将水平井的水平段布置在目标煤层即8号煤层之上的顶板砂质泥岩中，进行套管固井、射孔压裂时，压裂裂缝扩展延伸情况显然与前者不同。根据岩石力学和水力压裂理论，压裂裂缝在水平方向和垂直方向扩展延伸主要受两类因素影响，一是不可控的地质因素，包括地层原地应力和岩石力学性质等;二是可控的水力压裂施工因素，包括泵注速度、施工排量、压裂液性质等[8]。
3.2.1 垂直压裂裂缝的形成
原地应力可分解为一个垂直方向主应力和2个水平方向主应力(水平最大主应力(σ1)、水平最小主应力(σ2))。水力压裂裂缝的起裂压力，主要取决于井壁周围的应力集中情况，当地层孔隙流体压力为P0，有效水平主应力
=σ1-P0，
=σ2-P0、井壁岩石抗拉强度为
岩石泊松比为μ、多孔弹性介质常数为α时，在有压裂液滤失情况下，垂直裂缝的起裂压力(PC)[9]为
本区垂向主应力明显大于水平主应力，按照已有研究结果，水力压裂时形成的压裂裂缝应该是垂直裂缝[10]。
3.2.2 压裂裂缝在顶板水平井砂质泥岩层中的扩展延伸
断裂岩石力学研究表明[11]，压裂裂缝的扩展延伸取决于裂缝尖端地层的应力强度因子。它是反映裂缝尖端弹性应力场强弱的物理量，其大小与裂缝尖端附近的应力和应变场成正比。假设将裂缝简化成在无限大平板中的一条高度为2h的I型穿透性裂纹(通常称为格里菲斯Griffith裂纹)，裂缝中承受着压裂液的压力为P时，则垂直裂缝尖端的应力强度因子K1为
当K1达到临界极限值即地层的断裂韧度K1C时，意味着裂缝尖端的应力和应变达到足以使裂缝失稳程度，裂缝就会扩展延伸。断裂韧度K1C是地层的一个力学常数，可由试验测得，它是地层的弹性模量E、泊松比μ、比表面能γ的函数。
这样，垂直裂缝扩展延伸需要的缝内压裂液的压力Pfc为
也就是说，当注入到顶板水平井砂质泥岩层中压裂液的压力大于该岩层的裂缝扩展压力Pfc，垂直裂缝就会在其中沿水平方向扩展延伸。
3.2.3 压裂裂缝穿出顶板水平井段砂质泥岩层在下伏8号煤层中的扩展延伸
按照断裂岩石力学研究结果，在压裂裂缝向前扩展延伸的过程中，水平方向有1个应力强度因子，垂直方向向上、向下各有1个应力强度因子，这3个应力强度因子的相对大小，决定了压裂裂缝的扩展延伸方向[8]。
在垂直方向上，压裂裂缝能否穿出顶板水平井段岩层沿缝高方向向下伏岩层和向上覆岩层扩展延伸，取决于压裂裂缝尖端分别在顶板水平井段岩层水平方向、下伏地层交界面方向、上覆地层交界面方向3个方向上的应力强度因子的相对大小，换句话说，取决于压裂裂缝尖端分别在顶板水平井段岩层水平方向、下伏岩层交界面方向、上覆岩层交界面方向各自的裂缝扩展压力的相对大小。如果下伏地层交界面方向、上覆地层交界面方向的裂缝扩展压力小于水平井段岩层水平方向的裂缝扩展压力，则压裂裂缝就会沿缝高方向穿出水平井段岩层延伸进入向下伏岩层和上覆岩层。如前所述，将水平井布置在8号煤层顶板的砂质泥岩层、进行射孔压裂，压裂裂缝首先在顶板水平井段砂质泥岩层起裂并且分别在垂直方向和水平方向扩张延伸。
在垂直方向上，顶板水平井段的砂质泥岩层向下依次是最小水平主应力明显较小、弹性模量很小的含碳泥岩层，8号煤层，显然穿过它们的压裂裂缝扩展压力要明显小于顶板水平井段的砂质泥岩层，压裂裂缝自然会继续向下扩展延伸，穿透含碳泥岩地层和8号煤层;再向下是最小水平主应力明显较大、弹性模量较大的砂质泥岩和粉砂岩，相应地穿过它们的压裂裂缝扩展压力要明显大于水平井段砂质泥岩层的扩展延伸压力，压裂裂缝就会停止向下扩展延伸。顶板水平井段的砂质泥岩层向上依次是最小水平主应力较大、弹性模量较大的粉砂岩层、泥质粉砂岩层、细砂岩层，穿过它们的压裂裂缝扩展压力要大于水平井段砂质泥岩层的裂缝扩展压力，这样，压裂裂缝就难以向上穿层扩展延伸。
图4 应力强度因子随界面距离的变化情况[12]
Fig.4 Variation of stress intensity factor with the interface distance[12]
另外，SIMOSON E.R.和HANSON M.E.研究了岩性变化对裂缝扩展的影响，指出油气生产层中的压裂裂缝能否延伸进入隔层中去取决于接近两层交界面处裂缝端部的应力强度因子的变化情况[12-13](图4)。按照SIMOSON E.R.和HANSON M.E.的研究结果分析，顶板水平井砂质泥岩层与下伏含碳泥岩层的泊松比相差不太大，由于前者的弹性模量比后者的大得多，类似图4中的E1=2E2情况，压裂裂缝向下伏的含碳泥岩层界面逼近时，其端部的应力强度因K1不断增大，压裂裂缝越接近于交界面便越易于扩展延伸，并穿过界面穿入含碳泥岩层。以此类推，压裂裂缝依次穿过含碳泥岩与8号碎软煤层界面，扩展延伸穿入8号碎软煤层。与此相反，顶板水平井砂质泥岩层与上覆粉砂岩的泊松比相近，由于前者的弹性模量比后者明显小，类似图4中的E2=2E1情况，压裂裂缝接近于上交界面时应力强度急剧减小，难以向上覆的粉砂岩扩展延伸，可能就此终止于粉砂岩。由此认为，顶板水平井砂质泥岩层上覆较大弹性模量的粉砂岩层，尤其是其上部的细砂岩层，在水力压裂过程中相当于隔层，可以使下部的8号碎软煤层获得较好的压裂效果。
在水平方向，随着压裂液的持续注入，顶板水平井段砂质泥岩层中压裂裂缝沿着水平方向不断地扩展延伸。已有研究表明，压裂裂缝的长度受岩层的脆性和塑性大小影响，脆性越大，形成的压裂裂缝长度越大[14]。当直接在8号煤层进行水力压裂时，煤层碎软易发生塑性变形，大范围的塑性区使得压裂液的能量大量消耗转化为碎软煤层的塑性应变能，实际用于压裂裂缝水平扩展延伸的能量少，同时塑性变形导致裂缝的缝尖钝化，限制了压裂裂缝的水平扩展延长，因而形成的压裂裂缝较短。但是在顶板水平井砂质泥岩层中压裂时，压裂裂缝的缝尖始终位于顶板水平井段相对脆性的砂质泥岩层中，塑性区很小、消耗的塑性应变能少，压裂液能量主要用于压裂裂缝在水平方向的快速扩展延伸，故此形成的压裂裂缝较长;同时顶板水平井砂质泥岩层中压裂裂缝的水平快速扩展延伸产生的拉撕作用，拉撕着已穿入到8号碎软低渗煤层中的压裂裂缝随之水平扩展延伸，在8号碎软低渗煤层中形成较长压裂裂缝。也就是说，在煤层顶板岩层进行水力压裂，下伏8号碎软煤层中形成的压裂裂缝长度，要比直接在8号碎软煤层中进行水力压裂形成的压裂裂缝更长。这些碎软煤层和顶板岩层中形成的压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填，构成煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道，获得很好的压裂改造效果。
3.3 水力压裂物理模拟试验
设计并建立了表征人工顶板-煤层-底板3层结构的三维相似材料物理模型，开展了围压作用下的顶板岩层水平井水力压裂物理模拟试验。依据力学性质相似原则，通过对煤粉、粗砂、水泥、水等相似材料进行混配试验研究，确定了人工煤层、顶板、底板的相似材料最佳配合比，制备了大尺寸3层结构——工程压裂模拟试件，进行了多组围压作用下的水平井水力压裂物理模拟试验(图5)。试验结果表明，在一定条件下，水平井压裂裂缝能够从人工顶板岩层向下穿层扩展贯穿人工煤层，从而为顶板岩层水平井分段压裂强化改造碎软低渗煤层的可行性提供了实验佐证。
图5 顶板岩层水平井水力压裂物理模拟试验
Fig.5 Hydraulic fracturing physical modeling experiments of roof strata-in horizontal well
3.4 水力压裂数值模拟
构建了煤层及其顶底板岩层水力压裂数值模拟地质模型(图6)，在设定8 m3/min 注入排量等压裂施工参数条件下(表3)，分别对水平井位于碎软煤层顶板岩层和碎软煤层的两种情况，应用ABAQUS有限元数值模拟软件和FracproPT压裂数值模拟软件，对压裂裂缝扩展延伸特征进行了数值模拟定量研究。结果显示，在顶板岩层水平井中射孔压裂，碎软煤层中形成的压裂裂缝长度为168.4 m(图7(a));直接在碎软煤层中压裂，压裂裂缝长度为25.1 m(图7(b));前者是后者的6.7倍。随着上下地层最小水平主应力差的增大，下缝高越大，垂向上穿层进入煤层的范围越大，裂缝在上下扩展形态不均匀;进入煤层后，虽然煤层的塑性阻碍裂缝垂向扩展，但适当加大注入排量可加深裂缝垂向扩展范围。此外，优选的分段压裂间距为80～100 m。
图6 8号煤层顶板岩层水平井分段水力压裂数值模拟地质模型
Fig.6 Geological numerical model of roof strata-in horizontal well and staged hydraulic fracture for No.8 coal seam
表3 8号煤层顶板岩层水平井分段水力压裂数值模拟输入的注入参数
Table 3 Numerical simulation injection input data ofroof strata-in horizontal well and stagedhydraulic fracture for No.8 coal seam
综上所述，在煤层顶板岩层水平井进行射孔压裂，能够在下伏碎软低渗煤层中形成较长的压裂裂缝，显著增大碎软低渗煤层的压裂改造效果，证明碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式在理论上是科学、可行的。
4 模式实施的主要工作流程及技术工艺
一是设计远端水平对接U型井组的井身结构及钻井参数;二是优选确定水平井段布置的目标煤层的顶板岩层;三是先施工远端垂直井，进行取芯测试、声波测井，获取煤储层参数、顶底板力学参数、岩层地应力曲线;四是在水平井的直井段施工导眼井钻穿煤层，测井获取自然伽马和视电阻率曲线，确定目标煤层、水平井段钻进跟踪的顶板岩层层位;五是采用地质导向钻井技术施工水平井段，下套管固井;六是采用向下定向射孔，诱导压裂缝优先向下延伸穿透煤层，泵送可钻式桥塞分段分隔[15];七是针对碎软煤层低渗特点，光套管实施大液量、大排量、高砂比的高强度压裂作业;八是对垂直井进行井底流压实时监测、低套压、慢控稳的精细排采。
图7 碎软煤层顶板岩层水平井和碎软煤层水平井水力压裂数值模拟裂缝垂向剖面
Fig.7 Vertical fracture numerical simulation profile from hydraulic fracturing of roof strata-in horizontal well and seam-in horizontal well for No.8 broken and soft coal seam
5 在淮北矿区芦岭煤矿煤层气抽采示范工程应用及效果
淮北矿区芦岭煤矿，地处矿区东南的宿南向斜的西南翼，构造复杂，断层发育;主要可采煤层是石炭-二叠纪下石盒子组的8号煤层、9号煤层，山西组10号煤层，平均厚度分别为9.56，3.36和2.28 m，煤层埋深范围730～930 m;镜质组反射率为0.88%～1.00%，煤种属气煤;8，9号煤层，煤体破碎松软，是典型的高瓦斯突出煤层。煤层气抽采示范工程位置，III102采区位于芦岭煤矿深部8年后的采煤区域(图8)，地质构造条件相对简单，为1口水平井1口与1口垂直井对接的U型井组。
图8 芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效
抽采示范工程位置
Fig.8 Luling Coal Mine demonstration project location of coalbed methane high efficiency production by roof strata-in horizontal well and staged hydraulic fracture
该直井钻遇的8号煤层，厚度10.09 m，煤层气含量(空气干燥基)6.19 m3/t，煤芯破碎呈粒状、粉状，注入/压降试井中测得的煤层渗透率为0.08×10-15 m2。水平井钻遇的8号煤层，埋藏深度744 m、全井段深度1 485 m，水平井段位于砂质泥岩层，向下距离煤层2 m、长度585.96 m，下套管固井，井身结构及其参数如图9所示。压裂液为清水+1%KCl+0.05%杀菌剂，支撑剂为兰州石英砂，采用泵送可钻式桥塞+向下定向射孔联作工艺，分7段进行了水力压裂。煤层破裂压力为20.8～30.9 MPa，施工排量9.5～10 m3/min，累计注入压裂液6 627 m3、石英砂542 m3，加砂强度77 m3/段，平均砂比11.5%(表4)。微地震监测表明，第1段和第4段压裂时形成的压裂缝呈北东向展布。
该井前期采用抽油机+管式泵排采，后期改换螺杆泵排采，于2016-01-01煤层气日产量突破1万m3，随后连续3，6，12个月平均日产气量为10 358，9 039，7 921 m3，截止2017-11-16累计产气500万m3，日产气量仍在3 200 m3以上(图10)，创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录，产气效果很好，受到业界广泛关注。
图9 芦岭煤矿LG01水平井组井身结构示意
Fig.9 Well bore configuration of LG01 horizontal well and vertical well in Luling Coal Mine
表4 芦岭煤矿LG01水平井分段压裂施工主要参数统计
Table 4 Main parameters of staged fracturing operation for LG01 coalbed methane horizontal well in Luling Coal Mine
6 结 论
(1)提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式，创新了煤层气地面开发技术。
(2)揭示了煤层顶板岩层水平井水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理。在顶板岩层中进行水力压裂，能够在下伏碎软低渗煤层形成较长的压裂裂缝，取得良好的压裂改造效果。
(3)研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿地面煤层气水平井抽采示范工程，创造了碎软低渗煤层地面煤层气井单井产气量的新纪录(平均日产气量:连续3，6，12个月平均日产气量分别为10 358，9 039，7 921 m3，已累计产气量500万m3)。
图10 芦岭煤矿8号碎软低渗煤层LG01煤层气分段压裂水平井排采曲线
Fig.10 Production curves from LG01 coalbed methane staged fracturing horizontal well of No.8 broken soft and low permeable coal seam in Luling Coal Mine
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