高階煤煤層氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度及滲透性定量評(píng)價(jià)

杜敬國(guó)，蔣建勛，霍征光，沈云波

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

煤儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率極低[1]，但割理、裂縫發(fā)育，非均質(zhì)性強(qiáng)，對(duì)煤層氣井壓裂、排采均有重要的影響。目前許多學(xué)者對(duì)砂巖尤其是泥頁(yè)巖的裂縫類型、發(fā)育程度、表征方法等進(jìn)行了研究，賴錦等研究了砂巖儲(chǔ)層裂縫測(cè)井識(shí)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(yīng)力場(chǎng)對(duì)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(yè)巖裂縫發(fā)育特征與主控因素[5-6]，岳鋒等研究了頁(yè)巖裂縫及其分布控制因素[7]。部分學(xué)者對(duì)煤層氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究，藍(lán)寶鋒等研究了煤儲(chǔ)層的孔隙和微裂縫發(fā)育特征[8]，張建勛等研究了構(gòu)造對(duì)煤巖孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)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(duì)含氣量的影響[10]，但對(duì)煤巖儲(chǔ)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(nèi)實(shí)驗(yàn)，描述煤巖裂縫發(fā)育形態(tài)，定量描述裂縫長(zhǎng)度、寬度、高度、密度等參數(shù)，建立了裂縫滲透性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)并研究了其影響因素，為煤層氣儲(chǔ)層裂縫定量評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

1）樣品選擇。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法。掃描電鏡能夠有效描述煤巖裂縫發(fā)育[11]，對(duì)煤巖樣品開展掃描電鏡（SEM）試驗(yàn)，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(zhǎng)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(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》測(cè)定煤樣鏡質(zhì)體反射率。

圖1 煤巖裂縫掃描電鏡圖片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂縫產(chǎn)狀

煤巖裂縫產(chǎn)狀可以通過掃描電鏡直接觀察和定量描述，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣裂縫產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向，因此煤巖裂縫優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)楸睎|向，但局部構(gòu)造復(fù)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?yàn)橹鞯钠叫辛芽p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(zhì)性較強(qiáng)。

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(zhǎng)度、高度、寬度和密度等4個(gè)方面定量統(tǒng)計(jì)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(jì)見表1，樣品主裂縫長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)

3 裂縫滲透指數(shù)計(jì)算方法及意義

3.1 裂縫滲透指數(shù)

煤巖基質(zhì)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(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)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(jì)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(guān)系如圖2，煤樣滲透率與裂縫滲透指數(shù)成指數(shù)關(guān)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(duì)產(chǎn)量影響

裂縫滲透指數(shù)與日產(chǎn)氣量關(guān)系如圖3。

裂縫指數(shù)分布在90～322之間，日產(chǎn)氣量分布在1 000～5 200 m3之間，日產(chǎn)氣量隨裂縫滲透指數(shù)的增加而增加。當(dāng)裂縫滲透指數(shù)大于150時(shí)，日產(chǎn)氣量均在3 000 m3以上，為煤層氣開發(fā)有利區(qū)；當(dāng)裂縫滲透指數(shù)小于100時(shí)，日產(chǎn)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(guān)系

圖3 裂縫滲透指數(shù)與日產(chǎn)氣量關(guān)系

4 結(jié)論

1）該區(qū)域煤巖裂縫優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)楸睎|向，但局部構(gòu)造復(fù)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(zhǎng)度、高度、寬度和密度4個(gè)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(zhǎng)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(shí)可行，煤樣滲透率隨裂縫滲透指數(shù)增加而增加。

3）日產(chǎn)氣量隨裂縫滲透指數(shù)的增加而增加。當(dāng)裂縫滲透指數(shù)大于150時(shí)，日產(chǎn)氣量均在3 000 m3以上，為煤層氣開發(fā)有利區(qū)；當(dāng)裂縫滲透指數(shù)小于100時(shí)，日產(chǎn)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。