王 晶， 段 靜， 李丹丹， 陶 羽

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077； 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，太原 030000)

0 引言

我國(guó)碎軟低滲煤層分布廣泛，具有煤體碎軟、滲透性差、煤層含氣量高等特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)煤層氣(瓦斯)的高效抽采一直是困擾煤炭與煤層氣研究者的技術(shù)難題?！笆濉逼陂g，張群等提出了碎軟低滲煤層的煤層氣頂板巖層水平井分段壓裂高效抽采模式[1-2]，并從理論、技術(shù)和工程等角度開展了系統(tǒng)完善的研究和驗(yàn)證工作[3-4]。目前，該技術(shù)已經(jīng)在沁水盆地南部晉城礦區(qū)山西組3號(hào)煤層開展了多個(gè)工程應(yīng)用，并推廣至安徽省淮北礦區(qū)、貴州省黔北礦區(qū)等地[5-7]。大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果顯示：頂板分段壓裂水平井技術(shù)在提高煤層氣抽采效率上有著顯著的優(yōu)勢(shì)。沁水盆地北部太原組15號(hào)煤層發(fā)育比較穩(wěn)定，具有煤層埋深大、厚度大、煤體結(jié)構(gòu)較差、含氣量高的特點(diǎn)，具有較好的煤層氣資源開發(fā)潛力[8-9]，然而目前區(qū)內(nèi)垂直井生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)產(chǎn)氣效果并不理想。以沁水盆地北部松塔區(qū)塊為研究對(duì)象，在分析區(qū)塊內(nèi)煤層氣地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)頂板分段壓裂水平井技術(shù)在沁水盆地北部的適應(yīng)性，并采用煤層氣壓裂數(shù)值模擬技術(shù)和抽采模擬技術(shù)手段進(jìn)行效果預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，以期為沁水盆地北部太原組煤層地面煤層氣開發(fā)提供借鑒作用。

1 研究區(qū)15號(hào)煤層煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)

松塔區(qū)塊位于沁水盆地北部，面積298.12 km2(圖1)。含煤地層主要為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，主力煤層為太原組的15號(hào)煤層，埋深在700～1 500 m，全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定。本區(qū)鏡質(zhì)組反射率為2.3%～2.9%，變質(zhì)程度較高，屬貧煤—無煙煤。區(qū)塊內(nèi)15號(hào)煤層全區(qū)發(fā)育，煤厚相對(duì)較大，區(qū)內(nèi)鉆孔所測(cè)數(shù)據(jù)顯示15號(hào)煤凈厚度1.4～6.7 m，橫向分布穩(wěn)定且連續(xù)，除中西部的個(gè)別測(cè)點(diǎn)煤厚相對(duì)較低，一般分布在3～4.5 m?？傮w呈現(xiàn)由東南向西北方向變薄的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)主要由于高部位接受沖蝕作用較強(qiáng)，煤層分叉導(dǎo)致煤層變薄(圖2)。灰分產(chǎn)率在11 %～22 %，平均為16.6 %，煤巖煤質(zhì)較好。

圖1 沁水盆地及研究區(qū)位置Figure 1 Qinshui Basin and study area positions

圖2 松塔區(qū)塊15號(hào)煤煤厚分布Figure 2 Isopach of coal No.15 in Songta block

研究區(qū)共16 口地面煤層氣井進(jìn)行了15號(hào)煤的含氣量測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示15號(hào)煤空氣干燥基含氣量10～24.39 m3/t，平均為16.46 m3/t，干燥無灰基含氣量為13.54～29.15 m3/t，平均為20.77 m3/t，總體來看含氣量呈現(xiàn)中南部高、西北部較低的變化趨勢(shì)，如圖3所示。15號(hào)煤氣體成分以CH4為主，濃度91.34%～98.46%，其次為CO2，濃度0.99%～6.47%，氣體質(zhì)量好。

圖3 松塔區(qū)塊15號(hào)煤含氣量分布Figure 3 Isogram of coal No.15 gas contents in Songta block

根據(jù)松塔區(qū)塊煤層氣井煤心取樣結(jié)果，該區(qū)以碎裂結(jié)構(gòu)為主，部分井呈現(xiàn)碎粒結(jié)構(gòu)、原生結(jié)構(gòu)。通過宏觀煤樣描述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：僅有西南部2 口井15號(hào)煤煤樣為原生煤，煤樣呈塊狀、柱狀，其他井普遍具有煤體結(jié)構(gòu)的分層現(xiàn)象。從松塔區(qū)南部部分井15號(hào)煤巖心照片來看(圖4)，同一口井同一煤層，上部煤樣呈現(xiàn)顆粒狀、碎塊狀，煤體結(jié)構(gòu)較差，為軟分層。下部煤樣呈柱狀，煤體結(jié)構(gòu)較好，為硬分層。這種復(fù)雜的軟硬復(fù)合煤層的開發(fā)難度較大[9-11]，且常規(guī)直井在該種地質(zhì)條件下的開發(fā)效果嚴(yán)重受限，一方面由于軟煤層煤體結(jié)構(gòu)較差，壓裂過程中裂縫易閉合，形成無效裂縫，從而導(dǎo)致軟煤層中的氣體貢獻(xiàn)較少。另一方面由于直井本身產(chǎn)氣量低，需要井?dāng)?shù)較多，很難在較短時(shí)間達(dá)到快速降低瓦斯的目的。

2 頂板分段壓裂水平井技術(shù)適應(yīng)性

頂板分段壓裂水平井技術(shù)主要對(duì)煤層與頂板巖層三向地應(yīng)力及其差異有比較嚴(yán)格要求。利用區(qū)塊內(nèi)分布較均勻的煤層氣陣列聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，確定了三向地應(yīng)力的計(jì)算方法，比較分析了15號(hào)煤層與頂板巖層三向地應(yīng)力結(jié)果，評(píng)價(jià)頂板分段壓裂水平井技術(shù)在區(qū)塊的地質(zhì)適應(yīng)性。

2.1 地層地應(yīng)力

三向應(yīng)力包括垂向應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力，三向應(yīng)力的絕對(duì)大小與壓裂裂縫的形態(tài)有著直接的關(guān)系[12-14]。計(jì)算三向應(yīng)力的方法較多，目前常用的方法包括：室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法和測(cè)井曲線解釋法[15-16]。立足于松塔區(qū)塊實(shí)際情況，通過陣列聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算了各井的三向應(yīng)力。垂向主應(yīng)力采取密度曲線積分方式求取，其公式：

(1)

式中：h0表示密度測(cè)井起始深度，m；ρ0表示表層地層平均密度，g/cm3；ρ表示密度測(cè)井巖石體積密度，g/cm3；g表示重力加速度，一般取9.8m/s2。

圖4 松塔區(qū)塊15號(hào)煤宏觀煤樣巖心照片F(xiàn)igure 4 Core photos of coal No.15 macroscopic coal sample from Songta block

水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)方法較多，根據(jù)前人對(duì)沁水盆地趙莊井田的地應(yīng)力模型研究成果[17]，優(yōu)選組合彈簧模型作為水平主應(yīng)力計(jì)算模型，其公式為

(2)

(3)

式中：εh、εH分別表示水平最小、最大主應(yīng)力方向上的應(yīng)變；α表示有效應(yīng)力系數(shù)，無量綱；μ表示泊松比，無量綱；E表示楊氏模量。

一般認(rèn)為注入/壓降試井所測(cè)閉合壓力pc為最小水平主應(yīng)力σh，即σh=pc，為了驗(yàn)證組合彈簧模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，將試井測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)井預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表1。結(jié)果顯示，兩種方法計(jì)算的最小水平主應(yīng)力誤差均小于11%，平均誤差8.41%。與試井?dāng)?shù)據(jù)的相對(duì)誤差表明該解釋方法是可靠的。

表1 最小水平主應(yīng)力與裂縫閉合壓力對(duì)比Table 1 Comparison between minimum horizontal primarystress and fissure closure pressure

三向應(yīng)力結(jié)果(表2)對(duì)比顯示，15號(hào)煤垂向應(yīng)力為23.49～34.67 MPa，平均為29.61 MPa，最大水平主應(yīng)力為16.72～26.07 MPa，平均為22.81 MPa。15號(hào)煤頂板垂向應(yīng)力為23.28～34.56 MPa，平均為29.45 MPa，最大水平主應(yīng)力為22.91～33.81 MPa，平均為28.66 MPa。垂向應(yīng)力最大，其次為水平主應(yīng)力，當(dāng)垂向應(yīng)力為三向應(yīng)力中最大值時(shí)，壓裂裂縫為垂向裂縫，在煤層頂板進(jìn)行水力壓裂，有利于裂縫在縱向上擴(kuò)展溝通煤層。煤層與頂板最小水平主應(yīng)力對(duì)比顯示：15號(hào)煤頂板最小水平主應(yīng)力為18.38～29.17 MPa，平均為22.81 MPa。15號(hào)煤最小水平主應(yīng)力為15.76～25.11 MPa，平均為21.42 MPa。頂板最小水平主應(yīng)力均大于煤層的最小水平主應(yīng)力，層間最小水平主應(yīng)力差在0.70～6.05 MPa，平均為2.92 MPa。由于水力壓裂過程中，裂縫在垂向上，有從高應(yīng)力向低應(yīng)力擴(kuò)展的規(guī)律。根據(jù)松塔區(qū)塊地應(yīng)力特征，15號(hào)煤頂板地應(yīng)力值普遍高于15號(hào)煤煤層的地應(yīng)力值，位于15號(hào)煤頂板的分段壓裂水平井，壓裂裂縫更易向下延伸至煤層，提高煤層裂縫溝通深度和范圍，提高煤層的壓裂改造效果。

表2 松塔區(qū)15號(hào)煤地應(yīng)力數(shù)據(jù)Table 2 Ground stress data of coal No.15 in Songta block MPa

2.2 巖石力學(xué)特征

煤層氣井壓裂改造的目標(biāo)是造長(zhǎng)縫，從而為低滲煤層提供更加高效的產(chǎn)氣通道。裂縫的形成受力學(xué)性質(zhì)影響較大[18]。一般脆性越好，壓裂裂縫更易延伸從而形成長(zhǎng)縫，巖石脆性是楊氏模量和泊松比的綜合反映，楊氏模量越大，泊松比越小，脆性越好，形成裂縫越理想。

測(cè)試結(jié)果顯示(表3)，松塔區(qū)塊15號(hào)煤頂板泊松比平均為0.30，底板泊松比平均為0.33，煤層泊松比平均為0.37；15號(hào)煤層頂板平均楊氏模量為33.74 GPa，頂板平均楊氏模量為25.51 GPa，煤層楊氏模量為6.13 GPa。煤層泊松比高，楊氏模量小，其中15號(hào)煤圍巖楊氏模量是煤層的4.16～5.50倍，表明頂板在水力壓裂過程中更容易產(chǎn)生脆性斷裂，形成更長(zhǎng)更穩(wěn)定的壓裂縫。在頂板裂縫的撕拉作用下，有利于裂縫在煤層中的延伸，并有助于形成高導(dǎo)流能力的壓裂長(zhǎng)縫。

表3 15號(hào)煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 3 Mechanical parameter tested results of coal No.15 andits roof, floor

2.3 壓裂效果模擬

為驗(yàn)證頂板分段壓裂水平井在松塔區(qū)塊的壓裂效果，運(yùn)用壓裂數(shù)值模擬軟件FracproPT對(duì)松塔區(qū)塊15號(hào)煤進(jìn)行壓裂效果預(yù)測(cè)，模擬對(duì)比了在煤層和頂板兩種壓裂層位的壓裂裂縫展布規(guī)律。模擬結(jié)果如表4、圖5、圖6所示。

表4 不同壓裂層位壓裂裂縫幾何形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of different fracturing horizons fissuregeometric form parameters m

直接在煤層中進(jìn)行壓裂，形成的裂縫長(zhǎng)度為113.2m，支撐縫高為17.0m，受碎軟煤力學(xué)性質(zhì)的影響，巖層韌性較大，壓裂裂縫較難延伸形成長(zhǎng)效裂縫，裂縫易向高處延伸。而將壓裂層位置于頂板處，裂縫長(zhǎng)度可以達(dá)到158.6m，縫高為13.9m，裂縫長(zhǎng)度提高了40.1%。由此可見，在松塔區(qū)采用頂板壓裂相較與直接在煤層中壓裂，效果更佳。

圖5 15號(hào)煤層頂板實(shí)施水平井壓裂裂縫形態(tài)Figure 5 Coal No.15 roof horizontal well fracturing fissure forms

圖6 15號(hào)煤層中實(shí)施水平井壓裂裂縫形態(tài)Figure 6 Coal No.15 horizontal well fracturing fissure forms

3 產(chǎn)氣效果預(yù)測(cè)

該區(qū)自2011年至今先后共有19口垂直井投入排采，日均產(chǎn)氣量在0～100m3/d的井9口，占總井?dāng)?shù)的47%；日均產(chǎn)氣量在100～500 m3/d的井3口，占總井?dāng)?shù)的16%；日均產(chǎn)氣量500～1 000m3/d的井4口，占比21%；日均產(chǎn)氣量1 000 m3/d的井僅2口，占比11%。煤層氣直井日產(chǎn)氣量差異明顯，總體單井產(chǎn)氣效果差。

為了驗(yàn)證頂板分段壓裂水平井在該區(qū)的產(chǎn)氣效果，利用CBM-sim煤層氣數(shù)值模擬軟件對(duì)松塔區(qū)塊煤層氣水平井產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，參考國(guó)內(nèi)水平井壓裂技術(shù)的常規(guī)技術(shù)參數(shù)，設(shè)定水平段長(zhǎng)度為1 080 m，壓裂間距90 m，壓裂段數(shù)13段，基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)如表5所示。產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示，可以看到分段壓裂水平井單井日產(chǎn)氣量峰值為12 672.52m3/d，10a累計(jì)產(chǎn)量為1.68×107m3，井控范圍內(nèi)3a平均采收率為22.48%，5a平均采收率30.56%，10a平均采收率為45.43%。頂板分段壓裂水平井具有單井產(chǎn)量大，且采收效率高的顯著優(yōu)勢(shì)。

表5 松塔區(qū)塊數(shù)值模擬基礎(chǔ)參數(shù)Table 5 Numerical simulation fundamental parametersin Songta block

圖7 水平井產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)Figure 7 Prediction of horizontal well gas production

4 結(jié)論

1)利用松塔區(qū)塊陣列聲波測(cè)井，優(yōu)選組合彈簧模型計(jì)算了煤及頂板三向地應(yīng)力。從地應(yīng)力和巖石力學(xué)角度，證明松塔區(qū)塊具有實(shí)施頂板分段壓裂水平井的地質(zhì)適應(yīng)性。

2)利用壓裂數(shù)值模擬軟件，對(duì)松塔區(qū)塊進(jìn)行了壓裂數(shù)值模擬工作，模擬結(jié)果顯示，在頂板實(shí)施水平井壓裂形成裂縫半長(zhǎng)為158.6m，較直接煤層壓裂，裂縫半長(zhǎng)提高40%，達(dá)到了預(yù)期壓裂效果。

3)利用CBM-SIM產(chǎn)能數(shù)值模擬軟件對(duì)松塔區(qū)塊煤層氣水平井產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。抽采模擬結(jié)果顯示，分段壓裂水平井單井日產(chǎn)氣量峰值為12 672.52m3/d，10a平均采收率為45.43%，頂板分段壓裂水平井在松塔區(qū)塊具有產(chǎn)氣潛力。