屯蘭礦2號煤層壓裂裂縫形態(tài)特征

劉浩博

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

煤層是一種低孔低滲有機巖類，對其煤層氣開發(fā)要想獲得工業(yè)性氣流，實現(xiàn)規(guī)?；?、商業(yè)化開發(fā)必須對煤層進行人工壓裂儲層改造，進而在煤層中形成人工裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達到提高煤層透氣性和滲透率的目的[1-3]。煤層壓裂形成的裂隙形態(tài)特征對煤層氣井井網(wǎng)布置及優(yōu)化、井位布置、井間距確定、壓裂效果評價、氣井產(chǎn)能預(yù)測及評價等具有重要現(xiàn)實指導(dǎo)意義。因此，掌握煤層壓裂裂縫的形態(tài)特征至關(guān)重要。在油氣開發(fā)工程領(lǐng)域，對裂縫形態(tài)監(jiān)測尤為重視，伴隨著油氣工業(yè)的興起和發(fā)展，形成了諸如示蹤劑方法[4]、電位法[5]、地傾斜方法[6]、微地震法[7]、聲波測井法[8]、溫度測井法[9]等多種壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)方法，對油氣工業(yè)發(fā)展起到了積極的助推作用。微地震監(jiān)測技術(shù)是一種基于監(jiān)測微地震信號或事件來分析生產(chǎn)活動的地球物理技術(shù)[10]，可實現(xiàn)裂縫的延伸方位、長度及高度等裂縫參數(shù)的計算和分析。與其他壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)方法相比，微地震監(jiān)測技術(shù)操作方便、適應(yīng)性強，具備實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、處理及分析，技術(shù)成熟且解釋成果可靠性和可信度高等優(yōu)點，在國內(nèi)外油氣開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。為此，筆者基于西山屯蘭礦2號煤層壓裂裂縫監(jiān)測資料，開展了壓裂裂縫形態(tài)及特征研究。研究成果以期對礦區(qū)內(nèi)煤層氣科學、有序和高效開發(fā)及利用提供理論與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)基本概況

屯蘭礦地處于呂梁山東翼西山煤田之北部，井田面積約73.33 km2。礦區(qū)內(nèi)含煤地層發(fā)育，太原組和山西組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，兩含煤地層共含煤13層，自上而下依次編號為02、03、1、2、3、4、5、6、7、8、8a、9、10，其中，2、8、9號煤層為礦區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其他煤層為較穩(wěn)定可采煤層和不穩(wěn)定不可采煤層。為解決礦井開采過程中高瓦斯難題，開展了地面煤層氣井抽采工程，目前，已施工30余口地面煤層氣井，初步形成了3萬方/日的產(chǎn)能規(guī)模。

本文研究的2號煤層為當前煤炭主力開采和煤層氣主要抽采煤層，埋藏深度均一般在311.94～876.25 m，平均503.15 m；煤層厚度一般1.47～5.22 m，平均3.28 m；煤層氣含量整體較高，一般為4～16 m3/t，平均10 m3/t。煤類為中高變質(zhì)的貧瘦煤，煤中裂隙相對發(fā)育。單軸壓縮楊氏模量0.93～1.43 GPa，平均1.23 GPa。泊松比0.31～0.34，平均0.32；三軸壓縮條件下，內(nèi)摩擦角23.8～28.3°，平均26.7°。內(nèi)聚力0.92～1.12 MPa，平均1.01 MPa。

2 壓裂監(jiān)測井鉆完井基礎(chǔ)參數(shù)

壓裂裂縫監(jiān)測井的鉆完井基礎(chǔ)參數(shù)(如壓裂目的層段的埋藏深度、壓裂目的層段厚度、完井方式等)是煤層氣井壓裂改造技術(shù)工藝優(yōu)選，方案設(shè)計及方案優(yōu)化、調(diào)整，壓裂改造效果評價等的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)[11-12]。屯蘭礦在地面煤層氣開發(fā)利用過程中，為了掌握壓裂裂縫形態(tài)特征對礦區(qū)內(nèi)開發(fā)2號煤層中煤層氣的3口不同煤層氣井進行了壓裂裂縫監(jiān)測試驗。壓裂裂縫監(jiān)測井的完井方式均為套管固井完井，終孔(完井)層位均為石炭系上統(tǒng)太原組。完井深度均在1 000 m以淺，一般為845～930 m，平均883 m。壓裂目的煤層(即2號煤層)埋藏深度一般686.26～773.84 m，與壓裂層段深度保持一致。壓裂目的層厚度3.83～4.20 m，平均3.96 m，見表1。

表1 壓裂裂縫監(jiān)測井鉆完井基礎(chǔ)參數(shù)

3 壓裂裂縫形態(tài)特征

3.1 壓裂裂縫監(jiān)測機理

煤層氣井壓裂或高壓注入液體介質(zhì)時，會導(dǎo)致地層壓力升高，當?shù)貙訅毫Τ掷m(xù)升高并高于目的層物理力學強度時，就會發(fā)生破壞變形現(xiàn)象，這一過程可以用摩爾—庫倫準則來描述或表征[13-14]。摩爾-庫倫準則表達式如下：

τ≥τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)cos(2φ)/2

(1)

τ=(S1-S2)sin(2φ)/2

(2)

式中：τ為作用于裂縫面的剪切應(yīng)力，MPa；τ0為巖石固有的無法向應(yīng)力抗剪斷強度(數(shù)值由幾兆帕到幾十兆帕，沿已有裂縫面錯斷，數(shù)值為零)，MPa；S1、S2分別為地層所受的最大、最小主應(yīng)力，MPa；P0為地層壓力，MPa；φ為裂縫面與最大主應(yīng)力法向的夾角，°。

由公式(1)、(2)可知，地層壓力的變化是微地震發(fā)生的直接原因，隨著P0增大，公式(1)右側(cè)減小，當P0增大到一定數(shù)值時，會使左側(cè)數(shù)值大于右側(cè)數(shù)值，此時會發(fā)生微地震活動，這為我們觀測壓裂裂縫提供了依據(jù)[15]。根據(jù)摩爾-庫倫準則，當?shù)貙訅毫芨邥r，會在目的層中形成很多裂縫網(wǎng)絡(luò)，沿著裂縫邊緣會發(fā)生微地震活動?，F(xiàn)實中的微地震人是感覺不到的，其頻段僅數(shù)十到數(shù)百周，基本與-2至-5級地震的頻段相當。一般而言，震級越小，頻率越高，反之亦然[16]。壓裂過程中，微地震在地層中主要以球面波的形式向四周傳播[17]。通過在壓裂井周邊附近布置多個微地震信號接收儀(地震檢波器)，各地震檢波器分站接收到微地震信號后，將機械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過放大后，以無線信號形式傳輸至主站，最后通過微機數(shù)據(jù)采集、計算，實現(xiàn)微地震走時進行震源定位。通過對震源分布的解釋、分析，得出壓裂裂縫的高度、長度及走向等裂縫基礎(chǔ)參數(shù)[10]。

3.2 壓裂裂縫監(jiān)測站點布置

為了有效監(jiān)測和接收壓裂過程中微地震信號，需在壓裂監(jiān)測井周邊附近安裝部分微地震信號接收分站點(即微地震信號檢波器)，各接收站點共同組成微地震信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測站點布置的合理性對微地震信號采集的有效性和裂縫特征參數(shù)解釋分析的真實可靠性等具有重要影響。監(jiān)測站點安裝時，首先要對壓裂監(jiān)測井及周邊附近的地形地貌及其他地質(zhì)條件進行實地踏勘，在壓裂監(jiān)測井周邊附近相對清靜、信號干擾小、地形地貌相對簡單的地方安裝一定數(shù)量(本為裂縫監(jiān)測井周邊均安裝8臺微地震信號檢波器分站點)的微地震信號檢波器分站點，并用高精度GPS定位儀對其坐標采集和精準定位。以壓裂監(jiān)測井井口為中心基準點(即坐標原點，或“O”點)，并規(guī)定微地震檢波器分站點位于壓裂監(jiān)測井的東面或北面，二者之間的距離值為“正值”。微地震檢波器分站點位于壓裂監(jiān)測井的南面或西面，二者之間的距離值為“負值”。受壓裂監(jiān)測井周邊附近地形地貌及地質(zhì)條件影響，微地震信號檢波器在其東、西、南、北四個方位均有布置，東西方位(即X坐標方向)-7～217 m，南部方位(即Y坐標方向)-169～-174 m，見圖1。

圖1 壓裂裂縫實時監(jiān)測各分站位置分布

3.3 壓裂裂縫形態(tài)特征

1) 壓裂監(jiān)測井壓裂基本參數(shù)。壓裂用液量、用砂量、排量、砂比等壓裂基礎(chǔ)參數(shù)是影響壓裂裂縫形態(tài)特征的直接參數(shù)，亦是煤層氣井井位布置及優(yōu)化設(shè)計、煤層氣改造效果評價的關(guān)鍵參數(shù)[18-20]。本文研究的3口壓裂裂縫監(jiān)測井的壓裂規(guī)模相對較小，屬于典型的小型規(guī)模壓裂(表2)，壓裂總用液量318～421 m3，平均384 m3。壓裂砂總用量17.0～19.5 m3，平均18.4 m3。壓裂排量8.2～8.4 m3/min，平均8.3 m3/min。壓裂平均砂比8.8%～9.4%，平均9.1%。破裂壓力22.0～32.5 MPa，平均25.8 MPa。

表2 裂縫監(jiān)測井壓裂基礎(chǔ)參數(shù)統(tǒng)計

2) 壓裂裂縫形態(tài)特征。對屯蘭礦壓裂監(jiān)測井裂縫特征參數(shù)進行解釋、統(tǒng)計分析，得出礦區(qū)內(nèi)2號煤層的裂縫長度、裂縫高度及延伸方位等特征參數(shù)及成果圖(表3、圖2～圖4)。本次壓裂井的起裂效果明顯，SXT-005-2主裂縫優(yōu)勢發(fā)育方位北東128°，東翼縫長50.4 m，西翼縫長64.7 m，兩翼裂縫總長115.1 m，見圖2(a)。裂縫高度4.9 m，裂縫帶出現(xiàn)高度范圍為769.5～774.4 m，因該范圍高度為射孔井段，裂縫易于形成，所以裂縫信號在該范圍密集產(chǎn)出，見圖2(b)。SXT-006-11主裂縫優(yōu)勢發(fā)育方位為SE102°，東翼縫長61.0 m，西翼縫長48.5 m，兩翼裂縫總長109.5 m，見圖3(a)。裂縫高度7.4 m，裂縫帶出現(xiàn)高度范圍為708.4～715.8 m，因該范圍高度為射孔井段，裂縫易于形成，所以裂縫信號在該范圍密集產(chǎn)出，見圖3(b)。SXT-014-12主裂縫優(yōu)勢方位NE58°，東翼縫長76.7 m，西翼縫長74.1 m，兩翼裂縫總長150.8 m，見圖4(a)。裂縫高度6.3 m，裂縫帶出現(xiàn)高度范圍為 681.2～686.5 m，因該范圍高度為射孔井段，裂縫易于形成，所以裂縫信號在該范圍密集分布，見圖4(b)。

表3 壓裂井裂縫形態(tài)特征參數(shù)統(tǒng)計分析

圖2 XST-005-2井裂縫實時監(jiān)測裂縫長度、方位

圖3 XST-006-1井裂縫實時監(jiān)測裂縫長度、方位

圖4 XST-014-1井裂縫實時監(jiān)測裂縫長度、方位

煤儲層具有極強的非均質(zhì)性天然屬性，同時受壓裂改造層位的煤巖物理力學特性、地應(yīng)力及煤巖體中原有天然裂隙發(fā)育情況等因素及其耦合作用控制[21-23]，在煤層氣井壓裂規(guī)模相當條件下，主裂縫的優(yōu)勢發(fā)育方位、單翼裂縫長度及兩翼裂縫總長、裂縫高度等均不盡相同。其中，東翼裂縫長度50.4～76.7 m，平均62.7 m，兩極值差26.3 m；西翼裂縫長度48.5～74.1 m，平均62.4 m，兩極值差25.6 m；兩翼裂縫總長109.5～150.8 m，平均125.13 m，兩極值差41.3 m；裂縫高度4.9～7.4 m，平均5.9 m，兩極值差2.5 m。

4 結(jié) 語

1) 壓裂裂縫形態(tài)特征是油氣藏開發(fā)的重要研究方向，對油氣井井位布置及優(yōu)化、壓裂規(guī)模及壓裂工藝設(shè)計及優(yōu)選、壓裂效果評價、氣井產(chǎn)能預(yù)測及評價等具有重要現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

2) 受煤巖自身物性特征差異及多地質(zhì)要素及其耦合作用影響，在壓裂工藝相同、壓裂規(guī)?；鞠喈?shù)臈l件下，煤層起裂效果明顯，但各壓裂井的主裂縫優(yōu)勢發(fā)育方位、單翼及兩翼裂縫長度、裂縫高度等均有所不同，體現(xiàn)了煤的極強非均質(zhì)性和影響因素的復(fù)雜多樣性。