APP下载

韩城矿区地应力特征及其对煤层气开发的影响

2018-03-14邵先杰彭英明霍梦颖岳鹏飞

关键词:韩城主应力煤层气

邵先杰 朱 明 彭英明 霍梦颖 武 宁 岳鹏飞 何 俊 王 兴

(燕山大学石油工程系, 河北 秦皇岛 066004)

地应力是指存在于地壳中的内应力,主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成[1]。其中,垂向的重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力对煤层气开发有着重要的影响,其主要影响煤储层的渗透率、储层压力、煤层气的解吸渗流过程、煤储层天然裂缝的分布及后期煤储层改造过程中裂缝的扩展特征等[2]。国内外学者针对地应力对煤岩体渗透性的影响作了大量的实验研究。Mckee等人通过对美国圣胡安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现,随着煤层埋藏深度和有效应力的增加,煤层割理缝宽度的减小,渗透率呈指数降低[3]。杨延辉等人对沁南 — 夏店区块煤储层地应力条件及其对渗透性的影响进行研究认为:一般情况下,地应力小的地区,煤储层渗透率高,煤层气井产气量也高;地应力高的地区,煤储层渗透率低,且随深度增加渗透率急剧减小[4]。但是针对地应力对煤层气开发影响的研究相对较少。随着对深层煤层气的深入研究与开发,开展地应力特征研究也更迫切。本次研究以韩城矿区为例,通过计算矿区的地应力,结合各煤层井位坐标和矿区构造特征,分析了矿区地应力分布规律;基于矿区实际生产数据,探讨了地应力对煤层气生产开发的影响,为其他矿区地应力研究及煤层气生产开发提供借鉴。

1 矿区构造特征

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘(见图1),含煤地层为晚古生界上石炭统太原组和下二叠统山西组,其中,3#、5#和11#煤层是矿区煤层气勘探开发的目标煤层[5]。韩城矿区在总体上为一个NW倾向的单斜构造。其中,东部地层变形程度强于西部,南部地层变形程度强于北部。纵向上浅部断层发育,而中部和深部构造形态简单,断层发育较少。3#煤层主要发育2条断层,分布于矿区北部;5#煤层发育3条断层,分布于矿区中部及北部;11#煤层只发育1条断层,该断层贯穿3个煤层。

2 地应力计算及分布规律

2.1 地应力计算

通过水力压裂施工曲线以及压裂施工过程中的压力变化数据,可直接读取煤岩的破裂压力、压裂液延伸及瞬时停泵压力[6],而闭合压力可通过压裂施工的压力数据求取。当突然停止向井中泵入液体时,已经压开的裂缝由于压力的突然降低而开始闭合。在停泵后,作压力与时间开方的曲线,通过检测偏离线性降低的压力来确定裂缝闭合压力。若采用黏稠的压裂液,或压裂液中有悬浮支撑剂,则计算过程中必须考虑井筒摩阻损耗。井筒摩阻损耗可由裂缝延伸压力与瞬间停泵压力计算得到。由此,最小主应力可由式(1)计算得到:

Sh=Pc或Sh=Pc+Pw-Pm

(1)

式中:Sh—— 最小水平主应力,MPa;

Pw—— 井筒液柱压力,MPa;

Pc—— 裂缝闭合压力,MPa;

Pm—— 井筒摩阻,MPa。

进而,可求取最大主应力:

SH=3Sh-Pf-Po+St

(2)

式中:SH—— 最大水平主应力,MPa;

Pf—— 煤岩石破裂压力,MPa;

Po—— 煤地层孔隙压力,MPa;

St—— 煤岩的抗张强度,MPa。

根据上述方法,计算韩城矿区3套煤层各井位点的最小水平主应力和最大水平主应力值(见表1)。

图1 韩城地区构造区域背景及矿区地理位置

井号3#煤层5#煤层11#煤层Sh∕MPaSH∕MPaSh∕MPaSH∕MPaSh∕MPaSH∕MPaWL2-00111.1619.099.9119.95WL2-0029.7912.7910.6112.83WL2-00313.2521.519.9215.58WL2-00411.3211.4011.3211.4015.3215.41WL2-00513.2616.7019.2119.8824.9125.60WL2-00616.1222.1415.9818.78WL2-00712.3016.3714.4931.64WL2-0088.4810.2610.0615.95WL2-00920.8831.3514.3714.63WL2-01019.5130.3316.4019.21WL2-01119.1521.3125.6431.19WL2-01211.0621.6611.0621.66WL2-01313.9225.1414.1127.32WL2-01410.3014.3710.3014.37WL2-01517.0323.8511.0221.12WL2-01611.2320.2913.3728.01WL2-01710.4914.2514.0020.00WL2-01812.2522.3816.3528.77WL2-01912.4421.8712.2212.59WL2-02014.0225.9119.4834.1120.7835.64

利用计算的各煤层最小水平地应力值,结合井位坐标,采用Surfer软件作最小水平地应力分布图。研究发现:不同井位、不同煤层之间的最小水平地应力差别较大,总体上3套煤层在断层附近由于受到较强的挤压作用,最小水平地应力值普遍较大。横向上,3#煤层西部的最小水平地应力值大于东部的,在东南部为应力低点,应力值普遍小于15 MPa(见图2);5#煤层整体呈北高南低的趋势,南部应力值基本处于14 MPa以下(见图3);11#煤层断层少,整体最小水平地应力分布比较均匀,受埋深影响,最小地应力较大,多在22~32 MPa(见图4)。纵向上,3#煤层平均最小水平地应力值为19.35 MPa;5#煤层平均最小水平地应力值为17.05 MPa;11#煤层平均最小水平地应力值为24.55 MPa:表明最小水平地应力随深度增加呈现先减小后增大的趋势。这与杨延辉等人的研究结果[4]稍有差别。由矿区构造特征可知,纵向上浅部断层更加发育,中部和深部构造形态简单,因此,由于局部断层构造应力对3#和5#煤层的影响具有明显的差异性,导致3#煤层的应力值较大。

图2 3#煤层最小水平地应力分布图

3 地应力对开发的影响

地应力对煤层气的勘探开发有着极其重要的影响,其主要影响煤储层物性特征、压裂裂缝的扩展及煤层气生产排采等。

3.1 对煤储层物性的影响

地应力对煤储层物性的影响主要体现在对煤体宏观和微观的颗粒变形程度上,具体表现为煤储层煤体结构的差异性、煤储层孔裂隙系统及渗透能力的非均质性、煤储层对气体吸附能力的强弱等。

图3 5#煤层最小水平地应力分布图

图4 11#煤层最小水平地应力分布图

通过研究发现地应力越大,煤体结构从构造煤的碎裂煤向糜棱煤转化[7],而孔隙结构类型所占比重逐步从大孔向过渡孔、微孔过渡(见图5),导致其渗透性降低。针对地应力对煤储层渗透性的影响,大量研究表明[8]:随着地应力上升,渗透率呈指数下降趋势。其实质主要是由于地应力对煤体结构中的孔裂隙系统发生作用,而使得其产生收缩变形。煤体结构逐步由原生构造煤向构造煤中的碎裂煤、糜棱煤转化。在孔裂隙系统中具体表现为大量的渗流孔裂隙向吸附孔喉转换,最终导致其渗透能力减小,而吸附能力增加。

图5 韩城矿区不同煤层孔隙类型比例

3.2 对压裂的影响

地应力对压裂的影响主要是体现在影响水力裂缝的扩展上。在区域的古应力场作用下,煤岩发育天然割理裂隙,天然割理裂隙的存在对水力压裂裂缝的开启、延伸规律及形态特征产生重要影响,而水力裂缝的方向、形态又受到当今地应力场的控制。当储层中有天然裂缝存在时,天然裂缝的抗张强度很低或为零,使得岩石的均一性受到破坏,这必然影响压裂裂缝的产出特征[9]。为了研究地应力对压裂的影响,定义水平主应力差异系数Kh[10]为:

(3)

通过计算求取了韩城矿区WL2井组3#、5#煤层的水平主应力差异系数Kh(见图6)。结合杨焦生等人关于应力差异系数的研究成果[11],研究发现3#煤层的水平主应力差异系数主要分布在小于0.47(占45%)和0.47~0.84(占45%),压裂易于产生网状裂缝,同时受天然裂缝的影响;而5#煤层的水平主应力差异系数主要小于0.47(占50%),压裂易于产生网状裂缝。统计韩城矿区稳产期日产气量与煤层水平主应力差异系数Kh的关系(见图7),发现稳产期日产气量随着差异系数的增加而增加。

3.3 对排采生产的影响

将地应力等值线分布图(图2 — 图4)与矿区实际产气量等值线图(图8)进行比对,发现二者在平面上吻合性较好。地应力小的区域,煤层气产气量相对较高,其原因主要是地应力大的区域,煤体结构较为破碎,导致储层渗透率较低,煤层气渗流困难,产气量较低。

4 结 语

(1) 各煤层受断层挤压作用,导致最小地应力普遍较大。横向上,3#煤层西部的最小水平地应力值大于东部的,其值普遍小于15 MPa;5#煤层地应力值整体呈北高南低的趋势;11#煤层最小水平地应力分布比较均匀,应力值多在22~32 MPa。纵向上,受局部断层构造作用,应力值呈现出先减小后增大的趋势。

图6 WL2井组水平主应力差异系数Kh分布图

图7 稳产期日产气量与煤层水平主应力差异系数Kh关系图

图8 稳产期日产气量分布图

(2) 随着地应力增加,煤体结构向糜棱煤转化,而孔隙结构类型所占比重逐步从大孔向过渡孔、微孔过渡,煤储层渗透能力减弱。

(3) 地应力影响水力压裂裂缝扩展。韩城矿区水平主应力差异系数以小于0.47为主,压裂易产生网状裂缝。统计发现,稳产期日产气量随着差异系数的增大而增加。

(4) 地应力等值线与煤层气产气量等值线在平面上有较好的吻合性。地应力小的区域,煤层气产气量相对较高。

[1] 廖新武,刘奇,李超,等.渤中25-1低渗透油田地应力分布特征及对开发的影响[J].地质力学学报,2015,21(1):30-37.

[2] 逄思宇,贺小黑.地应力对煤层气勘探与开发的影响[J].中国矿业,2014,23(增刊2):173-177.

[3] MCKEE C R, BUMB A C, KOENIG R A. Stress dependent permeability and porosity of Coal[J]. Rocky Mountain Association of Geologist, 1998, 3(1):143-153.

[4] 杨延辉,孟召平,陈彦君,等.沁南 — 夏店区块煤储层地应力条件及其对渗透性的影响[J].石油学报,2015,36(增刊):191-196.

[5] 邵先杰,董新秀,汤达祯,等.韩城矿区煤层气中低产井治理技术与方法[J].天然气地球科学,2014,25(3):435-443.

[6] 李勇,汤达祯,许浩,等.鄂尔多斯盆地柳林地区煤储层地应力场特征及其对裂隙的控制作用[J].煤炭学报,2014,39(增刊1):164-168.

[7] 张晓辉,要惠芳,李伟.韩城矿区构造煤储层物性差异特征[J].煤矿安全,2014,45(4):176-179.

[8] 唐书恒.煤储层渗透性影响因素探讨[J].中国煤田地质,2001,13(1):28-30.

[9] 马耕,张帆,刘晓,等.天然裂缝对煤岩体水力裂缝扩展影响研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2016,35(2):178-182.

[10] 唐书恒,朱宝存,颜志丰.地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响[J].煤炭学报,2011,36(1):65-69.

[11] 杨焦生,王一兵,李安启,等.煤岩水力裂缝扩展规律试验研究[J].煤炭学报,2012,37(1):73-77.

猜你喜欢

韩城主应力煤层气
中主应力对冻结黏土力学特性影响的试验与分析
魅力韩城
嗨!韩城
韩城老街
请到我们韩城来
综放开采顶煤采动应力场演化路径
储层溶洞对地应力分布的影响
2019年《中国煤层气》征订单
煤层气吸附-解吸机理再认识
DFS-C02V煤层气井高产因素简析