臨興地區(qū)山西組煤系復(fù)合儲層壓裂改造優(yōu)化研究

邵奎宇，鞠 瑋*，王勝宇，郭云慶，文稔東，桑國蘊(yùn)

1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008)

0 引言

煤系氣是指煤系地層中所賦存的各種成因類型或不同巖石內(nèi)的天然氣體[1]，如煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣、碳酸鹽巖層的天然氣等，從而構(gòu)成了資源潛力巨大的一種礦產(chǎn)資源[2-4]。臨興地區(qū)煤系地層主要形成于晚古生代石炭紀(jì)—二疊紀(jì)陸相和海陸交互相沉積環(huán)境，巖層一般相對較薄，巖性多樣，砂巖、泥巖、煤層等互層頻繁，旋回性極強(qiáng)，巖性和厚度對地質(zhì)控制因素的響應(yīng)較為敏感[5-6]；不同巖層之間巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙度、滲透率等差異較大，且整體上具有顯著低孔隙度、低滲透率等特點(diǎn)[7]。因此，煤系多類型疊置復(fù)合氣藏要實(shí)現(xiàn)高效合層開發(fā)，必須采取增產(chǎn)措施，儲層壓裂改造必不可少[8-10]。前人針對上述煤系復(fù)雜的特點(diǎn)開展了儲層改造研究發(fā)現(xiàn)，煤層本身及其上下頂?shù)装鍘r石的力學(xué)性質(zhì)控制著壓裂改造的效果，并且決定了壓裂過程中壓裂裂縫的擴(kuò)展類型[11-12]。儲層之間的物理學(xué)參數(shù)差異越大，裂縫內(nèi)的流體壓力就越高，通過界面釋放的壓力脈沖更有利于煤中微裂隙間的聯(lián)通，從而形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)[13]。綜上，煤系儲層薄、多類型疊置，導(dǎo)致其壓裂改造裂縫擴(kuò)展復(fù)雜、多目標(biāo)層段協(xié)同改造實(shí)現(xiàn)困難，尋找最佳疊置多類型儲層綜合改造方式、提高開發(fā)效益是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，本文以鄂爾多斯盆地東緣臨興地區(qū)山西組為例，在儲層地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，分析地質(zhì)因素和壓裂施工參數(shù)對壓裂裂縫擴(kuò)展影響，識別合層開發(fā)關(guān)鍵層段，優(yōu)選綜合壓裂方案，為該地區(qū)煤系復(fù)合儲層煤系氣綜合開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究背景

臨興地區(qū)位于陸內(nèi)坳陷型鄂爾多斯盆地的東北緣，處于現(xiàn)今劃分的大地構(gòu)造單元的晉西撓褶帶西緣和伊陜斜坡帶東部[14]。區(qū)內(nèi)沉積了上古生界海陸交互相石炭系—二疊系煤系地層。該煤系地層總體呈單斜構(gòu)造展布，巖性組合變化不大，空間分布較穩(wěn)定。該區(qū)東側(cè)因受紫金山構(gòu)造巖漿活動(dòng)影響，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，斷裂多呈環(huán)狀展現(xiàn)，對煤系地層影響不大[15]。

1.2 煤系氣特征及共生模式

根據(jù)臨興地區(qū)山西組煤系氣勘探鉆孔的錄測井資料、測試及地質(zhì)分析結(jié)果，山西組是由分流河道砂巖、分流間灣的暗色泥巖和煤組成，構(gòu)成了致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣“三氣”共生的含氣系統(tǒng)[3，16-17]。根據(jù)氣測顯示結(jié)果，山西組中部和下部氣測解釋結(jié)果較好，煤系儲層發(fā)育，全段總厚度60 m左右，其中煤層及炭質(zhì)泥巖總厚度達(dá)19.9 m，占全段視厚的33.3 %；煤層與砂巖層厚度16.7 m，占全段視厚的27.8 %，隨鉆全烴值最高達(dá)72.347 1 %，反映了該段煤系具有優(yōu)良的開發(fā)資源能力。

如圖1所示，根據(jù)氣測及測壓結(jié)果顯示，山西組中部第一層段和下部第二層段之間存在一個(gè)厚13 m左右的由泥巖構(gòu)成的隔層，結(jié)合壓力系數(shù)分析可劃分為兩個(gè)含氣系統(tǒng)：

第一層段(1 675～1 696 m)：上覆下伏為泥巖隔層，儲層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、底板為泥巖，中間儲層巖性組合為砂巖-泥質(zhì)粉砂巖-煤。地層壓力為19.76 MPa，壓力系數(shù)為0.95。

第二層段(1 709～1 736 m)：上覆為泥巖隔層，下伏為粉砂質(zhì)泥巖隔層，儲層頂?shù)装鍘r性均為砂巖，中間儲層巖性組合為粉砂質(zhì)泥巖-煤-泥巖-炭質(zhì)泥巖-砂巖。地層壓力為14.72 MPa，壓力系數(shù)為0.81。

如上所述，2個(gè)含氣系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合壓裂開采，層間干擾可能較大[18-19]。因此，將山西組中下部劃分為兩個(gè)層段進(jìn)行分段壓裂開采。

圖1 臨興地區(qū)山西組合采開發(fā)關(guān)鍵層段(左：第一層段；右：第二層段)Figure 1 Key strata of Shanxi Formation combined mining development in Linxing area (left: the first stratum; right: the second stratum)

2 研究區(qū)綜合改造模擬方案

2.1 合采開發(fā)關(guān)鍵層段參數(shù)提取

如圖2所示，根據(jù)W1井的現(xiàn)場巖性錄井原始數(shù)據(jù)以及實(shí)際測井資料結(jié)果，采用地球物理解釋的方法，厘定了合層開發(fā)關(guān)鍵儲層參數(shù)。

第一壓裂目的層巖石力學(xué)參數(shù)：最小水平主應(yīng)力29 MPa，泊松比0.23，楊氏模量3.87×104MPa；頂板粉砂質(zhì)泥巖：最小水平主應(yīng)力25.2 MPa，泊松比0.26，楊氏模量2.78×104MPa；底板泥巖層：最小水平主應(yīng)力24.9 MPa，泊松比0.25，楊氏模量2.6×104MPa；上部泥巖隔層：最小水平主應(yīng)力27 MPa，泊松比0.3，楊氏模量2.5×104MPa；下部泥巖隔層：最小水平主應(yīng)力26.2 MPa，泊松比0.3，楊氏模量3×104MPa；煤夾層：最小水平主應(yīng)力20 MPa，泊松比0.35，楊氏模量1.2×104MPa。第二壓裂目的層巖石力學(xué)參數(shù)：最小水平主應(yīng)力18.9 MPa，泊松比0.29，楊氏模量1.4×104MPa；頂板砂巖層：最小水平主應(yīng)力29.3 MPa，泊松比0.3，楊氏模量4.1×104MPa；底板砂巖層：最小水平主應(yīng)力28.9 MPa，泊松比0.27，楊氏模量4.3×104MPa；上部泥巖隔層：最小水平主應(yīng)力25.8 MPa，泊松比0.3，楊氏模量2.9×104MPa；下部粉砂質(zhì)泥巖隔層：最小水平主應(yīng)力26.1 MPa，泊松比0.28，楊氏模量2.8×104MPa。

在上述關(guān)鍵層位力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析后的壓裂合采層段巖石力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用Meyer軟件進(jìn)行分層系統(tǒng)建模，進(jìn)而優(yōu)化壓裂施工參數(shù)數(shù)值模擬研究。

2.2 壓裂施工優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)W1井項(xiàng)目數(shù)據(jù)報(bào)告中的結(jié)果，分析了山西組兩個(gè)壓裂層段地層溫度、氣層特性、黏土含量等參數(shù)，判斷兩個(gè)層段均可進(jìn)行壓裂合采?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，對合采層段使用瓜膠壓裂液體系以及陶粒支撐劑，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5107—2005 水基壓裂液性能評價(jià)方法》《SY/T 6376—2008 壓裂液通用技術(shù)條件》《SY/T 5764—2007 壓裂用植物膠通用技術(shù)要求》對壓裂液體系進(jìn)行了優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。主要檢測了配液用水水質(zhì)、交聯(lián)性能、耐溫耐剪切性能、破膠性能，最終得出了最優(yōu)化的配比方案。

圖2 山西組目的層巖石力學(xué)參數(shù)柱狀圖Figure 2 Histogram of rock mechanical parameters in the target interval of Shanxi Formation

首先對現(xiàn)場配液用水進(jìn)行了現(xiàn)場取樣，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

①配液用水 pH 值：7；②機(jī)械雜質(zhì)情況：水中有少量機(jī)械雜質(zhì)，建議進(jìn)行過濾處理；③配液用水離子成分分析：配液用水礦化度為 325.45 mg/L，Ca2+含量為 19.76 mg/L；Mg2+含量為 33.75 mg/L，含量非常低，不會影響壓裂液攜砂性能。推薦破膠劑加量0.02%～0.1 %，根據(jù)泵注程序楔形加入，破膠時(shí)間1～4 h可控制，破膠液表面張力26.054 mN/m，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

在對水樣分析的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比分析，推薦的各參數(shù)配方如下。

①壓裂液配方(主壓裂)：0.3 %瓜膠一級品 + 1.5 %KCl +其它+0.25%～0.3 %交聯(lián)劑+0.02%～0.1 %破膠劑；②活性水配方：1.5 %KCl + 1 %黏土穩(wěn)定劑 + 0.5 %助排劑 + 0.5 %氣井防水鎖劑；③支撐劑配方：根據(jù)W1井山西組儲層閉合壓力為23 MPa，選擇20/40目低密度陶粒作為支撐劑。

結(jié)合上述分析成果，利用Meyer壓裂軟件對加砂量、施工排量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)W1井項(xiàng)目中的要求，分別設(shè)置了三組合適的加砂量及施工排量，過大或過小均不適合本研究區(qū)合采層段。如表1所示，在保持其他條件不變的情況下，通過設(shè)置三組低、中、高加砂量與三組低、中、高施工排量進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，共九組不同的方案。通過層間干擾因素分析，第一層段由于含薄煤層，射孔位置選擇在砂巖層；第二層段射孔位置選擇在相對較厚的煤層，以此來進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合儲層的壓裂效果。

表1 山西組施工參數(shù)模擬方案

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 第一層段模擬結(jié)果

壓裂優(yōu)化模擬結(jié)果如表2、圖3、圖4所示，由模擬結(jié)果可以看出，兩個(gè)層段隨著加砂量的增加，裂縫縫長和縫高都有較明顯增加；隨著排量的增加，縫長有減小趨勢，縫高有增大趨勢。首先在不考慮裂縫延展長度的情況下，對比第一層段各方案的支撐縫高。在方案6、方案7、方案8、方案9的情況下，縫高分別為21.3 m、22.6 m、22.9 m、23.7 m，裂縫均已突破上頂板或下底板，溝通了上覆或下伏泥巖隔層，突破了本關(guān)鍵層段含氣系統(tǒng)，可能對合層開發(fā)產(chǎn)生不利影響，認(rèn)為此類壓裂改造不適用。其次，對比方案1、方案2、方案3(即加砂量為20 m3)與方案4及方案5(即加砂量為30 m3)的情況，裂縫縫長分別為187.3 m、182.6 m、177.1 m與201.8 m、196.3 m，支撐縫高分別為17.6 m、17.8 m、18.5 m與19.6 m、19.8 m，由此可以看出在加砂量為30 m3的情況下，裂縫的穿層效果和縫長的延伸效果均要比加砂量為20 m3時(shí)更好。最后，由于方案4與方案5的支撐縫高展布情況相差不大，裂縫均能較好地在合采層內(nèi)延伸，且方案4要比方案5的縫長延伸效果更佳。

圖3 各方案下裂縫縫長模擬結(jié)果Figure 3 Simulation results of crack length under each scheme

圖4 各方案下裂縫支撐縫高模擬結(jié)果Figure 4 Simulation results of crack support joint height under each scheme

因此，在泥巖為上下頂?shù)装鍖拥那闆r下，第一層段的射孔位置選擇在砂巖層，并且在方案4(即設(shè)置加砂量為30 m3，施工排量為3 m3/min)下，整體上為中砂量、低施工排量時(shí)裂縫能夠較好地被控制在合采層內(nèi)，未突破上覆下伏隔層，并能達(dá)到最優(yōu)的壓裂改造效果(圖5)。

表2 不同方案下裂縫幾何尺寸對比

3.2 第二層段模擬結(jié)果

首先，如表2、圖3、圖4所示，第二層段在方案1至方案3、方案4至方案6(即加砂量分別為20 m3、30 m3)時(shí)的裂縫縫長的延展效果與裂縫的穿層效果均沒有在方案7至方案9(即加砂量為40 m3)時(shí)的好。其次，在方案7(即加砂量為40 m3、施工排量為3 m3/min)下的模擬結(jié)果表現(xiàn)為裂縫長度192.3 m、縫寬12.65 mm、縫高22.9 m，裂縫的延伸能夠控制在合采層內(nèi)，但裂縫沒有達(dá)到較好的穿層效果；在方案8(即加砂量為40 m3、施工排量為4 m3/min)下的模擬結(jié)果表現(xiàn)為裂縫長度190.4 m、縫寬12.89 mm、縫高23.7 m，在這種模擬情況下，裂縫能夠控制在合采層內(nèi)，未聯(lián)通上覆下伏隔層，雖然縫長延伸較方案7比略差、但穿層效果較好，支撐縫高達(dá)到了23.7 m，基本上能夠使裂縫緊貼著上下頂?shù)装鍖友由欤辉诜桨?(即加砂量為40 m3、施工排量為5 m3/min)下的模擬結(jié)果為裂縫長度為185.2 m、縫寬13.11 mm、縫高25.6 m，在這種情況下裂縫已經(jīng)突破了上頂板層，導(dǎo)致裂縫已經(jīng)溝通了上覆泥巖隔層，裂縫無法在合采層中延伸，容易大幅降低復(fù)合儲層的壓裂改造效果且縫長的延伸效果不如方案8。

圖5 第一目的層段方案4下壓裂模擬裂縫剖面圖Figure 5 Fracture profile of fracturing simulation under scheme 4 of the first target interval

因此，在砂巖層為上下頂?shù)装鍖拥那闆r下，第二層段的射孔位置選擇在煤層，并且在方案8(即加砂量為40 m3，施工排量為4 m3/min)下，整體上為高砂量、中施工排量時(shí)能夠達(dá)到最優(yōu)的壓裂改造效果(圖6)。

圖6 第二目的層段方案8下壓裂模擬裂縫剖面圖Figure. 6 Fracture profile of fracturing simulation under scheme 8 of the second target interval

4 結(jié)語

1) 對于難以聯(lián)合壓裂的關(guān)鍵層段，進(jìn)行分段壓裂開采可以達(dá)到更優(yōu)的產(chǎn)氣效果。

2) 基于研究區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵合采層段優(yōu)選出了瓜膠壓裂液體系以及20/40目陶粒支撐劑。

3) 基于煤系儲層地質(zhì)分析和數(shù)值模擬方法對臨興地區(qū)山西組兩套獨(dú)立含氣系統(tǒng)層段壓裂方案進(jìn)行了優(yōu)化，以砂巖夾煤、泥巖為主的第一層段，采取布置射孔位置在砂巖層，在加砂量為30 m3、施工排量為3 m3/min 時(shí)能夠?qū)⒘芽p延展效果達(dá)到最優(yōu)；以泥巖夾煤及砂巖為主的第二層段，采取在煤層布置射孔位置，在加砂量為40 m3、施工排量為4 m3/min可獲取最佳壓裂效果。