曲 銘

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司 勘探分公司，山西 晉城 048012)

1 研究區(qū)基本概況

潘莊煤層氣區(qū)塊位于沁水煤田東南部沁水縣境內，地理坐標為東經 112°24' 00" ～ 112°36'00"，北緯35°40'00" ～35°34' 43"，面積為157.755 km2[1]。區(qū)塊內含煤地層發(fā)育，主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，共計含可采、不可采煤層21層，煤層總厚度9.9～17.8 m，平均13.4 m，含煤系數9.10%。山西組3號煤層、太原組15號煤層分別為區(qū)塊穩(wěn)定、較穩(wěn)定可采煤層，太原組9號煤層為區(qū)塊較穩(wěn)定大部可采煤層，其余為不穩(wěn)定、不可采煤層。

3號煤層為區(qū)塊礦井主采和煤層氣主力開發(fā)煤層，煤類為無煙煤(Ro,max=3.68%～4.36%)，埋藏深度122～695 m，厚度為5.04～7.16 m，平均6.11 m。原煤瓦斯含量一般為5.88～32 m3/t，基本在8 m3/t以上。煤層結構簡單，一般含炭質泥巖和泥巖夾矸0～5層，一般l～2層，厚度一般為0.10～1.05 m。煤體結構以原生結構煤為主，構造煤不甚發(fā)育，煤中割理系統(tǒng)相對發(fā)育。單軸壓縮楊氏模量0.11～1.45 GPa，平均1.27 GPa。泊松比0.32～0.35，平均0.33；三軸壓縮條件下，內摩擦角24.6～28.5°，平均27.1°。內聚力0.89～1.02 MPa，平均0.95 MPa。

為解決礦井開采3號煤層過程中的礦井瓦斯涌出量大、瓦斯時常超限及煤與瓦斯突出等瓦斯難題，原晉煤集團(現晉能控股裝備公司)于20世紀90年代初與美國美中能源公司合作開展地面煤層氣開發(fā)試驗，試驗非常成功，打破了無煙煤不可抽放的歷史，開創(chuàng)了采煤采氣一體化綜合開發(fā)模式之先河[2]。21世紀以來，區(qū)塊內加大了煤層氣勘探開發(fā)力度，創(chuàng)建了首個“國家煤層氣示范工程項目”，成為了我國煤層氣商業(yè)開發(fā)最為成功的“甜點區(qū)”[3-4]。

2 壓裂工程關鍵基礎參數

壓裂液量、支撐劑量、壓裂排量、砂比等壓裂工程關鍵基礎參數控制著壓裂裂縫的形態(tài)和延展特征[5]，對煤層氣井產能和采收率亦具有重要影響[6-7]。通過對潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫監(jiān)測井的壓裂工程關鍵基礎參數統(tǒng)計分析可知(表1)，區(qū)塊壓裂層段即為3號煤層段，壓裂段埋藏深度(或3號煤層埋藏深度)均在500 m以淺，屬于淺埋深儲層壓裂。壓裂層段厚度與3號煤層厚度一致，一般為5.83～6.25 m，平均6.02 m。煤層氣井壓裂方式均為常規(guī)水力壓裂，壓裂規(guī)?？傮w較小，屬于小規(guī)模壓裂，壓裂液總量481.7～619.8 m3，平均544.7 m3；支撐劑加入總量30～35 m3，平均32.5 m3；壓裂排量大小為中等，一般為7.8～8.5 m3/min，平均8.2 m3/min；壓裂平均砂比為低砂比，一般為7.2%～7.6%，平均7.4%；破裂壓力8.8～22.2 MPa，平均14.9 MPa。

3 煤層壓裂裂縫監(jiān)測及延展特征

3.1 壓裂裂縫監(jiān)測方法及原理

低滲油氣藏儲層壓裂改造，是儲層增透、增滲、油氣井增產和提高采收率的重要舉措，壓裂裂縫及延展特征對儲層改造效果具有重要影響，因而油氣藏開發(fā)過程中尤為重視壓裂裂縫的監(jiān)測、分析和評價等研究工作[8-11]。經過多年的研究和工程實踐，迄今為止在裂縫監(jiān)測理論、監(jiān)測技術、監(jiān)測方法及裝備等方面取得喜人進展，對油氣藏高效開發(fā)和油氣工業(yè)發(fā)展起到有力助推作用[12-13]。微地震實時監(jiān)測技術是一種根據監(jiān)測微地震信號或發(fā)震事件來分析生產活動的地球物理探測技術，可對壓裂裂縫高度、長度及裂縫延展的優(yōu)勢方位等進行實時監(jiān)測和判識[14]，與其他裂縫監(jiān)測技術相比，微地震裂縫監(jiān)測技術具有技術成熟、操作便捷、適應性強、發(fā)震信號實時監(jiān)測、數據采集和處理自動化、監(jiān)測結果可靠性高等諸多特點，近年來被廣泛應用于油氣開發(fā)井壓裂裂縫實時監(jiān)測、壓裂裂縫形態(tài)及延展特征研究[15]。為此，本文采用微地震實時監(jiān)測技術對潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫延展特征進行研究。

油氣井壓裂過程中隨著高壓壓裂液不斷注入井筒及地層，井筒壓力及地層壓力持續(xù)升高，當地層壓力大于地層巖石破裂壓力時，巖石就會發(fā)生破壞形變。為了定量描述和表征壓裂過程中地層巖石的起裂、破壞形變特征，引入了摩爾—庫倫準則[16]，其表達式如下：

τ≥τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)cos(2φ)/2

(1)

τ=(S1-S2)sin(2φ)/2

(2)

式中：τ0為巖石的抗剪強度(當沿著原有的裂縫面錯斷時，其值為零)，MPa；τ為作用于裂縫面的剪切作用應力，MPa；P0為地層壓力，MPa；φ為最大主應力法向與裂縫面間的夾角，°；S1為作用于地層的最大主應力，MPa；S2為作用于地層的最小主應力，MPa。

由摩爾-庫倫準則公式(1)、(2)可知，地層壓力(P0)的變化會導致微地震事件發(fā)生，隨著地層壓力(P0)增大時，公式(1)的右側數值隨之減小，當作用于裂縫面的剪切應力(τ)大于煤巖固有的無法向應力抗剪斷強度(τ0)時，地層煤巖起裂、形成裂縫網絡。此時，在裂縫邊緣發(fā)生微地震事件或活動，微地震信號以球面波的形式在地層中向四周傳播[15]。在壓裂井周邊布置多個微地震信號接收器實時接收壓裂過程中的微地震信號，通過信號轉換和處理后傳輸給母站，數據經過微機處理分析，實現微地震震源及分布的判識、壓裂裂縫長度、高度及裂縫延展優(yōu)勢方位的解釋和判識。

3.2 微地震壓裂裂縫實時監(jiān)測基本流程

壓裂前對監(jiān)測井及周邊地形地貌進行實地踏勘，尋找出適宜布置微地震信接收儀(或信號檢波器)的位置，再根據壓裂井的鉆井測斜數據通過校正確定井口在水平面上的投影點(即坐標原點“O”)，以井口投影點為中心在其周邊不同方位及不同位置的適宜地點布置微地震信接收儀(或信號檢波器)分站點，再對井口及各站點坐標進行測定，進而得到信號接收分站點相對井口的水平面投影點(圖1)。打開主站信號接收和處理站儀器，調試其與各分站間的通信聯(lián)絡情況、背景噪音，并進行相關參數設定。

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂井裂縫實時監(jiān)測站點分布

壓裂前5 min，打開測試儀器，對壓裂裂縫進行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測信號及數據進行實時采集、處理和分析。鑒于壓裂停泵后壓裂液和支撐劑會在原泵壓下繼續(xù)延伸，因而在壓裂結束后要繼續(xù)監(jiān)測20 min，保存監(jiān)測數據，關機，收拾各監(jiān)測儀器，裝箱、打包，完成本次壓裂裂縫監(jiān)測工程。

3.3 壓裂裂縫延展特征

潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫實時監(jiān)測成果資料見表2、圖2、圖3。研究區(qū)壓裂煤層破裂顯著，受最大水平主應力方向控制，壓裂裂縫主要沿著水平方向延展，垂直方向次之，裂縫延展優(yōu)勢方位為NNE13～NE58°。東、西翼裂縫長度基本小于100 m，一般為57.2～109.0 m。其中，東翼長度57.2～109.0 m，平均71.7 m。西翼長度一般為74.3～92.5 m，平均81.7 m。裂縫總長度131.5～192.6 m，平均153.4 m；裂縫高度16.7～29.2 m，平均21.5 m。受煤層自身非均質、各向異性、構造應力大小及應力場分布、原生裂隙發(fā)育程度等因素及其耦合作用影響[17-18]，致使煤層氣壓裂井在壓裂規(guī)?；鞠喈斍闆r下，裂縫長度(包括單翼裂縫長度及總長度)、裂縫高度及裂縫延展優(yōu)勢方位有所不同。同時，對壓裂關鍵基礎參數(表1)與裂縫特征參數(表2)之間進行了數理相關性分析，發(fā)現壓裂液總量和排量對裂縫總長影響顯著，但對裂縫高度影響不明顯。據相關性分析，壓裂液總量、排量與裂縫總長間具有良好的線性正相關性(y裂縫總長=0.374 2x總液量-50.486,R2=8 478;y裂縫總長=61.969x排量-353.25,R2=5 382)，這是因為壓裂液總量和排量分別控制著壓裂規(guī)模大小和壓裂液注入強度，煤層氣井在高排量和大液量壓裂情況下，高強度注入地層的壓裂液量越大，裂縫延伸得更遠，反之亦然[19-20]。

圖2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫長度及方位

圖3 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫延展高度

表2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層壓裂裂縫延展特征參數統(tǒng)計

4 結 語

1) 壓裂裂縫的延展特征受諸多地質要素、儲層物性及壓裂關鍵參數等控制，使得壓裂規(guī)模相近的情況下，壓裂井的裂縫長度、高度和延展方位等有所差異。壓裂液總量和排量分別控制著壓裂規(guī)模和壓裂強度，亦對壓裂裂縫延伸長度有著顯著影響。

2) 在淺埋深、小液量、中等排量、低砂比等壓裂情況下，壓裂裂縫以水平裂縫發(fā)育為主，垂直裂縫次之。受最大水平主應力控制，裂縫延展的優(yōu)勢方位為NNE13～NE58°,裂縫總長度131.5～192.6 m，裂縫高度16.7～29.2 m。