郝少偉 ，張徑碩 ，王韶偉 ，竟亞飛

（1.山西潞安金源煤層氣開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

煤層中能否營(yíng)造有效裂縫對(duì)壓裂效果具有重要影響。近年來，國(guó)內(nèi)外研究者采用相似材料壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)和裂縫監(jiān)測(cè)等方法研究了煤巖強(qiáng)度、圍巖力學(xué)性質(zhì)和所受應(yīng)力狀態(tài)對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)的影響[1-3]。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)力差大于6 MPa 時(shí)，地應(yīng)力是裂縫延伸的主控因素，水力壓裂裂縫容易沿著最大主應(yīng)力方向延伸；當(dāng)應(yīng)力差在3～6 MPa 時(shí)，水力壓裂裂縫形態(tài)是煤中裂隙系統(tǒng)、應(yīng)力差和圍巖力學(xué)共同作用的結(jié)果；當(dāng)應(yīng)力差小于3 MPa 時(shí)，煤中裂隙系統(tǒng)、圍巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)影響較大。這些成果為現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)[4-9]。通過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂實(shí)踐，學(xué)者們提出了針對(duì)軟煤發(fā)育區(qū)的“虛擬儲(chǔ)層”壓裂和針對(duì)軟硬煤互層的“避射軟煤”的射孔優(yōu)化技術(shù)，這些研究成果無疑為現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂效果最優(yōu)提供了重要保障。

不同的煤、巖儲(chǔ)層組合類型可能具有不同的水力壓裂裂縫形態(tài)，其壓裂效果也不同。目前，科研工作者更多關(guān)注水力壓裂裂縫形態(tài)的主控因素和形態(tài)特征，對(duì)煤/巖組合類型劃分相對(duì)關(guān)注較少。為此，以潞安礦區(qū)余吾礦的煤層氣勘探開發(fā)資料為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)3#煤層的頂板巖性和力學(xué)性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力狀態(tài)等進(jìn)行研究，劃分水力壓裂的煤/巖組合類型，并提出了不同組合類型下的水力壓裂措施建議，以期為不同煤/巖組合類型下水力壓裂改造措施實(shí)施提供指導(dǎo)與借鑒。

1 地質(zhì)概況及水力壓裂煤/巖組合類型劃分

余吾礦位于潞安礦區(qū)中部，井田內(nèi)主要發(fā)育褶皺構(gòu)造。主采煤層為3#煤層，厚度一般為4.67～7.03 m，平均為6.07 m；煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤和碎粒煤為主。埋深一般為573～740 m，平均為617 m。3#煤層頂板巖性一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖；底板巖性一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

研究表明：煤層頂/底板的巖性及力學(xué)性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)和煤層所受的地應(yīng)力對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)具有重要影響[10-13]。因此，首先獲取這幾個(gè)參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行水力壓裂煤/巖組合類型劃分。

1）煤層頂板巖性和力學(xué)性質(zhì)的獲取方法。本次通過該區(qū)煤層氣井的測(cè)井解釋對(duì)3#煤層頂板的巖性進(jìn)行判識(shí)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)取心井3#煤層頂板的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)試。以煤層頂板15 m 為界限，結(jié)合巖性求得其綜合彈性模量Ez。Ez與中砂巖的彈性模-量Ef相除（根據(jù)研究區(qū)情況取Ef=28.54 GPa），當(dāng)值<1 時(shí)，定義為軟巖；當(dāng)值≥1 時(shí)，定義為硬巖。

式中：Ez為綜合彈性模量，GPa；Ei為第i種巖性的彈性模量，GPa；hi為第i種巖層的厚度（h1+h2+···+hn=15），m。

2）煤層段軟/硬煤的獲取方法。首先根據(jù)鉆井取心，確定出不同煤體結(jié)構(gòu)的GSI 值；然后，對(duì)參數(shù)井煤層段的GSI 值與對(duì)應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行多參數(shù)擬合，關(guān)系模型如式（2）；根據(jù)式（2）得出相對(duì)應(yīng)的其他煤層氣井煤層段的GSI 值。把GSI 值≥40 稱為硬煤，GSI 值＜40 為軟煤。分別統(tǒng)計(jì)煤層段的硬煤和軟煤的厚度，當(dāng)硬煤厚度≥60%時(shí)，煤層段稱為硬煤；反之為軟煤。

式中：GSI 為煤破碎程度值，1～100；ρc為煤的密度，t/m3；Gr為自然伽馬，API；Cx、Cy分別為x、y方向上的井徑，mm；Rd為深側(cè)向電阻率，Ω·m；a、b、c、d、f為擬合常數(shù)。

3）地應(yīng)力的獲取方法。主要通過水力壓裂曲線結(jié)合密度測(cè)井獲取水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力。壓裂泵入結(jié)束后，壓降曲線上有1 個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這個(gè)拐點(diǎn)就是瞬時(shí)關(guān)井壓力pISTP，該值與最小水平主應(yīng)力σMIN相當(dāng)[14]；由此可得最大水平主應(yīng)力σMAX；而上覆靜巖壓力σv就是上覆巖體自重引起的壓力，可通過測(cè)井獲取的上覆地層密度和相應(yīng)厚度計(jì)算得出[15]。

式中：pISTP為瞬時(shí)關(guān)井壓力，可由水力壓裂施工曲線上直接讀取， MPa；σMIN為最小水平主應(yīng)力，MPa。

式中：σMAX為最大水平主應(yīng)力，MPa；pf為破裂壓力，MPa；p0為儲(chǔ)層壓力，可通過排采時(shí)初始動(dòng)液面得出， MPa；St為煤的抗張強(qiáng)度，MPa。

式中：σv為上覆靜巖壓力，kPa；ρri為上覆地層某層密度，t/m3；Hi為上覆地層某層厚度，m。

根據(jù)上述劃分關(guān)鍵參數(shù)的獲取方法，分別對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)、煤體結(jié)構(gòu)、圍巖的巖石力學(xué)劃分參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合其臨界值和研究區(qū)儲(chǔ)層特征進(jìn)行排列組合，劃分出水力壓裂煤/巖組合類型。水力壓裂煤/巖組合類型劃分方法如圖1。

圖1 水力壓裂煤/巖組合類型劃分方法Fig.1 Classification method of hydraulic fracturing coal /rock combination types

2 研究區(qū)水力壓裂煤/巖層組合類型劃分結(jié)果

1）頂/底板巖性分布特征。實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同巖性進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)：泥巖、砂質(zhì)泥巖各測(cè)試了6 塊，彈性模量范圍分別為9.58～13.21 GPa 和10.59～16.77 GPa，平均值分別為11.10 GPa 和13.81 GPa；粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖各測(cè)試5 塊，彈性模量范圍分別為29.79～41.37 GPa、27.9～47.62 GPa、25.78～39.31 GPa，平 均 值 分 別 為36.32、32.87、28.54 GPa。對(duì)煤層氣井3#煤層頂15 m 內(nèi)的巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和式（1），得出了頂板軟、硬巖分布特征。從3#煤層頂板軟/硬巖分布特征可得：研究區(qū)的西部和東部，頂板巖性為軟巖，中部為硬巖。

2）軟/硬煤分布特征。根據(jù)軟、硬煤劃分方法，得出3#煤層軟、硬煤分布特征。從研究區(qū)3#煤層軟/硬煤分布特征可得：硬煤主要分布在研究區(qū)的中部及中西部，其余以軟煤為主。

3）地應(yīng)力分布特征。根據(jù)地應(yīng)力計(jì)算公式，得出研究區(qū)各煤層氣井的地應(yīng)力值。同時(shí)，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，部分井計(jì)算結(jié)果與試井結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，部分煤層氣井的地應(yīng)力數(shù)據(jù)及應(yīng)力類型見表1。表1 試井得出的破裂壓力和閉合壓力均比水力壓裂曲線對(duì)應(yīng)值大，原因?yàn)椋孩偎毫咽┕づ帕枯^大，管線摩阻較大，導(dǎo)致其讀數(shù)相對(duì)大；②有些井的井徑擴(kuò)大、煤層部分受到污染，導(dǎo)致破裂壓力變大；③壓裂時(shí)砂堵等曲線異常造成閉合壓力變大。選擇施工較正常的井進(jìn)行計(jì)算，研究區(qū)3#煤層地應(yīng)力分布特征應(yīng)力分布如圖2。從圖2 可看出：研究區(qū)3#煤層最小水平主應(yīng)力范圍為6～15.5 MPa，最大水平主應(yīng)力范圍為10～29 MPa，垂直應(yīng)力一般為9.5～19 MPa；地應(yīng)力類型主要為拉張型或過渡型；其中最小、最大水平主應(yīng)力的分布特征相似，均為北高南低，西高東低；垂直地應(yīng)力呈北高南低變化趨勢(shì)。

表1 部分煤層氣井地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及試井?dāng)?shù)據(jù)Table 1 Ground stress calculation results and stress types for selected CBM wells

圖2 研究區(qū)3 號(hào)煤層地應(yīng)力分布特征Fig.2 Characteristics of ground stress distribution in No.3 coal seam of study area

根據(jù)圖1 的劃分方法，劃分出儲(chǔ)層組合類型，研究區(qū)3#煤儲(chǔ)層可劃分為：軟巖軟煤過渡型、軟巖軟煤拉張型（YW-04～YW-09、YW-11、YW-15、YW-16、YW-18）、硬巖軟煤過渡型（YW-17）、軟巖硬煤過渡型（YW-19）、軟巖硬煤拉張型(YW-02)、硬巖硬煤過渡型(YW-01、YW-03)和硬巖硬煤拉張型（YW-10、YW-12～YW-14）等7 種類型。

3 研究區(qū)水力壓裂效果分析

分別選取研究區(qū)硬煤硬巖拉張型、軟巖軟煤拉張型、軟巖硬煤拉張型和硬巖軟煤過渡型4 種典型井的壓裂和排采資料進(jìn)行分析。不同儲(chǔ)層類型的壓裂曲線如圖3，不同儲(chǔ)層類型的排采曲線如圖4。從圖3 和圖4 可看出：

圖3 不同儲(chǔ)層類型的壓裂曲線Fig.3 Fracturing curves for different reservoir types

圖4 不同儲(chǔ)層類型的排采曲線Fig.4 Discharge and recovery curves for different reservoir types

1）硬巖硬煤拉張型。水力壓裂時(shí)硬巖的阻隔作用，壓裂裂縫主要在硬煤中形成并延伸；拉張型情況時(shí)，施工壓力不高；加砂過程中支撐劑的重力作用，施工壓力反而有所下降；營(yíng)造的裂縫能有效支撐，停泵后壓力降低較快。結(jié)合產(chǎn)氣曲線，可知壓裂效果較好。

2）軟巖軟煤拉張型。軟煤較破碎，天然裂隙較少，近井筒地帶可能有污染，造成初期施工壓力較高，隨著壓裂進(jìn)行，突破污染帶，施工壓力降低；拉張型使支撐劑容易在碎煤粒間堆積，施工壓力一般較低，無法營(yíng)造出有效裂縫。產(chǎn)氣曲線側(cè)面反映了壓裂效果較差。

3）軟巖硬煤拉張型。施工壓力不高時(shí)，容易在硬煤中延伸形成裂縫；若排量過大，容易在軟巖和硬煤界面延伸，影響壓裂效果。壓裂曲線表明：裂縫在硬煤中有一定延伸，產(chǎn)氣曲線間接表明壓裂較好。

4）硬巖軟煤過渡型。壓裂時(shí)硬巖的阻隔作用，軟煤中營(yíng)造的有效裂縫少；壓裂中期砂比提高后，煤層發(fā)生堵塞施工壓力居高不下，造縫困難，裂隙延伸范圍有限。由產(chǎn)氣曲線也可以看出：軟煤層壓裂時(shí)很難營(yíng)造出有效裂縫，產(chǎn)氣量較低。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的煤/巖組合類型，提出了相應(yīng)的水力壓裂建議，不同煤/巖組合類型水力壓裂建議見表2。

表2 不同煤/巖組合類型水力壓裂建議Table 2 Hydraulic fracturing proposals for different coal/rock combination types

4 不確定性分析

1）煤層段的非均質(zhì)性、鉆井的污染程度、壓裂時(shí)是否存在砂堵及堵塞嚴(yán)重程度、管線摩阻等都可能造成壓裂時(shí)破裂壓力、停泵壓力與實(shí)際存在一定的差異性，這些差異都影響著地應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，今后需進(jìn)一步考慮這些因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，使應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

2）本文的各種分布圖是通過已有煤層氣井資料計(jì)算相應(yīng)參數(shù)后采用克里金插值法得出的結(jié)果。數(shù)據(jù)點(diǎn)是否是極值點(diǎn)、分布間距等都將影響著參數(shù)圖的表征結(jié)果。個(gè)別塊段由于煤層氣井之間間距較大，所取值并非極值點(diǎn)，采用克里金插值法時(shí)可能與實(shí)際存在一定差異。隨著今后煤層氣井?dāng)?shù)量的增加，參數(shù)表征結(jié)果更接近實(shí)際。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過研究區(qū)的地應(yīng)力分布特征、圍巖巖性特征和煤結(jié)構(gòu)特征研究，將研究區(qū)3#煤/巖儲(chǔ)層分為軟巖軟煤過渡型、硬巖軟煤過渡型、軟巖硬煤過渡型、硬巖硬煤過渡型、軟巖軟煤拉張型、軟巖硬煤拉張型和硬巖硬煤拉張型等7 種類型。

2）不同的煤/巖儲(chǔ)層組合類型，水力壓裂時(shí)裂縫形態(tài)不同，壓裂效果也不同。針對(duì)不同水力壓裂煤/巖層組合類型，提出了不同組合類型下的水力壓裂措施建議如下：①硬巖硬煤組合類型：采用大排量、多液量、低/中砂比、逐級(jí)加砂方式能營(yíng)造出較長(zhǎng)裂縫并能有效支撐；②硬巖軟煤拉張型：建議在硬巖頂板壓裂，但排量不宜過大，防止竄層；③硬巖軟煤過渡/擠壓型：需優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)；④軟巖硬煤組合：應(yīng)避射部分煤層，防止水力壓裂時(shí)裂縫進(jìn)入到煤層與軟巖交界面，影響壓裂效果；⑤軟巖軟煤組合：不建議采用水力壓裂方式進(jìn)行改造。