沁水盆地鄭莊區(qū)塊煤儲層抗拉強度控制因素及其對水力裂縫的影響

許露露, 李雄偉, 余江浩, 王 億, 謝 通, 周向輝, 龔志愚,徐玳笠, 程 琳, 田 成

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

沁南盆地是中國最早實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)的高煤階煤層氣田[1]。鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū),主力煤層為山西組3號煤,煤層平均厚度達5.5 m,平均煤層氣含量達20 m3/t,煤層氣含氣總面積約700 km2,煤層氣資源量巨大[2]。前人對煤層抗拉強度做過大量的實驗測試研究,一般而言,隨著含水量的增加煤層的抗拉強度隨之降低,垂直于層理面的抗拉強度大于平行于層理面的抗拉強度[3]。顏志豐(2009)[4]在研究寺河煤礦抗拉強度時發(fā)現(xiàn),若不考慮煤層的方向性,密度對抗拉強度的影響不大。吳基文(2003,2005)[5-6]用套筒致裂法實驗室測定煤層抗拉強度,認為煤的抗拉強度受到煤體結(jié)構(gòu)控制,各向異性明顯,且煤層抗拉強度與縱波波速存在較好的冪指數(shù)關系。朱寶存等(2009)[7]在分析煤巖與頂?shù)装鍘r石力學性質(zhì)對煤儲層壓裂的影響時認為,控制煤巖抗拉強度的主要因素是巖性、孔隙特征和含水率。關于煤層力學參數(shù)對水力裂縫擴展的影響,前人進行過一些研究,總體上研究較少 。陳勉等(2000)[8]通過真三軸水力壓裂模擬實驗表明,當頂?shù)装甯魧优c儲層彈性模量比值較高(>10)時,這種物性差異對水力裂縫垂向穿層的抑制作用才比較明顯,即能限制縫高的擴展。烏效鳴(1997)[9]研究認為,煤層不同方向的抗拉強度直接影響裂縫產(chǎn)狀,尤其當要確定壓裂形成垂直縫和水平縫時,抗拉強度是必然要考慮的參數(shù)。

對沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊進行了9口煤層氣井的力學性質(zhì)測試,對力學參數(shù)的分布進行了統(tǒng)計分析,對影響煤層抗拉強度的相關因素進行了線性相關性分析,并運用灰色關聯(lián)方法研究了影響抗拉強度的主控因素,同時還探討了煤巖抗拉強度對煤層水力壓裂裂縫的影響。

1 力學特征分析

通過對鄭莊區(qū)塊9口煤層氣井的力學測試及統(tǒng)計分析得知,抗壓強度分布在7.45～20.91 MPa,抗拉強度分布在0.36～0.93 MPa,彈性模量分布在580～1 630 MPa,各井泊松比比較接近,分布在0.30～0.33(表1)。煤巖抗拉強度與抗壓強度、彈性模量以及泊松比均呈現(xiàn)良好的線性相關性(圖1-a、b、c),其中抗拉強度與抗壓強度相關性最好,擬合程度達到0.948。除Z8井以外,大部分井煤巖抗拉強度均小于頂?shù)装蹇估瓘姸?圖1-d)。錄井資料顯示,Z8井底板巖性為泥巖,表明當泥巖層較疏松、孔滲性較好且含水性較好時,泥巖抗拉強度有可能低于煤層抗拉強度。

表1 鄭莊區(qū)塊煤層氣測試井的力學性質(zhì)Table 1 Mechanical properties of coal seam gas test in Zhengzhuang block

2 抗拉強度影響因素分析

對于煤層抗拉強度的影響因素分析,前人進行過少量研究,煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組的發(fā)育有利于割理裂隙的形成,因此鏡質(zhì)組含量與抗拉強度呈現(xiàn)負相關性[10],當煤級在無煙煤階段時,鏡質(zhì)組反射率與抗拉強度為正相關性[11]。本次工作選取了含氣量報告中9口煤層氣井的實驗測試數(shù)據(jù)(表2),針對煤巖密度、鏡質(zhì)組反射率、礦物含量、水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量等6個參數(shù)建立了相關散點圖,并分析了其與抗拉強度之間的相關性。如圖2所示,煤巖密度、鏡質(zhì)組反射率及礦物含量與抗拉強度呈現(xiàn)較好的正相關性,水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量與抗拉強度呈現(xiàn)負相關性。統(tǒng)計結(jié)果表明,該地區(qū)3#煤層鏡質(zhì)組反射率、鏡質(zhì)組含量與抗拉強度的相關性與前人的研究結(jié)果一致。進一步研究得出,礦物含量是通過粘土礦物膠結(jié)性來影響煤巖抗拉強度的。鄭莊9口煤層氣井的礦物測試分析表明,各井煤層中的礦物組成均以粘土礦物為主,其他礦物含量較少(圖3-a),且粘土礦物含量與礦物含量呈現(xiàn)較好的線性正相關,當?shù)V物含量較高時,粘土含量相應較高(圖3-b)。由于粘土礦物具有較強的膠結(jié)性,能增強煤巖的抗拉強度。因此,抗拉強度與礦物含量呈現(xiàn)較好的正相關性(圖2-c)。

圖1 鄭莊區(qū)塊煤層氣測試井力學性質(zhì)統(tǒng)計分析Fig.1 Statistical analysis of mechanical properties of CBM well in Zhengzhuang block

井號抗拉強度/MPa礦物含量/%水分含量/%鏡質(zhì)組含量/%密度/(g·cm-3)Ro/%裂隙密度/(條·cm-1)Z10.432.41.5892.71.523.696.3Z20.938.81.6273.81.543.885.0Z30.336.21.0487.91.513.494.4Z40.571.0061.71.53.154.7Z50.366.21.4766.91.523.46.2Z60.654.11.2270.11.523.327.4Z70.786.40.99631.603.556.3Z80.757.21.0469.61.543.375.0Z90.768.81.1965.91.553.616.9

圖2 鄭莊區(qū)塊煤層氣測試井煤層抗拉強度影響因素分析Fig.2 Analysis of influencing factor of tensile strength of CBM well in Zhengzhuang

圖3 研究區(qū)煤層氣測試井粘土礦物相關性分析Fig.3 Correlation analysis of clay minerals in CBM well in the study area

上述散點圖能定性地分析各因素與抗拉強度之間的關系。但不能判斷這6個因素中影響抗拉強度的主控因素。而灰色關聯(lián)數(shù)學分析方法可以定量分析出各因素與抗拉強度直接的關聯(lián)度。灰色關聯(lián)分析的目的在于定量地表征系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的關聯(lián)程度,尋找影響系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的主要因素[12]?；疑P聯(lián)分析主要包括3個計算過程:

①

(2) 關聯(lián)系數(shù)的計算。主參數(shù)列與輔參數(shù)列的關聯(lián)系數(shù)的公式如下:

②

(3) 關聯(lián)度計算。關聯(lián)度為各個時刻關聯(lián)系數(shù)的平均值,即:

③

式中:ri,0為輔參數(shù)列i與主參數(shù)列0的關聯(lián)度;n為數(shù)列長度,即煤層氣井的數(shù)量。

灰色關聯(lián)分析結(jié)果表明,密度與抗拉強度關聯(lián)度最高,其次是礦物含量與鏡質(zhì)組反射率(表3)。煤層密度與抗拉強度之間良好的相關性,是由于煤巖密度受到煤巖顯微組分、無機礦物以及它們之間孔隙的影響。當密度較小時,煤層表現(xiàn)為礦物含量少,顯微組分含量多,孔隙度較大,從而導致抗拉強度較小。因此,煤巖密度和抗拉強度之間呈現(xiàn)良好的正相關性。

表3 抗拉強度灰色關聯(lián)分析Table 3 Grey correlation analysis of tensile strength

3 抗拉強度對裂縫形態(tài)及幾何參數(shù)的影響

④

⑤

煤層抗拉強度不僅對水力壓裂時形成裂縫形態(tài)產(chǎn)生影響,而且對形成的水力裂縫的幾何參數(shù)產(chǎn)生影響。煤層與頂?shù)装逯g的抗拉強度差值對水力裂縫縫長與縫高的相關性分析結(jié)果表明,縫高隨著頂板與煤層抗拉強度差值的增大而減小,擬合度值為0.913(圖4-a),縫高隨著底板與煤層抗拉強度差值的增大同樣減小,擬合度值為0.328(圖4-b),說明頂板與煤層抗拉強度差值對縫高的影響更為顯著;縫長隨著頂板與煤層抗拉強度差值的增大而增大,擬合度為0.438(圖4-c),縫長隨著底板與煤層抗拉強度差值的增大而增大,擬合度為0.277(圖4-d),說明頂板與煤層抗拉強度差值對縫長的影響更為顯著。無論是頂板還是底板,抗拉強度差值與縫高的擬合程度要高于其與縫長的擬合程度。

圖4 煤層抗拉強度與裂縫幾何參數(shù)分析Fig.4 Analysis of tensile strength of coal seams and geometric parameters of fracture

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)抗拉強度與抗壓強度、楊氏模量和泊松比呈現(xiàn)較好的線性相關性,其中以抗拉強度與抗壓強度的擬合程度最好;3號煤層頂板抗拉強度均大于煤層抗拉強度且分布穩(wěn)定,而底板抗拉強度值波動較大,甚至低于煤層抗拉強度。

(2) 統(tǒng)計分析表明,煤層抗拉強度與鏡質(zhì)組反射率、煤巖密度和礦物含量呈現(xiàn)較好的正相關性,而與水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量呈現(xiàn)負相關性?；疑P聯(lián)方法分析表明,煤巖密度、礦物含量對抗拉強度影響較大。煤巖密度是通過礦物含量以及孔隙度來影響煤巖抗拉強度的,而礦物含量是通過粘土礦物的膠結(jié)性來影響抗拉強度。

(3) 煤層壓裂形成的裂縫形態(tài)取決于三個因素的大小:垂向地應力、水平最小地應力及煤層抗拉強度,由于煤層抗拉強度值較小,只有當煤層垂向地應力與水平最小主應力比較接近時,煤層抗拉強度才對水力裂縫的形態(tài)起到影響。

(4) 煤層抗拉強度對裂縫幾何參數(shù)有明顯的影響。統(tǒng)計分析表明縫高隨著頂?shù)装迮c煤層抗拉強度差的增大而減小,其中頂板與煤層抗拉強度差值對縫高的影響更為顯著?？p長隨著頂?shù)装迮c煤層抗拉強度差的增大而增大,其中頂板與煤層抗拉強度差值對縫長的影響更為顯著。無論是頂板還是底板,抗拉強度差值與縫高的擬合程度要高于其與縫長的擬合程度。