龔訓(xùn) ，王延斌 ，韓文龍 ，吳翔 ，李建紅 ，張海霞

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015；3.中國(guó)石化中原油田分公司文衛(wèi)采油廠，山東 聊城 252429）

0 引言

斷層對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)具有重要影響，尤其是正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征更是明顯受到斷層活動(dòng)的控制。查明斷層對(duì)煤儲(chǔ)層的作用機(jī)制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)及商業(yè)化進(jìn)程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-3］。斷層的頻繁活動(dòng)會(huì)對(duì)該斷層附近煤儲(chǔ)層的煤體結(jié)構(gòu)、滲透率、地應(yīng)力等特征產(chǎn)生顯著影響，并且導(dǎo)致煤層氣的逸散［4-5］；同時(shí)，斷層活動(dòng)產(chǎn)生的煤粉還會(huì)堵塞煤層氣的運(yùn)移通道，給煤層氣的鉆井、壓裂、排采作業(yè)帶來(lái)極大的困難［6-7］。沁水盆地柿莊南區(qū)塊斷層活動(dòng)頻繁，為了獲取該區(qū)豐富的煤層氣資源，查明斷層與煤儲(chǔ)層之間的關(guān)系成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題［8］。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層特征的研究已經(jīng)取得了許多認(rèn)識(shí)。孟召平等［9］通過(guò)觀測(cè)煤巖裂隙特征與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法得出，隨著距斷層距離的增大，正斷層附近煤儲(chǔ)層的煤體結(jié)構(gòu)完整程度逐漸增高。李志恒等［10］利用動(dòng)液面計(jì)算儲(chǔ)層壓力的方法得出，正斷層附近煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與儲(chǔ)層距斷層的距離具有很強(qiáng)的相關(guān)性。這些研究都只探討了正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，并未將其與工程方面相結(jié)合，并且關(guān)于正斷層影響下煤儲(chǔ)層可壓距離的研究也較少，大部分學(xué)者對(duì)于該方面的內(nèi)容僅僅只是一筆帶過(guò)。鑒于這種情況，本文以柿莊南區(qū)塊F11斷層為研究對(duì)象，通過(guò)分析F11斷層附近煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，利用“測(cè)距”法研究斷層作用下煤儲(chǔ)層的相關(guān)參數(shù)與距斷層距離的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層的分帶劃分，針對(duì)第二帶優(yōu)化了壓裂參數(shù)，以期為優(yōu)化正斷層發(fā)育區(qū)的壓裂工藝提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地是我國(guó)面積較大的含煤盆地之一，位于山西省東南部，是我國(guó)煤層氣的主要開(kāi)采基地之一。本次研究的柿莊南區(qū)塊位于沁水盆地的東南部，面積約763.2 km2［3］，含有豐富的煤層氣資源，是我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要研究區(qū)之一。該區(qū)的主采煤層為3#和15#煤層，其中3#煤層在全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，是較好的煤層氣勘探目的層位，煤層厚度最小4.16 m，最大8.80 m，平均6.30 m。區(qū)內(nèi)煤層為近南北向、向西傾的單斜構(gòu)造［11］，斷層主要發(fā)育在研究區(qū)的北部（以近南北走向斷層為主），南部斷層不發(fā)育（見(jiàn)圖1）。該區(qū)最大的斷層為寺頭斷層，位于研究區(qū)中部［12-13］。此外，較發(fā)育的正斷層為 F7，F(xiàn)8，F(xiàn)9，F(xiàn)10，F(xiàn)11，F(xiàn)12。 3#煤層主要經(jīng)受了印支期、燕山期及喜山期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，并形成了許多大小不一的斷層，從而加大了該區(qū)煤層氣的開(kāi)發(fā)難度［14］。

圖1 研究區(qū)斷層分布

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)11斷層附近3#煤層的含氣量在8.02～13.22 m3/t，儲(chǔ)層壓力在 3.66～8.53 MPa，平均 4.75 MPa。這表明該斷層附近的煤層氣資源較為豐富，是較好的煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)，在該區(qū)域進(jìn)行的試井工作也很好地證實(shí)了這一點(diǎn)。

2 正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層特征

2.1 地應(yīng)力

地應(yīng)力的形成主要與地球的各種地質(zhì)作用有關(guān)，按照成因，可將其分為自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及殘余應(yīng)力等［15］。隨著研究的不斷深入，當(dāng)前地應(yīng)力的主要計(jì)算方法有水壓致裂法、應(yīng)力（應(yīng)變）解除法、鉆孔崩落法及聲發(fā)射法等［16］。其中，水壓致裂法和應(yīng)力（應(yīng)變）解除法是目前應(yīng)用較多的研究方法。本文選取水壓致裂法來(lái)對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行分析。

水壓致裂法于20世紀(jì)70年代興起，具有操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單及測(cè)量精確（不依賴于巖石彈性參數(shù)）等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛地應(yīng)用于地應(yīng)力的測(cè)量［17］，主要步驟如下［11-12］：

1）根據(jù)地面垂直鉆孔水力壓裂測(cè)量地應(yīng)力的方法可知，閉合壓力pc即最小水平主應(yīng)力σh。

2）最大水平主應(yīng)力σH為

式中：pf為煤儲(chǔ)層破裂壓力，MPa；p0為煤儲(chǔ)層壓力，MPa；T為煤或巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa。

3）垂直主應(yīng)力σv可根據(jù)上覆巖石的重力計(jì)算。

式中：γ為巖石容重，kN/m3；h為上覆巖石的厚度，m。

本次研究的3#煤層深度為496～1 267 m，平均787 m。通過(guò)水壓致裂法可以算出3#煤層的最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力，然后利用測(cè)井與試井資料進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。結(jié)果表明，3#煤層的地應(yīng)力整體呈現(xiàn)出σH>σv?σh，這剛好屬于走滑斷層應(yīng)力機(jī)制的組合類型［15-16，18］。

地應(yīng)力控制壓裂裂縫的開(kāi)啟、走向和長(zhǎng)度［19-21］。當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大時(shí)，水力壓裂的裂縫也會(huì)相應(yīng)增加［22］。而主應(yīng)力差（σH-σh）與壓裂裂縫的延伸長(zhǎng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因此，選取研究區(qū)F11斷層附近3條測(cè)線上的壓裂井（見(jiàn)圖1），利用“測(cè)距”法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)層主應(yīng)力差的大小與壓裂井和斷層的距離有關(guān)，即在一定范圍內(nèi)，隨著壓裂井距F11斷層距離的增加，主應(yīng)力差呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）。這是因?yàn)閿鄬訉?duì)地應(yīng)力的影響存在一個(gè)作用范圍，即斷層對(duì)煤儲(chǔ)層所能影響的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，斷層對(duì)煤儲(chǔ)層具有控制作用，且這種控制作用會(huì)隨著距斷層距離的增加而變??；但是，在該區(qū)域以外，斷層對(duì)煤儲(chǔ)層的作用基本可以忽略。

圖2 主應(yīng)力差與距F11斷層距離的關(guān)系

2.2 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)是指煤儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造作用所形成的結(jié)構(gòu)特征，是影響煤層氣開(kāi)發(fā)的重要因素，也是影響煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征、煤層氣運(yùn)移及賦存的關(guān)鍵因素之一［23］。通常根據(jù)煤體破碎的程度，煤可分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤4類，其中原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤統(tǒng)稱為原生結(jié)構(gòu)煤，而碎粒煤與糜棱煤同屬于構(gòu)造煤［24］。當(dāng)前研究煤體結(jié)構(gòu)的主要方法有地球物理勘探技術(shù)和測(cè)井技術(shù)等。斷層的存在使得該區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)頻發(fā)，從而對(duì)該區(qū)域的煤儲(chǔ)層產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此研究斷層發(fā)育區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)是很有必要的。孟召平等［25］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：原生結(jié)構(gòu)煤受到一定程度的構(gòu)造破壞，天然裂隙發(fā)育，煤儲(chǔ)層原生結(jié)構(gòu)基本保存，此時(shí)煤層氣具有良好的網(wǎng)絡(luò)通道以及較高的滲透率；構(gòu)造煤則由于強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用，煤體破碎強(qiáng)烈，原生結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的煤粉堵塞、充填了較為發(fā)育的天然裂隙，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率較低。因此，本文定量地研究了斷層與煤體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以期得到較好的結(jié)論來(lái)表征正斷層發(fā)育區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)已有的煤體結(jié)構(gòu)與測(cè)井響應(yīng)之間的關(guān)系研究，雖然在不同地區(qū)所得的結(jié)論會(huì)有一點(diǎn)差異，但是總體上都呈現(xiàn)出一致性，即井徑和深、淺側(cè)向電阻率在不同煤體結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出較為明顯的敏感性［25］。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，碎粒煤比率與煤體結(jié)構(gòu)的好壞具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，本次研究利用碎粒煤比率來(lái)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的好壞進(jìn)行定量表征。根據(jù)F11斷層附近3條測(cè)線上相應(yīng)井的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出該井煤的碎粒煤比率，從而得出煤體結(jié)構(gòu)與距F11斷層距離的關(guān)系（見(jiàn)圖3）。分析認(rèn)為：在距F11斷層200 m以內(nèi)的范圍，碎粒煤比率大于50%，從而可以認(rèn)為該斷層附近的煤體結(jié)構(gòu)較為破碎；隨著距F11斷層距離的增加，碎粒煤比率不斷減小，煤體結(jié)構(gòu)則越來(lái)越好。

圖3 碎粒煤比率與距F11斷層距離的關(guān)系

2.3 裂隙分布

通過(guò)分析研究區(qū)的鉆井資料及測(cè)井資料，再結(jié)合研究區(qū)煤樣的裂隙分布特征，本次研究選用鉆探取心的煤樣裂隙率來(lái)表征煤儲(chǔ)層的裂隙分布。裂隙率是指沿著鉆進(jìn)的方向在巖心表面測(cè)量的單位長(zhǎng)度下巖心裂隙的總寬度［20，24］。通過(guò)使用掃描電鏡及光學(xué)顯微鏡觀察微觀裂隙，并對(duì)其進(jìn)行定量化的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖4，負(fù)號(hào)表示相反方向）：在一定范圍內(nèi)，隨著距F11斷層距離的增加，裂隙率減小；當(dāng)距F11斷層距離超過(guò)某一值（約600 m）時(shí)，裂隙率基本保持不變。

圖4 裂隙率與距F11斷層距離的關(guān)系

此外，由于正斷層受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，在形成過(guò)程中會(huì)在斷層面附近形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，該應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤儲(chǔ)層所受到的應(yīng)力會(huì)增加，從而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層發(fā)生明顯的變形破碎，力學(xué)強(qiáng)度也大幅度降低［10］，并且隨著距斷層距離的加大，這種應(yīng)力作用也會(huì)減弱；因此，煤巖的力學(xué)強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度在平面上與距斷層距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是，由于正斷層的上盤是斷層的主動(dòng)盤，在其形成中除了受到構(gòu)造作用的影響外，還會(huì)受到因重力作用下滑而產(chǎn)生的次生應(yīng)力及斷塊之間相互作用產(chǎn)生的局部應(yīng)力的影響［24-25］。正是由于這些額外的力的作用，正斷層上盤對(duì)裂隙的影響范圍更遠(yuǎn)，同時(shí)上盤的破碎更加嚴(yán)重，從而使得上盤的裂隙率相比下盤更大，一般為同一個(gè)斷層下盤的1.5倍左右。此外，該作用還會(huì)導(dǎo)致上盤的裂隙性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。在距斷層一定距離處，斷層面及其附近的破裂面的裂隙會(huì)轉(zhuǎn)化為張扭性及壓扭性裂隙。這些轉(zhuǎn)化而成的裂隙通常呈近“X”形和雁列式排列，從而導(dǎo)致在距斷層一定距離內(nèi)，出現(xiàn)裂隙由張性到壓扭性、張扭性再到張性的變化特征［21］，該特征決定了煤儲(chǔ)層附近滲透率的大小。

3 壓裂參數(shù)優(yōu)化

3.1 整體優(yōu)化思路

根據(jù)地質(zhì)參數(shù)的特征，將正斷層發(fā)育區(qū)煤儲(chǔ)層劃分為3個(gè)區(qū)域（不同區(qū)域煤儲(chǔ)層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1），并根據(jù)該區(qū)域已有的壓裂井資料，針對(duì)不同的區(qū)域選取相應(yīng)的壓裂工藝。相比于其他壓裂技術(shù)，活性水壓裂技術(shù)具有成本低、對(duì)煤儲(chǔ)層污染小的優(yōu)點(diǎn)［24］，并且在沁水盆地廣泛應(yīng)用，因此本次研究選取該技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際開(kāi)發(fā)。

表1 不同區(qū)域煤儲(chǔ)層的力學(xué)參數(shù)

在第一帶，距斷層距離一般小于200 m，煤儲(chǔ)層的地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、裂隙分布明顯受到斷層的控制作用。由于該區(qū)域受斷層的控制作用明顯，因此在壓裂時(shí)容易導(dǎo)致壓裂液大量進(jìn)入斷層，難以進(jìn)行有效的壓裂造縫，所以，對(duì)于該區(qū)域不作壓裂優(yōu)化。

在第二帶，距斷層距離為200～600 m，煤儲(chǔ)層的地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、裂隙分布受斷層的影響較小。該區(qū)域是壓裂優(yōu)化的重點(diǎn)區(qū)域，由于其煤體結(jié)構(gòu)破碎程度和裂隙發(fā)育程度較低，應(yīng)力的復(fù)雜程度相比于第一帶較低，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行壓裂施工時(shí)，應(yīng)該考慮該區(qū)域的最大水平主應(yīng)力的分布，同時(shí)結(jié)合力學(xué)參數(shù)對(duì)其壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［26］。

3.2 壓裂參數(shù)

前期的地質(zhì)分析對(duì)于煤層氣的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，同時(shí)后期的壓裂改造也是煤層氣開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵一環(huán)。分析第二帶內(nèi)已有的煤層氣井的壓裂曲線，發(fā)現(xiàn)常規(guī)煤層氣井壓裂施工的效果較差，難以取得預(yù)期效果。這可能是由于這幾口井處于斷層發(fā)育區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)頻發(fā)，使得該區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜，原生的煤體結(jié)構(gòu)條件難以保存，從而導(dǎo)致煤層氣成藏較差和后期煤層氣開(kāi)采難以達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量。針對(duì)這種情況，并對(duì)比常規(guī)壓裂的施工參數(shù)，選取本次壓裂優(yōu)化后的施工方案。在已知煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件的情況下，影響壓裂效果的主要參數(shù)有施工排量、壓裂液用量、加砂強(qiáng)度及砂比等。因此，本文根據(jù)不同區(qū)域的相關(guān)地質(zhì)特征對(duì)其進(jìn)行不同的壓裂參數(shù)選取，然后根據(jù)“PT”壓裂模擬軟件對(duì)選取的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并選取最優(yōu)的壓裂參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 優(yōu)化前后壓裂參數(shù)對(duì)比

由于第二帶裂隙發(fā)育程度和煤體結(jié)構(gòu)破碎程度均較低，力學(xué)參數(shù)較大，因此結(jié)合該區(qū)域已有的壓裂井壓裂資料，選取該區(qū)域內(nèi)的GX-010等井進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用大排量來(lái)降低壓裂液的濾失量，同時(shí)采用“細(xì)砂+中砂”的支撐劑組合方式來(lái)進(jìn)行施工。最終優(yōu)化后的壓裂參數(shù)為：施工排量5.0～8.5 m3/min，壓裂液用量582.00～810.24 m3，加砂強(qiáng)度3.02～12.00 m3/m，砂比8.5%～13.9%。壓裂模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 第二帶內(nèi)GX-010井壓裂模擬結(jié)果

4 效果分析

通過(guò)將常規(guī)壓裂井與優(yōu)化壓裂井的產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表 3），可以發(fā)現(xiàn)：常規(guī)壓裂井（ZK-001，ZK-005，ZK-008）的產(chǎn)氣量一般較小，基本上不超過(guò)500 m3/d；而優(yōu)化壓裂井的產(chǎn)氣量較大，大都在800 m3/d以上。根據(jù)壓裂模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)效果，采用優(yōu)化壓裂工藝的煤層氣井的施工排量、加砂強(qiáng)度都較大。分析認(rèn)為，由于斷層的存在，該區(qū)域的煤層氣井進(jìn)行壓裂改造時(shí)，必須選用大的施工排量、加砂強(qiáng)度，才能保證壓裂液不被完全濾失，同時(shí)還能保證撐開(kāi)的裂縫保持開(kāi)啟狀態(tài)，為煤層氣的運(yùn)移提供通道，這就使得煤層氣在排采過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的壓力降以及氣體產(chǎn)出。煤層氣的產(chǎn)氣量越高，產(chǎn)水量就會(huì)越少，因?yàn)槊簩託獾拈_(kāi)采是一個(gè)排水降壓的過(guò)程，水的存在會(huì)阻礙煤層氣向井筒附近運(yùn)移，不利于氣體的產(chǎn)出。

表3 常規(guī)壓裂井與優(yōu)化壓裂井產(chǎn)氣效果對(duì)比

5 結(jié)論

1）正斷層發(fā)育區(qū)的煤儲(chǔ)層發(fā)育特征具有明顯的分帶性：第一帶的距斷層距離一般小于200 m，煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育，地應(yīng)力較小，煤體結(jié)構(gòu)較差；第二帶的距斷層距離為200～600 m，煤儲(chǔ)層裂隙較發(fā)育，地應(yīng)力較大，煤體結(jié)構(gòu)較為完整；第三帶的距斷層距離大于600 m，煤儲(chǔ)層幾乎不受斷層影響。

2）針對(duì)第二帶煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征進(jìn)行壓裂參數(shù)優(yōu)化，3口井的平均產(chǎn)氣量達(dá)到800 m3/d以上，較常規(guī)壓裂井提高3倍左右。