正斷層發育區煤儲層特征及壓裂參數優化
——以柿莊南區塊為例

2021-07-28 07:56:54龔訓王延斌韓文龍吳翔李建紅張海霞

斷塊油氣田 2021年4期

龔訓，王延斌，韓文龍，吳翔，李建紅，張海霞

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100015；3.中國石化中原油田分公司文衛采油廠，山東聊城 252429）

0 引言

斷層對煤層氣的開發具有重要影響，尤其是正斷層發育區煤儲層的地質特征更是明顯受到斷層活動的控制。查明斷層對煤儲層的作用機制，對于實現煤層氣的高效開發及商業化進程有著重要的現實意義［1-3］。斷層的頻繁活動會對該斷層附近煤儲層的煤體結構、滲透率、地應力等特征產生顯著影響，并且導致煤層氣的逸散［4-5］；同時，斷層活動產生的煤粉還會堵塞煤層氣的運移通道，給煤層氣的鉆井、壓裂、排采作業帶來極大的困難［6-7］。沁水盆地柿莊南區塊斷層活動頻繁，為了獲取該區豐富的煤層氣資源，查明斷層與煤儲層之間的關系成為當前亟待解決的問題［8］。

當前國內關于正斷層發育區煤儲層特征的研究已經取得了許多認識。孟召平等［9］通過觀測煤巖裂隙特征與實驗相結合的方法得出，隨著距斷層距離的增大，正斷層附近煤儲層的煤體結構完整程度逐漸增高。李志恒等［10］利用動液面計算儲層壓力的方法得出，正斷層附近煤儲層的儲層壓力與儲層距斷層的距離具有很強的相關性。這些研究都只探討了正斷層發育區煤儲層的地質特征，并未將其與工程方面相結合，并且關于正斷層影響下煤儲層可壓距離的研究也較少，大部分學者對于該方面的內容僅僅只是一筆帶過。鑒于這種情況，本文以柿莊南區塊F11斷層為研究對象，通過分析F11斷層附近煤儲層的地質特征，利用“測距”法研究斷層作用下煤儲層的相關參數與距斷層距離的關系，實現了對正斷層發育區煤儲層的分帶劃分，針對第二帶優化了壓裂參數，以期為優化正斷層發育區的壓裂工藝提供指導。

1 地質概況

沁水盆地是我國面積較大的含煤盆地之一，位于山西省東南部，是我國煤層氣的主要開采基地之一。本次研究的柿莊南區塊位于沁水盆地的東南部，面積約763.2 km2［3］，含有豐富的煤層氣資源，是我國煤層氣勘探開發的主要研究區之一。該區的主采煤層為3#和15#煤層，其中3#煤層在全區發育穩定，是較好的煤層氣勘探目的層位，煤層厚度最小4.16 m，最大8.80 m，平均6.30 m。區內煤層為近南北向、向西傾的單斜構造［11］，斷層主要發育在研究區的北部（以近南北走向斷層為主），南部斷層不發育（見圖1）。該區最大的斷層為寺頭斷層，位于研究區中部［12-13］。此外，較發育的正斷層為 F7，F8，F9，F10，F11，F12。 3#煤層主要經受了印支期、燕山期及喜山期的構造運動。多期次的構造運動使得該區的地質構造復雜，并形成了許多大小不一的斷層，從而加大了該區煤層氣的開發難度［14］。

圖1 研究區斷層分布

通過研究發現，F11斷層附近3#煤層的含氣量在8.02～13.22 m3/t，儲層壓力在 3.66～8.53 MPa，平均 4.75 MPa。這表明該斷層附近的煤層氣資源較為豐富，是較好的煤層氣開發區，在該區域進行的試井工作也很好地證實了這一點。

2 正斷層發育區煤儲層特征

2.1 地應力

地應力的形成主要與地球的各種地質作用有關，按照成因，可將其分為自重應力、構造應力及殘余應力等［15］。隨著研究的不斷深入，當前地應力的主要計算方法有水壓致裂法、應力（應變）解除法、鉆孔崩落法及聲發射法等［16］。其中，水壓致裂法和應力（應變）解除法是目前應用較多的研究方法。本文選取水壓致裂法來對地應力進行分析。

水壓致裂法于20世紀70年代興起，具有操作簡便、設備簡單及測量精確（不依賴于巖石彈性參數）等優點，從而被廣泛地應用于地應力的測量［17］，主要步驟如下［11-12］：

1）根據地面垂直鉆孔水力壓裂測量地應力的方法可知，閉合壓力pc即最小水平主應力σh。

2）最大水平主應力σH為

式中：pf為煤儲層破裂壓力，MPa；p0為煤儲層壓力，MPa；T為煤或巖石的抗拉強度，MPa。

3）垂直主應力σv可根據上覆巖石的重力計算。

式中：γ為巖石容重，kN/m3；h為上覆巖石的厚度，m。

本次研究的3#煤層深度為496～1 267 m，平均787 m。通過水壓致裂法可以算出3#煤層的最大水平主應力、最小水平主應力，然后利用測井與試井資料進行驗證，并對其計算結果進行微調。結果表明，3#煤層的地應力整體呈現出σH>σv?σh，這剛好屬于走滑斷層應力機制的組合類型［15-16，18］。

地應力控制壓裂裂縫的開啟、走向和長度［19-21］。當地應力增大時，水力壓裂的裂縫也會相應增加［22］。而主應力差（σH-σh）與壓裂裂縫的延伸長度呈現正相關關系。因此，選取研究區F11斷層附近3條測線上的壓裂井（見圖1），利用“測距”法進行分析，發現煤儲層主應力差的大小與壓裂井和斷層的距離有關，即在一定范圍內，隨著壓裂井距F11斷層距離的增加，主應力差呈現增大的趨勢（見圖2）。這是因為斷層對地應力的影響存在一個作用范圍，即斷層對煤儲層所能影響的區域。在該區域內，斷層對煤儲層具有控制作用，且這種控制作用會隨著距斷層距離的增加而變小；但是，在該區域以外，斷層對煤儲層的作用基本可以忽略。

圖2 主應力差與距F11斷層距離的關系

2.2 煤體結構

煤體結構是指煤儲層經過地質構造作用所形成的結構特征，是影響煤層氣開發的重要因素，也是影響煤儲層裂隙發育特征、煤層氣運移及賦存的關鍵因素之一［23］。通常根據煤體破碎的程度，煤可分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤4類，其中原生結構煤與碎裂煤統稱為原生結構煤，而碎粒煤與糜棱煤同屬于構造煤［24］。當前研究煤體結構的主要方法有地球物理勘探技術和測井技術等。斷層的存在使得該區域內構造活動頻發，從而對該區域的煤儲層產生嚴重影響，因此研究斷層發育區的煤體結構是很有必要的。孟召平等［25］通過研究發現：原生結構煤受到一定程度的構造破壞，天然裂隙發育，煤儲層原生結構基本保存，此時煤層氣具有良好的網絡通道以及較高的滲透率；構造煤則由于強烈的地質構造作用，煤體破碎強烈，原生結構不復存在，構造運動產生的煤粉堵塞、充填了較為發育的天然裂隙，導致煤儲層滲透率較低。因此，本文定量地研究了斷層與煤體結構的關系，以期得到較好的結論來表征正斷層發育區的煤體結構特征。

根據已有的煤體結構與測井響應之間的關系研究，雖然在不同地區所得的結論會有一點差異，但是總體上都呈現出一致性，即井徑和深、淺側向電阻率在不同煤體結構中表現出較為明顯的敏感性［25］。通過研究發現，碎粒煤比率與煤體結構的好壞具有很好的負相關關系。因此，本次研究利用碎粒煤比率來對煤體結構的好壞進行定量表征。根據F11斷層附近3條測線上相應井的相關數據，得出該井煤的碎粒煤比率，從而得出煤體結構與距F11斷層距離的關系（見圖3）。分析認為：在距F11斷層200 m以內的范圍，碎粒煤比率大于50%，從而可以認為該斷層附近的煤體結構較為破碎；隨著距F11斷層距離的增加，碎粒煤比率不斷減小，煤體結構則越來越好。

圖3 碎粒煤比率與距F11斷層距離的關系

2.3 裂隙分布

通過分析研究區的鉆井資料及測井資料，再結合研究區煤樣的裂隙分布特征，本次研究選用鉆探取心的煤樣裂隙率來表征煤儲層的裂隙分布。裂隙率是指沿著鉆進的方向在巖心表面測量的單位長度下巖心裂隙的總寬度［20，24］。通過使用掃描電鏡及光學顯微鏡觀察微觀裂隙，并對其進行定量化的統計分析發現（見圖4，負號表示相反方向）：在一定范圍內，隨著距F11斷層距離的增加，裂隙率減小；當距F11斷層距離超過某一值（約600 m）時，裂隙率基本保持不變。

圖4 裂隙率與距F11斷層距離的關系

此外，由于正斷層受到構造應力的作用，在形成過程中會在斷層面附近形成一個應力集中區，該應力區內的煤儲層所受到的應力會增加，從而導致煤儲層發生明顯的變形破碎，力學強度也大幅度降低［10］，并且隨著距斷層距離的加大，這種應力作用也會減弱；因此，煤巖的力學強度和裂隙發育程度在平面上與距斷層距離呈現負相關關系。但是，由于正斷層的上盤是斷層的主動盤，在其形成中除了受到構造作用的影響外，還會受到因重力作用下滑而產生的次生應力及斷塊之間相互作用產生的局部應力的影響［24-25］。正是由于這些額外的力的作用，正斷層上盤對裂隙的影響范圍更遠，同時上盤的破碎更加嚴重，從而使得上盤的裂隙率相比下盤更大，一般為同一個斷層下盤的1.5倍左右。此外，該作用還會導致上盤的裂隙性質發生轉化。在距斷層一定距離處，斷層面及其附近的破裂面的裂隙會轉化為張扭性及壓扭性裂隙。這些轉化而成的裂隙通常呈近“X”形和雁列式排列，從而導致在距斷層一定距離內，出現裂隙由張性到壓扭性、張扭性再到張性的變化特征［21］，該特征決定了煤儲層附近滲透率的大小。

3 壓裂參數優化

3.1 整體優化思路

根據地質參數的特征，將正斷層發育區煤儲層劃分為3個區域（不同區域煤儲層的力學參數見表1），并根據該區域已有的壓裂井資料，針對不同的區域選取相應的壓裂工藝。相比于其他壓裂技術，活性水壓裂技術具有成本低、對煤儲層污染小的優點［24］，并且在沁水盆地廣泛應用，因此本次研究選取該技術來進行實際開發。

表1 不同區域煤儲層的力學參數

在第一帶，距斷層距離一般小于200 m，煤儲層的地應力、煤體結構、裂隙分布明顯受到斷層的控制作用。由于該區域受斷層的控制作用明顯，因此在壓裂時容易導致壓裂液大量進入斷層，難以進行有效的壓裂造縫，所以，對于該區域不作壓裂優化。

在第二帶，距斷層距離為200～600 m，煤儲層的地應力、煤體結構、裂隙分布受斷層的影響較小。該區域是壓裂優化的重點區域，由于其煤體結構破碎程度和裂隙發育程度較低，應力的復雜程度相比于第一帶較低，當對其進行壓裂施工時，應該考慮該區域的最大水平主應力的分布，同時結合力學參數對其壓裂參數進行優化［26］。

3.2 壓裂參數

前期的地質分析對于煤層氣的開發至關重要，同時后期的壓裂改造也是煤層氣開發中的關鍵一環。分析第二帶內已有的煤層氣井的壓裂曲線，發現常規煤層氣井壓裂施工的效果較差，難以取得預期效果。這可能是由于這幾口井處于斷層發育區，構造活動頻發，使得該區域的地質條件復雜，原生的煤體結構條件難以保存，從而導致煤層氣成藏較差和后期煤層氣開采難以達到預期的產量。針對這種情況，并對比常規壓裂的施工參數，選取本次壓裂優化后的施工方案。在已知煤儲層地質條件的情況下，影響壓裂效果的主要參數有施工排量、壓裂液用量、加砂強度及砂比等。因此，本文根據不同區域的相關地質特征對其進行不同的壓裂參數選取，然后根據“PT”壓裂模擬軟件對選取的參數進行優化處理，并選取最優的壓裂參數（見表2）。

表2 優化前后壓裂參數對比

由于第二帶裂隙發育程度和煤體結構破碎程度均較低，力學參數較大，因此結合該區域已有的壓裂井壓裂資料，選取該區域內的GX-010等井進行壓裂優化設計。優化設計時，采用大排量來降低壓裂液的濾失量，同時采用“細砂+中砂”的支撐劑組合方式來進行施工。最終優化后的壓裂參數為：施工排量5.0～8.5 m3/min，壓裂液用量582.00～810.24 m3，加砂強度3.02～12.00 m3/m，砂比8.5%～13.9%。壓裂模擬結果見圖5。

圖5 第二帶內GX-010井壓裂模擬結果

4 效果分析

通過將常規壓裂井與優化壓裂井的產氣量進行對比（見表 3），可以發現：常規壓裂井（ZK-001，ZK-005，ZK-008）的產氣量一般較小，基本上不超過500 m3/d；而優化壓裂井的產氣量較大，大都在800 m3/d以上。根據壓裂模擬結果并結合實際生產效果，采用優化壓裂工藝的煤層氣井的施工排量、加砂強度都較大。分析認為，由于斷層的存在，該區域的煤層氣井進行壓裂改造時，必須選用大的施工排量、加砂強度，才能保證壓裂液不被完全濾失，同時還能保證撐開的裂縫保持開啟狀態，為煤層氣的運移提供通道，這就使得煤層氣在排采過程中能夠保持穩定的壓力降以及氣體產出。煤層氣的產氣量越高，產水量就會越少，因為煤層氣的開采是一個排水降壓的過程，水的存在會阻礙煤層氣向井筒附近運移，不利于氣體的產出。