沁水盆地15号煤层顶板分段压裂水平井适应性及产气效果预测

2022-06-29李丹丹

中国煤炭地质 2022年6期

王晶，段静，李丹丹，陶羽

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077； 2.中联煤层气有限责任公司，太原 030000)

0 引言

我国碎软低渗煤层分布广泛，具有煤体碎软、渗透性差、煤层含气量高等特点，如何实现煤层气(瓦斯)的高效抽采一直是困扰煤炭与煤层气研究者的技术难题。“十三五”期间，张群等提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式[1-2]，并从理论、技术和工程等角度开展了系统完善的研究和验证工作[3-4]。目前，该技术已经在沁水盆地南部晋城矿区山西组3号煤层开展了多个工程应用，并推广至安徽省淮北矿区、贵州省黔北矿区等地[5-7]。大量的现场实践效果显示：顶板分段压裂水平井技术在提高煤层气抽采效率上有着显著的优势。沁水盆地北部太原组15号煤层发育比较稳定，具有煤层埋深大、厚度大、煤体结构较差、含气量高的特点，具有较好的煤层气资源开发潜力[8-9]，然而目前区内垂直井生产试验数据显示，该区产气效果并不理想。以沁水盆地北部松塔区块为研究对象，在分析区块内煤层气地质条件的基础上，综合评价顶板分段压裂水平井技术在沁水盆地北部的适应性，并采用煤层气压裂数值模拟技术和抽采模拟技术手段进行效果预测和评价，以期为沁水盆地北部太原组煤层地面煤层气开发提供借鉴作用。

1 研究区15号煤层煤层气地质特点

松塔区块位于沁水盆地北部，面积298.12 km2(图1)。含煤地层主要为下二叠统山西组和上石炭统太原组，主力煤层为太原组的15号煤层，埋深在700～1 500 m，全区发育稳定。本区镜质组反射率为2.3%～2.9%，变质程度较高，属贫煤—无烟煤。区块内15号煤层全区发育，煤厚相对较大，区内钻孔所测数据显示15号煤净厚度1.4～6.7 m，横向分布稳定且连续，除中西部的个别测点煤厚相对较低，一般分布在3～4.5 m。总体呈现由东南向西北方向变薄的趋势，其变化趋势主要由于高部位接受冲蚀作用较强，煤层分叉导致煤层变薄(图2)。灰分产率在11 %～22 %，平均为16.6 %，煤岩煤质较好。

图1 沁水盆地及研究区位置Figure 1 Qinshui Basin and study area positions

图2 松塔区块15号煤煤厚分布Figure 2 Isopach of coal No.15 in Songta block

研究区共16 口地面煤层气井进行了15号煤的含气量测试，统计结果显示15号煤空气干燥基含气量10～24.39 m3/t，平均为16.46 m3/t，干燥无灰基含气量为13.54～29.15 m3/t，平均为20.77 m3/t，总体来看含气量呈现中南部高、西北部较低的变化趋势，如图3所示。15号煤气体成分以CH4为主，浓度91.34%～98.46%，其次为CO2，浓度0.99%～6.47%，气体质量好。

图3 松塔区块15号煤含气量分布Figure 3 Isogram of coal No.15 gas contents in Songta block

根据松塔区块煤层气井煤心取样结果，该区以碎裂结构为主，部分井呈现碎粒结构、原生结构。通过宏观煤样描述数据发现：仅有西南部2 口井15号煤煤样为原生煤，煤样呈块状、柱状，其他井普遍具有煤体结构的分层现象。从松塔区南部部分井15号煤岩心照片来看(图4)，同一口井同一煤层，上部煤样呈现颗粒状、碎块状，煤体结构较差，为软分层。下部煤样呈柱状，煤体结构较好，为硬分层。这种复杂的软硬复合煤层的开发难度较大[9-11]，且常规直井在该种地质条件下的开发效果严重受限，一方面由于软煤层煤体结构较差，压裂过程中裂缝易闭合，形成无效裂缝，从而导致软煤层中的气体贡献较少。另一方面由于直井本身产气量低，需要井数较多，很难在较短时间达到快速降低瓦斯的目的。

2 顶板分段压裂水平井技术适应性

顶板分段压裂水平井技术主要对煤层与顶板岩层三向地应力及其差异有比较严格要求。利用区块内分布较均匀的煤层气阵列声波测井数据，确定了三向地应力的计算方法，比较分析了15号煤层与顶板岩层三向地应力结果，评价顶板分段压裂水平井技术在区块的地质适应性。

2.1 地层地应力

三向应力包括垂向应力、最小水平主应力、最大水平主应力，三向应力的绝对大小与压裂裂缝的形态有着直接的关系[12-14]。计算三向应力的方法较多，目前常用的方法包括：室内实验法和测井曲线解释法[15-16]。立足于松塔区块实际情况，通过阵列声波测井数据，计算了各井的三向应力。垂向主应力采取密度曲线积分方式求取，其公式：

(1)

式中：h0表示密度测井起始深度，m；ρ0表示表层地层平均密度，g/cm3；ρ表示密度测井岩石体积密度，g/cm3；g表示重力加速度，一般取9.8m/s2。

图4 松塔区块15号煤宏观煤样岩心照片Figure 4 Core photos of coal No.15 macroscopic coal sample from Songta block

水平主应力预测方法较多，根据前人对沁水盆地赵庄井田的地应力模型研究成果[17]，优选组合弹簧模型作为水平主应力计算模型，其公式为

(2)

(3)

式中：εh、εH分别表示水平最小、最大主应力方向上的应变；α表示有效应力系数，无量纲；μ表示泊松比，无量纲；E表示杨氏模量。

一般认为注入/压降试井所测闭合压力pc为最小水平主应力σh，即σh=pc，为了验证组合弹簧模型计算结果的可靠性，将试井测试数据与测井预测数据进行对比，见表1。结果显示，两种方法计算的最小水平主应力误差均小于11%，平均误差8.41%。与试井数据的相对误差表明该解释方法是可靠的。

表1 最小水平主应力与裂缝闭合压力对比Table 1 Comparison between minimum horizontal primarystress and fissure closure pressure

三向应力结果(表2)对比显示，15号煤垂向应力为23.49～34.67 MPa，平均为29.61 MPa，最大水平主应力为16.72～26.07 MPa，平均为22.81 MPa。15号煤顶板垂向应力为23.28～34.56 MPa，平均为29.45 MPa，最大水平主应力为22.91～33.81 MPa，平均为28.66 MPa。垂向应力最大，其次为水平主应力，当垂向应力为三向应力中最大值时，压裂裂缝为垂向裂缝，在煤层顶板进行水力压裂，有利于裂缝在纵向上扩展沟通煤层。煤层与顶板最小水平主应力对比显示：15号煤顶板最小水平主应力为18.38～29.17 MPa，平均为22.81 MPa。15号煤最小水平主应力为15.76～25.11 MPa，平均为21.42 MPa。顶板最小水平主应力均大于煤层的最小水平主应力，层间最小水平主应力差在0.70～6.05 MPa，平均为2.92 MPa。由于水力压裂过程中，裂缝在垂向上，有从高应力向低应力扩展的规律。根据松塔区块地应力特征，15号煤顶板地应力值普遍高于15号煤煤层的地应力值，位于15号煤顶板的分段压裂水平井，压裂裂缝更易向下延伸至煤层，提高煤层裂缝沟通深度和范围，提高煤层的压裂改造效果。

表2 松塔区15号煤地应力数据Table 2 Ground stress data of coal No.15 in Songta block MPa

2.2 岩石力学特征

煤层气井压裂改造的目标是造长缝，从而为低渗煤层提供更加高效的产气通道。裂缝的形成受力学性质影响较大[18]。一般脆性越好，压裂裂缝更易延伸从而形成长缝，岩石脆性是杨氏模量和泊松比的综合反映，杨氏模量越大，泊松比越小，脆性越好，形成裂缝越理想。

测试结果显示(表3)，松塔区块15号煤顶板泊松比平均为0.30，底板泊松比平均为0.33，煤层泊松比平均为0.37；15号煤层顶板平均杨氏模量为33.74 GPa，顶板平均杨氏模量为25.51 GPa，煤层杨氏模量为6.13 GPa。煤层泊松比高，杨氏模量小，其中15号煤围岩杨氏模量是煤层的4.16～5.50倍，表明顶板在水力压裂过程中更容易产生脆性断裂，形成更长更稳定的压裂缝。在顶板裂缝的撕拉作用下，有利于裂缝在煤层中的延伸，并有助于形成高导流能力的压裂长缝。

表3 15号煤层及顶底板力学参数测试结果Table 3 Mechanical parameter tested results of coal No.15 andits roof, floor

2.3 压裂效果模拟

为验证顶板分段压裂水平井在松塔区块的压裂效果，运用压裂数值模拟软件FracproPT对松塔区块15号煤进行压裂效果预测，模拟对比了在煤层和顶板两种压裂层位的压裂裂缝展布规律。模拟结果如表4、图5、图6所示。

表4 不同压裂层位压裂裂缝几何形态参数统计Table 4 Statistics of different fracturing horizons fissuregeometric form parameters m

直接在煤层中进行压裂，形成的裂缝长度为113.2m，支撑缝高为17.0m，受碎软煤力学性质的影响，岩层韧性较大，压裂裂缝较难延伸形成长效裂缝，裂缝易向高处延伸。而将压裂层位置于顶板处，裂缝长度可以达到158.6m，缝高为13.9m，裂缝长度提高了40.1%。由此可见，在松塔区采用顶板压裂相较与直接在煤层中压裂，效果更佳。

图5 15号煤层顶板实施水平井压裂裂缝形态Figure 5 Coal No.15 roof horizontal well fracturing fissure forms

图6 15号煤层中实施水平井压裂裂缝形态Figure 6 Coal No.15 horizontal well fracturing fissure forms

3 产气效果预测

该区自2011年至今先后共有19口垂直井投入排采，日均产气量在0～100m3/d的井9口，占总井数的47%；日均产气量在100～500 m3/d的井3口，占总井数的16%；日均产气量500～1 000m3/d的井4口，占比21%；日均产气量1 000 m3/d的井仅2口，占比11%。煤层气直井日产气量差异明显，总体单井产气效果差。

为了验证顶板分段压裂水平井在该区的产气效果，利用CBM-sim煤层气数值模拟软件对松塔区块煤层气水平井产量进行了预测，参考国内水平井压裂技术的常规技术参数，设定水平段长度为1 080 m，压裂间距90 m，压裂段数13段，基础地质参数如表5所示。产量预测结果如图7所示，可以看到分段压裂水平井单井日产气量峰值为12 672.52m3/d，10a累计产量为1.68×107m3，井控范围内3a平均采收率为22.48%，5a平均采收率30.56%，10a平均采收率为45.43%。顶板分段压裂水平井具有单井产量大，且采收效率高的显著优势。