中深层煤岩储层变排量压裂裂缝形态特征

中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室等2026-01-2612 页

报告概述

本报告以山西沁水盆地柿庄南区块露头煤岩为对象，通过真三轴水力压裂物理模拟实验，结合CT扫描和裂缝三维重构技术，系统研究了中深层煤岩储层变排量压裂的裂缝扩展形态与层理开启特征。报告对比了恒定排量、慢提排量和快提排量三种泵注方式，分析了排量提升速率对缝网复杂度、裂缝宽度及多层理激活行为的影响，并基于声发射监测揭示了裂缝竞争扩展机制。该研究为优化中深层煤岩储层压裂施工参数、提高改造体积和增产效果提供了理论依据与实验支撑。

报告的核心结论

变排量压裂可显著提升裂缝网络复杂度。

变排量压裂通过排量变化诱导压裂液在层理面多个薄弱点诱发微破裂，形成多点起裂，促进多裂缝向远井竞争扩展，从而突破层理强捕获作用，形成更立体的复杂缝网。与恒定排量相比，变排量压裂后裂缝总面积平均增加约1108 cm²，裂缝复杂程度提升约14.4%，层理缝面积占比降低37.4%。

排量提升速率是控制裂缝宽度的关键。

慢提排量（10 mL/min·次）形成窄缝（0.5~1.5 mm），但缝网复杂；快提排量（20 mL/min·次）形成宽缝（2.5~3.0 mm），缝宽波动显著但支撑缝长更长。恒定排量压裂层理缝最宽（4.0~6.0 mm），但缝网简单。岩石强度较高的储层宜采用较高提升速率以避免缝过窄导致砂堵。

慢提排量促进多点起裂与交替扩展，快提排量利于垂向缝与层理缝同步扩展。

慢提排量时压裂液滤失量大，破裂压力低（平均9.2 MPa），声发射显示多裂缝竞争起裂（5处），形成阶梯式转向缝网；快提排量时破裂压力高（平均13.2 MPa），声发射集群特征明显（2处），主缝迅速贯通后分支回连，形成穿层缝与层理缝协同扩展的复杂系统。

变排量压裂现场增产效果显著优于定排量压裂。

在沁水盆地南部马必东区块10口变排量压裂井（慢提排量）与10口定排量邻井对比：同等施工规模下，变排量井平均缝长是定排量井的1.24倍，平均裂缝带宽是1.22倍，平均日产气量是2.2倍（变排量11 000~20 500 m³，定排量3 251~7 845 m³），微地震事件密度更高，分支缝密度达3.7条/m³，为定排量压裂的3.08倍。

报告回答的关键问题

中深层煤岩压裂面临的主要挑战是什么？

中深层煤岩层理面发育且胶结强度低，各向异性显著，常规压裂下裂缝易沿层理面转向扩展，形成简单平面缝网，缝高受限，改造体积不足。如沁水盆地部分井压裂效果差，产量低于经济门槛值。本报告指出，层理对人工裂缝的强捕获作用是制约中深层煤岩储层改造效果的核心问题。

变排量压裂如何克服层理捕获作用？

变排量压裂通过动态调整排量，改变裂缝周围应力状态和压裂液滤失行为。低排量时压裂液充分滤失进入层理微裂隙，升高孔隙压力，诱发多个薄弱点微破裂；高排量时快速升压形成主缝，沟通分支缝。这种排量变化导致压力分布不均匀，促使裂缝在层理面附近多点起裂，突破单一层理主导，形成复杂缝网。

不同排量提升速率对裂缝形态有何影响？

慢提排量（10 mL/min·次）促进多点起裂，形成多条横切缝和阶梯转向缝，缝网复杂但裂缝较窄（0.5~1.5 mm）；快提排量（20 mL/min·次）形成主缝占优的穿层缝，裂缝较宽（2.5~3.0 mm）但分支较少。慢提排量裂缝总面积更大（3 223.97 cm²），快提排量裂缝面积略小（2 798.98 cm²）但缝宽更均匀。

变排量压裂在现场应用中的效果如何？

沁水盆地南部马必东区块10口变排量压裂先导试验井（清水慢提排量）平均日产气量11 000~20 500 m³，是定排量邻井（3 251~7 845 m³）的2.2倍；压后平均缝长409.2 m，带宽154.8 m，分别比定排量井增加24%和22%；微地震分形维数平均2.46，表明缝网复杂度显著优于定排量井（平均2.15）。