潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫延展特征

曲 銘

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司 勘探分公司，山西 晉城 048012)

1 研究區(qū)基本概況

潘莊煤層氣區(qū)塊位于沁水煤田東南部沁水縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 112°24' 00" ～ 112°36'00"，北緯35°40'00" ～35°34' 43"，面積為157.755 km2[1]。區(qū)塊內(nèi)含煤地層發(fā)育，主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，共計(jì)含可采、不可采煤層21層，煤層總厚度9.9～17.8 m，平均13.4 m，含煤系數(shù)9.10%。山西組3號(hào)煤層、太原組15號(hào)煤層分別為區(qū)塊穩(wěn)定、較穩(wěn)定可采煤層，太原組9號(hào)煤層為區(qū)塊較穩(wěn)定大部可采煤層，其余為不穩(wěn)定、不可采煤層。

3號(hào)煤層為區(qū)塊礦井主采和煤層氣主力開(kāi)發(fā)煤層，煤類(lèi)為無(wú)煙煤(Ro,max=3.68%～4.36%)，埋藏深度122～695 m，厚度為5.04～7.16 m，平均6.11 m。原煤瓦斯含量一般為5.88～32 m3/t，基本在8 m3/t以上。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含炭質(zhì)泥巖和泥巖夾矸0～5層，一般l～2層，厚度一般為0.10～1.05 m。煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，構(gòu)造煤不甚發(fā)育，煤中割理系統(tǒng)相對(duì)發(fā)育。單軸壓縮楊氏模量0.11～1.45 GPa，平均1.27 GPa。泊松比0.32～0.35，平均0.33；三軸壓縮條件下，內(nèi)摩擦角24.6～28.5°，平均27.1°。內(nèi)聚力0.89～1.02 MPa，平均0.95 MPa。

為解決礦井開(kāi)采3號(hào)煤層過(guò)程中的礦井瓦斯涌出量大、瓦斯時(shí)常超限及煤與瓦斯突出等瓦斯難題，原晉煤集團(tuán)(現(xiàn)晉能控股裝備公司)于20世紀(jì)90年代初與美國(guó)美中能源公司合作開(kāi)展地面煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)非常成功，打破了無(wú)煙煤不可抽放的歷史，開(kāi)創(chuàng)了采煤采氣一體化綜合開(kāi)發(fā)模式之先河[2]。21世紀(jì)以來(lái)，區(qū)塊內(nèi)加大了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)力度，創(chuàng)建了首個(gè)“國(guó)家煤層氣示范工程項(xiàng)目”，成為了我國(guó)煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)最為成功的“甜點(diǎn)區(qū)”[3-4]。

2 壓裂工程關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)

壓裂液量、支撐劑量、壓裂排量、砂比等壓裂工程關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)控制著壓裂裂縫的形態(tài)和延展特征[5]，對(duì)煤層氣井產(chǎn)能和采收率亦具有重要影響[6-7]。通過(guò)對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫監(jiān)測(cè)井的壓裂工程關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知(表1)，區(qū)塊壓裂層段即為3號(hào)煤層段，壓裂段埋藏深度(或3號(hào)煤層埋藏深度)均在500 m以淺，屬于淺埋深儲(chǔ)層壓裂。壓裂層段厚度與3號(hào)煤層厚度一致，一般為5.83～6.25 m，平均6.02 m。煤層氣井壓裂方式均為常規(guī)水力壓裂，壓裂規(guī)?？傮w較小，屬于小規(guī)模壓裂，壓裂液總量481.7～619.8 m3，平均544.7 m3；支撐劑加入總量30～35 m3，平均32.5 m3；壓裂排量大小為中等，一般為7.8～8.5 m3/min，平均8.2 m3/min；壓裂平均砂比為低砂比，一般為7.2%～7.6%，平均7.4%；破裂壓力8.8～22.2 MPa，平均14.9 MPa。

3 煤層壓裂裂縫監(jiān)測(cè)及延展特征

3.1 壓裂裂縫監(jiān)測(cè)方法及原理

低滲油氣藏儲(chǔ)層壓裂改造，是儲(chǔ)層增透、增滲、油氣井增產(chǎn)和提高采收率的重要舉措，壓裂裂縫及延展特征對(duì)儲(chǔ)層改造效果具有重要影響，因而油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中尤為重視壓裂裂縫的監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)等研究工作[8-11]。經(jīng)過(guò)多年的研究和工程實(shí)踐，迄今為止在裂縫監(jiān)測(cè)理論、監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)方法及裝備等方面取得喜人進(jìn)展，對(duì)油氣藏高效開(kāi)發(fā)和油氣工業(yè)發(fā)展起到有力助推作用[12-13]。微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種根據(jù)監(jiān)測(cè)微地震信號(hào)或發(fā)震事件來(lái)分析生產(chǎn)活動(dòng)的地球物理探測(cè)技術(shù)，可對(duì)壓裂裂縫高度、長(zhǎng)度及裂縫延展的優(yōu)勢(shì)方位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判識(shí)[14]，與其他裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)具有技術(shù)成熟、操作便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)震信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和處理自動(dòng)化、監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性高等諸多特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)發(fā)井壓裂裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、壓裂裂縫形態(tài)及延展特征研究[15]。為此，本文采用微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫延展特征進(jìn)行研究。

油氣井壓裂過(guò)程中隨著高壓壓裂液不斷注入井筒及地層，井筒壓力及地層壓力持續(xù)升高，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥诘貙訋r石破裂壓力時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生破壞形變。為了定量描述和表征壓裂過(guò)程中地層巖石的起裂、破壞形變特征，引入了摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則[16]，其表達(dá)式如下：

τ≥τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)cos(2φ)/2

(1)

τ=(S1-S2)sin(2φ)/2

(2)

式中：τ0為巖石的抗剪強(qiáng)度(當(dāng)沿著原有的裂縫面錯(cuò)斷時(shí)，其值為零)，MPa；τ為作用于裂縫面的剪切作用應(yīng)力，MPa；P0為地層壓力，MPa；φ為最大主應(yīng)力法向與裂縫面間的夾角，°；S1為作用于地層的最大主應(yīng)力，MPa；S2為作用于地層的最小主應(yīng)力，MPa。

由摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則公式(1)、(2)可知，地層壓力(P0)的變化會(huì)導(dǎo)致微地震事件發(fā)生，隨著地層壓力(P0)增大時(shí)，公式(1)的右側(cè)數(shù)值隨之減小，當(dāng)作用于裂縫面的剪切應(yīng)力(τ)大于煤巖固有的無(wú)法向應(yīng)力抗剪斷強(qiáng)度(τ0)時(shí)，地層煤巖起裂、形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，在裂縫邊緣發(fā)生微地震事件或活動(dòng)，微地震信號(hào)以球面波的形式在地層中向四周傳播[15]。在壓裂井周邊布置多個(gè)微地震信號(hào)接收器實(shí)時(shí)接收壓裂過(guò)程中的微地震信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理后傳輸給母站，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微機(jī)處理分析，實(shí)現(xiàn)微地震震源及分布的判識(shí)、壓裂裂縫長(zhǎng)度、高度及裂縫延展優(yōu)勢(shì)方位的解釋和判識(shí)。

3.2 微地震壓裂裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基本流程

壓裂前對(duì)監(jiān)測(cè)井及周邊地形地貌進(jìn)行實(shí)地踏勘，尋找出適宜布置微地震信接收儀(或信號(hào)檢波器)的位置，再根據(jù)壓裂井的鉆井測(cè)斜數(shù)據(jù)通過(guò)校正確定井口在水平面上的投影點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn)“O”)，以井口投影點(diǎn)為中心在其周邊不同方位及不同位置的適宜地點(diǎn)布置微地震信接收儀(或信號(hào)檢波器)分站點(diǎn)，再對(duì)井口及各站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而得到信號(hào)接收分站點(diǎn)相對(duì)井口的水平面投影點(diǎn)(圖1)。打開(kāi)主站信號(hào)接收和處理站儀器，調(diào)試其與各分站間的通信聯(lián)絡(luò)情況、背景噪音，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂井裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布

壓裂前5 min，打開(kāi)測(cè)試儀器，對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)及數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和分析。鑒于壓裂停泵后壓裂液和支撐劑會(huì)在原泵壓下繼續(xù)延伸，因而在壓裂結(jié)束后要繼續(xù)監(jiān)測(cè)20 min，保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，關(guān)機(jī)，收拾各監(jiān)測(cè)儀器，裝箱、打包，完成本次壓裂裂縫監(jiān)測(cè)工程。

3.3 壓裂裂縫延展特征

潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果資料見(jiàn)表2、圖2、圖3。研究區(qū)壓裂煤層破裂顯著，受最大水平主應(yīng)力方向控制，壓裂裂縫主要沿著水平方向延展，垂直方向次之，裂縫延展優(yōu)勢(shì)方位為NNE13～NE58°。東、西翼裂縫長(zhǎng)度基本小于100 m，一般為57.2～109.0 m。其中，東翼長(zhǎng)度57.2～109.0 m，平均71.7 m。西翼長(zhǎng)度一般為74.3～92.5 m，平均81.7 m。裂縫總長(zhǎng)度131.5～192.6 m，平均153.4 m；裂縫高度16.7～29.2 m，平均21.5 m。受煤層自身非均質(zhì)、各向異性、構(gòu)造應(yīng)力大小及應(yīng)力場(chǎng)分布、原生裂隙發(fā)育程度等因素及其耦合作用影響[17-18]，致使煤層氣壓裂井在壓裂規(guī)?；鞠喈?dāng)情況下，裂縫長(zhǎng)度(包括單翼裂縫長(zhǎng)度及總長(zhǎng)度)、裂縫高度及裂縫延展優(yōu)勢(shì)方位有所不同。同時(shí)，對(duì)壓裂關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)(表1)與裂縫特征參數(shù)(表2)之間進(jìn)行了數(shù)理相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)壓裂液總量和排量對(duì)裂縫總長(zhǎng)影響顯著，但對(duì)裂縫高度影響不明顯。據(jù)相關(guān)性分析，壓裂液總量、排量與裂縫總長(zhǎng)間具有良好的線(xiàn)性正相關(guān)性(y裂縫總長(zhǎng)=0.374 2x總液量-50.486,R2=8 478;y裂縫總長(zhǎng)=61.969x排量-353.25,R2=5 382)，這是因?yàn)閴毫岩嚎偭亢团帕糠謩e控制著壓裂規(guī)模大小和壓裂液注入強(qiáng)度，煤層氣井在高排量和大液量壓裂情況下，高強(qiáng)度注入地層的壓裂液量越大，裂縫延伸得更遠(yuǎn)，反之亦然[19-20]。

圖2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫長(zhǎng)度及方位

圖3 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫延展高度

表2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層壓裂裂縫延展特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 壓裂裂縫的延展特征受諸多地質(zhì)要素、儲(chǔ)層物性及壓裂關(guān)鍵參數(shù)等控制，使得壓裂規(guī)模相近的情況下，壓裂井的裂縫長(zhǎng)度、高度和延展方位等有所差異。壓裂液總量和排量分別控制著壓裂規(guī)模和壓裂強(qiáng)度，亦對(duì)壓裂裂縫延伸長(zhǎng)度有著顯著影響。

2) 在淺埋深、小液量、中等排量、低砂比等壓裂情況下，壓裂裂縫以水平裂縫發(fā)育為主，垂直裂縫次之。受最大水平主應(yīng)力控制，裂縫延展的優(yōu)勢(shì)方位為NNE13～NE58°,裂縫總長(zhǎng)度131.5～192.6 m，裂縫高度16.7～29.2 m。