潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝延展特征

曲 铭

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司 勘探分公司，山西 晋城 048012)

1 研究区基本概况

潘庄煤层气区块位于沁水煤田东南部沁水县境内，地理坐标为东经 112°24' 00" ～ 112°36'00"，北纬35°40'00" ～35°34' 43"，面积为157.755 km2[1]。区块内含煤地层发育，主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，共计含可采、不可采煤层21层，煤层总厚度9.9～17.8 m，平均13.4 m，含煤系数9.10%。山西组3号煤层、太原组15号煤层分别为区块稳定、较稳定可采煤层，太原组9号煤层为区块较稳定大部可采煤层，其余为不稳定、不可采煤层。

3号煤层为区块矿井主采和煤层气主力开发煤层，煤类为无烟煤(Ro,max=3.68%～4.36%)，埋藏深度122～695 m，厚度为5.04～7.16 m，平均6.11 m。原煤瓦斯含量一般为5.88～32 m3/t，基本在8 m3/t以上。煤层结构简单，一般含炭质泥岩和泥岩夹矸0～5层，一般l～2层，厚度一般为0.10～1.05 m。煤体结构以原生结构煤为主，构造煤不甚发育，煤中割理系统相对发育。单轴压缩杨氏模量0.11～1.45 GPa，平均1.27 GPa。泊松比0.32～0.35，平均0.33；三轴压缩条件下，内摩擦角24.6～28.5°，平均27.1°。内聚力0.89～1.02 MPa，平均0.95 MPa。

为解决矿井开采3号煤层过程中的矿井瓦斯涌出量大、瓦斯时常超限及煤与瓦斯突出等瓦斯难题，原晋煤集团(现晋能控股装备公司)于20世纪90年代初与美国美中能源公司合作开展地面煤层气开发试验，试验非常成功，打破了无烟煤不可抽放的历史，开创了采煤采气一体化综合开发模式之先河[2]。21世纪以来，区块内加大了煤层气勘探开发力度，创建了首个“国家煤层气示范工程项目”，成为了我国煤层气商业开发最为成功的“甜点区”[3-4]。

2 压裂工程关键基础参数

压裂液量、支撑剂量、压裂排量、砂比等压裂工程关键基础参数控制着压裂裂缝的形态和延展特征[5]，对煤层气井产能和采收率亦具有重要影响[6-7]。通过对潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝监测井的压裂工程关键基础参数统计分析可知(表1)，区块压裂层段即为3号煤层段，压裂段埋藏深度(或3号煤层埋藏深度)均在500 m以浅，属于浅埋深储层压裂。压裂层段厚度与3号煤层厚度一致，一般为5.83～6.25 m，平均6.02 m。煤层气井压裂方式均为常规水力压裂，压裂规模总体较小，属于小规模压裂，压裂液总量481.7～619.8 m3，平均544.7 m3；支撑剂加入总量30～35 m3，平均32.5 m3；压裂排量大小为中等，一般为7.8～8.5 m3/min，平均8.2 m3/min；压裂平均砂比为低砂比，一般为7.2%～7.6%，平均7.4%；破裂压力8.8～22.2 MPa，平均14.9 MPa。

3 煤层压裂裂缝监测及延展特征

3.1 压裂裂缝监测方法及原理

低渗油气藏储层压裂改造，是储层增透、增渗、油气井增产和提高采收率的重要举措，压裂裂缝及延展特征对储层改造效果具有重要影响，因而油气藏开发过程中尤为重视压裂裂缝的监测、分析和评价等研究工作[8-11]。经过多年的研究和工程实践，迄今为止在裂缝监测理论、监测技术、监测方法及装备等方面取得喜人进展，对油气藏高效开发和油气工业发展起到有力助推作用[12-13]。微地震实时监测技术是一种根据监测微地震信号或发震事件来分析生产活动的地球物理探测技术，可对压裂裂缝高度、长度及裂缝延展的优势方位等进行实时监测和判识[14]，与其他裂缝监测技术相比，微地震裂缝监测技术具有技术成熟、操作便捷、适应性强、发震信号实时监测、数据采集和处理自动化、监测结果可靠性高等诸多特点，近年来被广泛应用于油气开发井压裂裂缝实时监测、压裂裂缝形态及延展特征研究[15]。为此，本文采用微地震实时监测技术对潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝延展特征进行研究。

油气井压裂过程中随着高压压裂液不断注入井筒及地层，井筒压力及地层压力持续升高，当地层压力大于地层岩石破裂压力时，岩石就会发生破坏形变。为了定量描述和表征压裂过程中地层岩石的起裂、破坏形变特征，引入了摩尔—库伦准则[16]，其表达式如下：

τ≥τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)cos(2φ)/2

(1)

τ=(S1-S2)sin(2φ)/2

(2)

式中：τ0为岩石的抗剪强度(当沿着原有的裂缝面错断时，其值为零)，MPa；τ为作用于裂缝面的剪切作用应力，MPa；P0为地层压力，MPa；φ为最大主应力法向与裂缝面间的夹角，°；S1为作用于地层的最大主应力，MPa；S2为作用于地层的最小主应力，MPa。

由摩尔-库伦准则公式(1)、(2)可知，地层压力(P0)的变化会导致微地震事件发生，随着地层压力(P0)增大时，公式(1)的右侧数值随之减小，当作用于裂缝面的剪切应力(τ)大于煤岩固有的无法向应力抗剪断强度(τ0)时，地层煤岩起裂、形成裂缝网络。此时，在裂缝边缘发生微地震事件或活动，微地震信号以球面波的形式在地层中向四周传播[15]。在压裂井周边布置多个微地震信号接收器实时接收压裂过程中的微地震信号，通过信号转换和处理后传输给母站，数据经过微机处理分析，实现微地震震源及分布的判识、压裂裂缝长度、高度及裂缝延展优势方位的解释和判识。

3.2 微地震压裂裂缝实时监测基本流程

压裂前对监测井及周边地形地貌进行实地踏勘，寻找出适宜布置微地震信接收仪(或信号检波器)的位置，再根据压裂井的钻井测斜数据通过校正确定井口在水平面上的投影点(即坐标原点“O”)，以井口投影点为中心在其周边不同方位及不同位置的适宜地点布置微地震信接收仪(或信号检波器)分站点，再对井口及各站点坐标进行测定，进而得到信号接收分站点相对井口的水平面投影点(图1)。打开主站信号接收和处理站仪器，调试其与各分站间的通信联络情况、背景噪音，并进行相关参数设定。

图1 潘庄煤层气区块3号煤层压裂井裂缝实时监测站点分布

压裂前5 min，打开测试仪器，对压裂裂缝进行实时监测，并对监测信号及数据进行实时采集、处理和分析。鉴于压裂停泵后压裂液和支撑剂会在原泵压下继续延伸，因而在压裂结束后要继续监测20 min，保存监测数据，关机，收拾各监测仪器，装箱、打包，完成本次压裂裂缝监测工程。

3.3 压裂裂缝延展特征

潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝实时监测成果资料见表2、图2、图3。研究区压裂煤层破裂显著，受最大水平主应力方向控制，压裂裂缝主要沿着水平方向延展，垂直方向次之，裂缝延展优势方位为NNE13～NE58°。东、西翼裂缝长度基本小于100 m，一般为57.2～109.0 m。其中，东翼长度57.2～109.0 m，平均71.7 m。西翼长度一般为74.3～92.5 m，平均81.7 m。裂缝总长度131.5～192.6 m，平均153.4 m；裂缝高度16.7～29.2 m，平均21.5 m。受煤层自身非均质、各向异性、构造应力大小及应力场分布、原生裂隙发育程度等因素及其耦合作用影响[17-18]，致使煤层气压裂井在压裂规模基本相当情况下，裂缝长度(包括单翼裂缝长度及总长度)、裂缝高度及裂缝延展优势方位有所不同。同时，对压裂关键基础参数(表1)与裂缝特征参数(表2)之间进行了数理相关性分析，发现压裂液总量和排量对裂缝总长影响显著，但对裂缝高度影响不明显。据相关性分析，压裂液总量、排量与裂缝总长间具有良好的线性正相关性(y裂缝总长=0.374 2x总液量-50.486,R2=8 478;y裂缝总长=61.969x排量-353.25,R2=5 382)，这是因为压裂液总量和排量分别控制着压裂规模大小和压裂液注入强度，煤层气井在高排量和大液量压裂情况下，高强度注入地层的压裂液量越大，裂缝延伸得更远，反之亦然[19-20]。

图2 潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝长度及方位

图3 潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝延展高度

表2 潘庄煤层气区块3号煤层压裂裂缝延展特征参数统计

4 结 语

1) 压裂裂缝的延展特征受诸多地质要素、储层物性及压裂关键参数等控制，使得压裂规模相近的情况下，压裂井的裂缝长度、高度和延展方位等有所差异。压裂液总量和排量分别控制着压裂规模和压裂强度，亦对压裂裂缝延伸长度有着显著影响。

2) 在浅埋深、小液量、中等排量、低砂比等压裂情况下，压裂裂缝以水平裂缝发育为主，垂直裂缝次之。受最大水平主应力控制，裂缝延展的优势方位为NNE13～NE58°,裂缝总长度131.5～192.6 m，裂缝高度16.7～29.2 m。