岳喜偉，戴俊生，李 婷，安 廷

(1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 克拉瑪依834000；2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580；3.中國石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū),新疆 克拉瑪依834000)

柿莊北地區(qū)位于沁水盆地的東南部，其中石炭系太原組15號煤層的含氣量高，發(fā)育穩(wěn)定，但開發(fā)效果一直未達(dá)到預(yù)期，而決定煤層氣井是否高產(chǎn)的主要原因是煤儲層滲透率的高低[1-2]。多項國內(nèi)外研究表明，當(dāng)煤巖、煤樣天然裂縫發(fā)育時，滲透率就明顯要高，煤層中的裂縫是影響煤儲層滲透率的重要因素[3-4]，對煤層氣開發(fā)起到至關(guān)重要的作用，所以研究如何更好的預(yù)測深部煤層裂縫，對深部煤層氣勘探開發(fā)具有深遠(yuǎn)意義。目前煤層裂縫預(yù)測方法主要有分形分維法[5-6]、曲率分析法[7]、構(gòu)造應(yīng)力場法[8]、綜合研究法等[9]，但多處于定性階段，通過定量方法研究預(yù)測煤層裂縫的方法較少。通過對沁水盆地煤礦井下觀察、統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由構(gòu)造應(yīng)力作用形成的外生裂隙在高煤級煤儲層中較發(fā)育[10]，由于煤層裂縫形成、分布以及現(xiàn)今裂縫開合程度等明顯受到構(gòu)造應(yīng)力的控制，因此可以從構(gòu)造應(yīng)力場的角度來研究煤層裂縫。鑒于以上原因，本文利用ANSYS有限元軟件結(jié)合應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)，對研究區(qū)15號煤層裂縫發(fā)育規(guī)律、分布特征進(jìn)行了預(yù)測及定量描述，從而達(dá)到預(yù)測高滲區(qū)的目的。

1 造縫期應(yīng)力場數(shù)值模擬

1.1 造縫期分析

沁水盆地演化過程中主要經(jīng)歷了印支運動、燕山運動以及喜馬拉雅三期構(gòu)造運動[2]。整體上來說，印支期近SN方向的水平擠壓應(yīng)力場對晉中南的影響不大，未在其內(nèi)部形成形跡明顯的地質(zhì)構(gòu)造[11]；燕山期對沁水盆地的現(xiàn)今形態(tài)影響較大[12]，燕山期NW-SE方向近水平擠壓應(yīng)力場使得沁水盆地整體成為一個NE向的向斜[13]。在燕山期擠壓應(yīng)力場下，研究區(qū)主要以擠壓抬升和褶皺作用為主[14]，形成了一系列軸向NNE-NE向背斜、向斜構(gòu)造、NEE向高角度正斷層，而柿莊北地區(qū)構(gòu)造圖(圖1)所顯示的褶皺及斷層走向主要為NNE-NEE和近SN向與以上特征相吻合。在燕山期擠壓應(yīng)力場下還形成了走向NE與近EW的節(jié)理，晉城南部一帶野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)本組節(jié)理十分發(fā)育，節(jié)理面平直、緊閉[14]，這種節(jié)理發(fā)育情況與柿莊北地區(qū)野外裂縫發(fā)育情況非常相似。因此，確定燕山期為15號煤層構(gòu)造裂縫主要形成時期。

1.2 地質(zhì)模型建立

通過造縫期分析，確定柿莊北地區(qū)15號煤層構(gòu)造裂縫主要形成于燕山期，燕山期是沁水盆地形成的關(guān)鍵時期，對盆地的現(xiàn)今形態(tài)影響較大，因此認(rèn)為研究區(qū)古地質(zhì)形態(tài)與現(xiàn)今形態(tài)相近。由于燕山期研究區(qū)并未形成如今的地表起伏形態(tài)，因此建立古地質(zhì)模型時，不考慮現(xiàn)今地表的起伏，只考慮15號煤層及其頂?shù)装鍢?gòu)造特征，根據(jù)柿莊北地區(qū)15號煤層底板構(gòu)造圖(圖1)，利用ANSYS軟件，建立地質(zhì)模型(圖2)，為了易于對模型施加約束及加載邊界力，在地質(zhì)模型外部建立一個外框，相當(dāng)于圍巖。

圖1 柿莊北地區(qū)15號煤層底板構(gòu)造等高線圖Figure 1 Coal No.15 floor structure contour in Shizhuangbei area

1.3 巖石力學(xué)參數(shù)確定

由于煤層與其頂、底板具有非常明顯的巖石力學(xué)性質(zhì)差異，所以應(yīng)需要用不同的巖石力學(xué)參數(shù)加以反映。本文主要依據(jù)測井解釋所得彈性模量、泊松比和密度來加以反映。而斷層區(qū)的彈性模量是正常地層的50%～70%，泊松比比正常地層的略大，兩者之間的差距通常在0.02～0.1[15]，由于有限元模型加載所需力學(xué)參數(shù)為固定數(shù)值，因此取斷層區(qū)與正常地層差值的中間值，計算得到斷層區(qū)的彈性模量及泊松比，最終確定模型加載所需巖石力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Rock mechanical parameters

1.4 造縫期古應(yīng)力場方向

燕山期，在西太平洋古陸與亞洲大陸的碰撞、拼貼作用下，形成了NWW-SEE方向的水平擠壓應(yīng)力場[12]。露頭區(qū)裂縫走向以近EW、NWW及NEE為主，基本都為剪性縫,推斷最大主應(yīng)力方向應(yīng)為近EW向，而圖1可以看出，斷層及褶皺的走向主要為NEE、NNE及近SN向，綜合考慮以上兩者，確定研究區(qū)燕山期最大主應(yīng)力方向為SEE100°。

1.5 造縫期古應(yīng)力加載方式

古應(yīng)力場下形成裂縫，而現(xiàn)今地應(yīng)力場下，一般不能產(chǎn)生新裂縫，僅對古裂縫起改造作用，使裂縫的開度、孔隙度大小發(fā)生變化。因此利用造縫期古應(yīng)力場與裂縫密度、開度的定量關(guān)系，現(xiàn)今應(yīng)力場影響情況下，裂縫開度的變化公式，以裂縫開度為橋梁推導(dǎo)出現(xiàn)今應(yīng)力場作用下裂縫孔隙度、滲透率的計算公式[16]，然后將公式導(dǎo)入模擬軟件。此文應(yīng)力場數(shù)值模擬中所施加的造縫期古應(yīng)力為等效古應(yīng)力，等效古應(yīng)力大小與裂縫形成時所受到的實際古應(yīng)力大小有一定區(qū)別，但兩者可以產(chǎn)生相似的效果。在確保力學(xué)模型加載應(yīng)力類型與裂縫形成時的應(yīng)力類型一致的情況下，以研究區(qū)15號煤層單井裂縫實測開度、孔隙度為約束條件，經(jīng)過不斷地模擬最終確定在模型SEE100°方向加載應(yīng)力性質(zhì)為擠壓的525MPa水平最大等效古應(yīng)力，SSW190°方向加載應(yīng)力性質(zhì)為擠壓的水平最小等效古應(yīng)力，大小為120MPa，垂向上加載60MPa的擠壓應(yīng)力(圖2)。

圖2 造縫期古應(yīng)力加載方式Figure 2 Paleostress loading mode during fissure forming stage

2 目的煤層裂縫參數(shù)模擬結(jié)果分析

依據(jù)建立好的應(yīng)力、應(yīng)變與煤層裂縫參數(shù)之間的定量關(guān)系及數(shù)學(xué)模型，在現(xiàn)今應(yīng)力場模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合上文所確定的古應(yīng)力加載方式，利用ANYSY軟件，展開目的層裂縫參數(shù)空間分布預(yù)測，得到目的層裂縫現(xiàn)今開度孔、隙度等參數(shù)，從而在宏觀上把握研究區(qū)15號煤層裂縫的發(fā)育規(guī)律。

2.1 裂縫開度分布

受現(xiàn)今地應(yīng)力場的影響，裂縫開度會發(fā)生變化，進(jìn)而影響到裂縫的孔隙度及滲透率。從裂縫開度分布圖(圖3)可以看出，15號煤層裂縫開度主要分布在0.1～0.3mm， 柿莊北地區(qū)實測煤層構(gòu)造裂縫開度在0.26mm左右， 模擬得到的開度與實際開度吻合較好。15號煤層裂縫開度分布規(guī)律明顯，背斜頂部及向斜翼部開度較大，在0.22～0.6mm，接下來是斷層兩側(cè)，為0.18～0.3mm，向斜區(qū)的開度值較小，基本上小于0.2mm，構(gòu)造低部位開度值相比于構(gòu)造高部位較小，比如研究區(qū)西北角開度普遍小于0.18mm。

圖3 柿莊北地區(qū)15號煤層裂縫開度分布圖Figure 3 Coal No.15 fissure openings distribution in Shizhuangbei area

2.2 裂縫孔隙度分布

由圖4來看，15號煤層裂縫孔隙度在1.5%～20%，集中于3.4%～14%，并且分布規(guī)律明顯，與開度分布規(guī)律有著很好的相似性。孔隙度分布與構(gòu)造形態(tài)及構(gòu)造部位有密切的關(guān)系，斷層兩側(cè)為明顯的高值區(qū)，隨著與斷層的距離增大逐漸減小，為6.8%～20%；背斜及向斜翼部孔隙度較大，一般大于4.8%，向斜區(qū)為孔隙度低值區(qū)，小于4.8%，另外構(gòu)造高部位的孔隙度值要大于構(gòu)造低部位。

圖4 柿莊北地區(qū)15號煤層裂縫孔隙度分布圖Figure 4 Coal No.15 fissures and porosities distribution in Shizhuangbei area

2.3 裂縫滲透率分布

由圖5來看，柿莊北地區(qū)15號煤層裂縫EW向滲透率與SN向滲透率大小基本相同，總體上來看小于1mD，垂向滲透率相比于前兩者要小一個數(shù)量級，基本小于0.2mD，這點體現(xiàn)了煤層滲透率的各向異性特征。

圖5 柿莊北地區(qū)15號煤層裂縫東西向、南北向及垂向滲透率分布圖Figure 5 Coal No.15 EW, NS and vertical fissure permeabilities distribution in Shizhuangbei area

對比三向滲透率，發(fā)現(xiàn)三者分布基本規(guī)律一致并且與開度分布規(guī)律有著很好的相似性；斷層兩側(cè)為明顯的高值區(qū)，隨著與斷層的距離增大逐漸減小，EW向和SN向滲透率0.03～1mD，垂向滲透率0.07～0.2mD；背斜頂部及向斜翼部滲透率相比于向斜區(qū)較大；構(gòu)造低部位及向斜部位屬于明顯的低值區(qū)，EW向和SN向滲透率普遍小于0.03mD，垂向滲透率基本小于0.007mD。

2.4 裂縫模擬結(jié)果驗證

2.4.1 裂縫孔隙度對比

將模擬得到的15號煤層裂縫孔隙度結(jié)果與試井結(jié)果對比(表2)，總體上來看模擬所得15號煤層裂縫孔隙度與實際結(jié)果吻合度較好， 模擬結(jié)果可信度高，誤差小于15%的井有11口，個別井誤差較大，有5口，誤差在15%～30%。原因是由于煤儲層為孔隙-裂隙雙重孔隙介質(zhì)，總孔隙度包括基質(zhì)孔隙度和裂縫孔隙度[3]， 而模擬結(jié)果只是包括了構(gòu)造裂縫的孔隙度，不能反映基質(zhì)孔隙，會造成一定誤差，另外對研究區(qū)巖心觀察發(fā)現(xiàn)煤層裂縫不同程度被充填物所充填，也會使模擬結(jié)果與實際結(jié)果發(fā)生偏差。

表2 孔隙度對比表Table 2 Comparison of porosities

2.4.2 裂縫滲透率對比

將模擬得到的15號煤層裂縫滲透率與試井及壓汞測試對比如下(圖6)，由于模擬得到的滲透率為三個方向的滲透率，而試井及壓汞的滲透率為整體滲透率，因此將各個井點的三向滲透率大小變化與測試結(jié)果進(jìn)行對比，對比發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實際測試結(jié)果，滲透率大小變化趨勢基本一致，說明模擬過有效性高。

圖6 模擬滲透率與測試結(jié)果對比圖Figure 6 Comparison of simulated and tested permeabilities

3 結(jié)論

15號煤層開度、孔隙度、滲透率分布規(guī)律明顯，并且孔隙度和滲透率與開度有很好的相關(guān)性。煤層裂縫參數(shù)在斷層兩側(cè)為明顯的高值區(qū)，隨著與斷層的距離增大逐漸減小，背斜及向斜翼部較大，向斜區(qū)為低值區(qū)，構(gòu)造高部位孔隙度、滲透率值要大于構(gòu)造低部位。另外EW向滲透率與SN向滲透率大小基本相同，明顯大于垂向滲透率，反應(yīng)了煤層滲透率的各向異性特征。將應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果與實際測試結(jié)果對比，證明了模擬的有效性，達(dá)到了預(yù)測15號煤層高滲區(qū)的目的，為后續(xù)煤層氣開發(fā)提供了重要支撐。

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