大宁—吉县区块深部8号煤储层特征及可压裂性评价

王成旺， 甄怀宾， 陈高杰， 陈 岑， 张 烨， 郭东鑫

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095； 2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100020； 3.重庆科技学院，重庆 401331； 4. 页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 401120)

0 引言

经过20余年的勘探开发实践，我国浅部中高煤阶煤层气产业初见规模，已建成了沁水、鄂尔多斯盆地东缘两大产业基地。深部煤层气则是我国下步煤层气勘探开发的重要接替领域[1-3]。国家能源局《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》中提出大力推进沁水盆地、鄂尔多斯盆地对深部煤层气的勘探、开发和利用[4]。目前，深部煤层气勘探开发面临储层非均质性强、应力大、压力高、可改造性差等诸多挑战，地质工程一体化勘探开发技术尚未形成，国内仅在鄂尔多斯盆地东缘的延川南气田、大宁—吉县区块及沁水盆地的郑庄、柿庄区块等实现了深部煤层气商业化开采[5]。

作为全国煤层气勘探程度较高和开发前景较好的区块之一，大宁—吉县区块两套主采煤层(5号和8号煤层)埋深在1 000～1 350m。目前，针对大宁—吉县区块黄河以东区域深部8号煤层(埋深大于1 350m，以下简称“深部8号煤层”)，开展了深部煤层气压裂技术探索，对深部煤层可压性进行评价，并在压裂工艺和排采工程方面进行了优化，取得了较好的产气效果[6-7]。

本文以大宁—吉县区块黄河以东区域深部8号煤层为研究对象，以脆性指数、围岩与煤层弹性模量差异及地应力特征为评价依据，对8号煤层可压性进行定量评价，旨在揭示8号煤层的可改造潜力，为下步深部煤层气勘探开发工程甜点选区提供技术依据。

1 研究区概况

大宁—吉县区块构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东缘和晋西挠褶带南端，行政区划属于山西省，地理位置上东接吕梁山脉，西邻黄河，北起隰县，南至乡宁(图1)。研究区含煤地层主要为上古生界石炭系—二叠系，沉积环境由海陆交互相转为陆相，其中，下二叠统山西组、上石炭统—下二叠统太原组和上石炭统本溪组普遍发育煤层，厚度大、含气性好、资源丰度高[7]。目前，该区块以1 350m以浅的下二叠统山西组5号和上石炭统本溪组8号煤层为主体开发煤层。

图1 大宁-吉县区块位置图Figure 1 Da’ning-Jixian block site position

研究区上石炭统本溪组8号煤层区发育稳定，整体厚度较大，介于3.0～10.0m；埋藏深度为954.55～2 400m，从东部向西部逐渐加深，黄河以东、大宁县城以西区域埋深超过1 350m(图2)。8号煤主要以焦煤、瘦煤和贫煤为主，属于中等煤变质程度。

图2 大宁—吉县区块深部8号煤层埋深等值线Figure 2 Isogram of coal No.8 deep part buried depths in Da’ning-Jixian block

2 煤储层物性特征

2.1 煤层裂隙特征

裂隙是煤层中自然形成的裂缝，通过观测大吉3-4、郝12井等钻井深部8号煤岩心割理及裂缝，煤层内生裂隙的面裂隙及外生裂缝均较发育，长度一般大于4cm；裂隙表面形态显平直状，少量为弯曲状；割理主要呈矩形网状组合类型，少量不规则状，而外生裂隙主要呈树枝状或较杂乱状分布(图3)。整体上，深部8号煤层裂隙较为发育，连通性好，是煤层气很好的运移通道(表1)。

表1 深部8号煤煤岩裂隙发育特征Table 1 Coal No.8 deep part coal and rock fracturedevelopment features

2.2 孔渗特征

通过对深部8号煤35样次孔隙度、渗透率测试表明，煤储层孔隙度6.36%～22.08%，平均为11.97%；渗透率为0.004～0.461 2 mD，平均为0.059 09 mD，属低孔、低渗储层。

郝12井，本溪组，2 140.69m 大吉3-4，本溪组，2 169.99m图3 大宁—吉县区块深部8号煤岩裂隙发育特征Figure 3 Coal No.8 deep part coal and rock fracture development features in Da’ning-Jixian block

2.3 岩石力学性质

通过测试岩心三轴抗压强度分布范围为7.68～8.31MPa，平均7.99 MPa；弹性模量分布范围为0.20～1.08GPa，平均1.05 GPa，泊松比分布范围为0.20～0.22，平均0.21(表2)。

3 含气性特征

大宁—吉县区块深部8号煤层含气量普遍较高，一般高于20m3/t(图4)，以和3井、大吉3-4井为例，深部8号煤层埋深为2 157～2 206m，通过现场取心快速解吸8号煤层总含气量为16.69～30.55 m3/t，平均为21.55m3/t；明显高于浅部8号煤层含气量(范围为1.12～20.84 m3/t，平均10.76 m3/t)[8]。究其原因，随着煤层深度加大，不同煤阶煤层气含气量呈先增加后减低的变化趋势，存在一个“临界深度”的最大吸附量[9]；深部煤层含气量、含气饱和度较高；研究区深部8号煤层埋深2 000～2 500m可能处于临界深度，含气量性、储层压力、临界解吸压力及保存条件等关键地质条件比浅部煤层好。

图4 大宁-吉县区块深部8号煤层含气量等值线Figure 4 Isogram of coal No.8 deep part gas contents in Da’ning-Jixian block

4 可压裂性评价

4.1 脆性指数

脆性指数是表征储层可压性的重要评价参数，表征岩石发生破裂的难易程度，反应储层压裂后形成裂缝的复杂程度。通常脆性指数越高越易形成复杂的网状裂缝，反之，脆性指数低的地层则易形成简单的双翼型裂缝[10 -11]。

表2 深部8号煤层及其顶底板力学特征Table 2 Coal No.8 coal seam and its roof and floor mechanical features

脆性指数可以通过弹性模量和泊松比进行表征。泊松比指示岩石受力后抵抗破坏的能力，泊松比越大，岩石越难以起裂；杨氏模量指示岩石破裂后维持裂缝的能力，其值越大，岩石越易形成复杂裂缝。脆性指数(BI)具体计算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：En为归一化的杨氏模量，GPa；μn为归一化的泊松比；Emax和Emin分别为研究层段最大和最小杨氏模量，GPa；μmax和μmin分别为研究层段最大和最小泊松比，无量纲。

结果显示，研究区深部8号煤层脆性指数BI为35%～67%，在太古乡、交口乡附近脆性指数较高。

4.2 断裂韧性

断裂韧性是一项表征储层压裂难易程度的重要因素，反映的是压裂过程中，裂缝形成之后维持裂缝向前延伸的能力，断裂韧性越大，越不利于裂缝的延展[12]。

在围压下岩石的断裂韧性与单轴抗拉强度St和围压pw存在如下关系：

Kc=0.095 6pw+0.138 3St-0.082 0

(4)

式中围压用最小地应力替代，煤层深度小于2 000m时取值34MPa，煤层深度每增加100m，取值增加1MPa。

St=σc/A

(5)

σc=(0.004 5+0.003 5Vsh)×Ed

式中：St为抗拉强度，MPa；Vsh为泥质含量；Ed为弹性模量，GPa；σc为抗压强度，MPa；A为常数，本次研究取值30。

结果显示，研究区8号煤层断裂韧性为3.017～3.885MPa×m0.5，平均3.519MPa×m0.5,断裂韧性值相对不高，有利于裂缝向前延伸。

4.3 围岩与煤层的弹性模量差异

煤层与顶底板间力学参数的差异对储层压裂改造有很大影响，特别是弹性模量，对水力压裂改造的影响尤为突出。在水力压裂过程中，高弹性模量的围岩对控制缝高较为有利。随围岩与煤层弹性模量差异的增大，裂缝高度逐渐减小，后期逐渐平稳[13]。

为评价围岩与煤层间弹性模量差异对储层可压裂性的影响，本次用围岩与煤层弹性模量的比值Ek表征，比值越大对缝高的控制越有利，利于裂缝在储层内延展。

(6)

式中：Ec为煤层弹性模量，GPa；Et为顶板弹性模量，GPa；Eb为底板弹性模量，GPa。

通过计算求得深部8号煤层围岩与煤层间弹性模量比值Ek最大值为10.30，最小值为3.05，平均值5.93。

4.4 地应力特征及其对可压性的影响

地应力对煤层气勘探开发有着重要影响，不仅表现在对煤储层渗透性及储层压力方面，同时地应力对煤层气井水力压裂改造过程中的起裂压力、起裂位置以及裂缝的延展形态都有着重要影响[14-16]。

本次采用最大水平主应力与最小水平主应力差值Δσ来表征地应力对储层可压裂性的影响，认为Δσ越小越有利于缝网形成，储层可改造性越好。通过对研究区煤层气井主应力计算结果显示，研究区煤层的最小主应力为33～43MPa，最大水平主应力为35.06～60.82MPa，Δσ一般在1.25～17.82，地应力对深部8号煤层可压性影响较小，其水力压裂时可形成较好的缝网。

4.5 综合可压指数

综合以上研究成果，储层可压性与脆性指数正相关，与围岩和煤层弹性模量的比值呈正相关，与围岩和煤层的弹性模量差异负相关。因此，综合考虑脆性指数、层间弹性模量的差异以及地应力的影响，建立了可压性综合指数Frac来表征储层可压裂性。

为消除各因素间因单位不同带来的影响，对正相关因素脆性指数、围岩与煤层弹性模量的比值做归一化处理。考虑到两个因素对储层可压性的影响程度不一，根据前期研究成果，对脆性指数、断裂韧性、围岩与煤层弹性模量比值以及最大/最小水平主应力差，分别赋于0.35、0.3、0.35的权重，具体计算公式如下：

Frac=0.55BIn+0.15Kn+0.3Ekn

(7)

式中：BIn为归一化的脆性指数值；Kn为归一化的断裂韧性值；Ekn为归一化的围岩与煤层弹性模量比值。

通过大吉-A、大吉-B、大吉-C、大吉-D等5口煤层气产气井可压性评价参数统计结果(表3)，大吉-A井煤层可压性综合指数Frac为0.620，日产气量大于3 000m3； DJ-B井煤层可压性综合指数Frac为0.558，日产气量一般2 000～3 000m3；DJ-C、DJ-D两口井可压性综合指数Frac分别为0.478、0.386，日产气量小于2 000 m3。煤层可压性综合指数越高，压裂性越好，产气效果越好。

表3 产气井可压性评价参数统计Table 3 Statistics of fracturability assessment parameters

平面上，研究区交口乡、太古乡东北部煤层的可压性综合指数较高，一般大于0.6(图5)，该区煤层具有较好的可压裂性，预计产气量较好，是下步工程甜点和实施深部煤层气勘探开发的有利选区。

图5 大宁—吉县区块深部8号煤层可压指数等值线Figure 5 Isogram of coal No.8 deep part fracturability indices in Da’ning-Jixian bloc

5 结论

1)大宁—吉县区块深部8号煤层埋藏深、厚度大、煤层变质程度中等，主要为焦煤、瘦煤和贫煤；裂隙发育，属低孔、低渗储层；含气量普遍较高，一般高于20m3/t。

2)综合考虑脆性指数、 层间弹性模量的差异以及地应力的影响， 建立了可压性综合指数对煤层可压裂性进行量化评价，评价结果与研究区深部8号煤层气产气井压裂效果相吻合。该方法为下步工程甜点选区和实施深部煤层气勘探开发提供了技术支撑。