晁巍巍，張建國，張 聰，石 斌，喬茂坡，崔新瑞，李雪琴

（中國石油華北油田公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長治 046000）

0 引 言

沁水盆地南部高階煤開發(fā)歷經(jīng)13 a，因儲層滲透率低、開發(fā)初期井網(wǎng)井距過大、優(yōu)先選擇有利位置部署等原因，導(dǎo)致存在未被動用的資源，稱為剩余資源。

隨著煤層氣的開發(fā)，樊莊區(qū)塊井網(wǎng)覆蓋率達(dá)到了70%，除去斷層等復(fù)雜構(gòu)造位置，能規(guī)模動用的資源相對較少，這成為制約樊莊區(qū)塊穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的關(guān)鍵問題。 因此，弄清區(qū)塊剩余資源分布情況對開發(fā)區(qū)塊的中后期井位調(diào)整十分重要。

目前，前人在本區(qū)進(jìn)行了大量的研究工作，形成了高階煤煤層氣藏的勘探開發(fā)理論，例如煤層富集受沉積、水動力條件影響；滲透性受變質(zhì)程度、構(gòu)造變形和地應(yīng)力控制［1－2］；煤層氣控產(chǎn)受煤儲層微裂隙發(fā)育程度、地應(yīng)力、儲層流體可疏導(dǎo)性3 個(gè)關(guān)鍵要素影響［3］；煤層氣開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律表現(xiàn)在采出程度20%左右產(chǎn)量進(jìn)入遞減期，遞減出現(xiàn)時(shí)采出程度與井網(wǎng)井距密切相關(guān)［4］；水平井開發(fā)方式適合滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)、開采難度大的儲層，開發(fā)效果受地質(zhì)、工程及后期排采管理等多種因素共同制約［5］。高階煤成藏、富集、控產(chǎn)、開發(fā)規(guī)律、開發(fā)方式理論在本區(qū)趨于成熟。

而對已開發(fā)井網(wǎng)內(nèi)的資源賦存研究成果相對較少，剩余資源的分布規(guī)律及控制因素尚未明確。 這是由于高階煤儲層的氣水邊界截止目前還未有明確結(jié)論，煤層氣的采動影響邊界較難確定，僅通過一些數(shù)值模擬手段默認(rèn)為單井采動影響是以井口為中心，呈圓形或橢圓形分布，方向統(tǒng)一按某一固定方向參與模擬計(jì)算，與開發(fā)實(shí)際存在一定偏差。

開發(fā)實(shí)踐表明，高階煤儲層具有明顯的非均質(zhì)［6－8］，壓降傳遞過程與孔－裂縫系統(tǒng)的分布有著密切關(guān)系［9－10］，使得單井采動影響具有明顯的方向差異性。 導(dǎo)致未充分考慮儲層各向異性的各項(xiàng)研究成果在實(shí)際運(yùn)用中效果較差。 因此筆者基于沁水盆地南部大量壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)及生產(chǎn)井的開發(fā)地質(zhì)資料，充分考慮構(gòu)造、裂縫的各項(xiàng)異性，開展煤層氣井間剩余資源分布規(guī)律的精細(xì)刻畫，對沁水盆地南部中后期井位開發(fā)調(diào)整部署具有借鑒意義。

1 樊莊區(qū)塊地質(zhì)及開發(fā)概況

樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部，探明含氣面積182 km2，探明地質(zhì)儲量352 億m3。 整體為北西傾斜坡構(gòu)造，發(fā)育一條南北向山脊形褶曲，從南向北構(gòu)造漸變復(fù)雜。 南部平緩，以小幅褶曲為主，斷層不發(fā)育，構(gòu)造相對簡單；向北部，褶曲幅度變大，發(fā)育出兩條“山溝”，從而“山梁”變陡峭，斷層發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜化，有利的條帶主要以小斷塊形式存在。

樊莊自2006 年開發(fā)以來，投產(chǎn)約1 400 口井，目前日產(chǎn)氣182 萬m3，累產(chǎn)氣達(dá)51 億m3。 2016 年以前投產(chǎn)547 口井，除斷層、陷落柱及礦權(quán)邊界外，井網(wǎng)覆蓋率已經(jīng)超過80%。 為了后期開發(fā)調(diào)整，需要對剩余資源分布進(jìn)行綜合評價(jià)。

2 剩余資源分布的關(guān)鍵因素分析

原先開發(fā)中煤層氣井網(wǎng)通常采用300 ～350 m的井距，由于高階煤儲層滲透性較低，導(dǎo)致井距過大或井網(wǎng)不完善產(chǎn)生大量的剩余資源。 剩余資源的分布受控于單井的采動影響，在井網(wǎng)內(nèi)除去單井的采動影響所剩余的資源即為后期開發(fā)調(diào)整所需要?jiǎng)佑玫馁Y源。

高階煤儲層發(fā)育外生裂隙、內(nèi)生裂隙、微裂隙三級裂縫網(wǎng)絡(luò)，從煤礦井下解剖［11］和裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)是導(dǎo)致高階煤儲層具有各向異性的主要原因。

開發(fā)實(shí)踐證明，煤層氣壓力傳播時(shí)具有明顯的方向性，并且徐兵祥在基于均衡降壓理念的煤層氣井網(wǎng)井距優(yōu)化模型［12］中明確指出壓力在裂縫方向上更容易傳播到邊界，因此單井采動影響主要是基于儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的壓力傳播。 而剩余資源的分布主要控制因素是基于裂縫特征的采動影響范圍。因此，重點(diǎn)剖析沁水盆地南部100 多口井的壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，厘清構(gòu)造對裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響，進(jìn)而預(yù)測構(gòu)造相似性條件下裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。

2.1 實(shí)測壓裂裂縫分布特征

裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的面積以某一主裂縫為長半徑的近似橢圓狀（圖1）。

圖1 Hy 井壓裂裂縫監(jiān)測Fig.1 Hy well fracturing fracture monitoring chart

主壓裂裂縫方向傳統(tǒng)認(rèn)為與最大主應(yīng)力保持一致［13］，但通過對實(shí)測壓裂裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，僅70%的井主裂縫方向與最大主應(yīng)力保持一致，30%的井受局部構(gòu)造影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從表1 和圖2 中顯示，壓裂裂縫方向以北偏東50°～70°為主，部分井壓裂裂縫方向?yàn)楸蔽飨颉⒔媳毕蚝蜄|西向。

圖2 實(shí)測壓裂裂縫方向玫瑰花圖Fig.2 Measured fracturing direction rosette

表1 壓裂裂縫方向統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of fracturing fracture direction

2.2 構(gòu)造類型對裂縫擴(kuò)展規(guī)律影響

通過研究發(fā)現(xiàn)，壓裂裂縫擴(kuò)展除受現(xiàn)今最大主應(yīng)力影響外，還與氣藏構(gòu)造控制的原生裂縫系統(tǒng)發(fā)育有關(guān)［14］。 在背斜的軸部發(fā)育局部張應(yīng)力，裂縫方向與軸向平行。 而向斜軸部由于局部發(fā)生擠壓作用，裂縫方向與軸向保持垂直［15－19］。

因此，通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)不同局部構(gòu)造條件下的煤層氣井壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合構(gòu)造與應(yīng)力的關(guān)系，建立了4 種局部構(gòu)造的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，為剩余資源分布預(yù)測提供理論依據(jù)。

單斜構(gòu)造根據(jù)煤層傾角的變化可分為3 類，傾角小于3°、傾角3°～7°，傾角大于7°，整體受局部應(yīng)力影響較弱，裂縫擴(kuò)展方向與區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向一致，而裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比受構(gòu)造傾角不同有所差異。

背斜構(gòu)造分為背斜軸部與翼部。 軸部受局部應(yīng)力影響較強(qiáng)，裂縫方向與軸向平行，軸部裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比平均3.1；翼部受局部構(gòu)造影響較弱，裂縫擴(kuò)展方向與區(qū)域最大主應(yīng)力保持一致，裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比平均為3.5。

向斜構(gòu)造分為向斜的軸與翼部。 軸部受局部應(yīng)力影響較強(qiáng)，裂縫方向與軸向近似垂直，軸部裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比較大，平均達(dá)到3.8；翼部受局部構(gòu)造影響較弱，裂縫擴(kuò)展方向與區(qū)域最大主應(yīng)力保持一致，裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比平均為3.6。

斷裂構(gòu)造分為靠近斷層與遠(yuǎn)離斷層。 靠近斷層，受局部構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)，裂縫擴(kuò)展方向與斷層走向相交或平行，裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比較大，平均達(dá)到4.0；遠(yuǎn)離斷層受構(gòu)造應(yīng)力影響較弱，裂縫方向與最大主應(yīng)力方向一致，裂縫擴(kuò)展形成的主次裂縫長度比平均為3.5（圖3）。

圖3 不同局部構(gòu)造的裂縫擴(kuò)展特征Fig.3 Fracture propagation characteristics of different local structures

研究表明：不同的構(gòu)造類型對裂縫的延伸方向及裂縫網(wǎng)絡(luò)的形狀起到了控制作用。

2.3 構(gòu)造曲率對裂縫擴(kuò)展影響

曲率作為構(gòu)造定量化的描述參數(shù)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用較為普遍，主要是利用構(gòu)造曲率來反映煤層的地應(yīng)力狀態(tài)及其滲透性［20－21］。 而構(gòu)造曲率與壓裂裂縫擴(kuò)展之間的關(guān)系研究相對較少，因此筆者通過統(tǒng)計(jì)沁水盆地南部近100 口井的壓裂裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)和構(gòu)造曲率發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造曲率與主裂縫長度具有相關(guān)關(guān)系，隨著構(gòu)造曲率的增加，主裂縫長度按照對數(shù)函數(shù)規(guī)律降低，如圖4 所示。 曲率小于0.5×10－3時(shí)，主裂縫長度平均244 m；曲率0.5×10－3～1×10－3時(shí)，主裂縫長度平均221 m；曲率大于1×10－3時(shí)，主裂縫長度平均206 m。 這是由于構(gòu)造曲率是構(gòu)造應(yīng)力場的直接作用結(jié)果，當(dāng)構(gòu)造曲率絕對值較大時(shí)，說明煤層彎曲幅度較大，地應(yīng)力通常較高，煤體結(jié)構(gòu)較破碎，壓裂裂縫延伸困難。

圖4 不同構(gòu)造曲率與主裂縫長度關(guān)系Fig.4 Relationship between curvature of different structures and length of main crack

3 剩余資源分布預(yù)測流程

通過研究不同構(gòu)造類型、構(gòu)造曲率的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)充分考慮裂縫各向異性的剩余資源分布預(yù)測，流程如圖5 所示，首先是確定一個(gè)開發(fā)井網(wǎng)；然后準(zhǔn)備井網(wǎng)內(nèi)已開發(fā)井的歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)，利用產(chǎn)量預(yù)測軟件，確定氣藏廢棄時(shí)已開發(fā)井的累產(chǎn)氣量，利用煤層氣儲量計(jì)算方法［22］可計(jì)算出氣藏廢棄時(shí)單井的動用面積。 其次再根據(jù)已開發(fā)井的構(gòu)造特征（利用構(gòu)造等高線或地震數(shù)據(jù)），例如構(gòu)造類型、構(gòu)造曲率、煤層傾角等。 根據(jù)構(gòu)造相似性原理，依據(jù)不同局部構(gòu)造背景下裂縫擴(kuò)展規(guī)律和研究區(qū)大量的壓裂實(shí)測數(shù)據(jù)，利用聚類統(tǒng)計(jì)法，推測已開發(fā)井裂縫擴(kuò)展規(guī)律。 最后根據(jù)已開發(fā)井的氣藏廢棄時(shí)的動用面積，在井位構(gòu)造圖上圈定影響邊界。 在井網(wǎng)內(nèi)除已開發(fā)井氣藏廢棄時(shí)影響邊界外，即為剩余資源分布。

圖5 井網(wǎng)內(nèi)剩余資源分布預(yù)測流程Fig.5 Flow chart of residual resource distribution in well network the well pattern

4 剩余資源分布在后期開發(fā)調(diào)整應(yīng)用

根據(jù)剩余資源分布預(yù)測流程相對精細(xì)的評價(jià)了樊莊北部的剩余資源分布。 由于高階煤低滲特征，評價(jià)結(jié)果顯示，井網(wǎng)內(nèi)剩余資源面積達(dá)10.5 km2，資源量15 億m3，成為后期產(chǎn)量接替的主力有利區(qū)。

從剩余資源分布特征來看：由于煤層井單井產(chǎn)能差異大，裂縫網(wǎng)絡(luò)分布復(fù)雜，導(dǎo)致局部單井采動影響范圍不均一，方向不一致，井間剩余資源展布呈現(xiàn)不一，大部分呈點(diǎn)狀、條帶狀、少數(shù)呈片狀，為達(dá)到最大耦合降壓目的，充分高效動用剩余資源，條狀及片狀展布，可部署一口或多口水平井，點(diǎn)狀展布可部署定向直井（圖6）。

圖6 樊莊北部井間剩余資源分布及井位部署Fig.6 Distribution of remaining resources between wells and well location layout map in north of Fanzhuang

根據(jù)剩余資源的分布規(guī)律，在樊莊北部剩余資源有利區(qū)共投產(chǎn)直井103 口，水平井7 口，效果顯著優(yōu)于老井，目前日產(chǎn)氣20 萬m3，直井平均單井產(chǎn)氣1 600 m3，是相鄰老井同期產(chǎn)量的2 倍。

通過分析發(fā)現(xiàn)，開發(fā)調(diào)整效果顯著的主要原因有：①基于裂縫各向異性考慮的剩余資源分布預(yù)測相對準(zhǔn)確，使得后期調(diào)整開發(fā)井的部署與老井可形成整體的耦合降壓效果，不僅新井產(chǎn)氣效果顯著，部分老井遞減減緩甚至有上升趨勢。②從后期調(diào)整井的試井?dāng)?shù)據(jù)顯示，隨著老井網(wǎng)多年排采，儲層壓力部分地區(qū)已下降70%，導(dǎo)致未受采動影響區(qū)域煤層氣含氣飽和度升高，使得煤層氣產(chǎn)出更為容易。

5 結(jié) 論

1）煤層的壓裂裂縫受構(gòu)造影響較大，構(gòu)造類型影響了壓裂裂縫方向，單斜構(gòu)造、背斜翼部、向斜翼部裂縫方向與最大主應(yīng)力保持一致，背斜軸部裂縫方向與軸向方向一致，向斜軸部裂縫方向與軸向垂直；構(gòu)造曲率與主裂縫長度具有正相關(guān)關(guān)系，曲率越大主裂縫長度越短。

2）煤層氣井的采動影響范圍是由煤層的壓裂裂縫控制的近似橢圓狀分布。 在進(jìn)行剩余資源分布預(yù)測時(shí)，根據(jù)構(gòu)造相似性原理，根據(jù)已開發(fā)井構(gòu)造特征，結(jié)合不同局部構(gòu)造背景下裂縫特征和研究區(qū)大量的壓裂實(shí)測數(shù)據(jù)，利用聚類統(tǒng)計(jì)法，推測采動影響分布規(guī)律，確定剩余資源分布。

3）井網(wǎng)內(nèi)剩余資源分布的精細(xì)預(yù)測，為高階煤后期井位調(diào)整最優(yōu)部署提供可靠依據(jù)。 通過調(diào)整部署，新井與老井可形成井間相互干擾，達(dá)到最大面積降壓，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量效益。