寺河井田15號煤層壓裂裂縫微地震實時監(jiān)測及分析

王廣慧

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

水力壓裂是低滲油氣藏改造的有效方法,是油氣水井增產(chǎn)增注的重要措施[1]。壓裂所形成裂縫及其延展特征直接影響著儲層的改造效果[2-3],裂縫延展特征是油氣藏壓裂工程設(shè)計及優(yōu)化、井位布置及優(yōu)選、產(chǎn)能預(yù)測的重要研究內(nèi)容之一[4-6]。在油氣工業(yè)的發(fā)展歷程中,學(xué)者們在壓裂裂縫監(jiān)測方法、理論、技術(shù)及裝備等方面開展了大量研究工作,取得了豐碩成果,助推了油氣工業(yè)的蓬勃發(fā)展[7-8]。微地震實時裂縫監(jiān)測技術(shù)是近年來興起的一種地球物理探測技術(shù),具有技術(shù)成熟、可靠性高、易操作、適應(yīng)性強、發(fā)震信號實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)自動化采集和處理等特點。該技術(shù)可實現(xiàn)壓裂單翼及總長度、裂縫高度、裂縫優(yōu)勢延展方位等進(jìn)行解釋和分析[4,9],近年來在油氣藏開發(fā)壓裂裂縫實時監(jiān)測、裂縫形態(tài)及延展特征研究及評價等方面應(yīng)用尤為廣泛[10-13]。

煤是一種非均質(zhì)性極強的有機巖類,壓裂裂縫特征除受煤層自身天然屬性(非均質(zhì)性、物理力學(xué)特性)影響外,還與應(yīng)力場、壓裂工程參數(shù)等因素息息相關(guān),這也是造成煤礦區(qū)煤儲層壓裂改造效果和開發(fā)成效差異性主因之一。寺河井田在煤層氣地質(zhì)基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用方面開展了大量研究和實踐工作,目前尚未開展15號煤層壓裂裂縫延展特征方面的研究工作。為此,筆者基于研究區(qū)15號煤層壓裂裂縫微地震實時監(jiān)測數(shù)據(jù),開展壓裂裂縫延展特征研究。

1 研究區(qū)基本概況

寺河井田地處沁水復(fù)式向斜盆地的南端東翼晉城煤礦區(qū)沁水煤層氣田,隸屬于原晉煤集團(tuán)煤炭開采礦業(yè)權(quán)區(qū)，面積約76.622 9 km2。井田主要煤系為二疊系下統(tǒng)山西組(P1S)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3T),兩組煤系共含煤15層,其中可采和局部可采煤層3層。本文研究的15號煤層位于太原組下部,為全井田穩(wěn)定發(fā)育可采煤層,煤層厚度一般為1.80～5.45 m,平均2.67 m,為中—厚煤層;煤層結(jié)構(gòu)較簡單,一般含1～2層泥質(zhì)夾矸;煤層埋深均在1 000 m以淺,一般為300～800 m。15號煤為當(dāng)前井田主力開采煤層之一,煤層含煤性好，煤變質(zhì)程度(平均鏡質(zhì)組最大反射率Ro, max達(dá)3.462%,煤類為無煙煤)、煤層含氣量高且具有煤與瓦斯突出危險性，煤層開采礦井瓦斯涌出量大。為解決煤炭開采礦井瓦斯難題,晉煤集團(tuán)于20世紀(jì)90年代率先在研究區(qū)開展地面煤層氣預(yù)抽工程,開創(chuàng)了“先采氣、后采煤,采煤采氣一體化”瓦斯治理模式先河。

15號煤屬于典型的軟質(zhì)巖,其物理力學(xué)特性如下(表1):軟化系數(shù)0.67～0.92,平均0.79;飽和單軸抗壓強度9.6～14.9 MPa,平均12.0 MPa;單軸抗壓強度12.9～16.1 MPa,平均14.7 MPa;彈性模量切線模量(5～7)×103MPa,平均6×103MPa。彈性模量變形參數(shù)(4～5)×103MPa,平均4×103MPa;泊松比0.15～0.25,平均0.19。

2 壓裂工程關(guān)鍵參數(shù)

壓裂工程關(guān)鍵參數(shù)主要包括壓裂液總用量、支撐劑總用量、壓裂排量、砂比等,這些參數(shù)對壓裂裂縫延展特征和壓裂改造效果具有直接控制作用,是壓裂工程設(shè)計及優(yōu)化的重要研究內(nèi)容。寺河井田15號煤層壓裂裂縫監(jiān)測井壓裂工程關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計見表1所示。裂縫監(jiān)測井壓裂方式為套管注入,壓裂類型為水力壓裂法。壓裂裂縫監(jiān)測井15號煤層的埋深相對較淺,屬于淺埋深煤儲層,壓裂段深度范圍一般為379.26～494.14 m;壓裂改造層位僅為煤層,因而射孔、壓裂段厚度和煤層埋深一致,一般為2.12～2.57 m,平均2.36 m;射孔密度24孔/m,射孔數(shù)量56～96個,平均73個;小規(guī)模壓裂,壓裂液總用量413.7～485.3 m3,平均444.9 m3;支撐劑總用量較小,一般為18.6～24.3 m3,平均21.4 m3;壓裂排量7.5～8.0 m3/min,平均7.7 m3/min;中砂占中砂混合液體積比,壓裂砂占壓裂砂混合液體積比一般為7.3%～7.8%,平均為7.5%;破裂壓力大小不一,一般為14.2～25.1 MPa,平均20.3 MPa。

表1 寺河井田15號煤層壓裂裂縫監(jiān)測井關(guān)鍵工程參數(shù)統(tǒng)計表

續(xù)表1

3 人工裂縫實時監(jiān)測及結(jié)果分析

3.1 微地震裂縫實時監(jiān)測基本原理

微地震實時監(jiān)測技術(shù)是一種根據(jù)監(jiān)測微地震信號或發(fā)震事件來分析生產(chǎn)活動的一種地球物理探測技術(shù)[14],常用于油氣藏開發(fā)人工壓裂裂縫實時監(jiān)測,實現(xiàn)裂縫長度、裂縫高度及裂縫優(yōu)勢延展方位等裂縫特征參數(shù)實時監(jiān)測和結(jié)果分析[15],進(jìn)而指導(dǎo)壓裂工程設(shè)計、優(yōu)化和生產(chǎn)實踐。

油氣井壓裂主要是采用體積法壓裂,即壓裂時向油氣井的井筒和地層中持續(xù)高壓注入壓裂液和支撐劑,隨著壓裂的進(jìn)行井筒和地層的壓力隨之升高,當(dāng)壓力超過煤巖的破裂壓力(或力學(xué)強度)時,煤巖會發(fā)生破壞。為了定量描述壓裂過程中煤巖破裂過程,引入了經(jīng)典的材料摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則(即“C-M準(zhǔn)則”)[16],該準(zhǔn)則表達(dá)式如下:

(1)

(2)

式中：τ為作用在裂縫面的剪切作用應(yīng)力,MPa;τ0為巖石的抗剪強度,MPa;p0為地層壓力,MPa;σ1、σ1分別為作用于地層的最大和最小主應(yīng)力,MPa;φ為最大主應(yīng)力與裂縫面法向間的夾角,(°)。

由摩爾-庫倫準(zhǔn)則公式可知,式(1)左側(cè)不小于右側(cè)時微地震發(fā)生,微震易于沿已有裂縫面發(fā)生,此時τ0為零,左側(cè)易于不小于右側(cè)。p0(地層壓力)增大時,式(1)的右側(cè)數(shù)值減小,當(dāng)作用在裂縫面的τ(剪切應(yīng)力)大于煤巖固有的無法向應(yīng)力τ0(抗剪斷強度)時,式(1)左側(cè)大于右側(cè),地層煤巖將發(fā)生破壞且煤巖中形成人工裂隙網(wǎng)絡(luò)。此時,在裂縫邊緣發(fā)生微地震事件,微地震信號以球面波的形式在地層中向四周傳播[4]。在壓裂井周邊適宜的地方多個方位布置多個微地震信號接收器，實時接收壓裂過程中的微地震信號,然后通過信號轉(zhuǎn)換和處理后傳輸給母站,數(shù)據(jù)經(jīng)過微機實時處理分析,進(jìn)而實現(xiàn)微地震信號的實時監(jiān)測和裂縫長度、高度及裂縫優(yōu)勢延展方位等裂縫特征參數(shù)分析的判識。

3.2 微地震裂縫實時監(jiān)測基本工藝流程

微地震信號監(jiān)測站點選址及布置是微地震裂縫實時監(jiān)測的一項重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié),對裂縫監(jiān)測效果及結(jié)果可靠性具有重要影響。因此,在裂縫監(jiān)測前需要對壓裂監(jiān)測井及其周邊的地形地貌情況進(jìn)行現(xiàn)場踏勘,優(yōu)選出適宜布置微地震信號監(jiān)測站點的位置；并利用鉆井測斜和坐標(biāo)數(shù)據(jù)確定井口在水平面上的投影點,在井口的投影點四周不同距離、不同方位布置多個微地震監(jiān)測分站點(本文壓裂裂縫監(jiān)測均布置6臺,即圖1中A、B、C、D、E、F站)。各監(jiān)測分站點布置完畢后,打開主站信號接收和處理站儀器,調(diào)試其與各分站和整個系統(tǒng)的良好狀況,背景噪音及其他相關(guān)參數(shù)設(shè)定。壓裂前(時間一般大于5 min),打開裂縫監(jiān)測系統(tǒng),并對整個壓裂過程中產(chǎn)生的微地震信號進(jìn)行實時監(jiān)測、采集、處理和分析。壓裂達(dá)到設(shè)計施工要求后停泵,停泵初期井筒內(nèi)還處于高壓狀態(tài),壓力會繼續(xù)擠推壓裂液和支撐劑向裂縫遠(yuǎn)處運移、堆疊,縫長和縫高會有所變化。因此,需在停泵后繼續(xù)監(jiān)測不少于20 min。然后保存監(jiān)測數(shù)據(jù),關(guān)機,收拾各監(jiān)測儀器,裝箱，打包,完成裂縫監(jiān)測任務(wù)。

圖1 寺河井田15號煤層壓裂井裂縫實時監(jiān)測各分站位置圖

3.3 人工壓裂裂縫形態(tài)及延展特征分析

寺河井田15號煤層壓裂裂縫實時監(jiān)測分析成果數(shù)據(jù)見表2、圖2—圖4所示。研究區(qū)所壓裂的15號煤層破裂均顯著,受煤自身非均質(zhì)性、物理力學(xué)特性和壓裂施工參數(shù)等差異影響,在壓裂規(guī)?；鞠喈?dāng)情況下，各壓裂煤層的裂縫單翼縫長和總長度、裂縫高度和優(yōu)勢延展方位均有所不同,且具有明顯的分異現(xiàn)象。受NE向最大水平主應(yīng)力控制,裂縫主要沿著最大水平主應(yīng)力方向的水平延展,垂直方向次之,壓裂裂縫優(yōu)勢延展方位一般為NNE13°—NE57°。裂縫的東翼單裂縫長度57.2～87.6 m,平均71.4 m。西翼單裂縫長度66.5～144.2 m,平均88.0 m。裂縫總長度131.5～231.8 m,平均159.4 m(圖2)。壓裂液總用量、支撐劑總用量及砂比對裂縫總長度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系(圖4(a)、4(c)、4(g)),這是因為壓裂液總量、支撐劑總用量控制著壓裂的規(guī)模,壓裂液總用量、支撐劑總用量越多,壓裂規(guī)模越大,人工裂縫網(wǎng)絡(luò)越發(fā)育，裂縫延伸得越遠(yuǎn)，反之亦然[17-19]。壓裂排量僅影響注入強度,對裂縫水平延展及總長度影響甚微(圖4(e));裂縫高度12.1～29.2 m,平均16.8 m(圖3)。支撐劑總用量、壓裂排量對裂縫發(fā)育高度影響顯著,壓裂液總用量對裂縫發(fā)育高度影響一般(圖4(b)),砂比對裂縫發(fā)育高度影響甚微(圖4(h))。支撐劑總用量、壓裂排量和裂縫高度之間具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系(圖4(d)、圖4(f)),這是因為在大排量注入、大量支撐劑擠入鋪設(shè)情況下,有利于垂直裂縫形成和延展,裂縫高度越大[19]。

表2 寺河井田15號煤層壓裂裂縫監(jiān)測成果統(tǒng)計分析表

圖2 寺河井田15號煤層壓裂裂縫長度及方位解釋成果圖

圖3 寺河井田15號煤層壓裂井裂縫高度解釋成果圖

圖4 壓裂裂縫實時監(jiān)測分析

4 結(jié)論

1)在壓裂煤層厚度、埋深、壓裂規(guī)模等基本相當(dāng)情況下,受煤的非均質(zhì)性、應(yīng)力場分布及壓裂工程參數(shù)差異性等影響,寺河井田15號煤壓裂裂縫長度、高度和延伸方位有所不同,具有明顯的分異現(xiàn)象。

2)寺河井田最大水平主應(yīng)力方向為北東方向,控制著壓裂裂縫優(yōu)勢延伸方位(二者方位保持一致)。

3)壓裂液總用量、支撐劑總用量及砂比對裂縫總長度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系;支撐劑總用量、壓裂排量對裂縫發(fā)育高度影響顯著,他們之間具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系。

4)寺河井田15號煤層壓裂起裂顯著,裂縫主要為水平裂縫,垂直裂縫發(fā)育次之。壓裂裂縫優(yōu)勢延展方位一般為NNE13°—NE57°。裂縫的東、西翼單裂縫長度57.2～144.2 m,裂縫總長度131.5～231.8 m,平均159.4 m。