屯蘭區(qū)塊煤層氣井壓裂特征多尺度分析

李鴻雨 ，宋曉夏,2 ，劉 威 ，李 偉 ，陳偉東 ，王 昱

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 山西 太原 030024；2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024；3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭煤礦, 山西 古交 030200；4.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣研究院, 黑龍江 大慶 163318）

0 引 言

水力壓裂作為一種可以改善煤儲(chǔ)層滲透率的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外煤儲(chǔ)層的改造中，尤其適用于煤層比較堅(jiān)硬，受壓裂后易形成更多裂隙的情況[1-2]。在水力壓裂過(guò)程中，壓裂產(chǎn)生的裂隙或煤層中的天然裂隙被擴(kuò)大，后在持續(xù)注入的壓裂液的影響下延伸到煤層中，在預(yù)先確定好的時(shí)間引入支撐劑來(lái)保持裂隙的開(kāi)放，從而達(dá)到改善煤儲(chǔ)層滲透性，提高煤層氣產(chǎn)量的目的[3]。

煤層中天然裂隙系統(tǒng)具有多尺度特征，從宏觀(guān)構(gòu)造斷裂裂隙到微裂隙均有發(fā)育[4]，受壓裂改造后形成的壓裂裂隙系統(tǒng)，使煤層裂隙分布更復(fù)雜[5]。WU等[6]發(fā)現(xiàn)我國(guó)煤層中水力斷裂主要有3 種模式：水平斷裂系統(tǒng)、垂直斷裂系統(tǒng)和復(fù)雜斷裂系統(tǒng)；呂帥峰等[7]將壓裂裂隙主要?dú)w為垂直裂隙、水平裂隙、“T”型和倒“T”型裂隙、“工”型裂隙4 種模式。在裂隙的起裂方向上，裂隙應(yīng)垂直于最小主應(yīng)力方向或最大應(yīng)力方向，在2 個(gè)水平應(yīng)力方向中，最大應(yīng)力方向?qū)Q定壓裂沿橫向增長(zhǎng)的方向（長(zhǎng)度），壓裂寬度將根據(jù)最小應(yīng)力方向打開(kāi)[8]。

水力壓裂使煤體出現(xiàn)破裂面，從而使壓裂煤和正常煤在裂隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和幾何特征上存在明顯的差異性[9]，壓裂煤表面會(huì)出現(xiàn)凹凸不平條帶狀微裂隙[10]和由于煤層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的煤粉條帶[11]。

無(wú)論是在宏觀(guān)層面上還是微觀(guān)層面上，孔隙結(jié)構(gòu)研究對(duì)煤層氣的儲(chǔ)藏、勘探、開(kāi)發(fā)都具有重要的意義[12]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者利用顯微CT 技術(shù)對(duì)材料內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入研究。X 射線(xiàn)三維CT 掃描成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以孔隙尺度真實(shí)反映巖石微觀(guān)孔喉特征，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化精細(xì)定量表征[13-14]；SHI 等[15]利用X-CT試驗(yàn)獲取不同尺度下煤孔隙分布特征；朱可丹等[16]通過(guò)提取孔喉結(jié)構(gòu)三維模型，將孔喉半徑分布曲線(xiàn)分為3 類(lèi)，分別為：正常單主峰型；喉道多峰、孔隙單主峰型；喉道多峰、孔隙多峰型；吳建彪等[17]通過(guò)使用Avizo 軟件的數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬功能，處理三維CT 數(shù)據(jù)，其建立的球棍模型，能夠直觀(guān)、定量地表征孔喉大小、幾何形態(tài)、空間分布、連通性等孔隙特征，進(jìn)而分析壓裂煤與正常煤的區(qū)別。

筆者運(yùn)用井下地質(zhì)編錄、煤樣宏觀(guān)特征描述、CT 掃描技術(shù)重構(gòu)三維細(xì)觀(guān)模型的手段，多尺度對(duì)研究區(qū)壓裂煤與正常煤進(jìn)行對(duì)比，分析屯蘭區(qū)塊煤層氣井的壓裂特征。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

屯蘭井田位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼。井田東以大川河西岸最高洪水位線(xiàn)為界與東曲相望；南至王芝茂斷層；西和西南與馬蘭井田相鄰；西北至后風(fēng)坪嶺斷層與鎮(zhèn)城底礦為界；北以汾河南岸最高洪水位線(xiàn)為界。井田呈不規(guī)則的多邊形，東西寬9.9 km，南北長(zhǎng)約10.6 km，井田總面積約73.3 km2。井田總體為一走向北北西、傾向南南西、傾角2°～15°的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育寬緩褶曲并伴有次一級(jí)小型波狀褶曲、斷層及陷落柱[18]。本井田含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，2 號(hào)煤層位于山西組中上部，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。該煤層位于山西組中上部，屬河控三角洲環(huán)境下泥炭沼澤沉積，是研究區(qū)內(nèi)最為穩(wěn)定的可采煤層，其含氣量約5～12.5 m3/t；煤層埋深在283.22～766.24 m，平均513.66 m；總厚度在1.57～5.15 m，平均2.22 m；頂?shù)装鍘r性為砂巖、泥巖；煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含1～3 層夾矸。宏觀(guān)煤巖成分主要是亮煤，其次是暗煤，為半亮型煤。

2 研究區(qū)塊與方法

2.1 觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置

筆者在屯蘭煤礦22301、22302 工作面回采過(guò)程中，分別對(duì)工作面揭露的XST-176、XST-177、XST-167、XST-168 這4 口煤層氣井進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)編錄。煤層氣井位置，井下剖面的觀(guān)測(cè)位置及采樣點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 采煤工作面及觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Position of working faces and observation points

2.2 煤層氣井壓裂施工概況

文中的4 口煤層氣井煤質(zhì)均為焦煤，以半亮型煤為主，壓裂液類(lèi)型為活性水：清水(550 m3)+0.05%ALD-608(275 kg)+0.05%XLD-108(275 kg)，支撐劑采用石英砂，其中0.80～0.12 mm 的石英砂5 m3，0.45～0.90 mm 的石英砂20 m3，煤層氣井相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)4 口煤層氣井壓裂施工情況Table 1 Fracturing constructions of 4 coal-bed gas wells in researched area

2.3 研究方法

根據(jù)煤層氣井位置，結(jié)合工作面回采進(jìn)度，在工作面揭露煤層氣井的過(guò)程中進(jìn)行井下地質(zhì)編錄，觀(guān)測(cè)井筒周?chē)鷫毫蚜严兜目臻g展布特征、支撐劑及煤粉分布特征等；對(duì)不同采樣點(diǎn)采集的煤樣描述其宏觀(guān)煤巖成分、破碎程度、裂隙及揉皺發(fā)育程度和手試強(qiáng)度等，并依次劃分煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型；運(yùn)用CT 掃描技術(shù)，通過(guò)Avizo 軟件構(gòu)建三維可視化模型，觀(guān)測(cè)壓裂煤與正常煤的孔裂隙特征并分析其相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 井下剖面觀(guān)測(cè)

3.1.1裂隙發(fā)育情況

圖2a 為F剖面6 號(hào)點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的煤層，煤體結(jié)構(gòu)多為原生結(jié)構(gòu)，煤巖分層明顯，層理清晰可辨，受壓裂擾動(dòng)較小，內(nèi)生裂隙及層理裂隙在煤層中廣泛發(fā)育，層理裂隙最大開(kāi)度為0.009 m，但并未發(fā)現(xiàn)有大型節(jié)理出現(xiàn)。

圖2 裂隙發(fā)育特征Fig.2 Fracturing development characteristics

圖2b 為B剖面2 號(hào)點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的煤層，煤體結(jié)構(gòu)多為碎粒結(jié)構(gòu)，伴隨少量糜棱結(jié)構(gòu)。幾條斜交裂隙穿過(guò)煤層，其中一條裂隙長(zhǎng)度為3.321 m，接近煤層上部的裂隙裂口更寬，開(kāi)度達(dá)0.047 m，接近煤層下部的裂隙裂口相對(duì)較窄，開(kāi)度為0.017 m。說(shuō)明煤層受到了明顯的壓裂影響。由于受到應(yīng)力干擾，位于大型“X”型裂隙交點(diǎn)的中間區(qū)域，其上有較多的煤粉且煤體更破碎。主要裂隙穿過(guò)煤層，與次級(jí)裂隙相互連接，形成多個(gè)小的“X”型裂隙，裂隙連通性較好。

圖2c 為E剖面5 號(hào)點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的煤層，煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂結(jié)構(gòu)，層理明顯，裂隙多數(shù)為視傾角30°～45°的剪切裂隙，裂隙產(chǎn)狀穩(wěn)定，呈雁列式排列且具有明顯的擦痕特點(diǎn)，主要裂隙長(zhǎng)度大于1 m，最大開(kāi)度為0.021 m，規(guī)模較大，裂隙中充填了大量煤粉。剪切裂隙和煤層天然裂隙很好地組成了網(wǎng)狀裂隙，連通性較好。

圖2d 為A剖面1 號(hào)點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的煤層，裂隙多數(shù)為視傾角約45°的剪切裂隙，裂隙產(chǎn)狀穩(wěn)定，呈雁列式排列，最大開(kāi)度為0.024 m，縫面平直光滑且具有明顯的擦痕特點(diǎn)，近水平裂隙較少。

與形態(tài)單一的垂直或者水平壓裂裂隙相比，“T”型壓裂裂隙較為復(fù)雜，或稱(chēng)為多裂隙。筆者在XST-177 煤層氣井附近也發(fā)現(xiàn)了這種裂隙（圖3a），在2 號(hào)煤層上部發(fā)現(xiàn)1 條充填著石英砂的水平壓裂裂隙，開(kāi)度達(dá)6.23 cm。在這條裂隙擴(kuò)展過(guò)程中，因受到局部應(yīng)力或者薄弱面變化的影響，壓裂裂隙發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿煤層垂向向下延伸，形成縫長(zhǎng)為3.22 m 的垂直壓裂裂隙，煤層上側(cè)開(kāi)度0.12 m，煤層下側(cè)開(kāi)度0.07 m，并與水平壓裂裂隙一同組成“T”型壓裂裂隙。

圖3 D 剖面4 號(hào)點(diǎn)的“T”型壓裂裂隙Fig.3 “T”fracture at point 4 of cross-section D

主干裂隙在延伸過(guò)程中主要分裂為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3 條裂隙（圖3b），Ⅰ裂隙先沿垂向延伸，后近水平向左延伸，使左側(cè)煤層出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，出現(xiàn)大量煤粉。由于煤層由亮煤向暗煤過(guò)渡，煤巖類(lèi)型發(fā)生改變，Ⅱ裂隙主要向軟弱結(jié)構(gòu)面延伸，并與Ⅰ裂隙匯合。同時(shí)，在Ⅰ、Ⅱ裂隙交叉處，能明顯觀(guān)測(cè)到完整的Ⅱ裂隙，表明Ⅱ裂隙形成時(shí)間晚于Ⅰ裂隙，說(shuō)明此處可能受到多次的壓裂作用。Ⅲ裂隙為垂直壓裂裂隙，向下延伸時(shí)2 次出現(xiàn)了向右彎折的情況（圖3b），結(jié)合彎折處的裂隙痕跡分析，這可能與Ⅲ裂隙穿過(guò)層理面受到擾動(dòng)有關(guān)。煤層左上方Ⅳ處為應(yīng)力集中點(diǎn)，有多條裂隙從該點(diǎn)向四周延伸。

“T”型壓裂裂隙及其次生裂隙都觀(guān)測(cè)到有石英砂，裂隙最上方及裂隙最下方部分可見(jiàn)大量石英砂（圖3c、圖3d），說(shuō)明此處壓裂裂隙較發(fā)育，支撐劑的導(dǎo)流作用能夠使石英砂進(jìn)入垂直壓裂裂隙中并發(fā)揮較好的支撐作用。

3.1.2煤粉的分布特征

煤體具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，孔裂隙發(fā)育差異較大，尤其在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，構(gòu)造煤的煤體結(jié)構(gòu)破碎，力學(xué)強(qiáng)度和滲透率較低，更容易產(chǎn)生煤粉，當(dāng)煤層的水動(dòng)力條件減弱時(shí)，對(duì)煤粉的攜帶能力下降，煤粉易沉降在裂隙內(nèi)。

煤層氣井生產(chǎn)中產(chǎn)出的煤粉主要為順層煤粉，煤層順層中煤巖平行排列，不同煤巖之間形成薄弱面，當(dāng)?shù)叵滤鬟^(guò)這些薄弱面時(shí)，容易將細(xì)小的煤粉沖刷并攜帶出去，在此情形下形成的煤粉分布比較均勻[19-20]。

圖4 為G剖面7 號(hào)點(diǎn)處的煤層情況，可以觀(guān)測(cè)到煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂結(jié)構(gòu)，煤層層理可辨，煤層中存在著數(shù)條由煤粉充填的裂隙，煤粉整體呈片狀或?qū)訝罘植迹椅从^(guān)測(cè)到有石英砂出現(xiàn)，說(shuō)明天然裂隙因受壓裂影響，煤體沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生揉皺破壞，形成的煤粉充填于裂隙中。煤粉的產(chǎn)出會(huì)對(duì)煤體及裂隙產(chǎn)生堵塞，從而降低煤體的滲透率；同時(shí)，煤粉在裂隙內(nèi)遷移堆積，減小了裂隙的有效滲透空間，導(dǎo)致流體的運(yùn)移阻力增大，阻礙了煤層氣的產(chǎn)出。

圖4 G 剖面7 號(hào)點(diǎn)充填煤粉的裂隙Fig.4 Fractures filled with pulverized coal at point 7 of cross-section G

3.1.3鋪砂情況

圖5 為XST-168 煤層氣井鉆孔附近2 個(gè)連續(xù)剖面的揭露情況，圖5a、圖5b 為相連的I剖面8 號(hào)點(diǎn)的揭露情況，圖5c 為J剖面9 號(hào)點(diǎn)的揭露情況。從這2 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位置、石英砂帶與煤層的相對(duì)位置以及石英砂帶所處水平壓裂裂隙的寬度可以推斷出這2 處的石英砂應(yīng)該同屬于一片石英砂帶（圖6）。分別在距離XST-168 煤層氣井26 m 和16 m 處的I剖面和J剖面處觀(guān)測(cè)到2 條水平壓裂裂隙。XST-168 煤層氣井壓裂影響范圍至少為26 m，此水平壓裂裂隙在各剖面的縫長(zhǎng)至少為8.7 m，最大開(kāi)度達(dá)6.4 cm。煤層間的石英砂沿水平壓裂裂隙擴(kuò)展延伸，水平壓裂裂隙周?chē)簩虞^完整，伴有次級(jí)裂隙，煤體多為碎裂結(jié)構(gòu)，部分為碎粒結(jié)構(gòu)，這可能與局部應(yīng)力變化有關(guān)。此處最大主應(yīng)力方向應(yīng)為該水平壓裂裂隙延伸的方向[8]。

圖5 I 剖面8 號(hào)點(diǎn)與J 剖面9 號(hào)點(diǎn)鋪砂情況Fig.5 Sand laying at point 8 of cross-section I and point 9 of cross-section J

圖6 XST-168 煤層氣井壓裂裂隙延展Fig.6 Fracture extendsion of XST-168 coal-bed gas well

3.1.4井筒揭露情況

在XST-168 號(hào)煤層氣井揭露的井筒中（圖7a），煤層射孔痕跡不明顯，局部可見(jiàn)小型的“X”型裂隙，井筒周邊煤層層理幾乎不可辨，煤粉、石英砂和水泥環(huán)受到強(qiáng)壓裂作用，受擠壓揉碎后又重新壓實(shí)。井筒周?chē)后w結(jié)構(gòu)多為糜棱煤，裂隙連通性較差，不利于后續(xù)煤層氣的產(chǎn)出。

圖7 XST-168、XST-177 井筒揭露情況Fig.7 Shaft disclosure of XST-168 and XST-177

在XST-177 號(hào)煤層氣井揭露的井筒中（圖7b），可以觀(guān)測(cè)到煤層整體裂隙較發(fā)育，連通性較好。由于在井筒周?chē)?，射孔痕跡清晰可見(jiàn)，煤體結(jié)構(gòu)因受力較大導(dǎo)致多為碎粒結(jié)構(gòu)，所形成的裂隙大多數(shù)為近水平裂隙，也存在部分高角度斜交裂隙并組成“X”型裂隙。在井筒周?chē)梢?jiàn)石英砂堆積，可能是由于井筒周?chē)×严哆^(guò)多，從而導(dǎo)致堆砂。裂隙中充填大量煤粉，應(yīng)是煤粉附著在石英砂顆粒表面充填在裂隙中。煤層上部有一團(tuán)石英砂分布并與井筒相連（圖7c），進(jìn)一步印證了在淺部低應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力沿近水平方向展開(kāi)，壓裂裂隙也隨之沿近水平方向延伸，主要受煤層與頂板之間或煤層宏觀(guān)煤巖類(lèi)型分界處的水平裂隙控制[7,21]。

綜上，研究區(qū)煤層氣井附近煤層遍布“X”型裂隙，XST-177 井附近甚至出現(xiàn)了“T”型壓裂裂隙，煤層受到了明顯的壓裂作用，同時(shí)，壓裂范圍內(nèi)的煤層裂隙開(kāi)度明顯高于正常未受壓裂影響煤層的裂隙開(kāi)度。煤層埋深普遍較淺，石英砂主要沿水平壓裂裂隙延伸，與此處的最大主應(yīng)力方向保持一致。煤粉因石英砂通過(guò)壓裂裂隙運(yùn)移以及裂隙兩側(cè)煤層的相互錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生，并充填在裂隙內(nèi)，對(duì)煤層氣的產(chǎn)出有阻礙作用。通過(guò)對(duì)XST-168、XST-177 2 口煤層氣井揭露的井筒進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)XST-177 煤層氣井的壓裂效果更好，更有利于煤層氣的產(chǎn)出。

3.2 煤樣手標(biāo)本觀(guān)測(cè)

分別從屯蘭井田的XST-167、XST-177 煤層氣井附近、未受到壓裂波及的區(qū)域以及XST-168 煤層氣井附近采樣，分別記為T(mén)1、T2、T3、T4。

T1（圖8a）于圖1 中 Ⅲ 號(hào)點(diǎn)壓裂裂隙周邊采集，距離XST-177 煤層氣井約25 m。煤樣為半亮煤，碎裂結(jié)構(gòu)，手試強(qiáng)度較堅(jiān)硬，煤樣呈灰黑色，外生裂隙發(fā)育，層理可辨，揉皺較發(fā)育，煤樣上部有“X”型裂隙。裂隙規(guī)模中型，主要裂隙多呈雁列式排列，與次生節(jié)理及壓裂裂隙相互勾通，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，連通性較好。

圖8 煤體宏觀(guān)特征Fig.8 Macroscopic characteristics of coal

T2（圖8b）于圖1 中 Ⅰ 號(hào)點(diǎn)壓裂裂隙周邊采集，距離XST-167 煤層氣井約1 m。煤樣為半亮煤，碎粒結(jié)構(gòu)，手試強(qiáng)度較疏松，煤樣呈灰黑色，外生裂隙發(fā)育，層理難辨，有2 條裂口寬度約為0.12 cm 的裂隙雁列式分布于煤樣上，其周?chē)€發(fā)育有許多次一級(jí)小裂隙，煤樣整體較為破碎，壓裂痕跡明顯。

T3（圖8c）于圖1 中 Ⅱ 號(hào)點(diǎn)采集，為半亮煤，原生結(jié)構(gòu)，手試強(qiáng)度堅(jiān)硬，煤樣呈灰黑色，層理清晰可辨，煤樣下部有一條完整的鏡煤條帶，說(shuō)明其未受到壓裂作用影響。

T4（圖9a）于圖1 中 Ⅳ 號(hào)點(diǎn)壓裂裂隙周邊采集，距離XST-168 煤層氣井約1 m。煤樣表面存在許多煤層受壓裂影響后石英砂鑲嵌痕跡（圖9b），同時(shí)也保留有許多石英砂顆粒。石英砂顆粒在煤樣表面成堆分布，下部嵌入煤樣中接觸緊密。在石英砂隨壓裂液運(yùn)移過(guò)程中，部分石英砂發(fā)生破碎，破碎的石英砂進(jìn)入到裂隙中，起到了支撐作用。

圖9 T4 表面石英砂分布Fig.9 Quartz sand distribution on surface of T4

3.3 CT 數(shù)字巖心的裂隙特征分析

為進(jìn)一步研究煤層氣井附近壓裂煤與正常煤的裂隙發(fā)育特征，更加直觀(guān)地展示不同煤樣裂隙的形態(tài)特征，基于CT 掃描技術(shù)，利用Avizo 軟件對(duì)掃描的切片進(jìn)行圖像處理，重建三維細(xì)觀(guān)模型，對(duì)比這3塊煤樣內(nèi)部裂隙的差異，進(jìn)而分析屯蘭區(qū)塊煤層氣井的壓裂特征。

3.3.1煤樣選擇及試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)選擇壓裂煤T1、T2，正常煤T3（圖8），用線(xiàn)切割的方式將其切割為邊長(zhǎng)近似4 cm 的立方體并放入干燥箱中備用。

試驗(yàn)使用的是nanoVoxel-4000 高分辨X 射線(xiàn)三維CT 檢測(cè)系統(tǒng)。在掃描之前，先將煤樣放在顯微CT 掃描工作臺(tái)的中心位置；然后，關(guān)閉自動(dòng)門(mén)，打開(kāi)射線(xiàn)源，調(diào)整樣品臺(tái)位置，使樣品處于視野中心；之后，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)與探測(cè)器的位置使樣品占視野的三分之二左右；最后，根據(jù)試件大小調(diào)整儀器掃描參數(shù)，且通過(guò)調(diào)整電流、電壓來(lái)保證掃描圖像的高清晰度。此次試驗(yàn)，CT 機(jī)掃描參數(shù)為電壓200 kV，電流300 mA，曝光時(shí)間0.70 s，圖像合并數(shù)2，像素合并數(shù)為1×1，轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)0.25°掃描1 次，共1 440 幅圖像。由于探測(cè)器與樣品之間距離分布不同，其中T1、T2、T3的掃描分辨率也有所不同，分別為28.08、26.12、26.67。利用CT 重建軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行三維重建，再將重建好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Avizo 軟件中進(jìn)行處理。

3.3.2二維切片分析

CT 切片邊長(zhǎng)為2.5 cm，依次為煤樣沿Z軸從上至下的切片，切片中白色部分為礦物質(zhì)，黑色部分為孔裂隙。圖10 為3 塊煤樣掃描切片的微裂隙特征，其中，圖10a—圖10c 為壓裂煤T1，圖10d—圖10f為壓裂煤T2，圖10g—圖10i 為正常煤T3。從圖中可以明顯看出T1、T2 裂隙較為發(fā)育，并且發(fā)育數(shù)條次級(jí)裂隙，裂隙整體比較雜亂，方向各異，整體連通性較好，T2 中微裂隙較為復(fù)雜，裂隙軌跡曲折，且分叉裂隙清晰可見(jiàn)。T3 中微裂隙發(fā)育較少。

圖10 煤樣的CT 掃描切片微裂隙分布特征Fig.10 Distribution characteristics of microfissure in CT scan sections of coal samples

3.3.3重構(gòu)三維細(xì)觀(guān)模型

通過(guò)分析CT 灰度圖像可以精細(xì)描述和定量分析壓裂煤與正常煤的孔裂隙形態(tài)與連通情況。先將處理后數(shù)據(jù)體依次導(dǎo)入Avizo 軟件，輸入試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)的體素大小、切片數(shù)目等參數(shù)，按照空間坐標(biāo)的位置依序疊置成為一個(gè)三維數(shù)據(jù)體（圖11a），為方便后續(xù)處理，對(duì)Avizo 中生成的三維數(shù)據(jù)體用Extract Subvolume 進(jìn)行切割，將其切割成邊長(zhǎng)為2.5 cm 的立方體（圖11b）。

圖11 煤樣三維細(xì)觀(guān)模型Fig.11 Three-dimensional mesoscopic model of coal sample

圖12 中分別為T(mén)1、T2、T3 煤樣的三維細(xì)觀(guān)模型，其中圖12a—圖12c、圖12d—圖12f、圖12g—圖12i 分別為T(mén)1、T2、T3 的三維細(xì)觀(guān)模型，圖12a、圖12d、圖12g 是在各煤樣中提取的孔裂隙模型，圖12b、圖12e、圖12h 是煤樣各自最大連通孔隙團(tuán)，圖12c、圖12f、圖12i 則是基于圖12b、圖12e、圖12h 進(jìn)一步建立的球棍模型，球代表孔隙，棍代表連通孔隙的吼道。從圖中可以觀(guān)測(cè)到T1 和T2 的孔裂隙分布無(wú)序，主要裂隙周?chē)渭?jí)裂隙較發(fā)育，T3 的孔裂隙發(fā)育相對(duì)規(guī)則，煤樣中孔裂隙主要由2 條十字交錯(cuò)的裂隙組成，次級(jí)裂隙發(fā)育較少。通過(guò)三維細(xì)觀(guān)模型的重構(gòu)，能較為直觀(guān)地觀(guān)測(cè)到各煤樣內(nèi)部的孔裂隙發(fā)育特征。三維CT 成像技術(shù)所建立的球棍模型，能夠直觀(guān)、定量表征孔喉大小、幾何形態(tài)、空間分布、連通性等，對(duì)微細(xì)觀(guān)尺度儲(chǔ)層孔喉研究具有重要意義[17]。

圖12 孔裂隙三維細(xì)觀(guān)模型Fig.12 Three-dimensional micromodel of pore and fracture

3.3.4煤樣數(shù)據(jù)分析

T1、T2 和T3 煤樣各參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤樣孔裂隙分布Table 2 Coal sample pore distribution

表中孔隙率等參數(shù)是基于掃描分辨率所得。其中孔隙率是由煤樣中體積大于掃描分辨率立方的孔裂隙總體積除以煤樣總體積所得的參數(shù)。體積小于分辨率立方的孔裂隙無(wú)法被觀(guān)測(cè)到，因而表中孔隙率比實(shí)際孔隙率偏小。又由于3 塊煤樣掃描分辨率相近，且表中壓裂煤T1、T2 的孔隙率都遠(yuǎn)大于正常煤T3，所以可以得出壓裂煤的孔隙率遠(yuǎn)大于正常煤的孔隙率。從表中其它數(shù)據(jù)可得，壓裂煤的平均裂隙寬度和最大裂隙體積都大于正常煤，說(shuō)明壓裂作用使煤樣內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)更發(fā)育。

從圖13 中可以得到，T1、T2 壓裂煤中裂隙寬度大于100 μm 的裂隙分別占總裂隙體積的58.8%和48.5%，裂隙數(shù)量分別為23 407 條和19 679 條，而T3正常煤中裂隙寬度大于100 μm 的裂隙僅占總裂隙體積的1.7%，裂隙數(shù)量?jī)H為3 504 條，T1、T2 較T3 的裂隙寬度變寬，裂隙數(shù)量變多，說(shuō)明壓裂煤內(nèi)部的孔裂隙更發(fā)育，壓裂作用使煤樣裂隙寬度和數(shù)量明顯增加。

圖13 T1、T2 和T3 中不同寬度裂隙對(duì)應(yīng)裂隙體積比和裂隙數(shù)量的分布Fig.13 Distribution of crack volume ratio and crack number in T1、T2 and T3 with different widths

4 結(jié) 論

1）壓裂范圍內(nèi)的煤層裂隙開(kāi)度明顯高于正常未受壓裂的煤層裂隙。壓裂裂隙的延展方式主要受地應(yīng)力的影響，在淺部低應(yīng)力區(qū)，壓裂裂隙以水平壓裂裂隙為主。煤層埋深普遍較淺，石英砂主要沿水平壓裂裂隙延伸。煤粉因石英砂通過(guò)壓裂裂隙運(yùn)移以及裂隙兩側(cè)煤層的相互錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生，并充填在裂隙內(nèi)，對(duì)煤層氣的產(chǎn)出有阻礙作用。

2）通過(guò)手標(biāo)本的對(duì)比分析，壓裂使煤體的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，硬度降低，裂隙顯著增加。部分煤樣上石英砂的分布也可以從側(cè)面證明在淺部低應(yīng)力區(qū)，石英砂主要沿水平壓裂裂隙向煤層內(nèi)延伸。

3）通過(guò)CT 掃描技術(shù)對(duì)壓裂煤和正常煤進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)壓裂煤較正常煤的裂隙寬度變寬，裂隙數(shù)量變多，孔裂隙也更發(fā)育。