寺河井田15號煤層壓裂裂縫微地震實時監測及分析

王廣慧

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西 晉城 048006)

水力壓裂是低滲油氣藏改造的有效方法,是油氣水井增產增注的重要措施[1]。壓裂所形成裂縫及其延展特征直接影響著儲層的改造效果[2-3],裂縫延展特征是油氣藏壓裂工程設計及優化、井位布置及優選、產能預測的重要研究內容之一[4-6]。在油氣工業的發展歷程中,學者們在壓裂裂縫監測方法、理論、技術及裝備等方面開展了大量研究工作,取得了豐碩成果,助推了油氣工業的蓬勃發展[7-8]。微地震實時裂縫監測技術是近年來興起的一種地球物理探測技術,具有技術成熟、可靠性高、易操作、適應性強、發震信號實時監測、數據自動化采集和處理等特點。該技術可實現壓裂單翼及總長度、裂縫高度、裂縫優勢延展方位等進行解釋和分析[4,9],近年來在油氣藏開發壓裂裂縫實時監測、裂縫形態及延展特征研究及評價等方面應用尤為廣泛[10-13]。

煤是一種非均質性極強的有機巖類,壓裂裂縫特征除受煤層自身天然屬性(非均質性、物理力學特性)影響外,還與應力場、壓裂工程參數等因素息息相關,這也是造成煤礦區煤儲層壓裂改造效果和開發成效差異性主因之一。寺河井田在煤層氣地質基礎理論研究和應用方面開展了大量研究和實踐工作,目前尚未開展15號煤層壓裂裂縫延展特征方面的研究工作。為此,筆者基于研究區15號煤層壓裂裂縫微地震實時監測數據,開展壓裂裂縫延展特征研究。

1 研究區基本概況

寺河井田地處沁水復式向斜盆地的南端東翼晉城煤礦區沁水煤層氣田,隸屬于原晉煤集團煤炭開采礦業權區，面積約76.622 9 km2。井田主要煤系為二疊系下統山西組(P1S)和石炭系上統太原組(C3T),兩組煤系共含煤15層,其中可采和局部可采煤層3層。本文研究的15號煤層位于太原組下部,為全井田穩定發育可采煤層,煤層厚度一般為1.80～5.45 m,平均2.67 m,為中—厚煤層;煤層結構較簡單,一般含1～2層泥質夾矸;煤層埋深均在1 000 m以淺,一般為300～800 m。15號煤為當前井田主力開采煤層之一,煤層含煤性好，煤變質程度(平均鏡質組最大反射率Ro, max達3.462%,煤類為無煙煤)、煤層含氣量高且具有煤與瓦斯突出危險性，煤層開采礦井瓦斯涌出量大。為解決煤炭開采礦井瓦斯難題,晉煤集團于20世紀90年代率先在研究區開展地面煤層氣預抽工程,開創了“先采氣、后采煤,采煤采氣一體化”瓦斯治理模式先河。

15號煤屬于典型的軟質巖,其物理力學特性如下(表1):軟化系數0.67～0.92,平均0.79;飽和單軸抗壓強度9.6～14.9 MPa,平均12.0 MPa;單軸抗壓強度12.9～16.1 MPa,平均14.7 MPa;彈性模量切線模量(5～7)×103MPa,平均6×103MPa。彈性模量變形參數(4～5)×103MPa,平均4×103MPa;泊松比0.15～0.25,平均0.19。

2 壓裂工程關鍵參數

壓裂工程關鍵參數主要包括壓裂液總用量、支撐劑總用量、壓裂排量、砂比等,這些參數對壓裂裂縫延展特征和壓裂改造效果具有直接控制作用,是壓裂工程設計及優化的重要研究內容。寺河井田15號煤層壓裂裂縫監測井壓裂工程關鍵參數統計見表1所示。裂縫監測井壓裂方式為套管注入,壓裂類型為水力壓裂法。壓裂裂縫監測井15號煤層的埋深相對較淺,屬于淺埋深煤儲層,壓裂段深度范圍一般為379.26～494.14 m;壓裂改造層位僅為煤層,因而射孔、壓裂段厚度和煤層埋深一致,一般為2.12～2.57 m,平均2.36 m;射孔密度24孔/m,射孔數量56～96個,平均73個;小規模壓裂,壓裂液總用量413.7～485.3 m3,平均444.9 m3;支撐劑總用量較小,一般為18.6～24.3 m3,平均21.4 m3;壓裂排量7.5～8.0 m3/min,平均7.7 m3/min;中砂占中砂混合液體積比,壓裂砂占壓裂砂混合液體積比一般為7.3%～7.8%,平均為7.5%;破裂壓力大小不一,一般為14.2～25.1 MPa,平均20.3 MPa。

表1 寺河井田15號煤層壓裂裂縫監測井關鍵工程參數統計表

續表1

3 人工裂縫實時監測及結果分析

3.1 微地震裂縫實時監測基本原理

微地震實時監測技術是一種根據監測微地震信號或發震事件來分析生產活動的一種地球物理探測技術[14],常用于油氣藏開發人工壓裂裂縫實時監測,實現裂縫長度、裂縫高度及裂縫優勢延展方位等裂縫特征參數實時監測和結果分析[15],進而指導壓裂工程設計、優化和生產實踐。

油氣井壓裂主要是采用體積法壓裂,即壓裂時向油氣井的井筒和地層中持續高壓注入壓裂液和支撐劑,隨著壓裂的進行井筒和地層的壓力隨之升高,當壓力超過煤巖的破裂壓力(或力學強度)時,煤巖會發生破壞。為了定量描述壓裂過程中煤巖破裂過程,引入了經典的材料摩爾-庫倫破壞準則(即“C-M準則”)[16],該準則表達式如下:

(1)

(2)

式中：τ為作用在裂縫面的剪切作用應力,MPa;τ0為巖石的抗剪強度,MPa;p0為地層壓力,MPa;σ1、σ1分別為作用于地層的最大和最小主應力,MPa;φ為最大主應力與裂縫面法向間的夾角,(°)。

由摩爾-庫倫準則公式可知,式(1)左側不小于右側時微地震發生,微震易于沿已有裂縫面發生,此時τ0為零,左側易于不小于右側。p0(地層壓力)增大時,式(1)的右側數值減小,當作用在裂縫面的τ(剪切應力)大于煤巖固有的無法向應力τ0(抗剪斷強度)時,式(1)左側大于右側,地層煤巖將發生破壞且煤巖中形成人工裂隙網絡。此時,在裂縫邊緣發生微地震事件,微地震信號以球面波的形式在地層中向四周傳播[4]。在壓裂井周邊適宜的地方多個方位布置多個微地震信號接收器，實時接收壓裂過程中的微地震信號,然后通過信號轉換和處理后傳輸給母站,數據經過微機實時處理分析,進而實現微地震信號的實時監測和裂縫長度、高度及裂縫優勢延展方位等裂縫特征參數分析的判識。

3.2 微地震裂縫實時監測基本工藝流程

微地震信號監測站點選址及布置是微地震裂縫實時監測的一項重要內容和關鍵環節,對裂縫監測效果及結果可靠性具有重要影響。因此,在裂縫監測前需要對壓裂監測井及其周邊的地形地貌情況進行現場踏勘,優選出適宜布置微地震信號監測站點的位置；并利用鉆井測斜和坐標數據確定井口在水平面上的投影點,在井口的投影點四周不同距離、不同方位布置多個微地震監測分站點(本文壓裂裂縫監測均布置6臺,即圖1中A、B、C、D、E、F站)。各監測分站點布置完畢后,打開主站信號接收和處理站儀器,調試其與各分站和整個系統的良好狀況,背景噪音及其他相關參數設定。壓裂前(時間一般大于5 min),打開裂縫監測系統,并對整個壓裂過程中產生的微地震信號進行實時監測、采集、處理和分析。壓裂達到設計施工要求后停泵,停泵初期井筒內還處于高壓狀態,壓力會繼續擠推壓裂液和支撐劑向裂縫遠處運移、堆疊,縫長和縫高會有所變化。因此,需在停泵后繼續監測不少于20 min。然后保存監測數據,關機,收拾各監測儀器,裝箱，打包,完成裂縫監測任務。

圖1 寺河井田15號煤層壓裂井裂縫實時監測各分站位置圖

3.3 人工壓裂裂縫形態及延展特征分析

寺河井田15號煤層壓裂裂縫實時監測分析成果數據見表2、圖2—圖4所示。研究區所壓裂的15號煤層破裂均顯著,受煤自身非均質性、物理力學特性和壓裂施工參數等差異影響,在壓裂規模基本相當情況下，各壓裂煤層的裂縫單翼縫長和總長度、裂縫高度和優勢延展方位均有所不同,且具有明顯的分異現象。受NE向最大水平主應力控制,裂縫主要沿著最大水平主應力方向的水平延展,垂直方向次之,壓裂裂縫優勢延展方位一般為NNE13°—NE57°。裂縫的東翼單裂縫長度57.2～87.6 m,平均71.4 m。西翼單裂縫長度66.5～144.2 m,平均88.0 m。裂縫總長度131.5～231.8 m,平均159.4 m(圖2)。壓裂液總用量、支撐劑總用量及砂比對裂縫總長度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關關系(圖4(a)、4(c)、4(g)),這是因為壓裂液總量、支撐劑總用量控制著壓裂的規模,壓裂液總用量、支撐劑總用量越多,壓裂規模越大,人工裂縫網絡越發育，裂縫延伸得越遠，反之亦然[17-19]。壓裂排量僅影響注入強度,對裂縫水平延展及總長度影響甚微(圖4(e));裂縫高度12.1～29.2 m,平均16.8 m(圖3)。支撐劑總用量、壓裂排量對裂縫發育高度影響顯著,壓裂液總用量對裂縫發育高度影響一般(圖4(b)),砂比對裂縫發育高度影響甚微(圖4(h))。支撐劑總用量、壓裂排量和裂縫高度之間具有較好的線性正相關關系(圖4(d)、圖4(f)),這是因為在大排量注入、大量支撐劑擠入鋪設情況下,有利于垂直裂縫形成和延展,裂縫高度越大[19]。

表2 寺河井田15號煤層壓裂裂縫監測成果統計分析表

圖2 寺河井田15號煤層壓裂裂縫長度及方位解釋成果圖

圖3 寺河井田15號煤層壓裂井裂縫高度解釋成果圖

圖4 壓裂裂縫實時監測分析

4 結論

1)在壓裂煤層厚度、埋深、壓裂規模等基本相當情況下,受煤的非均質性、應力場分布及壓裂工程參數差異性等影響,寺河井田15號煤壓裂裂縫長度、高度和延伸方位有所不同,具有明顯的分異現象。

2)寺河井田最大水平主應力方向為北東方向,控制著壓裂裂縫優勢延伸方位(二者方位保持一致)。

3)壓裂液總用量、支撐劑總用量及砂比對裂縫總長度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關關系;支撐劑總用量、壓裂排量對裂縫發育高度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關關系。

4)寺河井田15號煤層壓裂起裂顯著,裂縫主要為水平裂縫,垂直裂縫發育次之。壓裂裂縫優勢延展方位一般為NNE13°—NE57°。裂縫的東、西翼單裂縫長度57.2～144.2 m,裂縫總長度131.5～231.8 m,平均159.4 m。