潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系_李鑫.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2014-02-27 基金项目 国家科技重大专项项目（2011ZX05034） 作者简介 李鑫（1990），男，山西晋城人，硕士研究生，从事煤层气地质研究. E-maillixinwakd 引用格式 李鑫，傅雪海. 潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）22-25. 文章编号 1001-1986（2015）01-0022-04 潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系 李 鑫 1，傅雪海1，2 （1. 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州，221008； 2. 新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐，830047） 摘要 为了研究潞安矿区煤储层压裂人工裂缝与天然裂隙的关系，井下实测了矿区煤储层宏观裂 隙，扫描电镜观测了煤储层显微裂隙；探讨了矿区含裂缝非均质煤岩破裂规律。对原位煤储层条 件下人工裂缝沿天然裂隙扩展的最大水平主应力方向与天然裂隙走向夹角的临界值进行了计算。 结果表明矿区的漳村、司马、屯留、常村和五阳 5 个区块临界值分别为 12.00、9.22、9.16、 8.56和 7.42，当最大水平主应力方向与天然裂隙走向的夹角小于此临界角时，人工裂缝沿天然裂 隙扩展，反之沿最大水平主应力方向扩展。据此，探讨了潞安矿区原位煤储层压裂裂缝沿天然裂 隙扩展的 3 种模式。 关 键 词煤层气；天然裂隙；人工裂隙；潞安矿区 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.005 The relationship between natural fractures and artificial fractures in coal reservoir in Lu′an mining area LI Xin1， FU Xuehai1，2 （1. Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir ation History， Ministry of Education， China University of mining and technology， Xuzhou 221008， China； 2. College of Geology and Exploration Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China） Abstract In order to study the relationship between natural fractures and artificial fractures induced by fracturing in coal reservoir in Luan mining area， macro-fractures were measured underground and micro-fractures were ob- served under microscope. The fracturing law of heterogeneous coals and rocks with fractures was discussed， the critical angels between the direction of maximum horizontal principal stress of artificial fractures extending along natural fractures in coal reservoir and the direction of natural fractures were calculated. The results showed that the critical angels of five collieries are 12.00， 9.22， 9.16， 8.56 and 7.42 respectively. Artificial fractures will ex- tend along the direction of natural fractures when the angel between the two directions is less than the critical angel. Otherwise， it will extend along the direction of maximum horizontal principal stress. Based on the above research， three types of artificial fracture extension along the natural fractures were concluded. Key words CBM；natural fractures； artificial fractures； Lu′an mining area 前人对煤层气裂隙系统及其对煤层气压裂的影 响进行了大量研究，刘洪林等［1］提出了研究煤割理 系统的方法，并用来评价煤储层渗透率；王生维等［2］ 认为煤层气地质评价的核心内容之一是对煤储层的 裂隙系统定量化描述，并且提出了煤储层裂隙系统 定量描述指标；吴晓东等［3］探讨了煤储层天然裂隙 对破裂压力的影响，其与陈莉［4］、王晓峰等［5］都对煤 层气井压裂裂缝扩展规律进行了研究。然而针对原 位煤储层压裂裂缝沿天然裂隙扩展的模式还鲜见报 道。笔者对沁水盆地潞安矿区煤储层宏观裂隙、显 微裂隙进行了观察和描述，结合矿区地应力特征和 煤岩力学性质，从压裂裂缝沿天然裂隙扩展的模式 方面探讨人工裂缝与天然裂隙之间的关系。 1 裂隙系统 煤储层裂隙分为宏观裂隙与显微裂隙，宏观裂 隙指通过肉眼可以辨认的裂隙；显微裂隙是肉眼难 以辨认，需要通过显微镜或扫描电镜才能观察到的 ChaoXing 第 1 期 李鑫等 潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系 23 裂隙。宏观裂隙又可分为大裂隙、中裂隙、小裂隙、 微裂隙，大、中裂隙相当于外生裂隙，小、微裂隙 相当于内生裂隙［6］。 1.1 宏观裂隙特征 潞安矿区位于沁水盆地北北东向褶皱带的中 段，总体构造形态为走向北北东南北、向西缓倾 的单斜， 在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲， 沿倾向及走向伴有少量的断层及陷落柱。区内主要 含煤地层为太原组和山西组，3 号煤层是煤层气勘 探开发的重点层位。 据井下观察，3 号煤层主要发育 NW-NNW 和 NE-NEE 向两组外生裂隙（图 1），大部分无充填。煤 体结构较完整，为原生结构煤和碎裂结构煤（图 2）。 图 1 3 号煤层裂隙走向玫瑰花图 Fig.1 Rose diagram of fracture strike in No.3 coal seam 图 2 屯留区块 3 号煤层煤体结构、煤岩类型和 裂隙发育特征柱状图 Fig.2 Histogram of coal structure，lithotype and characteris- tics of the natural fractures of No.3 coal seam in Tunliu block 内生裂隙较发育，主要发育两组裂隙，面裂隙走向 N35W-N89W，端裂隙走向 N46E-N90E，两组 裂隙一般以高角度斜交或正交，且大体垂直于层理 面，裂隙密度 30～220 条/10cm（表 1）。裂隙大多无 充填，部分被黄铁矿、方解石等矿物质充填。 表 1 屯留区块 3 号煤层煤内生裂隙发育特征 Table 1 Characteristic of endogenous fractures of coal in No. 3 coal seam of Tunliu block 裂隙类型 裂隙走向 裂隙密度 /（条（10cm）-1 ） 面裂隙 N75W 220 端裂隙 N68E 180 面裂隙 N35W 30 端裂隙 N46E 40 面裂隙 N89W 70 端裂隙 N90E 90 1.2 显微裂隙特征 扫描电镜观察表明，屯留区块 3 号煤层的显 微裂隙较司马区块发育。屯留区块的镜煤中一般 发育两组显微裂隙，裂隙密度平均 3.3 条/mm， 裂隙宽度平均 2.02 μm（表 2），延伸平直，局部略 有弯曲，连通性很好，且裂隙内部大都未被充填 或有少量充填；亮煤中裂隙发育较差，一般仅一 组，其形态弯曲、连通性较差、内部无充填；而 暗煤中裂隙不发育，在扫描电镜下仅见到一组裂 隙，形态弯曲、连通性差，内部几乎无充填。司 马区块镜煤和亮煤中的显微裂隙均发育较差，连 通性也差，几乎无充填。总之，矿区煤层显微裂 隙虽然较发育，但连通性大部分较差，所以需要 通过压裂增产方式沟通天然裂隙，提高煤储层渗 透率，从而提高煤层气产量。 据上述观测和描述，潞安矿区 3 号煤层裂隙系 统综合模型如图 3 所示。 2 人工裂缝与天然裂隙的关系 2.1 含裂缝非均质煤岩破裂规律 研究与实践表明在不考虑断层及天然裂隙存 在的基础上，水力压裂裂缝延伸方向总是平行于地 层最大水平主应力方向［7-8］。假设煤岩为各向同性线 弹性体岩石，根据岩石水力压裂致裂机理，破裂压 力可用下式来表示［9-10］ fhHR0 3 PσσSP-- （1） 式中 Pf为破裂压力， MPa； σh为最小水平主应力， MPa；σH为最大水平主应力，MPa；P0为井筒处 煤储层的孔隙压力，MPa；SR为煤岩的抗张强度， MPa。 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 43 卷 表 2 扫描电镜显微裂隙观察成果表 Table 2 Results of microfractures observed by SEM 地点 煤岩类型 宽度/ μm 长度/ μm 密度/（条mm-1） 显微裂隙描述 镜煤 0.765～2.94/2.02（10） 延伸出观察范围 1.6～5.3/3.3（6） 主要发育两组，裂隙较平直，局部略有弯曲，连通 性很好且裂隙内部大都未被充填或有少量充填。 亮煤 0.21～1.0/0.64（9） 38.3～269.2/149.4（3）- 裂隙不太发育，一般发育有一组，其形态弯曲、连 通性较差、内部无充填。 屯 留 矿 暗煤 0.36～1.85/0.883（3） - 裂隙不发育，一般只有一组，其形态弯曲、连通性 差、内部无充填。 镜煤 0.40～2.37/1.52（8） 436.2 - 裂隙较发育，常见有一组，其形态呈平直状、局部 有少量弯曲，连通性较差，内部无充填。 司 马 矿 亮煤 0.56～1.37/0.85（9） 1087.52 - 裂隙不发育，常见一组，其形态多呈弯曲状，连通 性差，裂隙内部无充填或有少量充填。 注表中数据为最小值～最大值/平均值（观测个数）. 图 3 潞安矿区 3 号煤层储层裂隙系统模型图 Fig.3 Model of natural fractures of No.3 coal seam in Lu′an mining area 在应力状态为 σH＞σV＞σh下，设最大水平主应力 σH与裂缝面法线夹角为 α， 则裂缝面与最大主应力夹 角为 βπ/2α，作用在裂缝面上的正应力为［11］ ［］ nHhHh （）/2（）cos2/ 2σσσσσβ-- （2） 天然裂隙张开的极限条件为 ffnfp PσSp- （3） 远离井筒应力集中带沿最大水平主应力方向形 成新裂缝的极限条件为 fRhRp PσSp- （4） 式中 Pff和PfR分别为天然裂隙张开时的破裂压力和 岩石极限破裂压力，MPa；Sf、SR分别为含裂隙煤岩 的抗张强度和不含裂隙煤岩的抗张强度，MPa。当 Pf＞Pff或Pf＞PfR时，天然裂隙张开或岩石破裂，形成 压裂裂缝。 显然， 天然裂隙先张开的条件是Pff≤PfR。 取其极限状态PffPfR，由上式可得 TRfHh cos 212（）/（）βSSσσ --- （5） 式中 βT为沿天然裂隙扩展时最大水平主应力方向与 天然裂缝走向夹角的临界值，（）。 2.2 矿区 βT的计算 煤储层具有非均质性， 天然裂隙走向与最大水平 主应力方向的夹角难以通过实际观测来获得， 为了给 矿区压裂施工提供参考， 笔者计算了潞安矿区不同区 块应力场条件下的临界角βT。矿区的漳村、司马、 屯留、常村、五阳5个区块煤储层埋深不一，不同区 块埋深相差从0到300 m不等［12-13］； 地应力场有较大 差异，地应力总体随埋深增加而增大，存在三个主应 力随埋深增加相对大小转换的情况。 笔者对各区块的 地应力数据［12-13］进行了分析， 取各区块的水平主应力 平均值作为计算数据（表3）。 表 3 储层埋深和主要地应力场［12-13］及 βT计算结果 Table 3 Depth of coal reservoir， field of geostress and the value of βT 区块 埋深 /m 主要地 应力场 σH /MPa σh / MPa （SR-Sf） /MPa βT /（） 漳村230～340σH＞σV＞σh6.48 3.59 0.125 12.00 司马253～299σH＞σV＞σh10.09 5.22 0.125 9.22 屯留520～540σV＞σH＞σh10.97 6.06 0.125 9.16 常村330～394σH＞σV＞σh12.19 6.55 0.125 8.56 五阳165～320σH＞σV＞σh15.05 8.55 0.125 7.42 天然裂隙的存在降低了岩石的抗张强度， 压裂时 若沿天然裂隙破裂， 破裂压力低于无天然裂隙或不沿 天然裂隙破裂时的破裂压力［14］。前人对同处沁水盆 地的晋城寺河矿3号煤进行了垂直于割理和平行于 割理的拉伸试验，结果为同一采样点煤样SR值大于 Sf，二者之差为0.125 MPa，笔者根据此实验结果进 行类比，对SR与Sf的差取值0.125 MPa（表3）。 据式（5）得各区块的临界角βT值为7.42～12.00 （表3），最大水平主应力方向与天然裂隙走向的夹角 小于此临界角时，人工裂缝沿天然裂隙扩展，反之沿 最大水平主应力方向扩展。受构造条件影响，煤储层 ChaoXing 第1期 李鑫等 潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系 25 的各向异性及非均质性明显， 上述计算结果只可作为 压裂时参考，判断某煤层气井井下储层的βT值，取 决于该井附近的地应力及煤岩力学性质。 常规油气储 层βT值为10～14［15］，可见煤储层βT值较常规储层 偏小，煤储层更容易沿天然裂隙扩展。 2.3 压裂裂缝扩展模式 以屯留区块为例， 在该区块水平应力差条件下计 算得临界角为9.16。当天然裂隙不存在或裂隙走向 与最大水平主应力方向夹角大于9.16时，压裂裂缝 沿最大水平主应力方向扩展， 屯留区块地应力场主要 为σV＞σH＞σh，储层埋深超过了500 m，在此地应力场 下压裂时，裂缝沿垂直于σh方向张开，先沿σV方向 扩展，据顶底板及煤岩岩石力学特性，控制裂缝遇顶 底板后沿σH方向扩展，裂缝产状垂直，方向为最大 水平主应力方向N13.6E-N44.8E［12-13］。 屯留区块3号煤层外生裂隙主要有两组， 走向一 组N45E-N67.5E，另一组N27W-N45W。内生裂 隙面裂隙N35W-N89W，端裂隙N46E-N90E，可 见屯留区块部分外生裂隙走向及端裂隙走向与最大 水平主应力方向的夹角在9.16以内，而NWW向外 生裂隙及面裂隙与σH的夹角大于50。 因此在屯留区 块应力差和岩石抗张强度条件下， 压裂将使外生裂隙 或端裂隙张开， 对NWW向外生裂隙和面裂隙影响较 小。裂缝向远端延伸时，笔者据人工裂缝扩展机理和 上述的小于临界角时压裂裂缝会沿天然裂隙扩展的 理论，将裂缝发育方向总结为以下3种模式 a. 由端裂隙连通两条外生裂隙 外生裂隙与内 生裂隙均发育的情况下，压裂使端裂隙扩大，并将两 条NEE向外生裂隙连接，最终形成一条走向与单条 NEE向外生裂隙走向有一定交角、方向略偏移的压 裂裂缝（图4a）。 b. 由最大水平主应力方向扩展而连通两条天然 裂隙（图4b） 天然裂隙发育的情况下，NEE向单条 外生裂隙间无连通，压裂在NEE向外生裂隙远端形 成走向与σH方向一致的新生裂缝，新生裂缝向前延 伸直至遇到下一条NEE外生裂隙，最终形成一条走 向与单条NEE向外生裂隙走向有一定交角、总体走 向曲折的压裂裂缝；同理，该区块由最大水平主应力 方向扩展也可连通两组端裂隙形成人工裂缝。 c. 沿端裂隙扩展 在外生裂隙不发育内生裂隙 发育且内生裂隙连通性良好的情况下， 裂缝沿与最大 水平应力夹角小于9.16的端裂隙扩展，走向与端裂 隙走向相近，裂缝在部分位置转折（图4c）。 中联煤层气公司在屯留区块对TL002井压裂裂 缝进行了大地电位监测，TL002 井3 号煤层压裂裂 缝为不对称不等长裂缝，方位为N32E和S2W，与该 区块最大水平主应力方向（N13.6E-N44.8E）、端裂隙 方向（N46E-N90E）、 外生裂隙方向（N45E- N67.5E） 较为接近， 说明上述三种模式在屯留区块煤层气井压 裂时可能同时存在，共同影响人工裂缝的扩展。 图 4 扩展模式示意图 Fig.4 Diagrams of artificial fracture′s extension patterns 3 结 论 a. 潞安矿区煤储层外生裂隙有一定程度发育， 大部分无充填，内生裂隙较为发育，煤体结构较为完 整；矿区煤储层显微裂隙虽较为发育，但大部分连通 性都很差。 所以需要通过压裂等增产方式提高煤储层 渗透率，从而提高煤层气产量。 b. 现今地应力场条件下，漳村、司马、屯留、 常村、 五阳5个区块计算出最大水平主应力方向与天 然裂隙走向夹角的临界值分别为12.00、9.22、 9.16、8.56、7.42，当最大水平主应力方向与天然 裂隙走向的夹角小于此临界角时， 人工裂缝沿天然裂 隙扩展，反之沿最大水平主应力方向扩展。煤储层测 值较常规储层偏小， 同等条件下煤储层更容易沿天然 裂隙扩展。 c. 潞安矿区屯留区块煤储层压裂裂缝主要沿 NEE向扩展，在天然裂隙存在且其走向与最大水平 主应力方向夹角小于临界角的情况下， 根据外生裂隙 和内生裂隙的发育情况，裂缝的扩展存在三种模式 由端裂隙连通两条外生裂隙； 由最大水平主应力方向 扩展而连通两条天然裂隙；沿端裂隙扩展。 参考文献 ［1］ 刘洪林，王红岩，张建博. 煤储层割理评价方法［J］. 天然气工 业，2000，20（4）27-29. ［2］ 王生维，段连秀，陈钟惠，等. 煤层气勘探开发中的煤储层评 价［J］. 天然气工业，2004，24（5）82-84. ［3］ 吴晓东，席长丰，王国强. 煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研 究［J］. 天然气工业，2006，26（12）124-126. （下转第 29 页） ChaoXing 第 1 期 郭红玉等 二氧化氯对煤储层物性改变的机理研究 29 高比减小；G 峰面积减小而 D 峰面积增加（图 3），峰面 积比减小。由此表明，煤大分子结构中的芳香环数和 芳碳总量相对减少，芳构化和环缩合作用减弱，最终 导致芳香层面上 CC 的变形振动峰面积减少。 图 3 改性前后煤样 Raman 光谱 G 峰和 D 峰面积对比 Fig.3 Area comparison on G peak and D peak of Raman spectra of coal samples before and after treatment 经二氧化氯改性后， 煤的大分子结构中破坏的断键 和断链增多，使得大分子结构中无序单元增加，结构缺 陷迅速增加。文献［13］应用吸附势阱理论已经证实，芳 构化降低和侧链断裂都将降低煤对甲烷的吸附作用。 3 结 论 a. 煤样改性后，其孔隙度和总孔体积增加，而 比表面积有所减小。脂肪链的支链化程度降低；部 分芳香环结构被破坏，芳环的缩合程度降低，芳香 环和芳碳总量相对减少；煤大分子结构中无序单元 增多，结构单元缺陷明显增加。 b. 一方面，二氧化氯改性在降低煤的芳构化同 时也使得部分侧链断裂和脱落，降低了煤对甲烷的 吸附作用；另一方面，二氧化氯对煤大分子结构的 破坏，煤样发生不同程度的氧化降解，将会在煤储 层产生大量的孔洞或裂隙。上述两方面从煤的孔隙 结构和化学结构的变化，揭示了二氧化氯降低煤的 亲甲烷能力和化学增透双重效果的内在机理。 参考文献 ［1］ PALMER I D. Coalbed methane completionsa world view［J］. International Journal of Coal Geology，2010，82184-195. ［2］ 郭建春， 卢聪， 赵金洲， 等. 支撑剂嵌入程度的实验研究［J］. 煤 炭学报，2008，33（6）661-664. ［3］ 邹雨时，马新仿，王雷，等. 中、高煤阶煤岩压裂裂缝导流能 力实验研究［J］. 煤炭学报，2011，36（3）473-476. ［4］ 黄霞，郭丽梅，姚培正，等. 煤层气井清洁压裂液破胶剂的筛 选［J］. 煤田地质与勘探，2009，37（2）26-28. ［5］ 刘斌，方行，颜晋川，等. 低渗致密气藏压裂过程中伤害实 验研究［J］. 断块油气田，2009，16（1）81-82. ［6］ 陈涛，林鑫，方绪祥，等. 煤层气井压裂伤害机理及低伤害压 裂液研究［J］. 重庆科技学院学报，2011，13（2）21-23. ［7］ 李洁，赵立强，刘平礼，等. 二氧化氯在油水井解堵增注中的 应用［J］. 天然气勘探与开发，2009，32（1）67-70. ［8］ CAVALLARO A， CURCI E， GALLIANO G， et al. Design of an acid stimulation system with chlorine dioxide for the treatment of water-injection wells［C］//SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference.［S.l.］Society of Petroleum Engineers，2001. ［9］ 郭红玉，夏大平，王惠风，等. 二氧化氯作用下的煤吸附性变 化及其大分子结构响应［J］. 高校地质学报，2012，18（3） 568-572. ［10］ 郭红玉，苏现波，陈俊辉，等. 二氧化氯对煤储层的化学增透 实验研究［J］. 煤炭学报，2013，38（4）633-636. ［11］ 李美芬，曾凡桂，齐福辉，等. 不同煤级煤的 Raman 谱特征 及与 XRD 结构参数的关系［J］. 光谱学与光谱分析，2009， 29（9）2446-2449. ［12］ LI Xiaojiang，JUN-ICHIRO H，LI Chunzhu. FT-Raman spec- troscopic study of the evolution of char structure during the py- rolysis of a Victorian brown coal［J］. Fuel， 2006， 85 1700-1707. ［13］ 降文萍，张群，李建武. 不同实验条件下 Langmuir 体积随煤 级变化机理研究［J］. 天然气地球科学，2009，20（3）442-445. （责任编辑 张爱香） （上接第 25 页） ［4］ 陈莉. 沁水盆地煤储层压裂裂缝展布规律研究［D］. 徐州中国 矿业大学，201035-60. ［5］ 王晓峰，唐书恒，解慧，等. 沁水盆地南部煤储层水力压裂裂缝发 育特征的数值模拟研究［J］. 现代地质，2012，26（3）527-532. ［6］ 傅雪海，秦勇，韦重韬. 煤层气地质学［M］. 徐州中国矿业大 学出版社，200135-36. ［7］ 谷乾胜，柳涛，赵林. 水力压裂裂缝延伸方向新认识［J］. 内蒙 古石油化工，2005（5）161-162. ［8］ 李国富，何辉，刘刚，等. 煤矿区煤层气三区联动立体抽采理 论与模式［J］. 煤炭科学技术，2012，40（10）7-11. ［9］ 王鸿勋. 采油工艺原理［M］. 北京 石油工业出版社， 1994 205-210. ［10］ 李志明，张金珠. 地应力与油气勘探开发［M］. 北京石油工业 出版社，1998358-359. ［11］ 陈子光. 岩石力学性质与构造应力场［M］. 北京地质出版社， 1986118-120. ［12］ 康红普，林健，张晓，等. 潞安矿区井下地应力测量及分布规 律研究［J］. 岩土力学，2013，31（3） 827-831. ［13］ 任润厚. 潞安矿区围岩地应力分布规律［J］. 矿山压力与顶板管 理，2005（1）120-105. ［14］ 唐书恒，朱宝存，颜志峰. 地应力对煤层气井水力压裂裂缝发 育的影响［J］. 煤炭学报，2011，36（1）65-69. ［15］ 李玉喜. 储层天然裂缝与压裂裂缝关系分析［J］. 特种油气藏， 2000，7（3）26-29. （责任编辑 晋香兰） ChaoXing