王成旺， 甄懷賓， 陳高杰， 陳 岑， 張 燁， 郭東鑫

(1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095； 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100020； 3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 4. 頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 401120)

0 引言

經(jīng)過20余年的勘探開發(fā)實踐，我國淺部中高煤階煤層氣產(chǎn)業(yè)初見規(guī)模，已建成了沁水、鄂爾多斯盆地東緣兩大產(chǎn)業(yè)基地。深部煤層氣則是我國下步煤層氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域[1-3]。國家能源局《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中提出大力推進沁水盆地、鄂爾多斯盆地對深部煤層氣的勘探、開發(fā)和利用[4]。目前，深部煤層氣勘探開發(fā)面臨儲層非均質(zhì)性強、應(yīng)力大、壓力高、可改造性差等諸多挑戰(zhàn)，地質(zhì)工程一體化勘探開發(fā)技術(shù)尚未形成，國內(nèi)僅在鄂爾多斯盆地東緣的延川南氣田、大寧—吉縣區(qū)塊及沁水盆地的鄭莊、柿莊區(qū)塊等實現(xiàn)了深部煤層氣商業(yè)化開采[5]。

作為全國煤層氣勘探程度較高和開發(fā)前景較好的區(qū)塊之一，大寧—吉縣區(qū)塊兩套主采煤層(5號和8號煤層)埋深在1 000～1 350m。目前，針對大寧—吉縣區(qū)塊黃河以東區(qū)域深部8號煤層(埋深大于1 350m，以下簡稱“深部8號煤層”)，開展了深部煤層氣壓裂技術(shù)探索，對深部煤層可壓性進行評價，并在壓裂工藝和排采工程方面進行了優(yōu)化，取得了較好的產(chǎn)氣效果[6-7]。

本文以大寧—吉縣區(qū)塊黃河以東區(qū)域深部8號煤層為研究對象，以脆性指數(shù)、圍巖與煤層彈性模量差異及地應(yīng)力特征為評價依據(jù)，對8號煤層可壓性進行定量評價，旨在揭示8號煤層的可改造潛力，為下步深部煤層氣勘探開發(fā)工程甜點選區(qū)提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大寧—吉縣區(qū)塊構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東緣和晉西撓褶帶南端，行政區(qū)劃屬于山西省，地理位置上東接呂梁山脈，西鄰黃河，北起隰縣，南至鄉(xiāng)寧(圖1)。研究區(qū)含煤地層主要為上古生界石炭系—二疊系，沉積環(huán)境由海陸交互相轉(zhuǎn)為陸相，其中，下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組和上石炭統(tǒng)本溪組普遍發(fā)育煤層，厚度大、含氣性好、資源豐度高[7]。目前，該區(qū)塊以1 350m以淺的下二疊統(tǒng)山西組5號和上石炭統(tǒng)本溪組8號煤層為主體開發(fā)煤層。

圖1 大寧-吉縣區(qū)塊位置圖Figure 1 Da’ning-Jixian block site position

研究區(qū)上石炭統(tǒng)本溪組8號煤層區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，整體厚度較大，介于3.0～10.0m；埋藏深度為954.55～2 400m，從東部向西部逐漸加深，黃河以東、大寧縣城以西區(qū)域埋深超過1 350m(圖2)。8號煤主要以焦煤、瘦煤和貧煤為主，屬于中等煤變質(zhì)程度。

圖2 大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤層埋深等值線Figure 2 Isogram of coal No.8 deep part buried depths in Da’ning-Jixian block

2 煤儲層物性特征

2.1 煤層裂隙特征

裂隙是煤層中自然形成的裂縫，通過觀測大吉3-4、郝12井等鉆井深部8號煤巖心割理及裂縫，煤層內(nèi)生裂隙的面裂隙及外生裂縫均較發(fā)育，長度一般大于4cm；裂隙表面形態(tài)顯平直狀，少量為彎曲狀；割理主要呈矩形網(wǎng)狀組合類型，少量不規(guī)則狀，而外生裂隙主要呈樹枝狀或較雜亂狀分布(圖3)。整體上，深部8號煤層裂隙較為發(fā)育，連通性好，是煤層氣很好的運移通道(表1)。

表1 深部8號煤煤巖裂隙發(fā)育特征Table 1 Coal No.8 deep part coal and rock fracturedevelopment features

2.2 孔滲特征

通過對深部8號煤35樣次孔隙度、滲透率測試表明，煤儲層孔隙度6.36%～22.08%，平均為11.97%；滲透率為0.004～0.461 2 mD，平均為0.059 09 mD，屬低孔、低滲儲層。

郝12井，本溪組，2 140.69m 大吉3-4，本溪組，2 169.99m圖3 大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤巖裂隙發(fā)育特征Figure 3 Coal No.8 deep part coal and rock fracture development features in Da’ning-Jixian block

2.3 巖石力學(xué)性質(zhì)

通過測試巖心三軸抗壓強度分布范圍為7.68～8.31MPa，平均7.99 MPa；彈性模量分布范圍為0.20～1.08GPa，平均1.05 GPa，泊松比分布范圍為0.20～0.22，平均0.21(表2)。

3 含氣性特征

大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤層含氣量普遍較高，一般高于20m3/t(圖4)，以和3井、大吉3-4井為例，深部8號煤層埋深為2 157～2 206m，通過現(xiàn)場取心快速解吸8號煤層總含氣量為16.69～30.55 m3/t，平均為21.55m3/t；明顯高于淺部8號煤層含氣量(范圍為1.12～20.84 m3/t，平均10.76 m3/t)[8]。究其原因，隨著煤層深度加大，不同煤階煤層氣含氣量呈先增加后減低的變化趨勢，存在一個“臨界深度”的最大吸附量[9]；深部煤層含氣量、含氣飽和度較高；研究區(qū)深部8號煤層埋深2 000～2 500m可能處于臨界深度，含氣量性、儲層壓力、臨界解吸壓力及保存條件等關(guān)鍵地質(zhì)條件比淺部煤層好。

圖4 大寧-吉縣區(qū)塊深部8號煤層含氣量等值線Figure 4 Isogram of coal No.8 deep part gas contents in Da’ning-Jixian block

4 可壓裂性評價

4.1 脆性指數(shù)

脆性指數(shù)是表征儲層可壓性的重要評價參數(shù)，表征巖石發(fā)生破裂的難易程度，反應(yīng)儲層壓裂后形成裂縫的復(fù)雜程度。通常脆性指數(shù)越高越易形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，反之，脆性指數(shù)低的地層則易形成簡單的雙翼型裂縫[10 -11]。

表2 深部8號煤層及其頂?shù)装辶W(xué)特征Table 2 Coal No.8 coal seam and its roof and floor mechanical features

脆性指數(shù)可以通過彈性模量和泊松比進行表征。泊松比指示巖石受力后抵抗破壞的能力，泊松比越大，巖石越難以起裂；楊氏模量指示巖石破裂后維持裂縫的能力，其值越大，巖石越易形成復(fù)雜裂縫。脆性指數(shù)(BI)具體計算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：En為歸一化的楊氏模量，GPa；μn為歸一化的泊松比；Emax和Emin分別為研究層段最大和最小楊氏模量，GPa；μmax和μmin分別為研究層段最大和最小泊松比，無量綱。

結(jié)果顯示，研究區(qū)深部8號煤層脆性指數(shù)BI為35%～67%，在太古鄉(xiāng)、交口鄉(xiāng)附近脆性指數(shù)較高。

4.2 斷裂韌性

斷裂韌性是一項表征儲層壓裂難易程度的重要因素，反映的是壓裂過程中，裂縫形成之后維持裂縫向前延伸的能力，斷裂韌性越大，越不利于裂縫的延展[12]。

在圍壓下巖石的斷裂韌性與單軸抗拉強度St和圍壓pw存在如下關(guān)系：

Kc=0.095 6pw+0.138 3St-0.082 0

(4)

式中圍壓用最小地應(yīng)力替代，煤層深度小于2 000m時取值34MPa，煤層深度每增加100m，取值增加1MPa。

St=σc/A

(5)

σc=(0.004 5+0.003 5Vsh)×Ed

式中：St為抗拉強度，MPa；Vsh為泥質(zhì)含量；Ed為彈性模量，GPa；σc為抗壓強度，MPa；A為常數(shù)，本次研究取值30。

結(jié)果顯示，研究區(qū)8號煤層斷裂韌性為3.017～3.885MPa×m0.5，平均3.519MPa×m0.5,斷裂韌性值相對不高，有利于裂縫向前延伸。

4.3 圍巖與煤層的彈性模量差異

煤層與頂?shù)装彘g力學(xué)參數(shù)的差異對儲層壓裂改造有很大影響，特別是彈性模量，對水力壓裂改造的影響尤為突出。在水力壓裂過程中，高彈性模量的圍巖對控制縫高較為有利。隨圍巖與煤層彈性模量差異的增大，裂縫高度逐漸減小，后期逐漸平穩(wěn)[13]。

為評價圍巖與煤層間彈性模量差異對儲層可壓裂性的影響，本次用圍巖與煤層彈性模量的比值Ek表征，比值越大對縫高的控制越有利，利于裂縫在儲層內(nèi)延展。

(6)

式中：Ec為煤層彈性模量，GPa；Et為頂板彈性模量，GPa；Eb為底板彈性模量，GPa。

通過計算求得深部8號煤層圍巖與煤層間彈性模量比值Ek最大值為10.30，最小值為3.05，平均值5.93。

4.4 地應(yīng)力特征及其對可壓性的影響

地應(yīng)力對煤層氣勘探開發(fā)有著重要影響，不僅表現(xiàn)在對煤儲層滲透性及儲層壓力方面，同時地應(yīng)力對煤層氣井水力壓裂改造過程中的起裂壓力、起裂位置以及裂縫的延展形態(tài)都有著重要影響[14-16]。

本次采用最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力差值Δσ來表征地應(yīng)力對儲層可壓裂性的影響，認為Δσ越小越有利于縫網(wǎng)形成，儲層可改造性越好。通過對研究區(qū)煤層氣井主應(yīng)力計算結(jié)果顯示，研究區(qū)煤層的最小主應(yīng)力為33～43MPa，最大水平主應(yīng)力為35.06～60.82MPa，Δσ一般在1.25～17.82，地應(yīng)力對深部8號煤層可壓性影響較小，其水力壓裂時可形成較好的縫網(wǎng)。

4.5 綜合可壓指數(shù)

綜合以上研究成果，儲層可壓性與脆性指數(shù)正相關(guān)，與圍巖和煤層彈性模量的比值呈正相關(guān)，與圍巖和煤層的彈性模量差異負相關(guān)。因此，綜合考慮脆性指數(shù)、層間彈性模量的差異以及地應(yīng)力的影響，建立了可壓性綜合指數(shù)Frac來表征儲層可壓裂性。

為消除各因素間因單位不同帶來的影響，對正相關(guān)因素脆性指數(shù)、圍巖與煤層彈性模量的比值做歸一化處理?？紤]到兩個因素對儲層可壓性的影響程度不一，根據(jù)前期研究成果，對脆性指數(shù)、斷裂韌性、圍巖與煤層彈性模量比值以及最大/最小水平主應(yīng)力差，分別賦于0.35、0.3、0.35的權(quán)重，具體計算公式如下：

Frac=0.55BIn+0.15Kn+0.3Ekn

(7)

式中：BIn為歸一化的脆性指數(shù)值；Kn為歸一化的斷裂韌性值；Ekn為歸一化的圍巖與煤層彈性模量比值。

通過大吉-A、大吉-B、大吉-C、大吉-D等5口煤層氣產(chǎn)氣井可壓性評價參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(表3)，大吉-A井煤層可壓性綜合指數(shù)Frac為0.620，日產(chǎn)氣量大于3 000m3； DJ-B井煤層可壓性綜合指數(shù)Frac為0.558，日產(chǎn)氣量一般2 000～3 000m3；DJ-C、DJ-D兩口井可壓性綜合指數(shù)Frac分別為0.478、0.386，日產(chǎn)氣量小于2 000 m3。煤層可壓性綜合指數(shù)越高，壓裂性越好，產(chǎn)氣效果越好。

表3 產(chǎn)氣井可壓性評價參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of fracturability assessment parameters

平面上，研究區(qū)交口鄉(xiāng)、太古鄉(xiāng)東北部煤層的可壓性綜合指數(shù)較高，一般大于0.6(圖5)，該區(qū)煤層具有較好的可壓裂性，預(yù)計產(chǎn)氣量較好，是下步工程甜點和實施深部煤層氣勘探開發(fā)的有利選區(qū)。

圖5 大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤層可壓指數(shù)等值線Figure 5 Isogram of coal No.8 deep part fracturability indices in Da’ning-Jixian bloc

5 結(jié)論

1)大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤層埋藏深、厚度大、煤層變質(zhì)程度中等，主要為焦煤、瘦煤和貧煤；裂隙發(fā)育，屬低孔、低滲儲層；含氣量普遍較高，一般高于20m3/t。

2)綜合考慮脆性指數(shù)、 層間彈性模量的差異以及地應(yīng)力的影響， 建立了可壓性綜合指數(shù)對煤層可壓裂性進行量化評價，評價結(jié)果與研究區(qū)深部8號煤層氣產(chǎn)氣井壓裂效果相吻合。該方法為下步工程甜點選區(qū)和實施深部煤層氣勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐。