余吾礦煤/巖層組合類型劃分及壓裂措施

郝少偉 ，張徑碩 ，王韶偉 ，竟亞飛

（1.山西潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046000；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

煤層中能否營造有效裂縫對壓裂效果具有重要影響。近年來，國內外研究者采用相似材料壓裂物理模擬實驗、數值模擬、現場壓裂試驗和裂縫監測等方法研究了煤巖強度、圍巖力學性質和所受應力狀態對水力壓裂裂縫形態的影響[1-3]。模擬實驗發現：當應力差大于6 MPa 時，地應力是裂縫延伸的主控因素，水力壓裂裂縫容易沿著最大主應力方向延伸；當應力差在3～6 MPa 時，水力壓裂裂縫形態是煤中裂隙系統、應力差和圍巖力學共同作用的結果；當應力差小于3 MPa 時，煤中裂隙系統、圍巖力學性質對水力壓裂裂縫形態影響較大。這些成果為現場水力壓裂參數優化提供了理論依據[4-9]。通過理論研究和現場水力壓裂實踐，學者們提出了針對軟煤發育區的“虛擬儲層”壓裂和針對軟硬煤互層的“避射軟煤”的射孔優化技術，這些研究成果無疑為現場水力壓裂效果最優提供了重要保障。

不同的煤、巖儲層組合類型可能具有不同的水力壓裂裂縫形態，其壓裂效果也不同。目前，科研工作者更多關注水力壓裂裂縫形態的主控因素和形態特征，對煤/巖組合類型劃分相對關注較少。為此，以潞安礦區余吾礦的煤層氣勘探開發資料為基礎，對研究區3#煤層的頂板巖性和力學性質、煤體結構、地應力狀態等進行研究，劃分水力壓裂的煤/巖組合類型，并提出了不同組合類型下的水力壓裂措施建議，以期為不同煤/巖組合類型下水力壓裂改造措施實施提供指導與借鑒。

1 地質概況及水力壓裂煤/巖組合類型劃分

余吾礦位于潞安礦區中部，井田內主要發育褶皺構造。主采煤層為3#煤層，厚度一般為4.67～7.03 m，平均為6.07 m；煤體結構以碎裂煤和碎粒煤為主。埋深一般為573～740 m，平均為617 m。3#煤層頂板巖性一般為泥巖、砂質泥巖或粉砂巖；底板巖性一般為泥巖、砂質泥巖。

研究表明：煤層頂/底板的巖性及力學性質、煤體結構和煤層所受的地應力對水力壓裂裂縫形態具有重要影響[10-13]。因此，首先獲取這幾個參數，然后根據這些參數進行水力壓裂煤/巖組合類型劃分。

1）煤層頂板巖性和力學性質的獲取方法。本次通過該區煤層氣井的測井解釋對3#煤層頂板的巖性進行判識。在此基礎上，對取心井3#煤層頂板的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖等進行力學參數測試。以煤層頂板15 m 為界限，結合巖性求得其綜合彈性模量Ez。Ez與中砂巖的彈性模-量Ef相除（根據研究區情況取Ef=28.54 GPa），當值<1 時，定義為軟巖；當值≥1 時，定義為硬巖。

式中：Ez為綜合彈性模量，GPa；Ei為第i種巖性的彈性模量，GPa；hi為第i種巖層的厚度（h1+h2+···+hn=15），m。

2）煤層段軟/硬煤的獲取方法。首先根據鉆井取心，確定出不同煤體結構的GSI 值；然后，對參數井煤層段的GSI 值與對應的測井響應參數值進行多參數擬合，關系模型如式（2）；根據式（2）得出相對應的其他煤層氣井煤層段的GSI 值。把GSI 值≥40 稱為硬煤，GSI 值＜40 為軟煤。分別統計煤層段的硬煤和軟煤的厚度，當硬煤厚度≥60%時，煤層段稱為硬煤；反之為軟煤。

式中：GSI 為煤破碎程度值，1～100；ρc為煤的密度，t/m3；Gr為自然伽馬，API；Cx、Cy分別為x、y方向上的井徑，mm；Rd為深側向電阻率，Ω·m；a、b、c、d、f為擬合常數。

3）地應力的獲取方法。主要通過水力壓裂曲線結合密度測井獲取水平應力和垂直應力。壓裂泵入結束后，壓降曲線上有1 個明顯的拐點，這個拐點就是瞬時關井壓力pISTP，該值與最小水平主應力σMIN相當[14]；由此可得最大水平主應力σMAX；而上覆靜巖壓力σv就是上覆巖體自重引起的壓力，可通過測井獲取的上覆地層密度和相應厚度計算得出[15]。

式中：pISTP為瞬時關井壓力，可由水力壓裂施工曲線上直接讀取， MPa；σMIN為最小水平主應力，MPa。

式中：σMAX為最大水平主應力，MPa；pf為破裂壓力，MPa；p0為儲層壓力，可通過排采時初始動液面得出， MPa；St為煤的抗張強度，MPa。

式中：σv為上覆靜巖壓力，kPa；ρri為上覆地層某層密度，t/m3；Hi為上覆地層某層厚度，m。

根據上述劃分關鍵參數的獲取方法，分別對地應力狀態、煤體結構、圍巖的巖石力學劃分參數進行計算，結合其臨界值和研究區儲層特征進行排列組合，劃分出水力壓裂煤/巖組合類型。水力壓裂煤/巖組合類型劃分方法如圖1。

圖1 水力壓裂煤/巖組合類型劃分方法Fig.1 Classification method of hydraulic fracturing coal /rock combination types

2 研究區水力壓裂煤/巖層組合類型劃分結果

1）頂/底板巖性分布特征。實驗室對不同巖性進行力學實驗：泥巖、砂質泥巖各測試了6 塊，彈性模量范圍分別為9.58～13.21 GPa 和10.59～16.77 GPa，平均值分別為11.10 GPa 和13.81 GPa；粉砂巖、細砂巖、中砂巖各測試5 塊，彈性模量范圍分別為29.79～41.37 GPa、27.9～47.62 GPa、25.78～39.31 GPa，平 均 值 分 別 為36.32、32.87、28.54 GPa。對煤層氣井3#煤層頂15 m 內的巖性進行統計，結合實驗測試和式（1），得出了頂板軟、硬巖分布特征。從3#煤層頂板軟/硬巖分布特征可得：研究區的西部和東部，頂板巖性為軟巖，中部為硬巖。

2）軟/硬煤分布特征。根據軟、硬煤劃分方法，得出3#煤層軟、硬煤分布特征。從研究區3#煤層軟/硬煤分布特征可得：硬煤主要分布在研究區的中部及中西部，其余以軟煤為主。

3）地應力分布特征。根據地應力計算公式，得出研究區各煤層氣井的地應力值。同時，為了驗證計算結果的準確性，部分井計算結果與試井結果進行對比，部分煤層氣井的地應力數據及應力類型見表1。表1 試井得出的破裂壓力和閉合壓力均比水力壓裂曲線對應值大，原因為：①水力壓裂施工排量較大，管線摩阻較大，導致其讀數相對大；②有些井的井徑擴大、煤層部分受到污染，導致破裂壓力變大；③壓裂時砂堵等曲線異常造成閉合壓力變大。選擇施工較正常的井進行計算，研究區3#煤層地應力分布特征應力分布如圖2。從圖2 可看出：研究區3#煤層最小水平主應力范圍為6～15.5 MPa，最大水平主應力范圍為10～29 MPa，垂直應力一般為9.5～19 MPa；地應力類型主要為拉張型或過渡型；其中最小、最大水平主應力的分布特征相似，均為北高南低，西高東低；垂直地應力呈北高南低變化趨勢。

表1 部分煤層氣井地應力計算結果及試井數據Table 1 Ground stress calculation results and stress types for selected CBM wells

圖2 研究區3 號煤層地應力分布特征Fig.2 Characteristics of ground stress distribution in No.3 coal seam of study area

根據圖1 的劃分方法，劃分出儲層組合類型，研究區3#煤儲層可劃分為：軟巖軟煤過渡型、軟巖軟煤拉張型（YW-04～YW-09、YW-11、YW-15、YW-16、YW-18）、硬巖軟煤過渡型（YW-17）、軟巖硬煤過渡型（YW-19）、軟巖硬煤拉張型(YW-02)、硬巖硬煤過渡型(YW-01、YW-03)和硬巖硬煤拉張型（YW-10、YW-12～YW-14）等7 種類型。

3 研究區水力壓裂效果分析

分別選取研究區硬煤硬巖拉張型、軟巖軟煤拉張型、軟巖硬煤拉張型和硬巖軟煤過渡型4 種典型井的壓裂和排采資料進行分析。不同儲層類型的壓裂曲線如圖3，不同儲層類型的排采曲線如圖4。從圖3 和圖4 可看出：

圖3 不同儲層類型的壓裂曲線Fig.3 Fracturing curves for different reservoir types

圖4 不同儲層類型的排采曲線Fig.4 Discharge and recovery curves for different reservoir types

1）硬巖硬煤拉張型。水力壓裂時硬巖的阻隔作用，壓裂裂縫主要在硬煤中形成并延伸；拉張型情況時，施工壓力不高；加砂過程中支撐劑的重力作用，施工壓力反而有所下降；營造的裂縫能有效支撐，停泵后壓力降低較快。結合產氣曲線，可知壓裂效果較好。

2）軟巖軟煤拉張型。軟煤較破碎，天然裂隙較少，近井筒地帶可能有污染，造成初期施工壓力較高，隨著壓裂進行，突破污染帶，施工壓力降低；拉張型使支撐劑容易在碎煤粒間堆積，施工壓力一般較低，無法營造出有效裂縫。產氣曲線側面反映了壓裂效果較差。

3）軟巖硬煤拉張型。施工壓力不高時，容易在硬煤中延伸形成裂縫；若排量過大，容易在軟巖和硬煤界面延伸，影響壓裂效果。壓裂曲線表明：裂縫在硬煤中有一定延伸，產氣曲線間接表明壓裂較好。

4）硬巖軟煤過渡型。壓裂時硬巖的阻隔作用，軟煤中營造的有效裂縫少；壓裂中期砂比提高后，煤層發生堵塞施工壓力居高不下，造縫困難，裂隙延伸范圍有限。由產氣曲線也可以看出：軟煤層壓裂時很難營造出有效裂縫，產氣量較低。

在此基礎上，針對不同的煤/巖組合類型，提出了相應的水力壓裂建議，不同煤/巖組合類型水力壓裂建議見表2。

表2 不同煤/巖組合類型水力壓裂建議Table 2 Hydraulic fracturing proposals for different coal/rock combination types

4 不確定性分析

1）煤層段的非均質性、鉆井的污染程度、壓裂時是否存在砂堵及堵塞嚴重程度、管線摩阻等都可能造成壓裂時破裂壓力、停泵壓力與實際存在一定的差異性，這些差異都影響著地應力的計算結果，今后需進一步考慮這些因素對數據的影響，使應力計算結果更接近實際。

2）本文的各種分布圖是通過已有煤層氣井資料計算相應參數后采用克里金插值法得出的結果。數據點是否是極值點、分布間距等都將影響著參數圖的表征結果。個別塊段由于煤層氣井之間間距較大，所取值并非極值點，采用克里金插值法時可能與實際存在一定差異。隨著今后煤層氣井數量的增加，參數表征結果更接近實際。

5 結 語

1）通過研究區的地應力分布特征、圍巖巖性特征和煤結構特征研究，將研究區3#煤/巖儲層分為軟巖軟煤過渡型、硬巖軟煤過渡型、軟巖硬煤過渡型、硬巖硬煤過渡型、軟巖軟煤拉張型、軟巖硬煤拉張型和硬巖硬煤拉張型等7 種類型。

2）不同的煤/巖儲層組合類型，水力壓裂時裂縫形態不同，壓裂效果也不同。針對不同水力壓裂煤/巖層組合類型，提出了不同組合類型下的水力壓裂措施建議如下：①硬巖硬煤組合類型：采用大排量、多液量、低/中砂比、逐級加砂方式能營造出較長裂縫并能有效支撐；②硬巖軟煤拉張型：建議在硬巖頂板壓裂，但排量不宜過大，防止竄層；③硬巖軟煤過渡/擠壓型：需優化壓裂工藝參數；④軟巖硬煤組合：應避射部分煤層，防止水力壓裂時裂縫進入到煤層與軟巖交界面，影響壓裂效果；⑤軟巖軟煤組合：不建議采用水力壓裂方式進行改造。