肖 翠，陳貞龍，金曉波

(中國(guó)石油化工股份有限公司 華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 南京 210011)

0 引 言

延川南煤層氣田主力煤層山西組2號(hào)煤平均埋深1 280 m，屬于深部煤層氣藏，煤儲(chǔ)層具有三低一強(qiáng)的特征，即特低孔、特低滲、低壓、非均質(zhì)性強(qiáng)，采出條件較差，煤層氣井生產(chǎn)必須經(jīng)過(guò)壓裂改造才能獲得較高產(chǎn)能。煤體結(jié)構(gòu)是影響煤層氣井壓裂改造效果的關(guān)鍵因素。受地質(zhì)作用的影響，不同煤體結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征、破碎程度及力學(xué)性質(zhì)差異較大[1]，因此壓裂改造時(shí)不同煤體結(jié)構(gòu)的裂縫擴(kuò)展也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。前人對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的識(shí)別與劃分[2-4]等研究較多，而關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)對(duì)壓裂的影響研究相對(duì)籠統(tǒng)，通常認(rèn)為是原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤等煤體結(jié)構(gòu)破碎程度小，結(jié)構(gòu)保存完整，強(qiáng)度高,煤層可改造性好；碎粒煤、糜棱煤等煤體結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，可改造性差[5]，但煤層在縱向上通常呈現(xiàn)不同的煤體結(jié)構(gòu)組合模式，并非單一類型，因此針對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究對(duì)于提高壓裂工藝適應(yīng)性至關(guān)重要。

因此基于延川南煤層氣田巖心和測(cè)井曲線建立不同煤體結(jié)構(gòu)的測(cè)井識(shí)別模板，以此對(duì)氣田870余口煤層氣井開(kāi)展煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別和劃分，明確氣田煤體結(jié)構(gòu)組合模式，并確定不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式的平面、縱向分布規(guī)律以及主控因素?；诓煌后w結(jié)構(gòu)組合模式的壓裂施工曲線響應(yīng)特征，分析了不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式的壓裂改造效果，對(duì)于提高壓裂工藝的適應(yīng)性具有積極的意義。

1 研究區(qū)概況

延川南煤層氣田構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東南緣[6-7]，整體構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，為一西傾的單斜，地層平緩，平均地層傾角3°，中部西掌斷裂帶將氣田一分為二，東部為譚坪構(gòu)造帶，西部為萬(wàn)寶山構(gòu)造帶[8](圖1)。主力生產(chǎn)煤層為山西組2號(hào)煤，具有“三高、三穩(wěn)、三低”的地質(zhì)特征[9-10]，高生烴潛力，鏡質(zhì)組含量>75%；高演化程度，鏡質(zhì)體反射率平均2.46%，處于最佳吸附能力階段，屬于貧煤、無(wú)煙煤；高含氣量，含氣量一般>12 m3/t；具有穩(wěn)定簡(jiǎn)單的構(gòu)造，斷層不發(fā)育；煤層厚度穩(wěn)定，2.8～6.9 m，平均4.6 m；具有穩(wěn)定的保存條件，頂?shù)装搴穸纫话?3 m，為弱徑流-滯留水動(dòng)力條件。特低孔隙度，為3.0%～6.2%；特低滲透率，一般<10-9m2，分布范圍為0.013×10-9～0.99×10-9m2；低壓力系統(tǒng)，壓力梯度為0.4～0.8×10-3MPa/m。

圖1 延川南山西組2號(hào)煤層頂面構(gòu)造Fig.1 Top structure of No.2 coal seam of Shanxi Formation in Yanchuannan

氣田自2008年起經(jīng)過(guò)“選區(qū)評(píng)價(jià)-單井勘探突破-小井組先導(dǎo)-大井組試驗(yàn)-整體開(kāi)發(fā)”的流程[11]，于2015年全面完成了產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)，建成了我國(guó)第一個(gè)商業(yè)規(guī)?；_(kāi)發(fā)的深層煤層氣田。開(kāi)井905口，產(chǎn)氣井794口，日產(chǎn)氣106m3左右，平均單井日產(chǎn)1 200 m3左右，年產(chǎn)氣3.5×108～3.8×108m3，它的建成對(duì)于深部煤層氣開(kāi)發(fā)具有示范和帶動(dòng)意義。

氣田煤層氣井壓裂施工過(guò)程基本一致，施工參數(shù)基本相近，主要采用活性水壓裂液，支撐劑采用石英砂，壓裂施工排量7～8 m3/min，單井壓裂液量主要分布在800～950 m3，平均880 m3，單井砂量主要分布在45～55 m3，平均50 m3，砂比8%～10%。

2 煤體結(jié)構(gòu)模式及控制因素

2.1 煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井識(shí)別

煤體結(jié)構(gòu)是指煤體中各組成部分的顆粒大小、形態(tài)特征和組分之間的賦存狀態(tài)以及組合關(guān)系[12-13]，基于測(cè)井資料的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是目前判別煤體結(jié)構(gòu)精度最高的方法[14]。采用氣田42口取心井與測(cè)井曲線綜合對(duì)比分析，反映出井徑、補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差對(duì)煤體結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯，電阻率受黃鐵礦的影響變化幅度大，自然電位、自然伽馬以及密度等響應(yīng)不明顯，因此主要采用井徑、補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差對(duì)煤體結(jié)構(gòu)開(kāi)展定量分析。

由于原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤、碎粒煤與糜棱煤在測(cè)井響應(yīng)上具有一定的相似性，因此本次研究對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的劃分采用礦井上常用的硬煤、軟煤二分法[15]，將煤體結(jié)構(gòu)分為硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤)以及軟煤(碎粒煤、糜棱煤)。軟煤由于受破壞程度大，煤體結(jié)構(gòu)破碎，孔隙、裂隙更加發(fā)育，聲波傳播較慢，聲波時(shí)差升高，同時(shí)煤層含水性變高，補(bǔ)償中子相應(yīng)增高，擴(kuò)徑現(xiàn)象更加明顯，井徑增大，表現(xiàn)出井徑大、中子高、聲波時(shí)差高的特征，一般井徑>30 cm，聲波時(shí)差>400 μs/m，補(bǔ)償中子為55%～90%。硬煤煤體結(jié)構(gòu)較為完整，井徑、聲波時(shí)差以及補(bǔ)償中子均較軟煤低，井徑為22～30 cm，聲波時(shí)差350～400 μs/m，補(bǔ)償中子一般低于55%，見(jiàn)圖2、表1，圖2中虛線框?yàn)橛裁汉蛙浢簻y(cè)井參數(shù)的界限。

圖2 煤體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)測(cè)井響應(yīng)圖版Fig.2 Logging response chart of coal structure

表1 煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 1 Logging response statistics of coal structure

2.2 模式建立及分布特征

依據(jù)煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井識(shí)別模板，對(duì)氣田870口煤層氣井進(jìn)行2號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)的判識(shí)，結(jié)果顯示2號(hào)煤煤體結(jié)構(gòu)在垂向上非均質(zhì)性強(qiáng)，主要分為“兩類五型”(圖3)：兩類是指呈現(xiàn)單層、多層疊加型煤體結(jié)構(gòu)，其中單層煤體結(jié)構(gòu)為單層硬煤以及單層軟煤兩種類型，單層硬煤為整體發(fā)育硬煤(圖3—5中X1井、Y3井、Y6井)，單層軟煤為整體發(fā)育軟煤(圖3—圖5中X4井、X5井、X7井、Y22井)。多層疊加型結(jié)構(gòu)分為上部發(fā)育硬煤，下部發(fā)育軟煤(圖3—5中X6、Y21 井)；上部發(fā)育軟煤，下部發(fā)育硬煤(圖3—5中X2井、X8井)；上、下部發(fā)育軟煤，中部發(fā)育硬煤(圖3—5中X3井、Y17井)等三類，組合模式見(jiàn)表2。圖4、5和表2中CAL為井徑，cm；CN為補(bǔ)償中子，%；AC為聲波時(shí)差，μs/m。

圖3 延川南2號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)分布Fig.3 Coal body structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan

表2 延川南2號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)模式Table 2 Vertical combination types of coal body structure of No.2 coal seam in Yanchuannan

圖4 延川南2號(hào)煤層?xùn)|西向煤體結(jié)構(gòu)Fig.4 Coal structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan in east-west direction

圖5 延川南2號(hào)煤層南北向煤體結(jié)構(gòu)Fig.5 Coal structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan in north-south direction

平面分布上以單層硬煤為主，單層軟煤主要發(fā)育在氣田東北部以及中部斷裂帶附近，其他類型在低序級(jí)斷層附近局部發(fā)育。

2.3 控制因素

2.3.1 構(gòu)造對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響

從5種模式的平面分布來(lái)看，煤體結(jié)構(gòu)受構(gòu)造控制明顯，主干斷層西掌斷裂帶附近以單層軟煤為主，呈條帶狀展布(圖3)；萬(wàn)寶山構(gòu)造帶東北部低序級(jí)斷層發(fā)育區(qū)域易形成雙層上下型結(jié)構(gòu)，并且下部多發(fā)育軟煤，研究分析認(rèn)為：氣田2號(hào)煤中部穩(wěn)定發(fā)育1層泥巖夾矸(圖4、圖5)，一般厚度0.6～0.8 m(圖6)，構(gòu)造擾動(dòng)時(shí)煤層相對(duì)夾矸層更易發(fā)生變形，煤層的局部滑動(dòng)以?shī)A矸層之下作為滑動(dòng)面，夾矸層之上煤體因堅(jiān)硬夾矸層的隔離，受到應(yīng)力變形作用相對(duì)較弱而破壞程度較小，夾矸層之下煤體結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力變形強(qiáng)度較大，破壞程度也較大[16-17]。

圖6 延川南2號(hào)煤層夾矸厚度分布Fig.6 Distribution of gangue thickness in No.2 Coal Seam in Yanchuannan

2.3.2 沉積對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響

沉積環(huán)境影響了煤層及頂?shù)装宓膸r性構(gòu)成及特征，煤層與頂?shù)装鍘r性力學(xué)性質(zhì)的差異越大，煤層越容易遭受破壞[18]。氣田東北部Y12井區(qū)煤層直接頂?shù)装鍨榉种Ш拥老?，發(fā)育粉砂巖、細(xì)砂巖等，與煤層力學(xué)性質(zhì)差異大，單層軟煤相對(duì)發(fā)育；其他區(qū)域頂?shù)装宥喟l(fā)育湖泊沼澤相，巖性以泥巖為主，煤層不易遭受破壞。

3 不同煤體結(jié)構(gòu)模式的改造效果及分析

3.1 不同煤體結(jié)構(gòu)模式的改造效果

由于硬煤、軟煤的物理性質(zhì)不同，不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式對(duì)壓裂的影響也不相同。硬煤的硬度及強(qiáng)度相對(duì)較高，加入支撐劑后易形成長(zhǎng)的高導(dǎo)流能力的有效裂縫，軟煤破碎程度高，硬度相對(duì)較低，割理、裂隙較為發(fā)育但連通性差，壓裂時(shí)易形成多個(gè)裂縫而難以形成主裂縫，支撐劑易嵌入且不能攜帶至遠(yuǎn)端，導(dǎo)致易砂堵且導(dǎo)流能力較快降低，難以形成有效裂縫[19-20]。壓裂施工曲線可以直觀的反映壓裂裂縫擴(kuò)展情況的差異[21]。一般情況下，上升型以及高壓波動(dòng)型通常反映了壓裂時(shí)裂縫擴(kuò)展受限，易發(fā)生砂堵現(xiàn)象，形成短而多的復(fù)雜裂縫，主縫較短，未實(shí)現(xiàn)有效降壓，壓裂改造效果相對(duì)較差。平穩(wěn)型及下降型通常反映裂縫擴(kuò)展較好，形成的主縫較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層有效降壓，壓裂改造效果較好。斷層附近的壓裂施工曲線形態(tài)一般以高壓波動(dòng)型和低壓下降型為主，受斷層溝通影響的壓裂施工曲線一般為低壓下降型，未受斷層溝通影響的井通常由于煤體結(jié)構(gòu)較為破碎以及周圍裂隙發(fā)育的影響，支撐劑易嵌入發(fā)生砂堵現(xiàn)象，易形成高壓波動(dòng)型壓裂施工曲線。

為充分考慮壓裂工程中地質(zhì)因素以及工程因素對(duì)壓裂曲線形態(tài)的影響，統(tǒng)一建立劃分壓裂曲線類型的參考標(biāo)準(zhǔn)：①壓裂曲線形態(tài)主要參考正常加砂階段時(shí)油壓線形態(tài)，舍棄由于地層條件或者施工原因引起停泵導(dǎo)致的油壓回落曲線階段；②將正常加砂階段時(shí)油壓波動(dòng)≤4 MPa的曲線作為平穩(wěn)型曲線[22]；③施工壓力選取正常加砂階段下排量基本相同時(shí)(一般選取排量穩(wěn)定在7～8 m3/min時(shí))的施工壓力開(kāi)展對(duì)比研究，此種情況下的施工壓力一般能夠反映在基本相同的施工條件下煤層壓裂時(shí)的應(yīng)力情況，可將其作為可壓性對(duì)比分析的一個(gè)指標(biāo)；④所選對(duì)比井位于地質(zhì)條件相似的同一地質(zhì)單元內(nèi)。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)萬(wàn)寶山構(gòu)造帶南部地質(zhì)條件相似的同一地質(zhì)單元Y3井區(qū)193口不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式的壓裂施工曲線進(jìn)行分析。結(jié)果表明壓裂施工曲線主要有4種：高壓波動(dòng)型、低壓下降型、平穩(wěn)型、下降型，可改造性以及開(kāi)發(fā)效果差異較大(表3、圖7)。

圖7 延川南2號(hào)煤層典型壓裂施工曲線Fig.7 Typical fracturing curve of No.2 Coal Seam in Yanchuannan

表3 延川南2號(hào)煤層壓裂施工曲線-煤體結(jié)構(gòu)模式關(guān)系Table 3 Relationship between fracturing construction curve and coal structure mode of No.2 coal seam in Yanchuannan

1)單層軟煤，煤體結(jié)構(gòu)整體為軟煤，強(qiáng)度低，滲透性差，壓裂施工曲線受所處構(gòu)造位置的差異呈現(xiàn)以高壓波動(dòng)型為主，低壓下降型為輔的2種類型。距離斷層200 m以上的氣井一般為高壓波動(dòng)型，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變形影響嚴(yán)重，塑性大，裂縫在煤層中難以擴(kuò)展，施工壓力高(40 MPa左右)，易發(fā)生砂堵現(xiàn)象，產(chǎn)氣效果差，日產(chǎn)氣量0～510 m3，平均270 m3，累產(chǎn)氣量6×104～97×104m3，平均50×104m3；低壓下降型靠近斷層，與斷層距離<200 m，受到壓裂溝通斷層影響，破壓后施工壓力大幅下降至20 MPa左右，產(chǎn)氣量低或者不產(chǎn)氣，日產(chǎn)氣量為0～300 m3，平均150 m3/d，累產(chǎn)氣量3×104～67×104m3，平均30×104m3，總體上單層軟煤可改造性差低產(chǎn)氣，不利于煤層氣開(kāi)采。

2)單層硬煤，煤體結(jié)構(gòu)整體為硬煤，受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小，煤層強(qiáng)度高，壓裂施工過(guò)程中破裂壓力明顯，煤層破裂后穩(wěn)定排量下的施工壓力平穩(wěn)，一般介于20～40 MPa，平均28 MPa，壓裂施工曲線以平穩(wěn)型和下降型為主，反映裂縫在煤層中溝通及延展較好，有利于泄壓產(chǎn)氣，平均產(chǎn)氣量1 350 m3，累產(chǎn)氣量195×104m3，整體上可改造性好，高產(chǎn)氣、低產(chǎn)液，開(kāi)發(fā)效果好。

3)多層軟硬煤疊加結(jié)構(gòu)，煤體結(jié)構(gòu)為軟煤與硬煤的組合形式，氣田主要發(fā)育3種組合形式，上部為硬煤、下部為軟煤以及上部為軟煤、下部為硬煤的雙層上下型煤體結(jié)構(gòu)，上、下部發(fā)育硬煤，中部發(fā)育軟煤的3層煤體結(jié)構(gòu)。分析硬煤厚度占比與累產(chǎn)氣量的關(guān)系，證實(shí)硬煤厚度占比越大，累產(chǎn)氣量越高，當(dāng)硬煤厚度占比60%以上，累產(chǎn)氣量一般能達(dá)到106m3以上(圖8)，在壓裂施工過(guò)程中，硬煤厚度占比≥60%的氣井一般破裂壓力不明顯，壓裂施工曲線以

圖8 延川南2號(hào)煤硬煤厚度占比-累產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.8 Relationship between proportion of hard coal thickness and cumulative gas production of No.2 Coal in Yanchuannan

平穩(wěn)型為主，開(kāi)發(fā)效果較好，平均日產(chǎn)氣量1 150 m3，累產(chǎn)氣量134×104m3，而<60%的氣井壓裂施工與單層軟煤類似，對(duì)砂比較為敏感，有砂堵現(xiàn)象，壓裂施工曲線呈高壓波動(dòng)型，平均日產(chǎn)氣量510 m3，累產(chǎn)氣量75×104m3。

根據(jù)上述不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式的壓裂施工分析，可改造性：?jiǎn)螌佑裁?多層軟硬煤疊加結(jié)構(gòu)煤>單層軟煤，相應(yīng)的開(kāi)發(fā)效果規(guī)律具有一致性。對(duì)比壓裂施工曲線類型與不同煤體結(jié)構(gòu)組合模式分析，單層軟煤由于煤體結(jié)構(gòu)破碎，壓裂施工裂縫難以延展，施工壓力普遍較高(>40 MPa)，壓裂曲線以高壓波動(dòng)型為主。當(dāng)煤層中硬煤厚度占比增加時(shí)，壓裂改造效果逐步變好，硬煤厚度占比≥60%時(shí)，壓裂施工曲線類型以平穩(wěn)型和下降型為主，反映壓裂改造裂縫擴(kuò)展較好，地層壓力得到了有效傳遞和釋放，開(kāi)發(fā)效果相應(yīng)變好。

3.2 壓裂優(yōu)化建議

多層軟硬煤組合氣井根據(jù)可壓性分析，明確硬煤厚度占比≥60%可以取得較好的產(chǎn)氣效果，重復(fù)壓裂改造時(shí)為提高多層煤體結(jié)構(gòu)組合模式的壓裂效果，可根據(jù)硬煤厚度占比圖(圖9)作為制定壓裂措施的參考依據(jù)，優(yōu)選硬煤厚度占比大于60%的煤層氣井提高壓裂成功率，同時(shí)射孔時(shí)避開(kāi)軟煤，只針對(duì)硬煤層射孔壓裂改造，避免支撐劑大量嵌入軟煤導(dǎo)致硬煤未得到充分改造。

圖9 延川南2號(hào)煤層硬煤厚度占比分布Fig.9 Distribution of hard coal thickness for No.2 Coal Seam in Yanchuannan

單層軟煤脆性小，裂隙系統(tǒng)遭到破壞，壓裂時(shí)壓力傳遞分散，常無(wú)法形成主裂縫且裂縫難以延展，泄壓范圍小，導(dǎo)致煤層氣井單井產(chǎn)氣量低、衰減快，針對(duì)此類煤層可采用間接改造，在相對(duì)脆性的煤層頂?shù)装逡约皧A矸層進(jìn)行壓裂，壓裂縫在頂?shù)装逡约皧A矸層中延伸更好并擴(kuò)展到軟煤層中實(shí)現(xiàn)有效改造。

4 結(jié) 論

1)基于煤芯及測(cè)井曲線建立了煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別模板，硬煤井徑為22～30 cm，聲波時(shí)差350～400 μs/m，補(bǔ)償中子低于55%，軟煤一般井徑>30 cm，聲波時(shí)差>400 μs/m，補(bǔ)償中子為55%～90%，將煤體結(jié)構(gòu)劃分為“兩類五型”，受構(gòu)造以及沉積共同控制。

2)分析不同模式的煤體結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)效果，認(rèn)為改造效果由好到差的順序依次為：?jiǎn)螌佑裁?多層軟硬煤疊加結(jié)構(gòu)煤>單層軟煤。其中單層硬煤以及硬煤厚度占比60%以上的多層模式可改造性較好，累產(chǎn)氣較高。

3)后期壓裂施工改造盡量?jī)?yōu)選硬煤厚度占比超過(guò)60%的煤層，而對(duì)于單層軟煤采用頂?shù)装寮皧A矸層的間接改造模式，提高單井開(kāi)發(fā)效果。