不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析

何俊铧,陈立超,胡 奇,王生维,2,张业畅,陈文文,刘琴琴

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074;2.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204)

不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析

何俊铧1,陈立超1,胡 奇1,王生维1,2,张业畅1,陈文文1,刘琴琴1

(1.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074;2.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204)

为了准确认识原生裂缝壁面特征对煤储层水力压裂效果的影响,基于对沁水盆地南部8口煤层气井附近原生裂缝壁面特征以及其压裂效果的解剖观测,对2口典型煤层气井F1和F2附近的原生裂缝壁面特征进行了观测和对比:F1原生裂缝壁面相对曲折、粗糙以及次级裂缝发育,F2则反之。对2口煤层气压裂井开挖解剖发现:煤储层压裂裂缝形态比压裂理论模型推算值及地面监测值更为短而宽;原生裂缝壁面特征对水力压裂效果具有重要影响。研究结果表明:煤储层特有的原生裂缝壁面特征是造成实际的压裂裂缝更为短而宽的重要因素;不同的原生裂缝壁面特征通过影响压裂过程中流体压力降低梯度进而影响最终压裂效果。

煤储层;水力压裂;原生裂缝壁面特征;压裂井解剖;压裂裂缝形态;造缝影响因素

煤层气开发中,准确认识水力压裂造缝是解决煤层气开发难题的关键。现阶段通过大地电位法、微地震及井温测试等手段可以对煤层气井压后裂缝形态有一定的认识[1-2],更多研究人员通过数学模型来认识和归纳煤层压后裂缝参数[3-5]。唐书恒等通过地应力采用数值模拟的方法分析地应力对水力压裂起裂压力、起裂位置的影响,认为地应力的大小和方位将对起裂压力和起裂位置有重要影响[6]。李林地等从损伤力学上研究了煤储层水力压裂规律,分析天然裂缝数量与长度及天然裂缝与最大主应力夹角对压裂造缝的影响,认为原生裂缝数量、长度及其与最大水平主应力方向夹角增大使得摩阻增大,最终主裂缝延伸长度减小[7]。目前从煤储层角度分析其力学性质及其对压裂造缝影响的研究较为完善[8-14],普遍认为煤储层其岩石力学特征使得压裂造缝变得短而宽,但煤储层原生裂缝壁面特征对压裂效果影响研究尚不充分。

煤储层原生裂缝壁面特征主要包括其光滑程度、曲折程度以及次级裂缝发育情况。在煤储层原生裂缝中,裂缝壁面有较平直壁面、波纹状壁面,微锯齿状壁面等。壁面间煤粉及碎煤颗粒等也将会对其壁面光滑程度产生影响。煤储层内部裂隙和割理十分发育,裂缝壁面上次级裂缝较多。

笔者通过沁水盆地南部煤层气井压裂层位的实地解剖观测,客观准确地分析了煤储层原生裂缝壁面特征对煤层水力压裂裂缝形态和参数的影响,进而探讨了其对压裂造缝的影响机理。

1 研究区概况及不同壁面特征观测

1.1 研究区概况及研究方法

研究区位于沁水盆地南部下二叠统山西组3号煤层。构造上位于沁水坳陷东南部,内部构造相对简单,影响和控制地层分布和水文地质条件的构造主要是东部的NNE向的晋获断裂带和南部的EW向断裂带。

本次研究的主要方法是通过观测不同的原生裂缝壁面后,对其附近的煤层气井压裂造缝情况进行井下跟踪观测,对比2口煤层气井压裂效果的区别,来认识原生裂缝壁面特征对压裂造缝的影响及其作用机理。

1.2 2个观测点壁面特征观测及对比

煤储层原生裂缝壁面特征主要包括原生裂缝壁面的曲折程度、光滑程度以及壁面上次生裂缝发育情况。笔者选取了所观测的多口煤层气井中原生裂缝壁面特征对比较为明显的2个解剖点,以期得到较为明显的压裂效果对比结果。

1.2.1 F1观测点

此观测点位于F1压裂井附近,对5个原生裂缝壁面进行了观测和统计。5个原生裂缝壁面上次级裂隙都十分发育,可以清楚地识别到壁面上的外生节理和气胀节理。在镜煤条带上内生裂隙十分发育,具有近乎等间距的发育特征。原生裂缝形态曲折,多呈锯齿状,壁面粗糙,且多附着白色方解石矿物(图1(a))。

图1 原生裂缝壁面次级裂隙发育特征Fig.1 Feature of secondary crack on natural fracture

1.2.2 F2观测点

此观测点位于F2压裂井附近,所观测到的5个原生裂缝壁面上次级裂隙较为发育,外生节理、气胀节理发育,镜煤条带内生裂隙也较为发育,在裂缝壁面单位面积上分布着相对较多的裂隙条数。原生裂缝形态相对较为平直,壁面光滑(图1(b))。

1.2.3 对比分析

研究以平均壁面转折线条数、单位面积上粗糙面积占总面积比以及单位长度上次级裂缝发育条数来分别表征原生裂缝壁面曲折、粗糙、次级裂缝发育程度,以此对比F1和F2观测点附近多个原生裂缝壁面的平均粗糙、曲折、次级裂隙发育程度,特征对比见表1及图2。

表1 F1与F2井煤储层原生裂缝壁面特征对比Table 1 Contrast of natural fracture sunface characteristics of coal reservoir of F1and F2

图2 两观测点原生裂缝壁面特征对比Fig.2 Contrast of natural fracture surface characteristics of the two observation points

随着观测面的增多,可以看出2个观测点原生裂缝壁面特征差异:

(1)2个观测点的原生裂缝壁面在曲折程度上有一定差别,F1井附近原生裂缝壁面更为曲折。而F2井壁面相对较为平直。

(2)在光滑程度上,F1井附近原生裂缝壁面相对更为粗糙。

(3)F1井附近原生裂缝壁面上次级裂缝发育情况明显高于F2井。

2 不同原生裂缝壁面特征压裂效果对比

在沁水盆地南部矿区的回采工作面或掘进工作面向煤层气井推进过程中,对多口煤层气井压裂层位进行多截面追踪观测,通过单井的多次追踪观测来客观认识煤层气井外部压裂裂缝展布特征,通过多口井的综合认识得到沁水盆地南部煤储层压裂裂缝展布的一般性规律。

本次观测的2口煤层气压裂井均由同一家压裂作业公司、相同的压裂工艺完成压裂施工,故2口煤层气压裂井具有一定的可对比性。

2.1 F1井实例解剖

本次观测位于煤矿回采工作面上,随着回采工作面的推进,在距离F1井筒约8,5,2 m三处进行了3次裂缝及支撑剂形态观测。在距离井筒约8 m处观测到支撑剂宽度最窄,裂缝宽度也最窄。在距井筒2 m处观测到支撑剂宽度最宽,裂缝宽度与支撑剂宽度相近。在距离井筒5 m处观测到支撑剂宽度与裂缝宽度均居中。

2.2 F2井实例解剖

本次观测位于煤矿回采工作面上,与F1解剖点相同,在距离F2井筒约8,5,2 m三处进行了3次裂缝及支撑剂形态观测。随着回采工作面的推进,观测到,在距离井筒约8 m处观测到支撑剂宽度最窄,裂缝宽度也最窄。在距井筒2 m处观测到支撑剂宽度最宽,裂缝宽度与支撑剂宽度相近,但仍明显窄于F1对应位置宽度。在距离井筒5 m处观测到支撑剂宽度与裂缝宽度均居中。

2.3 煤层气井压裂特征及2口井的对比

2.3.1 煤层气井压裂特征

对比数学模型、地面监测,以及井下实地解剖观测值得到裂缝宽度和长度(表2),结合观测结果可以看出沁水盆地南部煤储层水力造缝具有以下特征:

表2 不同方法所得裂缝参数范围对比[15-16]Table 2 Contrast of fracture parameters from different methods[15-16]

(1)裂缝形态基本近垂直。2口煤层气井压裂裂缝均为垂直裂缝,这说明煤储层最小主应力为水平。

(2)实际观测到的裂缝长宽与数学模型模拟和地面监测值得到的结果有一定的差异。裂缝较模型求解和地面监测所得值具有更加大的宽度和短的长度。

(3)支撑剂在裂缝内运移距离较短,大部分在井筒周围堆积,支撑半径一般较小,未到达理想的支撑效果。

2.3.2 2口井压裂效果对比

由图3可以看出,F1井压裂所造裂缝更为短而宽,而F2井压裂所造裂缝相对F1井明显窄而长,支撑剂在F2中展布范围较大(表3)。

图3 两解剖点裂缝形态特征对比Fig.3 Contrast of fracturing fracture feature ofthe two observation points

表3 井下解剖压裂裂缝参数对比Table 3 Contrast of fracturing fracture characteristics parameters

3 壁面特征对压裂造缝影响机理

分析压裂过程中裂缝内流体压力的分布特征:假设煤层水平且在理想状况下,在单位长度上设流体密度为ρ,缝前端流体速度为v1,压力为p1,缝后端流体速度变为v2,压力变为p2。根据伯努利方程可以得到

在实际情况中,考虑到滤失引起的压力变化pc和摩擦阻力引起的压力变化pf,上式可以写成

因滤失引起的压力损失pc大小与滤失严重程度有关。

其中,pa为沿程压力损失,由液体流动时内外摩擦力控制;pb为局部压力损失,因流体遇到障碍,方向速度发生变化,在流体质点在局部内以及与壁面碰撞摩擦产生的压力损失。由上述各式可以得到缝内单位长度上流体压力降低值Δp为

由上式可以看出:原生裂缝壁面特征通过摩擦阻力和滤失影响压降梯度变化。进一步可以得出壁面摩擦系数大、曲率高、裂隙发育条数多得到更大的压降梯度。较高的压降梯度会引起压力集中在井筒附近,压力在向外传递过程中迅速下降,压裂液能量迅速损失,最终形成短而宽的裂缝;而较低的压降梯度可以使压力传递效率更高,压力在向外传递过程中缓慢下降,压裂液能量传递较远,进而形成窄而长的裂缝。煤储层原生裂缝壁面特征不仅解释了煤层气藏压裂效果相对常规油气来说更为短而宽的原因,而且也是煤储层压裂所造裂缝比以往认识的裂缝规模更加短而宽的重要因素。

4 结 论

(1)F1井相对F2井附近原生裂缝壁面具有次级裂隙更为发育、壁面更为曲折和粗糙的特征。

(2)开挖解剖发现沁水盆地南部煤层水力压裂形成了较数学模型计算和地面物探和监测所确定形态差别较为悬殊的短而宽的垂直裂缝系统。

(3)煤储层原生裂缝壁面次级裂隙发育、壁面粗糙、壁面转折较多将会引起更大的压裂流体能量和压力的损失,从而易形成短而宽的压裂裂缝。

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Comparative analysis for the impact of different natural fracture surface characteristics on CBM fracturing

HE Jun-hua1,CHEN Li-chao1,HU Qi1,WANG Sheng-wei1,2,ZHANG Ye-chang1,CHEN Wen-wen1,LIU Qin-qin1

(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-bed Methane,Jincheng 048204,China)

In order to accurately analyze the impact of natural fracture surface characteristics on the effect of hydraulic fracturing in coal reservoir,based on the observations of eight coalbed methane wells and the natural fracture surface characteristics in southern Qinshui Basin,the authors observed and contrasted the natural fracture surface features from two coalbed methane wells(F1and F2).The natural fracture surface features of F1shows a tortuous and rough feature and with many secondary cracks,while F2demostrates the opposite feature.The authors found that the coal reservoir fracturing fracture morphology are more short and wide than the surface monitoring value and the theoretical model projections;the natural fracture surface is straight,smooth and the surface does not develop secondary cracks obtained more long and narrow fracture.The results show that the unique natural fracture surface characteristic of coal reservoir is one of the main factors that cause the actual fracture more short and wide.The different natural fracture surface characteristics influence the fracturing process by affecting the fluid pressure gradient that in turn affects the final fracturing result.

coal reservoin;hydraulic fracturing;natural fracture surface characteristics;fractrued CBM wells observa-tion;fracture fracture morphology;factors affecting frature

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1868-05

2014-04-27 责任编辑:王婉洁

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034-002);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012007)

何俊铧(1990—),男,四川仪陇人,硕士研究生。Tel:027-67883516,E-mail:schjh527@126.com

何俊铧,陈立超,胡 奇,等.不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析[J].煤炭学报,2014,39(9):1868-1872.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8006

He Junhua,Chen Lichao,Hu Qi,et al.Comparative analysis for the impact of different natural fracture surface characteristics on CBM fracturing[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1868-1872.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8006