許露露, 李雄偉, 余江浩, 王 億, 謝 通, 周向輝, 龔志愚,徐玳笠, 程 琳, 田 成

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

沁南盆地是中國(guó)最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)的高煤階煤層氣田[1]。鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū),主力煤層為山西組3號(hào)煤,煤層平均厚度達(dá)5.5 m,平均煤層氣含量達(dá)20 m3/t,煤層氣含氣總面積約700 km2,煤層氣資源量巨大[2]。前人對(duì)煤層抗拉強(qiáng)度做過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究,一般而言,隨著含水量的增加煤層的抗拉強(qiáng)度隨之降低,垂直于層理面的抗拉強(qiáng)度大于平行于層理面的抗拉強(qiáng)度[3]。顏志豐(2009)[4]在研究寺河煤礦抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn),若不考慮煤層的方向性,密度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不大。吳基文(2003,2005)[5-6]用套筒致裂法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤層抗拉強(qiáng)度,認(rèn)為煤的抗拉強(qiáng)度受到煤體結(jié)構(gòu)控制,各向異性明顯,且煤層抗拉強(qiáng)度與縱波波速存在較好的冪指數(shù)關(guān)系。朱寶存等(2009)[7]在分析煤巖與頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂的影響時(shí)認(rèn)為,控制煤巖抗拉強(qiáng)度的主要因素是巖性、孔隙特征和含水率。關(guān)于煤層力學(xué)參數(shù)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響,前人進(jìn)行過(guò)一些研究,總體上研究較少 。陳勉等(2000)[8]通過(guò)真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)頂?shù)装甯魧优c儲(chǔ)層彈性模量比值較高(>10)時(shí),這種物性差異對(duì)水力裂縫垂向穿層的抑制作用才比較明顯,即能限制縫高的擴(kuò)展。烏效鳴(1997)[9]研究認(rèn)為,煤層不同方向的抗拉強(qiáng)度直接影響裂縫產(chǎn)狀,尤其當(dāng)要確定壓裂形成垂直縫和水平縫時(shí),抗拉強(qiáng)度是必然要考慮的參數(shù)。

對(duì)沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊進(jìn)行了9口煤層氣井的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試,對(duì)力學(xué)參數(shù)的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)影響煤層抗拉強(qiáng)度的相關(guān)因素進(jìn)行了線性相關(guān)性分析,并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)方法研究了影響抗拉強(qiáng)度的主控因素,同時(shí)還探討了煤巖抗拉強(qiáng)度對(duì)煤層水力壓裂裂縫的影響。

1 力學(xué)特征分析

通過(guò)對(duì)鄭莊區(qū)塊9口煤層氣井的力學(xué)測(cè)試及統(tǒng)計(jì)分析得知,抗壓強(qiáng)度分布在7.45～20.91 MPa,抗拉強(qiáng)度分布在0.36～0.93 MPa,彈性模量分布在580～1 630 MPa,各井泊松比比較接近,分布在0.30～0.33(表1)。煤巖抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及泊松比均呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性(圖1-a、b、c),其中抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性最好,擬合程度達(dá)到0.948。除Z8井以外,大部分井煤巖抗拉強(qiáng)度均小于頂?shù)装蹇估瓘?qiáng)度(圖1-d)。錄井資料顯示,Z8井底板巖性為泥巖,表明當(dāng)泥巖層較疏松、孔滲性較好且含水性較好時(shí),泥巖抗拉強(qiáng)度有可能低于煤層抗拉強(qiáng)度。

表1 鄭莊區(qū)塊煤層氣測(cè)試井的力學(xué)性質(zhì)Table 1 Mechanical properties of coal seam gas test in Zhengzhuang block

2 抗拉強(qiáng)度影響因素分析

對(duì)于煤層抗拉強(qiáng)度的影響因素分析,前人進(jìn)行過(guò)少量研究,煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組的發(fā)育有利于割理裂隙的形成,因此鏡質(zhì)組含量與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性[10],當(dāng)煤級(jí)在無(wú)煙煤階段時(shí),鏡質(zhì)組反射率與抗拉強(qiáng)度為正相關(guān)性[11]。本次工作選取了含氣量報(bào)告中9口煤層氣井的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(表2),針對(duì)煤巖密度、鏡質(zhì)組反射率、礦物含量、水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量等6個(gè)參數(shù)建立了相關(guān)散點(diǎn)圖,并分析了其與抗拉強(qiáng)度之間的相關(guān)性。如圖2所示,煤巖密度、鏡質(zhì)組反射率及礦物含量與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性,水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,該地區(qū)3#煤層鏡質(zhì)組反射率、鏡質(zhì)組含量與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性與前人的研究結(jié)果一致。進(jìn)一步研究得出,礦物含量是通過(guò)粘土礦物膠結(jié)性來(lái)影響煤巖抗拉強(qiáng)度的。鄭莊9口煤層氣井的礦物測(cè)試分析表明,各井煤層中的礦物組成均以粘土礦物為主,其他礦物含量較少(圖3-a),且粘土礦物含量與礦物含量呈現(xiàn)較好的線性正相關(guān),當(dāng)?shù)V物含量較高時(shí),粘土含量相應(yīng)較高(圖3-b)。由于粘土礦物具有較強(qiáng)的膠結(jié)性,能增強(qiáng)煤巖的抗拉強(qiáng)度。因此,抗拉強(qiáng)度與礦物含量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性(圖2-c)。

圖1 鄭莊區(qū)塊煤層氣測(cè)試井力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析Fig.1 Statistical analysis of mechanical properties of CBM well in Zhengzhuang block

井號(hào)抗拉強(qiáng)度/MPa礦物含量/%水分含量/%鏡質(zhì)組含量/%密度/(g·cm-3)Ro/%裂隙密度/(條·cm-1)Z10.432.41.5892.71.523.696.3Z20.938.81.6273.81.543.885.0Z30.336.21.0487.91.513.494.4Z40.571.0061.71.53.154.7Z50.366.21.4766.91.523.46.2Z60.654.11.2270.11.523.327.4Z70.786.40.99631.603.556.3Z80.757.21.0469.61.543.375.0Z90.768.81.1965.91.553.616.9

圖2 鄭莊區(qū)塊煤層氣測(cè)試井煤層抗拉強(qiáng)度影響因素分析Fig.2 Analysis of influencing factor of tensile strength of CBM well in Zhengzhuang

圖3 研究區(qū)煤層氣測(cè)試井粘土礦物相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of clay minerals in CBM well in the study area

上述散點(diǎn)圖能定性地分析各因素與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。但不能判斷這6個(gè)因素中影響抗拉強(qiáng)度的主控因素。而灰色關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)分析方法可以定量分析出各因素與抗拉強(qiáng)度直接的關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)分析的目的在于定量地表征系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的關(guān)聯(lián)程度,尋找影響系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)的主要因素[12]。灰色關(guān)聯(lián)分析主要包括3個(gè)計(jì)算過(guò)程:

①

(2) 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算。主參數(shù)列與輔參數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)的公式如下:

②

(3) 關(guān)聯(lián)度計(jì)算。關(guān)聯(lián)度為各個(gè)時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值,即:

③

式中:ri,0為輔參數(shù)列i與主參數(shù)列0的關(guān)聯(lián)度;n為數(shù)列長(zhǎng)度,即煤層氣井的數(shù)量。

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明,密度與抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度最高,其次是礦物含量與鏡質(zhì)組反射率(表3)。煤層密度與抗拉強(qiáng)度之間良好的相關(guān)性,是由于煤巖密度受到煤巖顯微組分、無(wú)機(jī)礦物以及它們之間孔隙的影響。當(dāng)密度較小時(shí),煤層表現(xiàn)為礦物含量少,顯微組分含量多,孔隙度較大,從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較小。因此,煤巖密度和抗拉強(qiáng)度之間呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性。

表3 抗拉強(qiáng)度灰色關(guān)聯(lián)分析Table 3 Grey correlation analysis of tensile strength

3 抗拉強(qiáng)度對(duì)裂縫形態(tài)及幾何參數(shù)的影響

④

⑤

煤層抗拉強(qiáng)度不僅對(duì)水力壓裂時(shí)形成裂縫形態(tài)產(chǎn)生影響,而且對(duì)形成的水力裂縫的幾何參數(shù)產(chǎn)生影響。煤層與頂?shù)装逯g的抗拉強(qiáng)度差值對(duì)水力裂縫縫長(zhǎng)與縫高的相關(guān)性分析結(jié)果表明,縫高隨著頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值的增大而減小,擬合度值為0.913(圖4-a),縫高隨著底板與煤層抗拉強(qiáng)度差值的增大同樣減小,擬合度值為0.328(圖4-b),說(shuō)明頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值對(duì)縫高的影響更為顯著;縫長(zhǎng)隨著頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值的增大而增大,擬合度為0.438(圖4-c),縫長(zhǎng)隨著底板與煤層抗拉強(qiáng)度差值的增大而增大,擬合度為0.277(圖4-d),說(shuō)明頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值對(duì)縫長(zhǎng)的影響更為顯著。無(wú)論是頂板還是底板,抗拉強(qiáng)度差值與縫高的擬合程度要高于其與縫長(zhǎng)的擬合程度。

圖4 煤層抗拉強(qiáng)度與裂縫幾何參數(shù)分析Fig.4 Analysis of tensile strength of coal seams and geometric parameters of fracture

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性,其中以抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的擬合程度最好;3號(hào)煤層頂板抗拉強(qiáng)度均大于煤層抗拉強(qiáng)度且分布穩(wěn)定,而底板抗拉強(qiáng)度值波動(dòng)較大,甚至低于煤層抗拉強(qiáng)度。

(2) 統(tǒng)計(jì)分析表明,煤層抗拉強(qiáng)度與鏡質(zhì)組反射率、煤巖密度和礦物含量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性,而與水分含量、顯微裂隙密度及鏡質(zhì)組含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。灰色關(guān)聯(lián)方法分析表明,煤巖密度、礦物含量對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。煤巖密度是通過(guò)礦物含量以及孔隙度來(lái)影響煤巖抗拉強(qiáng)度的,而礦物含量是通過(guò)粘土礦物的膠結(jié)性來(lái)影響抗拉強(qiáng)度。

(3) 煤層壓裂形成的裂縫形態(tài)取決于三個(gè)因素的大小:垂向地應(yīng)力、水平最小地應(yīng)力及煤層抗拉強(qiáng)度,由于煤層抗拉強(qiáng)度值較小,只有當(dāng)煤層垂向地應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力比較接近時(shí),煤層抗拉強(qiáng)度才對(duì)水力裂縫的形態(tài)起到影響。

(4) 煤層抗拉強(qiáng)度對(duì)裂縫幾何參數(shù)有明顯的影響。統(tǒng)計(jì)分析表明縫高隨著頂?shù)装迮c煤層抗拉強(qiáng)度差的增大而減小,其中頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值對(duì)縫高的影響更為顯著?？p長(zhǎng)隨著頂?shù)装迮c煤層抗拉強(qiáng)度差的增大而增大,其中頂板與煤層抗拉強(qiáng)度差值對(duì)縫長(zhǎng)的影響更為顯著。無(wú)論是頂板還是底板,抗拉強(qiáng)度差值與縫高的擬合程度要高于其與縫長(zhǎng)的擬合程度。