臨興區(qū)塊煤系地層多層合壓可行性研究

王 波，吳 鵬，趙 剛，張迎春，崔樹輝

(中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100016)

臨興—神府區(qū)塊地處鄂爾多斯盆地東緣，前期勘探成果表明，該地區(qū)具有較大煤層氣、致密氣、頁巖氣資源潛力[1]。但單層煤層厚度薄，其上下層位為含氣較多的砂巖及泥頁巖層，為了降低勘探開發(fā)成本，提高氣井采氣效率，有必要采取多層聯(lián)合壓裂措施。與砂巖和泥頁巖不同，煤層具有低水平地應力、低彈性模量、高泊松比和高動態(tài)濾失的特點[2]，裂縫沿著層面、割理面和節(jié)理面擴展時難以產生新裂縫，且形成的裂縫短寬且形狀不規(guī)則，導致合縫很難穿過地層界面并擴展到鄰近層，這給多層合壓增加了困難。劉蒙蒙[3]提出采用裂縫高度方向突破目的層，通過隔層中的水力裂縫將其溝通，使得裂縫可以在煤層中進行擴展。但間接壓裂需要遏制隔層中水力裂縫的長度，增加高度。孟尚志等[4-6]對多種巖石材料組成的層狀樣品進行了真三軸壓裂試驗，研究發(fā)現(xiàn)垂直應力和最大水平應力之間的較大應力對比有利于從中間層開始的裂縫的垂直傳播。高杰等[7]利用砂煤天然露頭進行物模實驗研究水力裂縫的穿層擴展機理，實驗結果表明煤層中起裂不利于裂縫穿層，當?shù)貙咏缑婺z結好且在砂巖中起裂時，有利于裂縫穿層。程遠方等[8-10]結果表明應力差為4～6MPa時，水力裂縫形態(tài)在垂直裂縫和水平裂縫之間轉變；雖然天然裂縫和割理對水力裂縫起裂和延伸有影響，但是起決定作用的是煤層地應力狀態(tài)。對于地應力的計算，以往的研究大多是基于室內壓裂測試數(shù)據(jù)來探究地應力對裂縫高度以及裂縫形態(tài)以及擴展規(guī)律的影響[11-13]，但由于層間或層內的不同巖性巖石的物理特性、力學特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了地應力分布的非均勻性，依靠實測獲得層內或層間地應力的分布規(guī)律，這是不切實際的，在沒有實際的壓裂測試地層應力時，測井數(shù)據(jù)是唯一資料來源，結合分層地應力解釋模型，可分析層內或層間地應力大小，研究地應力對多儲層合壓可行性以及最佳層位的選擇，進一步分析工藝參數(shù)對裂縫擴展行為的影響。

本文通過臨興區(qū)塊井區(qū)地質、測井、測試、壓裂、巖心等資料，對典型煤層及頂?shù)装迳皫r頁巖的力學性質進行分類測試，計算由上覆壓力與構造作用所產生的水平應力大小，從力學機理上分析裂縫延伸到典型煤層與隔層界面處沿縫高方向的可能擴展行為，以期為該區(qū)塊多層合壓現(xiàn)場施工提供參考。

1 分層地應力的計算

地應力剖面確定一般流程為：①選取應力計算模型；②測井數(shù)據(jù)計算彈性模量、泊松比；③計算構造系數(shù)；④計算應力剖面。其中，獲取構造系數(shù)有三種方法：①煤聲發(fā)射實驗，但無法讀取Kaiser點；②小型測試壓裂數(shù)據(jù)，但無現(xiàn)場數(shù)據(jù)；③先通過頂?shù)装?非煤)巖心實驗確定應變，由煤層應變反演煤層地應力，計算煤層構造系數(shù)

1.1 砂泥巖地層最大最小主應力計算

對于砂泥巖地層，假設地層為均質各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質構造運動過程中，地層與地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應變均為常數(shù)，由于臨興地區(qū)地層傾角一般在1°～3°，所選擇模型[14]如下：

式中，A、B為最大、最小水平主應力構造系數(shù)；σH，σh，σz為水平最大、最小地應力和上覆壓力，MPa；Pp為孔隙壓力，MPa；μs、Es為地層靜態(tài)泊松比和彈性模量；α為有效應力系數(shù)，取0.85[15]。從式(1)可知，準確計算地應力需要知道地層彈性模量、泊松比、上覆壓力、孔隙壓力、構造應力系數(shù)。上覆壓力為井在地層增量上的密度積分，孔隙壓力計算公式為[16]：

Δtnorm=136+204.323×e-0.001Z

(3)

Pn=0.00981ρ/h

(4)

式中，σV為上覆巖層壓力，MPa；Pn為靜水孔隙壓力，由液柱自身的重力所引起的壓力，它的大小與液體的密度、液柱的垂直深度有關，MPa；ρ為液體的密度，g/cm3；h為液柱的垂深，m；Δtnorm為深度點正常趨勢線上的聲波時差，ms/m；Δt為聲波測井中地層實際的聲波傳播時差，ms/m；x可取1。

地層的動態(tài)彈性模量和泊松比可以根據(jù)測井數(shù)據(jù)求取，靜態(tài)彈性模量和泊松比只能結合實驗測量結果，擬定動態(tài)和靜態(tài)之間的關系，進而獲取各個地層的靜態(tài)值[17，18]；構造應力系數(shù)通過反演來標定。

動態(tài)彈性模量Ed和泊松比μd：

式中，Vp為縱波速度、Vs為橫波速度，m/s。

靜態(tài)彈性模量Es與泊松比μs：

μs=0.07+0.48μd

Es=0.272Ed

(6)

由于構造系數(shù)是不確定的，所以需要利用實測數(shù)據(jù)反求出構造系數(shù)，再帶入上式求出區(qū)塊中其他井的應力剖面?；贙aiser原理，室內實驗手段是測量砂泥巖地層最大最小主應力的有效方式[19]。實驗采用TAW-1000型巖石力學三軸應力測試系統(tǒng)進行。試樣為取自臨興中區(qū)塊的砂巖，在垂直巖心軸線平面內取三塊巖樣，加工成標準樣(直徑25mm、長度50mm)，預加0.5MPa的軸向壓力。巖樣垂直方向取一塊，以層界面走向作為取心走向，在水平方向，沿增量為45°的方向取三塊。試樣取樣方向如圖1所示，測試結果見表1。

圖1 LX-1井試樣取樣方向

表1 靜態(tài)巖石力學參數(shù)實驗結果

試樣Kaiser效應點應力值由測量值加上圍壓σ0計算[20]：

σV=σ⊥

(9)

式中，σx、σy、σz、σxy45°分別為x、y、z、xy45°方向Kaiser點應力值，MPa；θ為主應力相對于x方向的水平投影角，(°)。

根據(jù)表1可以看出地層彈性模量在20GPa以上，平均為24.57GPa，泊松比在0.246左右。根據(jù)上覆壓力與孔隙壓力計算得到最大水平主應力構造系數(shù)A=0.335，最小水平主應力構造系數(shù)B=0.17。利用式(1)計算得到LX-1井頂板砂巖的最大水平主應力為39.19MPa，最小水平主應力為32.84MPa。

1.2 煤層最大最小地應力計算

對于煤層，利用組合彈簧模型計算地應力帶來的誤差很大[21，22]，此時需要采取應力反演求出。對于該區(qū)塊而言，構造應力影響微弱，斷層發(fā)育規(guī)模較小，可將相鄰地層的構造應變近似看成是相等的，求出的砂泥巖的應變也是煤層的應變，參考文獻[23]求得最大應變?yōu)?.005，最小應變?yōu)?.0017。

地層水平應力由上覆壓力以及構造作用共同產生，因此需要根據(jù)反演得到的某一口井煤層的最大最小主應力之后，按照式(1)反求出煤層的構造應力系數(shù)，將其應用于整個區(qū)塊。

1.2.1 構造作用引起水平應力分量

采用有限元軟件ANSYS建立構造應力計算模型如圖2所示，模型左端和下部施加位移為0的約束，右端施加0.5mm和0.17mm的位移約束，以計算由構造作用帶來的最大和最小水平應力，結果如圖3所示。

圖2 構造作用產生的水平應力分量的模型

圖3 構造作用引起的地應力(Pa)

上部和下部砂巖中，由構造作用帶來的最大地應力分量在11～13.3MPa，構造作用帶來的最小地應力分量在6.4～7.4MPa；煤層中，由構造作用帶來的最大地應力分量在2～3MPa，由構造作用帶來的最小地應力分量為0.8MPa。

1.2.2 上覆壓力引起水平應力分量

給定模型左右以及下部位移為0的約束，在上部施加上覆壓力，計算出由上覆壓力產生的水平應力(圖4)，可知上部和下部砂巖受到的水平應力為24～26MPa；煤層受到的水平應力為28～29MPa。

綜合上覆壓力與構造作用引起的水平應力分量，可以得到煤層的最大最小水平主應力值(見表2)，通過計算可得煤層構造系數(shù)為0.22與0.42。

圖4 由上覆壓力引起的水平應力分量(Pa)

表2 LX-A井構造作用及重力引起的水平應力分量

2 地應力的現(xiàn)場驗證

對LX-A井進行了現(xiàn)場壓裂工作，壓裂層位為本溪組8+9#號煤(1928.6～1937.7m)，射孔層段為1930～1934m，孔密為16孔/m，壓裂液為清水+1.92KCl，支撐劑為20/40目(30m3)+30/50目(18m3)+40/70目(2m3)。壓裂施工曲線如圖5 (a)所示，將小型壓裂測試部分曲線放大，如圖5(b)所示。

圖5 LX-A壓裂曲線

小型壓裂測試采用2—8—2m3/min的形式注入壓裂液，從圖中可以看出隨著排量的增加，套壓也逐漸增大，但是在圖中白色圓框處出現(xiàn)了壓力降低的現(xiàn)象，認為此處的壓力為地層破裂時對應的套壓，其值為44MPa。根據(jù)摩阻數(shù)據(jù)庫，得到本井的管柱摩阻為12.9MPa，其他摩阻為5.72MPa，液柱壓力為18.9MPa，因此地層破裂壓力為43.5MPa，地層最小主應力為28.5MPa。前文計算知最小主應力為28.8MPa左右，破裂壓力為41MPa左右。計算破裂壓力與實測破裂壓力相差2.5MPa(6.1%)，最小主應力與實測值相差0.3MPa(1.1%)，計算結果與實測結果相差較小，這說明計算得到的結果可信度較高。

3 可壓性分析

多個儲層是否能合層壓裂，不僅僅看裂縫能否進入各個地層中，裂縫達到各個地層時的形態(tài)也是重點[24]。若目標層破裂壓力遠低于上下部地層，壓裂裂縫的長度延伸到一定距離后才能突破進入擬合壓層位，這個距離過長壓裂液量耗費過多，特別是對于煤層這類易漏失的地層而言，壓裂效果可能很差[25]。所以要研究應力差帶來的影響。

巖石的抗拉強度St可通過下式求得：

式中，Vcl為泥質含量。

斷裂韌性：

KI=0.1397St-0.273

(15)

選取四口不同類型井進行分析，分別為一層煤層(LX-A)、上部煤層下部砂巖氣層(LX-B)、上部砂巖氣層下部煤層(LX-D)以及煤層-砂巖氣層-煤層(LX-C)。四口井地質結構以及應力構造系數(shù)見表3。

表3 合壓井地質結構及應力構造系數(shù)

圖6 上覆壓力與構造作用引起的水平應力分量

3.1 一層煤層(LX-A)

通過反演方法得出構造系數(shù)計算出煤層地應力如圖6 (a)所示?？梢钥闯?，煤層由構造作用引起的應力分量很小，基本在1～2MPa，但在其他層位中則明顯高于煤層；而上覆壓力引起的應力分量則相反，在其他層位中則低于煤層2～3MPa，總體說來相差不大。煤層的最大最小主應力相差很小，而砂泥巖氣層則相差較大(見圖7 (a))，地層的上覆壓力高于垂直縫破裂壓力，再加上射孔有降低垂直縫破裂壓力的作用，所以不論在哪個層位起裂，均會產生垂直縫。同時由于上覆壓力高于垂直縫破裂壓力，說明形成水平縫的破裂壓力高于垂直縫破裂壓力，在裂縫擴展到地層界面后，裂縫在受到應力遮擋后達到一定長度會穿透隔層(見圖8 (a))。由于煤層較厚，且上底板應力高于煤層，具備一定應力遮擋效果，目標煤層可壓。

圖7 地應力剖面

圖8 斷裂韌性剖面

3.2 上部煤層下部氣層(LX-B)

由構造作用引起應力分量在煤層中很小，在砂巖中則很大(見圖6 (b))。上覆壓力引起的應力分量在煤層為29～30MPa，比砂巖中高出2～3MPa。計算得到煤層的最小主應力與最大主應力都較小(見圖7 (b))，與煤層彈性模量小，泊松比大相符合。在煤層裸眼壓裂時，形成垂直縫的破裂壓力為42～43MPa，上覆壓力為50MPa，因此可以判斷在煤層起裂會產生垂直裂縫。在裂縫從煤層起裂達到地層界面后，裂縫在高度方向止裂。由于上覆壓力大于氣層垂直縫的破裂壓力，因此裂縫不會在界面擴展，而是在縫長方向延伸至一定長度后突破界面進入隔層(見圖8 (b))，對煤層單獨壓裂是可行的；若是要壓開下部氣層則需要進一步計算來判斷其可壓性。

3.3 部氣層下部煤層(LX-D)

由上覆壓力引起煤層地應力分量高于目標層與上部氣層，在2MPa左右；由構造作用引起煤層地應力分量在2～3MPa，遠小于氣層(見圖6(c) )。目標層與上部氣層的最大、最小地應力以及破裂壓力都相同，其破裂壓力在38MPa左右，比煤巖中高出2.5～3MPa(見圖7 (c))。目標層向上延伸至1716m時破裂壓力才有所增加，才有應力遮擋作用。而煤層向下延伸至1752 m破裂壓力增加到40MPa，才會有應力遮擋的作用(見8 (c))。在1710～1768m范圍內，垂直縫破裂壓力小于水平縫破裂壓力，因此產生垂直縫，在地層界面時，會突破界面，而不產生 “工”型縫。從目標氣層起裂，在裂縫達到上部氣層與下部煤層過程中，無應力遮擋，因此可合壓。

3.4 煤層-砂巖氣層-煤層(LX-C)

從圖6(d)可看出上覆壓力引起地應力分量在煤層中比氣層中高出2～3MPa。構造作用在煤層中引起的最小主應力分量為0.5MPa，最大為1.5MPa；在氣層中引起的最小主應力分量為5～6MPa，最大為12～14MPa。氣層形成垂直裂縫的破裂壓力為43MPa，上、下煤層形成垂直縫的破裂壓力分別為40MPa、41MPa。由于垂直縫破裂壓力小于上覆壓力(相差6～8MPa)，所以必然產生垂直縫，而且在裂縫擴展到界面時，將直接突破界面，不會沿著界面擴展。結合圖7(d)與圖8(d)可知由于氣層破裂壓力比煤層大，當裂縫擴展到上下部煤層界面時，煤層最小主應力以及破裂壓力將會對裂縫高度的擴展基本沒有阻礙作用，使得縫高方向更容易直接突破入煤層中，地層壓力對合壓無影響，因此從氣層起裂時，可合壓。

4 結 論

基于鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊地質、測井、測試、壓裂、巖心等資料，通過室內實驗測量煤層頂?shù)装宓貞?，對煤層地應力進行反演計算，通過現(xiàn)場試驗對其模型準確性進行驗證，并對可行性進行逐類分析，得出主要結論與認識如下：

1)4口井多層有限元反演計算得出，煤層最小主應力為28MPa左右，破裂壓力為40～42MPa。LX-A現(xiàn)場施工地層破裂壓力為43.5MPa，地層最小主應力為28.5MPa，計算破裂壓力與實測破裂壓力相差2.5MPa(6.1%)，最小主應力相差0.3MPa(1.1%)，計算結果與實測結果相差較小，可信度較高。

2)存在多層儲層時，煤層為最下部層位，則不能從此煤層起裂；煤層在上部，氣層在下部，則從煤層起裂；若上部儲層條件較好，則避免壓開下部煤層；合壓層之間間隔不能超出7～10m；煤層為射孔層時，煤層與隔層破裂壓力值不能超出5MPa，從砂巖氣層起裂則無此要求。

3)從煤層起裂時，裂縫達到界面后縫高方向將停止擴展，當縫長達到一定的程度后，裂縫突破隔層，進入上下部地層；從砂巖氣層起裂時，裂縫達到界面后，可直接突破隔層。