沁水盆地鄭莊區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

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

沁南盆地是中國最早實現商業化開發的高煤階煤層氣田[1]。鄭莊區塊位于沁水盆地南部晉城地區,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現,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構控制,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關系。朱寶存等(2009)[7]在分析煤巖與頂底板巖石力學性質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,當頂底板隔層與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。

對沁水盆地南部鄭莊區塊進行了9口煤層氣井的力學性質測試,對力學參數的分布進行了統計分析,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

通過對鄭莊區塊9口煤層氣井的力學測試及統計分析得知,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底板抗拉強度(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 鄭莊區塊煤層氣測試井的力學性質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組的發育有利于割理裂隙的形成,因此鏡質組含量與抗拉強度呈現負相關性[10],當煤級在無煙煤階段時,鏡質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據(表2),針對煤巖密度、鏡質組反射率、礦物含量、水分含量、顯微裂隙密度及鏡質組含量等6個參數建立了相關散點圖,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、鏡質組反射率及礦物含量與抗拉強度呈現較好的正相關性,水分含量、顯微裂隙密度及鏡質組含量與抗拉強度呈現負相關性。統計結果表明,該地區3#煤層鏡質組反射率、鏡質組含量與抗拉強度的相關性與前人的研究結果一致。進一步研究得出,礦物含量是通過粘土礦物膠結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較好的線性正相關,當礦物含量較高時,粘土含量相應較高(圖3-b)。由于粘土礦物具有較強的膠結性,能增強煤巖的抗拉強度。因此,抗拉強度與礦物含量呈現較好的正相關性(圖2-c)。

圖1 鄭莊區塊煤層氣測試井力學性質統計分析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。而灰色關聯數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度。灰色關聯分析的目的在于定量地表征系統內各因素之間的關聯程度,尋找影響系統發展態勢的主要因素[12]。灰色關聯分析主要包括3個計算過程:

①

(2) 關聯系數的計算。主參數列與輔參數列的關聯系數的公式如下:

②

(3) 關聯度計算。關聯度為各個時刻關聯系數的平均值,即:

③

式中:ri,0為輔參數列i與主參數列0的關聯度;n為數列長度,即煤層氣井的數量。

灰色關聯分析結果表明,密度與抗拉強度關聯度最高,其次是礦物含量與鏡質組反射率(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良好的正相關性。

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

3 抗拉強度對裂縫形態及幾何參數的影響

④

⑤

煤層抗拉強度不僅對水力壓裂時形成裂縫形態產生影響,而且對形成的水力裂縫的幾何參數產生影響。煤層與頂底板之間的抗拉強度差值對水力裂縫縫長與縫高的相關性分析結果表明,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分析Fig.4 Analysis of tensile strength of coal seams and geometric parameters of fracture

4 結論

(1) 研究區抗拉強度與抗壓強度、楊氏模量和泊松比呈現較好的線性相關性,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) 統計分析表明,煤層抗拉強度與鏡質組反射率、煤巖密度和礦物含量呈現較好的正相關性,而與水分含量、顯微裂隙密度及鏡質組含量呈現負相關性。灰色關聯方法分析表明,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性來影響抗拉強度。

(3) 煤層壓裂形成的裂縫形態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起到影響。

(4) 煤層抗拉強度對裂縫幾何參數有明顯的影響。統計分析表明縫高隨著頂底板與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。縫長隨著頂底板與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。