沁水盆地15號煤層頂板分段壓裂水平井適應性及產氣效果預測

王 晶， 段 靜， 李丹丹， 陶 羽

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077； 2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，太原 030000)

0 引言

我國碎軟低滲煤層分布廣泛，具有煤體碎軟、滲透性差、煤層含氣量高等特點，如何實現(xiàn)煤層氣(瓦斯)的高效抽采一直是困擾煤炭與煤層氣研究者的技術難題?！笆濉逼陂g，張群等提出了碎軟低滲煤層的煤層氣頂板巖層水平井分段壓裂高效抽采模式[1-2]，并從理論、技術和工程等角度開展了系統(tǒng)完善的研究和驗證工作[3-4]。目前，該技術已經在沁水盆地南部晉城礦區(qū)山西組3號煤層開展了多個工程應用，并推廣至安徽省淮北礦區(qū)、貴州省黔北礦區(qū)等地[5-7]。大量的現(xiàn)場實踐效果顯示：頂板分段壓裂水平井技術在提高煤層氣抽采效率上有著顯著的優(yōu)勢。沁水盆地北部太原組15號煤層發(fā)育比較穩(wěn)定，具有煤層埋深大、厚度大、煤體結構較差、含氣量高的特點，具有較好的煤層氣資源開發(fā)潛力[8-9]，然而目前區(qū)內垂直井生產試驗數(shù)據顯示，該區(qū)產氣效果并不理想。以沁水盆地北部松塔區(qū)塊為研究對象，在分析區(qū)塊內煤層氣地質條件的基礎上，綜合評價頂板分段壓裂水平井技術在沁水盆地北部的適應性，并采用煤層氣壓裂數(shù)值模擬技術和抽采模擬技術手段進行效果預測和評價，以期為沁水盆地北部太原組煤層地面煤層氣開發(fā)提供借鑒作用。

1 研究區(qū)15號煤層煤層氣地質特點

松塔區(qū)塊位于沁水盆地北部，面積298.12 km2(圖1)。含煤地層主要為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，主力煤層為太原組的15號煤層，埋深在700～1 500 m，全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定。本區(qū)鏡質組反射率為2.3%～2.9%，變質程度較高，屬貧煤—無煙煤。區(qū)塊內15號煤層全區(qū)發(fā)育，煤厚相對較大，區(qū)內鉆孔所測數(shù)據顯示15號煤凈厚度1.4～6.7 m，橫向分布穩(wěn)定且連續(xù)，除中西部的個別測點煤厚相對較低，一般分布在3～4.5 m?？傮w呈現(xiàn)由東南向西北方向變薄的趨勢，其變化趨勢主要由于高部位接受沖蝕作用較強，煤層分叉導致煤層變薄(圖2)?；曳之a率在11 %～22 %，平均為16.6 %，煤巖煤質較好。

圖1 沁水盆地及研究區(qū)位置Figure 1 Qinshui Basin and study area positions

圖2 松塔區(qū)塊15號煤煤厚分布Figure 2 Isopach of coal No.15 in Songta block

研究區(qū)共16 口地面煤層氣井進行了15號煤的含氣量測試，統(tǒng)計結果顯示15號煤空氣干燥基含氣量10～24.39 m3/t，平均為16.46 m3/t，干燥無灰基含氣量為13.54～29.15 m3/t，平均為20.77 m3/t，總體來看含氣量呈現(xiàn)中南部高、西北部較低的變化趨勢，如圖3所示。15號煤氣體成分以CH4為主，濃度91.34%～98.46%，其次為CO2，濃度0.99%～6.47%，氣體質量好。

圖3 松塔區(qū)塊15號煤含氣量分布Figure 3 Isogram of coal No.15 gas contents in Songta block

根據松塔區(qū)塊煤層氣井煤心取樣結果，該區(qū)以碎裂結構為主，部分井呈現(xiàn)碎粒結構、原生結構。通過宏觀煤樣描述數(shù)據發(fā)現(xiàn)：僅有西南部2 口井15號煤煤樣為原生煤，煤樣呈塊狀、柱狀，其他井普遍具有煤體結構的分層現(xiàn)象。從松塔區(qū)南部部分井15號煤巖心照片來看(圖4)，同一口井同一煤層，上部煤樣呈現(xiàn)顆粒狀、碎塊狀，煤體結構較差，為軟分層。下部煤樣呈柱狀，煤體結構較好，為硬分層。這種復雜的軟硬復合煤層的開發(fā)難度較大[9-11]，且常規(guī)直井在該種地質條件下的開發(fā)效果嚴重受限，一方面由于軟煤層煤體結構較差，壓裂過程中裂縫易閉合，形成無效裂縫，從而導致軟煤層中的氣體貢獻較少。另一方面由于直井本身產氣量低，需要井數(shù)較多，很難在較短時間達到快速降低瓦斯的目的。

2 頂板分段壓裂水平井技術適應性

頂板分段壓裂水平井技術主要對煤層與頂板巖層三向地應力及其差異有比較嚴格要求。利用區(qū)塊內分布較均勻的煤層氣陣列聲波測井數(shù)據，確定了三向地應力的計算方法，比較分析了15號煤層與頂板巖層三向地應力結果，評價頂板分段壓裂水平井技術在區(qū)塊的地質適應性。

2.1 地層地應力

三向應力包括垂向應力、最小水平主應力、最大水平主應力，三向應力的絕對大小與壓裂裂縫的形態(tài)有著直接的關系[12-14]。計算三向應力的方法較多，目前常用的方法包括：室內實驗法和測井曲線解釋法[15-16]。立足于松塔區(qū)塊實際情況，通過陣列聲波測井數(shù)據，計算了各井的三向應力。垂向主應力采取密度曲線積分方式求取，其公式：

(1)

式中：h0表示密度測井起始深度，m；ρ0表示表層地層平均密度，g/cm3；ρ表示密度測井巖石體積密度，g/cm3；g表示重力加速度，一般取9.8m/s2。

圖4 松塔區(qū)塊15號煤宏觀煤樣巖心照片F(xiàn)igure 4 Core photos of coal No.15 macroscopic coal sample from Songta block

水平主應力預測方法較多，根據前人對沁水盆地趙莊井田的地應力模型研究成果[17]，優(yōu)選組合彈簧模型作為水平主應力計算模型，其公式為

(2)

(3)

式中：εh、εH分別表示水平最小、最大主應力方向上的應變；α表示有效應力系數(shù)，無量綱；μ表示泊松比，無量綱；E表示楊氏模量。

一般認為注入/壓降試井所測閉合壓力pc為最小水平主應力σh，即σh=pc，為了驗證組合彈簧模型計算結果的可靠性，將試井測試數(shù)據與測井預測數(shù)據進行對比，見表1。結果顯示，兩種方法計算的最小水平主應力誤差均小于11%，平均誤差8.41%。與試井數(shù)據的相對誤差表明該解釋方法是可靠的。

表1 最小水平主應力與裂縫閉合壓力對比Table 1 Comparison between minimum horizontal primarystress and fissure closure pressure

三向應力結果(表2)對比顯示，15號煤垂向應力為23.49～34.67 MPa，平均為29.61 MPa，最大水平主應力為16.72～26.07 MPa，平均為22.81 MPa。15號煤頂板垂向應力為23.28～34.56 MPa，平均為29.45 MPa，最大水平主應力為22.91～33.81 MPa，平均為28.66 MPa。垂向應力最大，其次為水平主應力，當垂向應力為三向應力中最大值時，壓裂裂縫為垂向裂縫，在煤層頂板進行水力壓裂，有利于裂縫在縱向上擴展溝通煤層。煤層與頂板最小水平主應力對比顯示：15號煤頂板最小水平主應力為18.38～29.17 MPa，平均為22.81 MPa。15號煤最小水平主應力為15.76～25.11 MPa，平均為21.42 MPa。頂板最小水平主應力均大于煤層的最小水平主應力，層間最小水平主應力差在0.70～6.05 MPa，平均為2.92 MPa。由于水力壓裂過程中，裂縫在垂向上，有從高應力向低應力擴展的規(guī)律。根據松塔區(qū)塊地應力特征，15號煤頂板地應力值普遍高于15號煤煤層的地應力值，位于15號煤頂板的分段壓裂水平井，壓裂裂縫更易向下延伸至煤層，提高煤層裂縫溝通深度和范圍，提高煤層的壓裂改造效果。

表2 松塔區(qū)15號煤地應力數(shù)據Table 2 Ground stress data of coal No.15 in Songta block MPa

2.2 巖石力學特征

煤層氣井壓裂改造的目標是造長縫，從而為低滲煤層提供更加高效的產氣通道。裂縫的形成受力學性質影響較大[18]。一般脆性越好，壓裂裂縫更易延伸從而形成長縫，巖石脆性是楊氏模量和泊松比的綜合反映，楊氏模量越大，泊松比越小，脆性越好，形成裂縫越理想。

測試結果顯示(表3)，松塔區(qū)塊15號煤頂板泊松比平均為0.30，底板泊松比平均為0.33，煤層泊松比平均為0.37；15號煤層頂板平均楊氏模量為33.74 GPa，頂板平均楊氏模量為25.51 GPa，煤層楊氏模量為6.13 GPa。煤層泊松比高，楊氏模量小，其中15號煤圍巖楊氏模量是煤層的4.16～5.50倍，表明頂板在水力壓裂過程中更容易產生脆性斷裂，形成更長更穩(wěn)定的壓裂縫。在頂板裂縫的撕拉作用下，有利于裂縫在煤層中的延伸，并有助于形成高導流能力的壓裂長縫。

表3 15號煤層及頂?shù)装辶W參數(shù)測試結果Table 3 Mechanical parameter tested results of coal No.15 andits roof, floor

2.3 壓裂效果模擬

為驗證頂板分段壓裂水平井在松塔區(qū)塊的壓裂效果，運用壓裂數(shù)值模擬軟件FracproPT對松塔區(qū)塊15號煤進行壓裂效果預測，模擬對比了在煤層和頂板兩種壓裂層位的壓裂裂縫展布規(guī)律。模擬結果如表4、圖5、圖6所示。

表4 不同壓裂層位壓裂裂縫幾何形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistics of different fracturing horizons fissuregeometric form parameters m

直接在煤層中進行壓裂，形成的裂縫長度為113.2m，支撐縫高為17.0m，受碎軟煤力學性質的影響，巖層韌性較大，壓裂裂縫較難延伸形成長效裂縫，裂縫易向高處延伸。而將壓裂層位置于頂板處，裂縫長度可以達到158.6m，縫高為13.9m，裂縫長度提高了40.1%。由此可見，在松塔區(qū)采用頂板壓裂相較與直接在煤層中壓裂，效果更佳。

圖5 15號煤層頂板實施水平井壓裂裂縫形態(tài)Figure 5 Coal No.15 roof horizontal well fracturing fissure forms

圖6 15號煤層中實施水平井壓裂裂縫形態(tài)Figure 6 Coal No.15 horizontal well fracturing fissure forms

3 產氣效果預測

該區(qū)自2011年至今先后共有19口垂直井投入排采，日均產氣量在0～100m3/d的井9口，占總井數(shù)的47%；日均產氣量在100～500 m3/d的井3口，占總井數(shù)的16%；日均產氣量500～1 000m3/d的井4口，占比21%；日均產氣量1 000 m3/d的井僅2口，占比11%。煤層氣直井日產氣量差異明顯，總體單井產氣效果差。

為了驗證頂板分段壓裂水平井在該區(qū)的產氣效果，利用CBM-sim煤層氣數(shù)值模擬軟件對松塔區(qū)塊煤層氣水平井產量進行了預測，參考國內水平井壓裂技術的常規(guī)技術參數(shù)，設定水平段長度為1 080 m，壓裂間距90 m，壓裂段數(shù)13段，基礎地質參數(shù)如表5所示。產量預測結果如圖7所示，可以看到分段壓裂水平井單井日產氣量峰值為12 672.52m3/d，10a累計產量為1.68×107m3，井控范圍內3a平均采收率為22.48%，5a平均采收率30.56%，10a平均采收率為45.43%。頂板分段壓裂水平井具有單井產量大，且采收效率高的顯著優(yōu)勢。

表5 松塔區(qū)塊數(shù)值模擬基礎參數(shù)Table 5 Numerical simulation fundamental parametersin Songta block

圖7 水平井產氣量預測Figure 7 Prediction of horizontal well gas production

4 結論

1)利用松塔區(qū)塊陣列聲波測井，優(yōu)選組合彈簧模型計算了煤及頂板三向地應力。從地應力和巖石力學角度，證明松塔區(qū)塊具有實施頂板分段壓裂水平井的地質適應性。

2)利用壓裂數(shù)值模擬軟件，對松塔區(qū)塊進行了壓裂數(shù)值模擬工作，模擬結果顯示，在頂板實施水平井壓裂形成裂縫半長為158.6m，較直接煤層壓裂，裂縫半長提高40%，達到了預期壓裂效果。

3)利用CBM-SIM產能數(shù)值模擬軟件對松塔區(qū)塊煤層氣水平井產量進行了預測。抽采模擬結果顯示，分段壓裂水平井單井日產氣量峰值為12 672.52m3/d，10a平均采收率為45.43%，頂板分段壓裂水平井在松塔區(qū)塊具有產氣潛力。