不同原生裂縫壁面特征對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂造縫影響的對(duì)比分析

何俊鏵,陳立超,胡 奇,王生維,2,張業(yè)暢,陳文文,劉琴琴

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074;2.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204)

不同原生裂縫壁面特征對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂造縫影響的對(duì)比分析

何俊鏵1,陳立超1,胡 奇1,王生維1,2,張業(yè)暢1,陳文文1,劉琴琴1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074;2.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204)

為了準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)原生裂縫壁面特征對(duì)煤儲(chǔ)層水力壓裂效果的影響,基于對(duì)沁水盆地南部8口煤層氣井附近原生裂縫壁面特征以及其壓裂效果的解剖觀測,對(duì)2口典型煤層氣井F1和F2附近的原生裂縫壁面特征進(jìn)行了觀測和對(duì)比:F1原生裂縫壁面相對(duì)曲折、粗糙以及次級(jí)裂縫發(fā)育,F2則反之。對(duì)2口煤層氣壓裂井開挖解剖發(fā)現(xiàn):煤儲(chǔ)層壓裂裂縫形態(tài)比壓裂理論模型推算值及地面監(jiān)測值更為短而寬;原生裂縫壁面特征對(duì)水力壓裂效果具有重要影響。研究結(jié)果表明:煤儲(chǔ)層特有的原生裂縫壁面特征是造成實(shí)際的壓裂裂縫更為短而寬的重要因素;不同的原生裂縫壁面特征通過影響壓裂過程中流體壓力降低梯度進(jìn)而影響最終壓裂效果。

煤儲(chǔ)層;水力壓裂;原生裂縫壁面特征;壓裂井解剖;壓裂裂縫形態(tài);造縫影響因素

煤層氣開發(fā)中,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)水力壓裂造縫是解決煤層氣開發(fā)難題的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段通過大地電位法、微地震及井溫測試等手段可以對(duì)煤層氣井壓后裂縫形態(tài)有一定的認(rèn)識(shí)[1-2],更多研究人員通過數(shù)學(xué)模型來認(rèn)識(shí)和歸納煤層壓后裂縫參數(shù)[3-5]。唐書恒等通過地應(yīng)力采用數(shù)值模擬的方法分析地應(yīng)力對(duì)水力壓裂起裂壓力、起裂位置的影響,認(rèn)為地應(yīng)力的大小和方位將對(duì)起裂壓力和起裂位置有重要影響[6]。李林地等從損傷力學(xué)上研究了煤儲(chǔ)層水力壓裂規(guī)律,分析天然裂縫數(shù)量與長度及天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角對(duì)壓裂造縫的影響,認(rèn)為原生裂縫數(shù)量、長度及其與最大水平主應(yīng)力方向夾角增大使得摩阻增大,最終主裂縫延伸長度減小[7]。目前從煤儲(chǔ)層角度分析其力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)壓裂造縫影響的研究較為完善[8-14],普遍認(rèn)為煤儲(chǔ)層其巖石力學(xué)特征使得壓裂造縫變得短而寬,但煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征對(duì)壓裂效果影響研究尚不充分。

煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征主要包括其光滑程度、曲折程度以及次級(jí)裂縫發(fā)育情況。在煤儲(chǔ)層原生裂縫中,裂縫壁面有較平直壁面、波紋狀壁面,微鋸齒狀壁面等。壁面間煤粉及碎煤顆粒等也將會(huì)對(duì)其壁面光滑程度產(chǎn)生影響。煤儲(chǔ)層內(nèi)部裂隙和割理十分發(fā)育,裂縫壁面上次級(jí)裂縫較多。

筆者通過沁水盆地南部煤層氣井壓裂層位的實(shí)地解剖觀測,客觀準(zhǔn)確地分析了煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征對(duì)煤層水力壓裂裂縫形態(tài)和參數(shù)的影響,進(jìn)而探討了其對(duì)壓裂造縫的影響機(jī)理。

1 研究區(qū)概況及不同壁面特征觀測

1.1 研究區(qū)概況及研究方法

研究區(qū)位于沁水盆地南部下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層。構(gòu)造上位于沁水坳陷東南部,內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡單,影響和控制地層分布和水文地質(zhì)條件的構(gòu)造主要是東部的NNE向的晉獲斷裂帶和南部的EW向斷裂帶。

本次研究的主要方法是通過觀測不同的原生裂縫壁面后,對(duì)其附近的煤層氣井壓裂造縫情況進(jìn)行井下跟蹤觀測,對(duì)比2口煤層氣井壓裂效果的區(qū)別,來認(rèn)識(shí)原生裂縫壁面特征對(duì)壓裂造縫的影響及其作用機(jī)理。

1.2 2個(gè)觀測點(diǎn)壁面特征觀測及對(duì)比

煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征主要包括原生裂縫壁面的曲折程度、光滑程度以及壁面上次生裂縫發(fā)育情況。筆者選取了所觀測的多口煤層氣井中原生裂縫壁面特征對(duì)比較為明顯的2個(gè)解剖點(diǎn),以期得到較為明顯的壓裂效果對(duì)比結(jié)果。

1.2.1 F1觀測點(diǎn)

此觀測點(diǎn)位于F1壓裂井附近,對(duì)5個(gè)原生裂縫壁面進(jìn)行了觀測和統(tǒng)計(jì)。5個(gè)原生裂縫壁面上次級(jí)裂隙都十分發(fā)育,可以清楚地識(shí)別到壁面上的外生節(jié)理和氣脹節(jié)理。在鏡煤條帶上內(nèi)生裂隙十分發(fā)育,具有近乎等間距的發(fā)育特征。原生裂縫形態(tài)曲折,多呈鋸齒狀,壁面粗糙,且多附著白色方解石礦物(圖1(a))。

圖1 原生裂縫壁面次級(jí)裂隙發(fā)育特征Fig.1 Feature of secondary crack on natural fracture

1.2.2 F2觀測點(diǎn)

此觀測點(diǎn)位于F2壓裂井附近,所觀測到的5個(gè)原生裂縫壁面上次級(jí)裂隙較為發(fā)育,外生節(jié)理、氣脹節(jié)理發(fā)育,鏡煤條帶內(nèi)生裂隙也較為發(fā)育,在裂縫壁面單位面積上分布著相對(duì)較多的裂隙條數(shù)。原生裂縫形態(tài)相對(duì)較為平直,壁面光滑(圖1(b))。

1.2.3 對(duì)比分析

研究以平均壁面轉(zhuǎn)折線條數(shù)、單位面積上粗糙面積占總面積比以及單位長度上次級(jí)裂縫發(fā)育條數(shù)來分別表征原生裂縫壁面曲折、粗糙、次級(jí)裂縫發(fā)育程度,以此對(duì)比F1和F2觀測點(diǎn)附近多個(gè)原生裂縫壁面的平均粗糙、曲折、次級(jí)裂隙發(fā)育程度,特征對(duì)比見表1及圖2。

表1 F1與F2井煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征對(duì)比Table 1 Contrast of natural fracture sunface characteristics of coal reservoir of F1and F2

圖2 兩觀測點(diǎn)原生裂縫壁面特征對(duì)比Fig.2 Contrast of natural fracture surface characteristics of the two observation points

隨著觀測面的增多,可以看出2個(gè)觀測點(diǎn)原生裂縫壁面特征差異:

(1)2個(gè)觀測點(diǎn)的原生裂縫壁面在曲折程度上有一定差別,F1井附近原生裂縫壁面更為曲折。而F2井壁面相對(duì)較為平直。

(2)在光滑程度上,F1井附近原生裂縫壁面相對(duì)更為粗糙。

(3)F1井附近原生裂縫壁面上次級(jí)裂縫發(fā)育情況明顯高于F2井。

2 不同原生裂縫壁面特征壓裂效果對(duì)比

在沁水盆地南部礦區(qū)的回采工作面或掘進(jìn)工作面向煤層氣井推進(jìn)過程中,對(duì)多口煤層氣井壓裂層位進(jìn)行多截面追蹤觀測,通過單井的多次追蹤觀測來客觀認(rèn)識(shí)煤層氣井外部壓裂裂縫展布特征,通過多口井的綜合認(rèn)識(shí)得到沁水盆地南部煤儲(chǔ)層壓裂裂縫展布的一般性規(guī)律。

本次觀測的2口煤層氣壓裂井均由同一家壓裂作業(yè)公司、相同的壓裂工藝完成壓裂施工,故2口煤層氣壓裂井具有一定的可對(duì)比性。

2.1 F1井實(shí)例解剖

本次觀測位于煤礦回采工作面上,隨著回采工作面的推進(jìn),在距離F1井筒約8,5,2 m三處進(jìn)行了3次裂縫及支撐劑形態(tài)觀測。在距離井筒約8 m處觀測到支撐劑寬度最窄,裂縫寬度也最窄。在距井筒2 m處觀測到支撐劑寬度最寬,裂縫寬度與支撐劑寬度相近。在距離井筒5 m處觀測到支撐劑寬度與裂縫寬度均居中。

2.2 F2井實(shí)例解剖

本次觀測位于煤礦回采工作面上,與F1解剖點(diǎn)相同,在距離F2井筒約8,5,2 m三處進(jìn)行了3次裂縫及支撐劑形態(tài)觀測。隨著回采工作面的推進(jìn),觀測到,在距離井筒約8 m處觀測到支撐劑寬度最窄,裂縫寬度也最窄。在距井筒2 m處觀測到支撐劑寬度最寬,裂縫寬度與支撐劑寬度相近,但仍明顯窄于F1對(duì)應(yīng)位置寬度。在距離井筒5 m處觀測到支撐劑寬度與裂縫寬度均居中。

2.3 煤層氣井壓裂特征及2口井的對(duì)比

2.3.1 煤層氣井壓裂特征

對(duì)比數(shù)學(xué)模型、地面監(jiān)測,以及井下實(shí)地解剖觀測值得到裂縫寬度和長度(表2),結(jié)合觀測結(jié)果可以看出沁水盆地南部煤儲(chǔ)層水力造縫具有以下特征:

表2 不同方法所得裂縫參數(shù)范圍對(duì)比[15-16]Table 2 Contrast of fracture parameters from different methods[15-16]

(1)裂縫形態(tài)基本近垂直。2口煤層氣井壓裂裂縫均為垂直裂縫,這說明煤儲(chǔ)層最小主應(yīng)力為水平。

(2)實(shí)際觀測到的裂縫長寬與數(shù)學(xué)模型模擬和地面監(jiān)測值得到的結(jié)果有一定的差異。裂縫較模型求解和地面監(jiān)測所得值具有更加大的寬度和短的長度。

(3)支撐劑在裂縫內(nèi)運(yùn)移距離較短,大部分在井筒周圍堆積,支撐半徑一般較小,未到達(dá)理想的支撐效果。

2.3.2 2口井壓裂效果對(duì)比

由圖3可以看出,F1井壓裂所造裂縫更為短而寬,而F2井壓裂所造裂縫相對(duì)F1井明顯窄而長,支撐劑在F2中展布范圍較大(表3)。

圖3 兩解剖點(diǎn)裂縫形態(tài)特征對(duì)比Fig.3 Contrast of fracturing fracture feature ofthe two observation points

表3 井下解剖壓裂裂縫參數(shù)對(duì)比Table 3 Contrast of fracturing fracture characteristics parameters

3 壁面特征對(duì)壓裂造縫影響機(jī)理

分析壓裂過程中裂縫內(nèi)流體壓力的分布特征:假設(shè)煤層水平且在理想狀況下,在單位長度上設(shè)流體密度為ρ,縫前端流體速度為v1,壓力為p1,縫后端流體速度變?yōu)関2,壓力變?yōu)閜2。根據(jù)伯努利方程可以得到

在實(shí)際情況中,考慮到濾失引起的壓力變化pc和摩擦阻力引起的壓力變化pf,上式可以寫成

因?yàn)V失引起的壓力損失pc大小與濾失嚴(yán)重程度有關(guān)。

其中,pa為沿程壓力損失,由液體流動(dòng)時(shí)內(nèi)外摩擦力控制;pb為局部壓力損失,因流體遇到障礙,方向速度發(fā)生變化,在流體質(zhì)點(diǎn)在局部內(nèi)以及與壁面碰撞摩擦產(chǎn)生的壓力損失。由上述各式可以得到縫內(nèi)單位長度上流體壓力降低值Δp為

由上式可以看出:原生裂縫壁面特征通過摩擦阻力和濾失影響壓降梯度變化。進(jìn)一步可以得出壁面摩擦系數(shù)大、曲率高、裂隙發(fā)育條數(shù)多得到更大的壓降梯度。較高的壓降梯度會(huì)引起壓力集中在井筒附近,壓力在向外傳遞過程中迅速下降,壓裂液能量迅速損失,最終形成短而寬的裂縫;而較低的壓降梯度可以使壓力傳遞效率更高,壓力在向外傳遞過程中緩慢下降,壓裂液能量傳遞較遠(yuǎn),進(jìn)而形成窄而長的裂縫。煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面特征不僅解釋了煤層氣藏壓裂效果相對(duì)常規(guī)油氣來說更為短而寬的原因,而且也是煤儲(chǔ)層壓裂所造裂縫比以往認(rèn)識(shí)的裂縫規(guī)模更加短而寬的重要因素。

4 結(jié) 論

(1)F1井相對(duì)F2井附近原生裂縫壁面具有次級(jí)裂隙更為發(fā)育、壁面更為曲折和粗糙的特征。

(2)開挖解剖發(fā)現(xiàn)沁水盆地南部煤層水力壓裂形成了較數(shù)學(xué)模型計(jì)算和地面物探和監(jiān)測所確定形態(tài)差別較為懸殊的短而寬的垂直裂縫系統(tǒng)。

(3)煤儲(chǔ)層原生裂縫壁面次級(jí)裂隙發(fā)育、壁面粗糙、壁面轉(zhuǎn)折較多將會(huì)引起更大的壓裂流體能量和壓力的損失,從而易形成短而寬的壓裂裂縫。

[1] Les Bennett,Joёl Le Calvez,David R Sarver,et al.The new method of monitoring cement fracturing[J].WWLT,2007,22(4):53-67.

[2] 趙陽升,楊 棟,胡耀青,等.低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣開采有效技術(shù)途徑的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2001,26(5):455-458.

Zhao Yangsheng,Yang Dong,Hu Yaoqing,et al.Study on the effective technology way for mining methane in low permeability coal seam[J].Journal of China Coal Society,2001,26(5):455-458.

[3] 李安啟,姜 海,陳彩虹.我國煤層氣井水力壓裂的實(shí)踐與煤層裂縫模型的選擇分析[J].天然氣工業(yè),2004,24(5):91-93.

Li Anqi,Jiang Hai,Chen Caihong.The practice and analysis of hy-draulic fracturing in China coal methane well[J].Natural Gas Industry,2004,24(5):91-93.

[4] 朱寶存.煤層氣井水力壓裂力學(xué)機(jī)制數(shù)值模擬研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2008:34-55.

Zhu Baocun.Numerical modeling of mechanical mechanism of hydraulic fracture in coal-bed methane well[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2008:34-55.

[5] 彪仿俊,劉 合,張士誠,等.水力壓裂水平縫影響參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].工程力學(xué),2011,28(10):228-235.

Biao Fangjun,Liu He,Zhang Shicheng,et al.A numerical study of parameters on horizontal hydraulic fracturing[J].Engineering Mechanics,2011,28(10):228-235.

[6] 唐書恒,朱寶存,顏志豐.地應(yīng)力對(duì)煤層氣井水力壓裂裂縫發(fā)育的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(1):65-69.

Tang Shuheng,Zhu Baocun,Yan Zhifeng.Effect of crustal stress on hydraulic fracturing in coalbed methane wells[J].Journal of China Coal Society,2011,36(1):65-69.

[7] 李林地,張士誠,庚 勐.煤層氣藏水力壓裂擴(kuò)展規(guī)律[J].天然氣工業(yè),2010,30(2):72-74.

Li Lindi,Zhang Shicheng,Geng Meng.A study of the propagation law of hydraulic fractures in coalbed gas reservoirs[J].Natural Gas Industry,2010,30(2):72-74.

[8] 閆少宏,寧 宇,康立軍,等.用水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(1):31-35.

Yan Shaohong,Ning Yu,Kang Lijun,et al.The mechanism of hydrobreakage to control hard roof and its test study[J].Journal of China Coal Society,2000,25(1):31-35.

[9] 馮 晴,吳財(cái)芳,雷 波.沁水盆地煤巖力學(xué)特征及其壓裂裂縫的控制[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(3):100-103.

Feng Qing,Wu Caifang,Lei Bo.Coal rock mechanics features of Qinshui Basin and fracturing crack control[J].Coal Science and Technology,2011,39(3):100-103.

[10] 倪小明,王延斌,接銘訓(xùn),等.不同構(gòu)造部位地應(yīng)力對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的控制[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(5):505-508.

Ni Xiaoming,Wang Yanbin,Jie Mingxun,et al.Stress’s influence in different tectonic positions on fracturing interstitial morphology [J].Journal of China Coal Society,2008,33(5):505-508.

[11] 陳 勉,周 健,金 衍,等.隨機(jī)裂縫性儲(chǔ)層壓裂特征實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(3):431-434.

Chen Mian,Zhou Jian,Jin Yan,et al.Experimental study on fracturing features in naturally fractured reservoir[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3):431-434.

[12] 朱寶存,唐書恒,張佳贊.煤巖與頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)及對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(6):756-760.

Zhu Baocun,Tang Shuheng,Zhang Jiazan.Mechanics characteristics of coal and its roof and floor rock and the effects of hydraulic fracturing on coal reservoir[J].Journal of China Coal Society, 2009,34(6):756-760.

[13] Doe T W,Boyce G.Orientation of hydraulic fractures in salt under hydrostaticand non-hydrostaticstress[J].Rock Mechanics and Mining Science,1989,26:605-611.

[14] Renshaw C E,Pollard D D.Are large differential stresses required for straight fracture propagation paths[J].Journal of Structural Geology,1994,16(6):817-822.

[15] 吳曉東,席長豐,王國強(qiáng).煤層氣井復(fù)雜水力壓裂裂縫模型研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(12):124-126.

Wu Xiaodong,Xi Changfeng,Wang Guoqiang.The mathematic model research of complicated fractures system in coalbed methane wells[J].Natural Gas Industry,2006,26(12):124-126.

[16] 單學(xué)軍,張士誠,張遂安,等.華北地區(qū)煤層氣井壓裂裂縫監(jiān)測及其擴(kuò)展規(guī)律[J].煤炭地質(zhì)與勘探,2005,33(5):25-28.

Shan Xuejun,Zhang Shicheng,Zhang Suian,et al.Fracture monitoring and analysis of propped fracture geometry in fractured coalbed methane wells in North China[J].Coal Geology&Exploration,2005,33(5):25-28.

Comparative analysis for the impact of different natural fracture surface characteristics on CBM fracturing

HE Jun-hua1,CHEN Li-chao1,HU Qi1,WANG Sheng-wei1,2,ZHANG Ye-chang1,CHEN Wen-wen1,LIU Qin-qin1

(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-bed Methane,Jincheng 048204,China)

In order to accurately analyze the impact of natural fracture surface characteristics on the effect of hydraulic fracturing in coal reservoir,based on the observations of eight coalbed methane wells and the natural fracture surface characteristics in southern Qinshui Basin,the authors observed and contrasted the natural fracture surface features from two coalbed methane wells(F1and F2).The natural fracture surface features of F1shows a tortuous and rough feature and with many secondary cracks,while F2demostrates the opposite feature.The authors found that the coal reservoir fracturing fracture morphology are more short and wide than the surface monitoring value and the theoretical model projections;the natural fracture surface is straight,smooth and the surface does not develop secondary cracks obtained more long and narrow fracture.The results show that the unique natural fracture surface characteristic of coal reservoir is one of the main factors that cause the actual fracture more short and wide.The different natural fracture surface characteristics influence the fracturing process by affecting the fluid pressure gradient that in turn affects the final fracturing result.

coal reservoin;hydraulic fracturing;natural fracture surface characteristics;fractrued CBM wells observa-tion;fracture fracture morphology;factors affecting frature

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1868-05

2014-04-27 責(zé)任編輯:王婉潔

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034-002);山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2012012007)

何俊鏵(1990—),男,四川儀隴人,碩士研究生。Tel:027-67883516,E-mail:schjh527@126.com

何俊鏵,陳立超,胡 奇,等.不同原生裂縫壁面特征對(duì)煤儲(chǔ)層壓裂造縫影響的對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1868-1872.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8006

He Junhua,Chen Lichao,Hu Qi,et al.Comparative analysis for the impact of different natural fracture surface characteristics on CBM fracturing[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1868-1872.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8006