臨興地區(qū)深部煤儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)及其對(duì)壓裂縫形態(tài)的控制

高向東，孫 昊，王延斌，倪小明，鄧 澤

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；4.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 5.中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007)

0 引 言

地應(yīng)力是煤儲(chǔ)層壓裂改造的關(guān)鍵控制因素，其組合特征控制著水力壓裂縫的延伸和擴(kuò)展特征，決定了壓裂的造縫效果[1-2]。唐書恒等[3]基于煤巖力學(xué)參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究認(rèn)為水力壓裂的起裂壓力的大小和方位與地應(yīng)力密切相關(guān)。孟召平等[4]通過對(duì)壓裂裂縫的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示出裂縫的幾何形態(tài)由主應(yīng)力的相對(duì)大小決定。李樹剛等[5]通過數(shù)值模擬的方法研究了不同主應(yīng)力差下裂縫的延展規(guī)律，研究表明主應(yīng)力差越小，裂縫發(fā)育越復(fù)雜，反之，裂縫形態(tài)則越單一。孫健等[6]通過對(duì)開發(fā)區(qū)塊煤層氣井的剖析，指出水平主應(yīng)力差值影響壓裂改造的規(guī)模，差值越大，壓裂改造體積越小，單井產(chǎn)能較低。由此可見，地應(yīng)力對(duì)水力壓裂具有重要的控制作用。隨著埋深的增加，地應(yīng)力增大，且地應(yīng)力狀態(tài)存在臨界轉(zhuǎn)換深度[7-8]。這一特點(diǎn)，意味著在不同深度范圍內(nèi)壓裂縫的自然擴(kuò)展特征有所不同，需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求匹配不同的壓裂工藝。盡管不同的學(xué)者在不同的盆地證實(shí)了地應(yīng)力臨界轉(zhuǎn)換深度的存在，但是研究深度相對(duì)較淺(大都小于1 200 m)[9-11]。深部煤儲(chǔ)層壓裂改造處于探索階段，相關(guān)的施工設(shè)計(jì)多沿用淺部煤儲(chǔ)層的技術(shù)參數(shù)，在一定程度上制約了深部煤層氣開發(fā)。臨興地區(qū)煤儲(chǔ)層埋深較大，最大埋深超過了2 000 m[12-13]。為此，筆者基于成像測(cè)井和水力壓裂資料，分析臨興地區(qū)地應(yīng)力的空間分布特征，重點(diǎn)刻畫地應(yīng)力的平面展布，并結(jié)合Abaqus軟件模擬不同水平主應(yīng)力差條件下煤儲(chǔ)層壓裂縫的延伸和擴(kuò)展特征，以期為深部煤儲(chǔ)層的壓裂設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是華北地臺(tái)上的一個(gè)殘余克拉通盆地，構(gòu)造位置屬于華北地臺(tái)西部。根據(jù)其構(gòu)造特征，鄂爾多斯盆地大致可分為6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[14]。盆地的主體是伊陜斜坡，整體為一西傾的單斜構(gòu)造。晉西撓褶帶呈南北向延伸的狹長帶狀分布于鄂爾多斯盆地東緣，該區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造也整體向西傾伏，傾角略大于伊陜斜坡(1°～5°)，如圖1a所示[15]。

圖1 鄂爾多斯盆地和臨興區(qū)塊構(gòu)造綱要Fig.1 Structural outline of Ordos Basin and Linxing Block

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西緣北部偏中位置[16]。區(qū)塊中部鄰近紫金山，構(gòu)造關(guān)系略顯復(fù)雜。區(qū)塊東部邊界由于更靠近盆地邊緣，地層較陡[17]。臨興區(qū)塊又可分為臨興東、臨興中和臨興西3部分，其中臨興中屬于中聯(lián)煤層氣公司的自營區(qū)塊(以下簡(jiǎn)稱臨興自營區(qū))(圖1b)。

臨興自營區(qū)又可細(xì)分為3個(gè)構(gòu)造小單元，中部受紫金山巖體侵入影響為隆起區(qū)，環(huán)繞隆起區(qū)發(fā)育向斜區(qū)。北部和南部，受侵入巖的影響較弱，為平緩褶皺區(qū)[18]。北部區(qū)域又可細(xì)分為走向呈NW向延伸的若干構(gòu)造條帶，整體呈隆凹相間，主要為大型寬緩褶皺，發(fā)育少量的近NS向的小規(guī)模逆斷層。自營區(qū)4+5號(hào)煤層埋深為1 013.5～2 113.5 m，平均為1 832.3 m。8+9號(hào)煤層埋深為1 093.2～2 163.5 m，平均為1 910.4 m。從平面分布來看，紫金山隆起區(qū)以外的地方，煤層埋深都超過了1 500 m，僅從埋深角度講，研究區(qū)煤層氣屬于深部范疇。

2 地應(yīng)力空間展布特征

2.1 地應(yīng)力方向

2.1.1 獲取方法

地層的各向異性及鉆井過程中的井壁崩落的相關(guān)信息在成像測(cè)井中都有響應(yīng)[19]，研究區(qū)成像測(cè)井資料較為豐富，此次研究采用井眼崩落法來確定水平地應(yīng)力的方向。井眼崩落方位與地應(yīng)力方向緊密相關(guān)，在鉆井過程中，地層原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，引起井眼應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過巖石破裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剪切破裂，出現(xiàn)井眼崩落。井眼崩落后，形狀呈橢圓形[20]，其長軸方向與最小水平應(yīng)力方向一致，與最大水平應(yīng)力方向垂直(圖2a)。利用電成像測(cè)井資料來分析井眼崩落較為常見，呈現(xiàn)為間隔180°的兩條平行暗色條帶，該條帶所在方向即為最小水平應(yīng)力方向[21](圖2c)。

圖2 基于井眼崩落判別地應(yīng)力方向Fig.2 Identifying the direction of in-situ stress based on borehole collapse

利用該方法進(jìn)行研究區(qū)最小水平主應(yīng)力方向識(shí)別，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，研究區(qū)最小水平主應(yīng)力方向?yàn)榻麼S向、NNW和NNE向，在不同的區(qū)域和不同的層位，其方向略有差異，總體而言，本溪組、太原組和山西組最小水平主應(yīng)力的方向基本一致，整體顯示為近NS向。

圖3 基于井眼崩落的最小水平主應(yīng)力方向Fig.3 Minimum horizontal principal stress direction based on borehole collapse

2.1.2 空間展布

利用井眼崩落法，對(duì)研究區(qū)具有電成像測(cè)井的鉆井，開展含煤地層水平主應(yīng)力方向識(shí)別，統(tǒng)一用最大水平主應(yīng)力方向表示，最終將識(shí)別的結(jié)果投到研究區(qū)8+9號(hào)煤層底板等高線圖上，得到研究區(qū)最大水平主應(yīng)力的空間展布(圖4)。由于最小水平主應(yīng)力方向與最大水平主應(yīng)力方向垂直，其方向不再展示。由最大水平主應(yīng)力的平面展布可知，研究區(qū)最大水平主應(yīng)力的方向基本相同，也是近EW向，在不同的局部略有差異。研究區(qū)北部地區(qū)，最大水平主應(yīng)力為近EW向；研究區(qū)中部和南部最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向，地應(yīng)力方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。

圖4 研究區(qū)最大水平主應(yīng)力方向展布[21] Fig.4 Maximum horizontal principal stress direction of study area[21]

2.2 地應(yīng)力大小

地應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力大小主要與埋深和構(gòu)造相關(guān)，深部煤儲(chǔ)層很多特性都與高地應(yīng)力有關(guān)，本研究基于水力壓裂法獲取研究區(qū)地應(yīng)力的大小。

2.2.1 獲取方法

水力壓裂法是獲取地應(yīng)力大小的有效方法，該方法基于井壁受力分析，結(jié)合斷裂力學(xué)，從而獲取水平地應(yīng)力[22]。利用水力壓裂可以直接獲取的是最小水平主應(yīng)力，然后結(jié)合力學(xué)參數(shù)，即可獲取最大水平主應(yīng)力。利用水力壓裂可以獲取的參數(shù)如圖5所示。

圖5 典型水力壓裂壓力曲線Fig.5 Pressure curve of typical hydraulic fracturing

最小水平主應(yīng)力σh,min表達(dá)為

σh,min=Pc

(1)

式中：σh,min為最小水平主應(yīng)力，MPa；Pc為地層閉合壓力，MPa。

最大水平主應(yīng)力σh,max表達(dá)為：

σh,max=3Pc-Pf-P0+T

(2)

式中：σh,max為最大水平主應(yīng)力，MPa；Pf為地層破裂壓力，MPa；P0為儲(chǔ)層壓力，MPa；T為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa。

垂直主應(yīng)力σV可由密度隨埋深的連續(xù)積分獲取，表達(dá)為：

(3)

式中：ρ(H)為隨埋深變化的巖石密度，kg/m3；g為重力加速度；H為地層埋深，m。

2.2.2 垂向分布特征

由地應(yīng)力與埋深的擬合關(guān)系可知，儲(chǔ)層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、水平主應(yīng)力差和垂直主應(yīng)力都隨埋深呈線性增大(圖6)。由表1可知，儲(chǔ)層壓力和垂直主應(yīng)力與埋深相關(guān)性極好，最小水平主應(yīng)力與埋深的相關(guān)性比最大水平主應(yīng)力與埋深的相關(guān)性更好，水平主應(yīng)力差雖然與埋深有一定的關(guān)系，但是關(guān)系很離散。

圖6 地應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力的垂向分布特征Fig.6 Vertical distribution characteristics of in-situ stress and reservoir pressure

表1 地應(yīng)力與埋深的擬合關(guān)系Table 1 Relationship between in-situ stress and burial depth

側(cè)壓系數(shù)為最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的均值與垂直主應(yīng)力的比值，常用于表征垂向主應(yīng)力與水平主應(yīng)力的相對(duì)大小。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1時(shí)，表明地應(yīng)力以水平主應(yīng)力為主；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí)，表明地應(yīng)力以垂直主應(yīng)力為主。隨著埋深的增加，側(cè)壓系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)埋深小于1 500 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)隨埋深的增大而增大；當(dāng)埋深大于1 500 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)隨埋深的增大而減小(圖6)。具體而言，當(dāng)埋深介于650～1 200 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)小于1.0；當(dāng)埋深為1 200～2 000 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)大于1.0；當(dāng)埋深超過2 000 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)逐漸小于1.0。

綜合地應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)與埋深的關(guān)系，結(jié)合前人的研究成果[22]，可歸納出研究區(qū)地應(yīng)力隨埋深的垂向分布特征如下：

1)當(dāng)埋深<500 m時(shí)，σV>σh,max>σh,min，地應(yīng)力以垂直主應(yīng)力為主，處于伸張狀態(tài)，表現(xiàn)為大地靜力場(chǎng)型。由于研究區(qū)沒有小于650m的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該深度段內(nèi)的地應(yīng)力引自JU等利用測(cè)井方法計(jì)算的結(jié)果[23]；

2)當(dāng)埋深介于650～1 200 m時(shí)，σV≈σh,max>σh,min，具有準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)的特征，盡管此時(shí)仍以垂直主應(yīng)力為主，但是地應(yīng)力表現(xiàn)為伸張狀態(tài)向壓縮態(tài)轉(zhuǎn)化的過渡態(tài)；

3)當(dāng)埋深介于1 200～1 500 m時(shí)，σh,max>σV≥σh,min，在該深度范圍內(nèi)，水平主應(yīng)力增大，尤其是最小水平主應(yīng)力的增大比較明顯，地應(yīng)力以水平主應(yīng)力為主，表現(xiàn)為擠壓狀態(tài)，具有大地動(dòng)力場(chǎng)的特征，該應(yīng)力狀態(tài)下容易形成走滑平移斷層；

4)當(dāng)埋深介于1 500～2 000 m時(shí)，σh,max>σV>σh,min，盡管此時(shí)地應(yīng)力仍以水平主應(yīng)力為主，地應(yīng)力也為擠壓狀態(tài)，由于側(cè)壓系數(shù)隨埋深減小，表明該深度范圍內(nèi)垂直主應(yīng)力的作用逐漸增強(qiáng)。

5)當(dāng)埋深超過2 000 m時(shí)，σh,max≈σV>σh,min，現(xiàn)今地應(yīng)力再次表現(xiàn)出準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)特征，地應(yīng)力表現(xiàn)出擠壓狀態(tài)向伸張狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過渡特征，由側(cè)壓系數(shù)可知，現(xiàn)今地應(yīng)力已經(jīng)轉(zhuǎn)換為以垂直主應(yīng)力為主。

綜上所述，研究區(qū)地應(yīng)力由淺及深經(jīng)歷了水平主應(yīng)力先相對(duì)增大后相對(duì)減小的過程，地應(yīng)力隨埋深表現(xiàn)為以垂直主應(yīng)力為主，到以水平主應(yīng)力為主，再到以垂直主應(yīng)力為主的特征，但是直到埋深達(dá)到2 000 m，垂直主應(yīng)力并沒有完全變?yōu)樽畲笾鲬?yīng)力，表明研究區(qū)水平主應(yīng)力整體較大。

對(duì)研究區(qū)地應(yīng)力大小統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表2)，該區(qū)域地應(yīng)力跨度較大，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的最大值是最小值的2倍多，而水平主應(yīng)力差的最大值是最小值的5倍多，但是地應(yīng)力的平均值與最大值比較接近。分析認(rèn)為，紫金山隆起區(qū)由于埋深較淺且斷裂發(fā)育，地應(yīng)力整體偏小，這是導(dǎo)致地應(yīng)力跨度較大的主要原因。對(duì)于紫金山隆起區(qū)外圍區(qū)域，地應(yīng)力主要表現(xiàn)為σh,max>σV>σh,min，也就是說研究區(qū)地應(yīng)力整體處于一個(gè)相對(duì)擠壓的狀態(tài)。

表2 研究區(qū)8+9號(hào)煤層地應(yīng)力大小統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on in-situ stress of No. 8+9 coal seam in study area MPa

2.2.3 地應(yīng)力平面展布

由圖7可知，研究區(qū)地應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異分布。從南北方向看，南部為地應(yīng)力高值區(qū)，中部為低值區(qū)，北部的地應(yīng)力介于兩者中間；從東西方向看，西部地應(yīng)力整體高于東部，其中北部區(qū)域表現(xiàn)出明顯的條帶分布特征，即高值區(qū)和低值區(qū)相間分布，共分為3個(gè)高值區(qū)和2個(gè)低值區(qū)；由于研究區(qū)紫金山巖體的存在，地應(yīng)力又表現(xiàn)出以紫金山為中心的環(huán)帶分布特征，紫金山隆起區(qū)為地應(yīng)力低值區(qū)，而紫金山隆起區(qū)以外的區(qū)域?yàn)榈貞?yīng)力高值區(qū)。研究區(qū)地應(yīng)力的平面分布主要受控于埋深與局部構(gòu)造。由于研究區(qū)整體為一向西南傾的單斜構(gòu)造，導(dǎo)致煤層埋深南部大于北部，西部大于東部，而中部紫金山侵入體導(dǎo)致煤層埋深遠(yuǎn)小于周圍區(qū)域，因此，埋深條件奠定了地應(yīng)力的整體格局。局部構(gòu)造對(duì)小范圍內(nèi)地應(yīng)力的分布起到了調(diào)控作用。

圖7 研究區(qū)8+9號(hào)煤層地應(yīng)力平面分布特征Fig.7 Plane distribution characteristics of in-situ stress of No. 8+9 coal seam in study area

褶皺是該區(qū)域主要的構(gòu)造形態(tài)，根據(jù)顧宏星等[24]提出的方法，估算出研究區(qū)褶皺中和面的埋深為750～980 m，所以研究區(qū)整體處于褶皺中和面以下。如此，煤儲(chǔ)層在背斜核部承受擠壓應(yīng)力，在向斜核部則為拉張應(yīng)力，煤層的抗壓強(qiáng)度要大于抗拉強(qiáng)度，則向斜核部會(huì)更容易形成應(yīng)力釋放，導(dǎo)致背斜區(qū)的地應(yīng)力高于向斜區(qū)，這是研究區(qū)北部地應(yīng)力呈條帶狀分布的主要原因。另外，斷層、節(jié)理等不連續(xù)面也會(huì)引起應(yīng)力釋放而導(dǎo)致地應(yīng)力減小，所以紫金山隆起區(qū)以及斷層發(fā)育的地方，地應(yīng)力相對(duì)較小。

3 地應(yīng)力對(duì)壓裂的影響

3.1 地應(yīng)力組合特征對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響

壓裂裂縫一般沿著最大主應(yīng)力方向并垂直于最小主應(yīng)力方向延伸，因此，壓裂裂縫的幾何形態(tài)主要由地應(yīng)力組合特征決定。當(dāng)水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力為最小主應(yīng)力時(shí)，壓裂裂縫為水平裂縫；當(dāng)垂直主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力時(shí)，壓裂裂縫一般為垂直裂縫；當(dāng)垂直主應(yīng)力為中間主應(yīng)力時(shí)，也形成垂直裂縫；當(dāng)垂直主應(yīng)力與水平主應(yīng)力接近時(shí)，壓裂容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)?？偟膩碚f，壓裂裂縫有水平裂縫、垂直裂縫和復(fù)雜裂縫3種類型(圖8)。

圖8 不同地應(yīng)力組合條件下的壓裂裂縫形態(tài)Fig.8 Hydraulic fracture morphology under different in-situ stress combinations

研究區(qū)深部煤儲(chǔ)層(主要指1 500 m以深)地應(yīng)力的組合特征以σh,max>σV>σh,min為主，局部最大主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力接近，所以研究區(qū)的壓裂裂縫以垂直裂縫為主，局部容易形成一些復(fù)雜縫。

3.2 煤儲(chǔ)層水平主應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展的影響

該部分主要模擬在天然裂隙存在的情況下，壓裂裂縫在不同水平主應(yīng)力差條件下的延伸和擴(kuò)展規(guī)律。這部分模擬用Abaqus中的Cohesive模塊開展，該軟件對(duì)于裂縫的起裂和擴(kuò)展模擬較好。研究區(qū)發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)天然裂隙，且方向近似垂直，因此，以一組正交的裂隙來模擬天然裂隙。根據(jù)水平主應(yīng)力的方向特征，在東西方向上施加最大水平主應(yīng)力，南北方向上施加最小水平主應(yīng)力。研究區(qū)深部煤儲(chǔ)層水平主應(yīng)力差范圍較大，為5～25 MPa，此次研究從2 MPa 模擬到20 MPa。由模擬結(jié)果可知(圖9)，當(dāng)水平主應(yīng)力差小于3 MPa時(shí)，壓裂裂縫沿著天然裂隙的方向擴(kuò)展，即水平主應(yīng)力差較小時(shí)，壓裂裂縫傾向于沿著薄弱面延伸；當(dāng)水平主應(yīng)力差大于3 MPa時(shí)，壓裂裂縫逐漸由天然裂隙方向向最大水平主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)換，當(dāng)水平主應(yīng)力差大于6 MPa時(shí)，壓裂裂縫的延伸方向完成轉(zhuǎn)換，也就是說水平主應(yīng)力差在3～6 MPa時(shí)，更容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)；隨著水平主應(yīng)力差的持續(xù)增大，壓裂裂縫的方向集中于最大水平主應(yīng)力方向，當(dāng)水平主應(yīng)力差大于10 MPa時(shí)，壓裂裂縫變?yōu)閱我涣芽p沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸。研究區(qū)深部煤儲(chǔ)層的水平主應(yīng)力差平均為15 MPa，所以壓裂裂縫容易形成沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸的單一裂縫，如何造出復(fù)雜縫是研究區(qū)需要攻克的難題。

圖9 不同水平主應(yīng)力差條件下的水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征Fig.9 Fracture extension characteristics under different horizontal principal stress differences

4 實(shí)例分析

4.1 井位及地層概況

以研究區(qū)L-55井為例進(jìn)行深部煤儲(chǔ)層壓裂分析。L-55井位于山西省臨縣雷家磧鄉(xiāng)開化村西北4.5 km處，屬于臨興自營區(qū)中部偏西的位置。構(gòu)造位置屬于伊陜斜坡東北部，局部構(gòu)造位置屬于小向斜的翼部(圖10a)。

圖10 L-55井位及煤巖組合Fig.10 Location and combination of coal and surrounding rocks of L-55 well

該井的壓裂層段為本溪組的9號(hào)煤層，埋深為1 928.6～1 937.7 m，厚度為8 m，儲(chǔ)層溫度為59 ℃。9號(hào)煤層的直接頂板為8 m厚的泥巖，間接頂板也以泥巖為主，夾薄層細(xì)砂巖和煤層。直接底板為厚3 m的泥巖，間接底板為厚13 m的細(xì)砂巖(圖10b)，該井的煤儲(chǔ)層基本參數(shù)見表3。

表3 L-55井9號(hào)煤層基本參數(shù)Table 3 No.9 coal seam basic parameters of L-55 well

4.2 壓裂施工概況

L-55井在1 930～1 934 m深度范圍內(nèi)射孔，射孔厚度4.0 m。壓裂液采用清水和KCl混合液，KCl濃度為2%。壓裂前置液量為300 m3，攜砂液量為459 m3，攜砂階段砂比為6%～18%，排量為5.5～8.0 m3/min，頂替液量為22 m3。

通過小型壓裂測(cè)試可知，施工壓力為19.3～45.3 MPa，破裂壓力為46.3 MPa，停泵壓力為27.2 MPa。在注前置液初期，破裂壓力不明顯；當(dāng)排量上升至5.7 m3/min，壓力呈上漲趨勢(shì)，顯示縫高受限，表明煤儲(chǔ)層物性較差；當(dāng)排量上升至6.1 m3/min，泵壓為48～51 MPa，壓力趨穩(wěn)，表明該階段壓裂液注入濾失平衡；當(dāng)壓裂進(jìn)行至190 min左右，壓力突降10 MPa，可能為煤層破裂或壓裂液突破上部砂泥巖隔層；隨后采用5%～8%砂比注入地層，壓力再次呈現(xiàn)上漲的現(xiàn)象；當(dāng)施工進(jìn)行至235～245 min時(shí)，攜砂液量降低，壓力呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，表明在目的層中可能形成“鋸齒縫”，壓裂造縫比較困難；在施工后期加砂，壓力逐漸上漲，停砂后立即急漲脫砂(圖11)。壓后井溫測(cè)井結(jié)果顯示，在射孔層段井溫有明顯的負(fù)異常顯示，表明壓裂裂縫突破了上部隔層。

圖11 壓裂曲線Fig.11 Fracturing curve

4.3 壓裂效果分析

該井采用FLSJ-Ⅲ型系統(tǒng)對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過直接從地下接收微地震信號(hào)而達(dá)到對(duì)壓裂的全天候監(jiān)測(cè)目的。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料，通過計(jì)算機(jī)回放處理后可以得出壓裂裂縫的方位、高度、長度及傾向等參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫的空間展布。L-55井為直井，本次壓裂為單層壓裂，因此以射孔段中深為監(jiān)測(cè)垂深及監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行壓裂裂縫監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖12和表4。

圖12 壓裂裂縫的方位和長度Fig.12 Direction and length of hydraulic fractures

表4 水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 4 Hydraulic fracture monitoring results

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，壓裂裂縫基本沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸。壓裂裂縫表現(xiàn)為縫長較大，但縫高很小，且縱向不對(duì)稱，上部偏長，下部偏短。

由于L-55井的最大和最小水平主應(yīng)力差為12 MPa，所以壓裂裂縫基本上沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸，且裂縫延伸方向單一。較大的煤巖力學(xué)性質(zhì)差異和一定的煤巖最小水平主應(yīng)力差，限制了裂縫的縱向延伸，促使裂縫在煤層中擴(kuò)展，因此壓裂裂縫縫長大，縫高小。由于煤層的頂板為泥巖，底板為砂巖，煤與頂板的力學(xué)性質(zhì)差異較小，與底板的力學(xué)性質(zhì)差異較大，所以壓裂裂縫突破了煤層頂板。由此可見，地應(yīng)力對(duì)壓裂裂縫整體的延展控制顯著，而頂?shù)装鍘r性組合特征對(duì)縫高有影響。

5 結(jié) 論

1)臨興地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向在不同的層位和局部略有差異，其在本溪組、太原組和山西組基本一致，近似呈EW向。

2)地應(yīng)力的垂向分布具有明顯分帶性，存在1 200 m 和2 000 m兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)換深度，由淺及深，地應(yīng)力由垂直主應(yīng)力為主轉(zhuǎn)化為水平主應(yīng)力為主再到以垂直主應(yīng)力為主。臨興自營區(qū)深部煤儲(chǔ)層地應(yīng)力主要表現(xiàn)為σh,max>σV>σh,min。

3)地應(yīng)力的平面分布受埋深和構(gòu)造兩方面控制，埋深導(dǎo)致地應(yīng)力整體呈南高北低、西高東低的特征；褶皺和斷層使得研究區(qū)北部地應(yīng)力呈條帶狀分布，背斜核部水平地應(yīng)力較大，向斜核部及斷層發(fā)育區(qū)水平地應(yīng)力較小。

4)研究區(qū)地應(yīng)力組合特征決定了壓裂裂縫以垂直縫為主，局部容易形成一些復(fù)雜縫。在天然裂隙存在的情況下，水平主應(yīng)力差小于3 MPa時(shí)，壓裂裂縫沿天然裂隙擴(kuò)展；當(dāng)水平主應(yīng)力差超過6 MPa時(shí)，壓裂裂縫逐步沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展。