屯兰矿2号煤层压裂裂缝形态特征

2021-02-06刘浩博

煤 2021年1期

刘浩博

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

煤层是一种低孔低渗有机岩类，对其煤层气开发要想获得工业性气流，实现规模化、商业化开发必须对煤层进行人工压裂储层改造，进而在煤层中形成人工裂隙网络系统，达到提高煤层透气性和渗透率的目的[1-3]。煤层压裂形成的裂隙形态特征对煤层气井井网布置及优化、井位布置、井间距确定、压裂效果评价、气井产能预测及评价等具有重要现实指导意义。因此，掌握煤层压裂裂缝的形态特征至关重要。在油气开发工程领域，对裂缝形态监测尤为重视，伴随着油气工业的兴起和发展，形成了诸如示踪剂方法[4]、电位法[5]、地倾斜方法[6]、微地震法[7]、声波测井法[8]、温度测井法[9]等多种压裂裂缝监测技术方法，对油气工业发展起到了积极的助推作用。微地震监测技术是一种基于监测微地震信号或事件来分析生产活动的地球物理技术[10]，可实现裂缝的延伸方位、长度及高度等裂缝参数的计算和分析。与其他压裂裂缝监测技术方法相比，微地震监测技术操作方便、适应性强，具备实时监测和数据采集、处理及分析，技术成熟且解释成果可靠性和可信度高等优点，在国内外油气开发领域应用较为广泛。为此，笔者基于西山屯兰矿2号煤层压裂裂缝监测资料，开展了压裂裂缝形态及特征研究。研究成果以期对矿区内煤层气科学、有序和高效开发及利用提供理论与技术支撑。

1 研究区基本概况

屯兰矿地处于吕梁山东翼西山煤田之北部，井田面积约73.33 km2。矿区内含煤地层发育，太原组和山西组为区内主要含煤地层，两含煤地层共含煤13层，自上而下依次编号为02、03、1、2、3、4、5、6、7、8、8a、9、10，其中，2、8、9号煤层为矿区稳定可采煤层，其他煤层为较稳定可采煤层和不稳定不可采煤层。为解决矿井开采过程中高瓦斯难题，开展了地面煤层气井抽采工程，目前，已施工30余口地面煤层气井，初步形成了3万方/日的产能规模。

本文研究的2号煤层为当前煤炭主力开采和煤层气主要抽采煤层，埋藏深度均一般在311.94～876.25 m，平均503.15 m；煤层厚度一般1.47～5.22 m，平均3.28 m；煤层气含量整体较高，一般为4～16 m3/t，平均10 m3/t。煤类为中高变质的贫瘦煤，煤中裂隙相对发育。单轴压缩杨氏模量0.93～1.43 GPa，平均1.23 GPa。泊松比0.31～0.34，平均0.32；三轴压缩条件下，内摩擦角23.8～28.3°，平均26.7°。内聚力0.92～1.12 MPa，平均1.01 MPa。

2 压裂监测井钻完井基础参数

压裂裂缝监测井的钻完井基础参数(如压裂目的层段的埋藏深度、压裂目的层段厚度、完井方式等)是煤层气井压裂改造技术工艺优选，方案设计及方案优化、调整，压裂改造效果评价等的关键基础参数[11-12]。屯兰矿在地面煤层气开发利用过程中，为了掌握压裂裂缝形态特征对矿区内开发2号煤层中煤层气的3口不同煤层气井进行了压裂裂缝监测试验。压裂裂缝监测井的完井方式均为套管固井完井，终孔(完井)层位均为石炭系上统太原组。完井深度均在1 000 m以浅，一般为845～930 m，平均883 m。压裂目的煤层(即2号煤层)埋藏深度一般686.26～773.84 m，与压裂层段深度保持一致。压裂目的层厚度3.83～4.20 m，平均3.96 m，见表1。

表1 压裂裂缝监测井钻完井基础参数

3 压裂裂缝形态特征

3.1 压裂裂缝监测机理

煤层气井压裂或高压注入液体介质时，会导致地层压力升高，当地层压力持续升高并高于目的层物理力学强度时，就会发生破坏变形现象，这一过程可以用摩尔—库伦准则来描述或表征[13-14]。摩尔-库伦准则表达式如下：

τ≥τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)cos(2φ)/2

(1)

τ=(S1-S2)sin(2φ)/2

(2)

式中：τ为作用于裂缝面的剪切应力，MPa；τ0为岩石固有的无法向应力抗剪断强度(数值由几兆帕到几十兆帕，沿已有裂缝面错断，数值为零)，MPa；S1、S2分别为地层所受的最大、最小主应力，MPa；P0为地层压力，MPa；φ为裂缝面与最大主应力法向的夹角，°。

由公式(1)、(2)可知，地层压力的变化是微地震发生的直接原因，随着P0增大，公式(1)右侧减小，当P0增大到一定数值时，会使左侧数值大于右侧数值，此时会发生微地震活动，这为我们观测压裂裂缝提供了依据[15]。根据摩尔-库伦准则，当地层压力很高时，会在目的层中形成很多裂缝网络，沿着裂缝边缘会发生微地震活动。现实中的微地震人是感觉不到的，其频段仅数十到数百周，基本与-2至-5级地震的频段相当。一般而言，震级越小，频率越高，反之亦然[16]。压裂过程中，微地震在地层中主要以球面波的形式向四周传播[17]。通过在压裂井周边附近布置多个微地震信号接收仪(地震检波器)，各地震检波器分站接收到微地震信号后，将机械能转换成电能，再通过放大后，以无线信号形式传输至主站，最后通过微机数据采集、计算，实现微地震走时进行震源定位。通过对震源分布的解释、分析，得出压裂裂缝的高度、长度及走向等裂缝基础参数[10]。

3.2 压裂裂缝监测站点布置

为了有效监测和接收压裂过程中微地震信号，需在压裂监测井周边附近安装部分微地震信号接收分站点(即微地震信号检波器)，各接收站点共同组成微地震信号监测网络。监测站点布置的合理性对微地震信号采集的有效性和裂缝特征参数解释分析的真实可靠性等具有重要影响。监测站点安装时，首先要对压裂监测井及周边附近的地形地貌及其他地质条件进行实地踏勘，在压裂监测井周边附近相对清静、信号干扰小、地形地貌相对简单的地方安装一定数量(本为裂缝监测井周边均安装8台微地震信号检波器分站点)的微地震信号检波器分站点，并用高精度GPS定位仪对其坐标采集和精准定位。以压裂监测井井口为中心基准点(即坐标原点，或“O”点)，并规定微地震检波器分站点位于压裂监测井的东面或北面，二者之间的距离值为“正值”。微地震检波器分站点位于压裂监测井的南面或西面，二者之间的距离值为“负值”。受压裂监测井周边附近地形地貌及地质条件影响，微地震信号检波器在其东、西、南、北四个方位均有布置，东西方位(即X坐标方向)-7～217 m，南部方位(即Y坐标方向)-169～-174 m，见图1。

图1 压裂裂缝实时监测各分站位置分布

3.3 压裂裂缝形态特征

1) 压裂监测井压裂基本参数。压裂用液量、用砂量、排量、砂比等压裂基础参数是影响压裂裂缝形态特征的直接参数，亦是煤层气井井位布置及优化设计、煤层气改造效果评价的关键参数[18-20]。本文研究的3口压裂裂缝监测井的压裂规模相对较小，属于典型的小型规模压裂(表2)，压裂总用液量318～421 m3，平均384 m3。压裂砂总用量17.0～19.5 m3，平均18.4 m3。压裂排量8.2～8.4 m3/min，平均8.3 m3/min。压裂平均砂比8.8%～9.4%，平均9.1%。破裂压力22.0～32.5 MPa，平均25.8 MPa。

表2 裂缝监测井压裂基础参数统计

2) 压裂裂缝形态特征。对屯兰矿压裂监测井裂缝特征参数进行解释、统计分析，得出矿区内2号煤层的裂缝长度、裂缝高度及延伸方位等特征参数及成果图(表3、图2～图4)。本次压裂井的起裂效果明显，SXT-005-2主裂缝优势发育方位北东128°，东翼缝长50.4 m，西翼缝长64.7 m，两翼裂缝总长115.1 m，见图2(a)。裂缝高度4.9 m，裂缝带出现高度范围为769.5～774.4 m，因该范围高度为射孔井段，裂缝易于形成，所以裂缝信号在该范围密集产出，见图2(b)。SXT-006-11主裂缝优势发育方位为SE102°，东翼缝长61.0 m，西翼缝长48.5 m，两翼裂缝总长109.5 m，见图3(a)。裂缝高度7.4 m，裂缝带出现高度范围为708.4～715.8 m，因该范围高度为射孔井段，裂缝易于形成，所以裂缝信号在该范围密集产出，见图3(b)。SXT-014-12主裂缝优势方位NE58°，东翼缝长76.7 m，西翼缝长74.1 m，两翼裂缝总长150.8 m，见图4(a)。裂缝高度6.3 m，裂缝带出现高度范围为 681.2～686.5 m，因该范围高度为射孔井段，裂缝易于形成，所以裂缝信号在该范围密集分布，见图4(b)。

表3 压裂井裂缝形态特征参数统计分析

图2 XST-005-2井裂缝实时监测裂缝长度、方位

图3 XST-006-1井裂缝实时监测裂缝长度、方位

图4 XST-014-1井裂缝实时监测裂缝长度、方位

煤储层具有极强的非均质性天然属性，同时受压裂改造层位的煤岩物理力学特性、地应力及煤岩体中原有天然裂隙发育情况等因素及其耦合作用控制[21-23]，在煤层气井压裂规模相当条件下，主裂缝的优势发育方位、单翼裂缝长度及两翼裂缝总长、裂缝高度等均不尽相同。其中，东翼裂缝长度50.4～76.7 m，平均62.7 m，两极值差26.3 m；西翼裂缝长度48.5～74.1 m，平均62.4 m，两极值差25.6 m；两翼裂缝总长109.5～150.8 m，平均125.13 m，两极值差41.3 m；裂缝高度4.9～7.4 m，平均5.9 m，两极值差2.5 m。