基于地質特征的煤層氣壓裂層位優選淺析
——以湖南漣源凹陷測水煤系為例

陳健明，周 輝

（湖南省煤田地質局第二勘探隊，湖南 株洲 412003）

湖南省煤層氣資源豐富，但因煤層氣地質條件復雜，開采難度大，煤層氣資源開發利用面臨較多問題。最突出的問題是，高含氣量煤（儲）層壓裂后排采效果不佳，多分枝水平井在排采試驗中也達不到預期效果。主要原因是高含氣量煤層一般是構造煤，煤層水力壓裂過程中，壓裂液在煤層造縫的同時使煤層中富含的泥質組分膨脹阻塞已有裂縫，粒狀結構煤層遇水在高壓下形成水煤漿，降低了煤層孔隙度，導致壓裂后煤層氣排采達不到預期效果。基于地質特征的煤層氣壓裂層位優選，就是根據賦存煤層氣的煤層頂底板的有利地質特征，設計壓裂層位（射孔點位），以期達到煤層氣排采的良好效果。

1 地質特征

1.1 含煤地層特征

湖南漣源凹陷下石炭統測水組含煤地層，根據巖性不同可分為上、下兩段，共含煤7層，測水組上段的下部含煤1層，稱為上段煤（上煤），測水組下段含煤6層，即2、3、4、5、6、7煤層，主要巖性為細砂巖、石英砂巖及石英砂礫巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖及煤層（包括2、3、4、5、6煤層），其中3、5煤層為本區主要可采煤層。細砂巖，薄層狀，有時見波痕，層內可見小型交錯層理及波狀紋層，生物擾動及潛穴構造發育。石英砂巖，細-中粒結構，中厚層狀，具不連續的波狀層理。石英砂礫巖，細-中礫結構，厚層狀，波狀層理，為測水組上下段分界標志。粉砂巖，灰色，具水平層理。砂質泥巖，灰色，水平層理含菱鐵礦結核及植物化石。泥巖，灰黑色，中夾細砂巖，泥巖呈塊狀，夾兩層煤線。煤，灰黑色，半亮-半暗型，條帶狀結構及粒狀結構。全組厚度一般135 m，其中上段70 m，下段65 m。

1.2 煤層結構特征及含氣性

從煤的結構特征可以把煤主要分成兩類，即原生條帶狀結構煤層和構造煤層，漣源凹陷測水組可采煤層以構造煤為主，局部為原生條帶狀結構煤層。構造煤層受構造應力作用由弱到強又產生碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構，如圖1所示。

圖1 煤層4種結構類型

煤層儲氣空間由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成，原生條帶狀結構煤層具有完整的條帶狀結構，煤體完整呈堅硬塊狀，內生裂隙及外生裂隙發育，顯微裂隙和孔隙欠發育。碎裂煤原生條帶狀結構可見，煤體已被剪切破裂，手搓成碎塊，外生裂隙發育，顯微裂隙和孔隙欠發育。碎粒煤和糜棱煤原生結構蕩然無存，構造鏡面發育，可見粒狀結構，粒徑1 mm上下（≥1 mm為碎粒煤，＜1 mm為糜棱煤），手捏易碎成粉粒，顯微裂隙和孔隙發育。從原生條帶狀結構煤到碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤，儲氣空間由裂隙為主變為孔隙為主，煤單體粒徑越來越小，比表面積、孔隙率越來越大，對煤層氣吸附能力越來越強，煤層氣含氣性越來越好。

1.3 構造特征

漣源凹陷構造較為復雜,西部為疊瓦沖斷帶，在剖面上構成傾向南東，向北西逆沖推覆的疊瓦扇形體；中部由隔檔式褶皺和層間滑動斷層組成，包括晏家鋪、橋頭河及恩口斗笠山等向斜，為主要含煤向斜；東部為傾向北西的疊瓦沖斷帶。測水組主要可采3、5煤層與其頂板間滑脫構造普遍發育，表現為以煤層及其偽頂偽底軟弱層為滑動帶、頂板為推滑覆體、底板為原地系統的、不同期次構造作用下的（基本）順層往復剪切，即以印支期為主的南東往北西的推覆構造和以燕山期為主的北西往南東的滑覆構造，最大推滑覆距離約30 km[1]。滑脫構造導致3、5煤層與頂底板間呈構造假整合接觸、角度不整合接觸，頂板牽引褶皺及底板底緣褶皺發育。

2 煤層氣壓裂層位優選模型

2.1 巖層壓裂破壞特征

根據格里菲斯理論，任何巖石都存在微小裂隙，在外力作用下超過了裂隙起裂點時，微小裂隙會擴展為宏觀可見的大裂隙或裂隙組合。巖石造縫過程中水力壓裂轉化成了裂隙表面能。理論上，水力壓裂的壓力大小與巖石造縫半徑存在正相關。

巖石存在各種構造面理，如層理、劈理、節理、裂隙等，這些構造面理是裂縫擴展的優先方向。水力壓裂的壓力導致巖石造縫模型將沿構造面理方向擴展范圍較廣而呈現不同造縫特征，如圖2所示。

圖2 均一巖石與具面理構造巖石不同造縫特征

2.2 頂板壓裂層位優選模型

射孔在巖石中產生拉應力，導致徑向裂隙和環狀裂隙向自由面方向發展[2]。煤層抗壓強度底，碎粒及糜棱煤手捏易碎，外力作用下易發生煤層流變，給頂、底板變形提供了位移空間（類似于自由面），為煤層頂底板射孔壓裂提供了有利條件[3]。

當頂板與煤層間為構造假整合時，根據壓裂壓力參數、設計造縫范圍以及各類巖層抗壓強度等物性參數，在煤層以上適當高度頂板中布置射孔。當頂板與煤層間為不整合時，根據壓裂壓力參數模擬的層面方向擴展范圍，確定在煤層以上適當高度底板中布置射孔。

當頂板為牽引褶皺時，考慮褶皺形成過程中產生的張裂及順層剪切推滑覆時產生的劈理、裂隙等派生面理構造，可選擇牽引褶皺向斜軸部在煤層間適當高度布置射孔。這樣，利于射孔壓力集中朝煤層方向產生巖石破裂。壓裂在巖層中形成的射孔造縫展布范圍與巖石面理復合，形成更大的有效裂縫覆蓋范圍，也就增加了煤儲層有效釋放面積，改良煤層氣排采效果（見圖3左）。

圖3 煤層頂底板設計壓裂層位模型

2.3 底板壓裂層位優選模型

當底板與煤層間為構造假整合時，根據壓裂壓力參數、設計造縫范圍以及各類巖層抗壓強度等參數，在煤層以下適當高度底板中布置射孔。當底板與煤層間為不整合時，根據壓裂壓力參數模擬的層面方向擴展范圍，確定在煤層以下適當高度底板中布置射孔。當底板為底緣褶皺時，可選擇底緣褶皺背斜軸部在煤層間適當高度布置射孔。這樣利于射孔壓力集中朝煤層方向產生巖石破裂。壓裂在巖層中形成的射孔造縫展布范圍與巖石面理復合，形成更大的有效裂縫覆蓋范圍，也就增加了煤儲層有效釋放面積，改良煤層氣排采效果（見圖3右）。

無論是頂板壓裂還是底板壓裂，都便于壓裂液排放，石英砂等壓裂支撐劑能保持裂縫通暢。由于壓裂造縫范圍主要在煤層頂、底板泥頁巖及砂巖層，泥頁巖及砂巖都是良好的烴源巖，相當于對頁巖層位進行了壓裂，在排采煤層氣的同時也在排采頁巖氣和致密砂巖氣。

3 結論

選擇在煤層頂底板合適層位進行煤層氣水力壓裂，是不同于煤層中壓裂的一種全新模式，避免了諸多不利因素；選擇在煤層頂底板合適層位進行煤層氣水力壓裂，在利用煤層頂底板已有構造面理（包括層面、裂隙、劈理）的基礎上，更易導致層面、裂隙、劈理失穩擴展，能形成煤層頂、底板較大范圍的有效裂縫群，有利于煤層氣的持久解壓釋放，提高煤層氣排采采收率；選擇在煤層頂底板合適層位進行煤層氣水力壓裂，其壓裂造縫范圍涉及煤層頂、底板泥頁巖及砂巖層。煤系中的泥頁巖及砂巖都是良好的烴源巖，分別賦存有頁巖氣和致密砂巖氣。這樣，在排采煤層氣的同時也在排采頁巖氣和致密砂巖氣，有利于煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣的綜合勘查、綜合評價和綜合利用。