高階煤煤層氣儲層裂縫發(fā)育程度及滲透性定量評價

杜敬國，蔣建勛，霍征光，沈云波

（1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；3.中石油長慶油田第二采油廠，甘肅 慶陽 745199；4.中石油長慶油田分公司氣田開發(fā)處，陜西 西安 710018）

煤儲層基質滲透率極低[1]，但割理、裂縫發(fā)育，非均質性強，對煤層氣井壓裂、排采均有重要的影響。目前許多學者對砂巖尤其是泥頁巖的裂縫類型、發(fā)育程度、表征方法等進行了研究，賴錦等研究了砂巖儲層裂縫測井識別方法[2]，商琳等研究了砂泥巖互層裂縫發(fā)育特征[3]，馮建偉等研究了應力場對砂巖裂縫發(fā)育程度的影響[4]。王濡岳等、王艿川等研究了頁巖裂縫發(fā)育特征與主控因素[5-6]，岳鋒等研究了頁巖裂縫及其分布控制因素[7]。部分學者對煤層氣儲層裂縫發(fā)育特征進行了研究，藍寶鋒等研究了煤儲層的孔隙和微裂縫發(fā)育特征[8]，張建勛等研究了構造對煤巖孔隙、裂隙結構的影響[9]，尹帥等研究了沁水盆地南部地區(qū)山西組煤系地層裂縫發(fā)育特征對含氣量的影響[10]，但對煤巖儲層裂縫發(fā)育程度定及裂縫滲透性定量表征方面研究較少。通過掃描電鏡室內實驗，描述煤巖裂縫發(fā)育形態(tài)，定量描述裂縫長度、寬度、高度、密度等參數(shù)，建立了裂縫滲透性定量評價指標并研究了其影響因素，為煤層氣儲層裂縫定量評價提供借鑒。

1 實驗樣品及方法

1）樣品選擇。實驗取3#煤樣4塊，埋深在515.5～518.2 m 之間，滲透率分布在 0.03×10-15～0.11×10-15m2之間；15#煤樣3塊，埋深在600.7～630.9 m之間，滲透率分布在 0.035×10-15～0.3×10-15m2之間。

2）實驗方法。掃描電鏡能夠有效描述煤巖裂縫發(fā)育[11]，對煤巖樣品開展掃描電鏡（SEM）試驗，觀察煤巖裂縫發(fā)育情況，遵照MT/T 968—2005《煤裂隙描述方法》開展煤巖裂縫長度、寬度、高度、密度定量描述，煤巖裂縫掃描電鏡圖片如圖1；遵照GB/T 6948—2008《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》測定煤樣鏡質體反射率。

圖1 煤巖裂縫掃描電鏡圖片

2 實驗結果

2.1 裂縫產狀

煤巖裂縫產狀可以通過掃描電鏡直接觀察和定量描述，通過對實驗煤樣裂縫產狀進行統(tǒng)計分析。

區(qū)域最大水平主應力方向為北東向，因此煤巖裂縫優(yōu)勢發(fā)育方向為北東向，但局部構造復雜區(qū)域發(fā)育北西向或近東西向裂縫，裂縫局部被黏土礦物或方解石填充。圖1（a）和圖1（b）煤巖均發(fā)育北東向裂縫，圖 1（a）裂縫局部被礦物充填，而圖 1（b）裂縫張開未被填充，裂縫寬度2～3 μm。該區(qū)域煤巖往往發(fā)育以北東向為主的平行裂縫組，偶見北西向斜交裂縫。圖1（c）發(fā)育1組北東向平行裂縫，局部發(fā)育微小北西向裂縫。圖1（d）發(fā)育1組近東西向平行裂縫，裂縫密度局部較大，非均質性較強。

另外，該區(qū)還局部發(fā)育交叉裂縫和曲折裂縫（圖1（e）和圖 1（f）），圖 1（e）為斜交裂縫，2 條裂縫均為北東向，夾角較小，局部被黏土礦物充填；圖1（f）基本為直交縫，主縫近南北向，支縫近東西向，夾角接近90°，局部被黏土礦物充填。

2.2 裂縫尺寸及密度

通過掃描電鏡圖片，從裂隙長度、高度、寬度和密度等4個方面定量統(tǒng)計煤巖樣品主裂縫、次裂縫發(fā)育情況，煤巖樣品裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1，樣品主裂縫長度均值分布在 0.16～0.55 cm 之間，高度均值分布在 0.2～0.57 cm 之間，寬度均值分布在 6～14 μm之間，密度均值分布在 4.9～15.7 條/cm 之間；次裂縫長度均值分布在 0.14～0.77 cm 之間，高度均值分布在 0.17～0.54 cm 之間，寬度均值分布在 4～9 μm 之間，密度均值分布在 1.4～5.4 條/cm 之間?？梢?，主、次裂縫長度和高度基本相似，次裂縫寬度和密度值明顯低于主裂縫。

表1 煤巖樣品裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 裂縫滲透指數(shù)計算方法及意義

3.1 裂縫滲透指數(shù)

煤巖基質孔隙滲透率極低，其滲透性主要取決于裂縫發(fā)育程度，受裂縫長度、高度、寬度和密度的綜合影響，其中裂縫寬度是最主要因素[12]，因此可以通過單位距離中煤巖裂縫的總寬度所占比例來表征煤巖滲透性，將其定義為裂縫滲透指數(shù)：

式中：Fper為裂縫滲透指數(shù)，無量綱量；wi為第i條裂縫的寬度，μm；l為觀測長度，cm；waz、wac分別為主、次裂縫平均寬度，μm；Dfz、Dfc分別為主、次裂縫密度，條/cm。

根據(jù)式（1）計算表1中煤巖樣品的裂縫滲透指數(shù)，由表1可知，裂縫滲透指數(shù)分布在51.0～161.6之間，差異較大。煤樣裂縫滲透指數(shù)與滲透率關系如圖2，煤樣滲透率與裂縫滲透指數(shù)成指數(shù)關系，即煤樣滲透率隨裂縫滲透指數(shù)增加而增加，表明裂縫滲透指數(shù)能夠有效表征煤層的滲透性。

3.2 裂縫滲透指數(shù)對產量影響

裂縫滲透指數(shù)與日產氣量關系如圖3。

裂縫指數(shù)分布在90～322之間，日產氣量分布在1 000～5 200 m3之間，日產氣量隨裂縫滲透指數(shù)的增加而增加。當裂縫滲透指數(shù)大于150時，日產氣量均在3 000 m3以上，為煤層氣開發(fā)有利區(qū)；當裂縫滲透指數(shù)小于100時，日產氣量以小于1 500 m3為主，需要采用水平井分段壓裂工藝改善開發(fā)效果。

圖2 裂縫滲透指數(shù)與滲透率關系

圖3 裂縫滲透指數(shù)與日產氣量關系

4 結論

1）該區(qū)域煤巖裂縫優(yōu)勢發(fā)育方向為北東向，但局部構造復雜區(qū)發(fā)育北西向或近東西向裂縫，裂縫局部被黏土礦物或方解石填充，裂縫組以北東向平行裂縫為主，偶見北西向斜交裂縫，局部發(fā)育交叉裂縫和曲折裂縫。

2）可以通過掃描電鏡從裂隙長度、高度、寬度和密度4個方面定量描述煤巖樣品主、次裂縫發(fā)育情況，研究區(qū)塊煤巖主、次裂縫長度和高度基本相似，次裂縫寬度和密度值明顯低于主裂縫。煤巖滲透性主要取決于裂縫寬度，通過裂縫滲透指數(shù)即單位距離煤巖裂縫的總寬度所占比例來表征煤巖滲透性切實可行，煤樣滲透率隨裂縫滲透指數(shù)增加而增加。

3）日產氣量隨裂縫滲透指數(shù)的增加而增加。當裂縫滲透指數(shù)大于150時，日產氣量均在3 000 m3以上，為煤層氣開發(fā)有利區(qū)；當裂縫滲透指數(shù)小于100時，日產氣量以小于1 500 m3為主，需要采用水平井分段壓裂工藝改善開發(fā)效果。