基于地質(zhì)特征的煤層氣壓裂層位優(yōu)選淺析
——以湖南漣源凹陷測水煤系為例

陳健明，周 輝

（湖南省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，湖南 株洲 412003）

湖南省煤層氣資源豐富，但因煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，開采難度大，煤層氣資源開發(fā)利用面臨較多問題。最突出的問題是，高含氣量煤（儲）層壓裂后排采效果不佳，多分枝水平井在排采試驗(yàn)中也達(dá)不到預(yù)期效果。主要原因是高含氣量煤層一般是構(gòu)造煤，煤層水力壓裂過程中，壓裂液在煤層造縫的同時(shí)使煤層中富含的泥質(zhì)組分膨脹阻塞已有裂縫，粒狀結(jié)構(gòu)煤層遇水在高壓下形成水煤漿，降低了煤層孔隙度，導(dǎo)致壓裂后煤層氣排采達(dá)不到預(yù)期效果?；诘刭|(zhì)特征的煤層氣壓裂層位優(yōu)選，就是根據(jù)賦存煤層氣的煤層頂?shù)装宓挠欣刭|(zhì)特征，設(shè)計(jì)壓裂層位（射孔點(diǎn)位），以期達(dá)到煤層氣排采的良好效果。

1 地質(zhì)特征

1.1 含煤地層特征

湖南漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組含煤地層，根據(jù)巖性不同可分為上、下兩段，共含煤7層，測水組上段的下部含煤1層，稱為上段煤（上煤），測水組下段含煤6層，即2、3、4、5、6、7煤層，主要巖性為細(xì)砂巖、石英砂巖及石英砂礫巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層（包括2、3、4、5、6煤層），其中3、5煤層為本區(qū)主要可采煤層。細(xì)砂巖，薄層狀，有時(shí)見波痕，層內(nèi)可見小型交錯(cuò)層理及波狀紋層，生物擾動及潛穴構(gòu)造發(fā)育。石英砂巖，細(xì)-中粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀，具不連續(xù)的波狀層理。石英砂礫巖，細(xì)-中礫結(jié)構(gòu)，厚層狀，波狀層理，為測水組上下段分界標(biāo)志。粉砂巖，灰色，具水平層理。砂質(zhì)泥巖，灰色，水平層理含菱鐵礦結(jié)核及植物化石。泥巖，灰黑色，中夾細(xì)砂巖，泥巖呈塊狀，夾兩層煤線。煤，灰黑色，半亮-半暗型，條帶狀結(jié)構(gòu)及粒狀結(jié)構(gòu)。全組厚度一般135 m，其中上段70 m，下段65 m。

1.2 煤層結(jié)構(gòu)特征及含氣性

從煤的結(jié)構(gòu)特征可以把煤主要分成兩類，即原生條帶狀結(jié)構(gòu)煤層和構(gòu)造煤層，漣源凹陷測水組可采煤層以構(gòu)造煤為主，局部為原生條帶狀結(jié)構(gòu)煤層。構(gòu)造煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用由弱到強(qiáng)又產(chǎn)生碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 煤層4種結(jié)構(gòu)類型

煤層儲氣空間由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成，原生條帶狀結(jié)構(gòu)煤層具有完整的條帶狀結(jié)構(gòu)，煤體完整呈堅(jiān)硬塊狀，內(nèi)生裂隙及外生裂隙發(fā)育，顯微裂隙和孔隙欠發(fā)育。碎裂煤原生條帶狀結(jié)構(gòu)可見，煤體已被剪切破裂，手搓成碎塊，外生裂隙發(fā)育，顯微裂隙和孔隙欠發(fā)育。碎粒煤和糜棱煤原生結(jié)構(gòu)蕩然無存，構(gòu)造鏡面發(fā)育，可見粒狀結(jié)構(gòu)，粒徑1 mm上下（≥1 mm為碎粒煤，＜1 mm為糜棱煤），手捏易碎成粉粒，顯微裂隙和孔隙發(fā)育。從原生條帶狀結(jié)構(gòu)煤到碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤，儲氣空間由裂隙為主變?yōu)榭紫稙橹?，煤單體粒徑越來越小，比表面積、孔隙率越來越大，對煤層氣吸附能力越來越強(qiáng)，煤層氣含氣性越來越好。

1.3 構(gòu)造特征

漣源凹陷構(gòu)造較為復(fù)雜,西部為疊瓦沖斷帶，在剖面上構(gòu)成傾向南東，向北西逆沖推覆的疊瓦扇形體；中部由隔檔式褶皺和層間滑動斷層組成，包括晏家鋪、橋頭河及恩口斗笠山等向斜，為主要含煤向斜；東部為傾向北西的疊瓦沖斷帶。測水組主要可采3、5煤層與其頂板間滑脫構(gòu)造普遍發(fā)育，表現(xiàn)為以煤層及其偽頂偽底軟弱層為滑動帶、頂板為推滑覆體、底板為原地系統(tǒng)的、不同期次構(gòu)造作用下的（基本）順層往復(fù)剪切，即以印支期為主的南東往北西的推覆構(gòu)造和以燕山期為主的北西往南東的滑覆構(gòu)造，最大推滑覆距離約30 km[1]。滑脫構(gòu)造導(dǎo)致3、5煤層與頂?shù)装彘g呈構(gòu)造假整合接觸、角度不整合接觸，頂板牽引褶皺及底板底緣褶皺發(fā)育。

2 煤層氣壓裂層位優(yōu)選模型

2.1 巖層壓裂破壞特征

根據(jù)格里菲斯理論，任何巖石都存在微小裂隙，在外力作用下超過了裂隙起裂點(diǎn)時(shí)，微小裂隙會擴(kuò)展為宏觀可見的大裂隙或裂隙組合。巖石造縫過程中水力壓裂轉(zhuǎn)化成了裂隙表面能。理論上，水力壓裂的壓力大小與巖石造縫半徑存在正相關(guān)。

巖石存在各種構(gòu)造面理，如層理、劈理、節(jié)理、裂隙等，這些構(gòu)造面理是裂縫擴(kuò)展的優(yōu)先方向。水力壓裂的壓力導(dǎo)致巖石造縫模型將沿構(gòu)造面理方向擴(kuò)展范圍較廣而呈現(xiàn)不同造縫特征，如圖2所示。

圖2 均一巖石與具面理構(gòu)造巖石不同造縫特征

2.2 頂板壓裂層位優(yōu)選模型

射孔在巖石中產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致徑向裂隙和環(huán)狀裂隙向自由面方向發(fā)展[2]。煤層抗壓強(qiáng)度底，碎粒及糜棱煤手捏易碎，外力作用下易發(fā)生煤層流變，給頂、底板變形提供了位移空間（類似于自由面），為煤層頂?shù)装迳淇讐毫烟峁┝擞欣麠l件[3]。

當(dāng)頂板與煤層間為構(gòu)造假整合時(shí)，根據(jù)壓裂壓力參數(shù)、設(shè)計(jì)造縫范圍以及各類巖層抗壓強(qiáng)度等物性參數(shù)，在煤層以上適當(dāng)高度頂板中布置射孔。當(dāng)頂板與煤層間為不整合時(shí)，根據(jù)壓裂壓力參數(shù)模擬的層面方向擴(kuò)展范圍，確定在煤層以上適當(dāng)高度底板中布置射孔。

當(dāng)頂板為牽引褶皺時(shí)，考慮褶皺形成過程中產(chǎn)生的張裂及順層剪切推滑覆時(shí)產(chǎn)生的劈理、裂隙等派生面理構(gòu)造，可選擇牽引褶皺向斜軸部在煤層間適當(dāng)高度布置射孔。這樣，利于射孔壓力集中朝煤層方向產(chǎn)生巖石破裂。壓裂在巖層中形成的射孔造縫展布范圍與巖石面理復(fù)合，形成更大的有效裂縫覆蓋范圍，也就增加了煤儲層有效釋放面積，改良煤層氣排采效果（見圖3左）。

圖3 煤層頂?shù)装逶O(shè)計(jì)壓裂層位模型

2.3 底板壓裂層位優(yōu)選模型

當(dāng)?shù)装迮c煤層間為構(gòu)造假整合時(shí)，根據(jù)壓裂壓力參數(shù)、設(shè)計(jì)造縫范圍以及各類巖層抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，在煤層以下適當(dāng)高度底板中布置射孔。當(dāng)?shù)装迮c煤層間為不整合時(shí)，根據(jù)壓裂壓力參數(shù)模擬的層面方向擴(kuò)展范圍，確定在煤層以下適當(dāng)高度底板中布置射孔。當(dāng)?shù)装鍨榈拙夞薨檿r(shí)，可選擇底緣褶皺背斜軸部在煤層間適當(dāng)高度布置射孔。這樣利于射孔壓力集中朝煤層方向產(chǎn)生巖石破裂。壓裂在巖層中形成的射孔造縫展布范圍與巖石面理復(fù)合，形成更大的有效裂縫覆蓋范圍，也就增加了煤儲層有效釋放面積，改良煤層氣排采效果（見圖3右）。

無論是頂板壓裂還是底板壓裂，都便于壓裂液排放，石英砂等壓裂支撐劑能保持裂縫通暢。由于壓裂造縫范圍主要在煤層頂、底板泥頁巖及砂巖層，泥頁巖及砂巖都是良好的烴源巖，相當(dāng)于對頁巖層位進(jìn)行了壓裂，在排采煤層氣的同時(shí)也在排采頁巖氣和致密砂巖氣。

3 結(jié)論

選擇在煤層頂?shù)装搴线m層位進(jìn)行煤層氣水力壓裂，是不同于煤層中壓裂的一種全新模式，避免了諸多不利因素；選擇在煤層頂?shù)装搴线m層位進(jìn)行煤層氣水力壓裂，在利用煤層頂?shù)装逡延袠?gòu)造面理（包括層面、裂隙、劈理）的基礎(chǔ)上，更易導(dǎo)致層面、裂隙、劈理失穩(wěn)擴(kuò)展，能形成煤層頂、底板較大范圍的有效裂縫群，有利于煤層氣的持久解壓釋放，提高煤層氣排采采收率；選擇在煤層頂?shù)装搴线m層位進(jìn)行煤層氣水力壓裂，其壓裂造縫范圍涉及煤層頂、底板泥頁巖及砂巖層。煤系中的泥頁巖及砂巖都是良好的烴源巖，分別賦存有頁巖氣和致密砂巖氣。這樣，在排采煤層氣的同時(shí)也在排采頁巖氣和致密砂巖氣，有利于煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣的綜合勘查、綜合評價(jià)和綜合利用。