沁水盆地柿庄北区块3 号煤层裂缝预测_付晓龙.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Petrochina Daqing Oilfield Company, Daqing 163002, China; 3. Research Institute of Exploration and Development, Petrochina Jidong Oilfield Company, Tangshan 063004, China Abstract Northern Shizhuang, an important area for CBM production, is located in the southeast of Qinshui basin. As the primary seepage channel, fractures in coal seams make a great significance for the enrichment and produc- tion of CBM. The direction of the fold axes in sem No.3 is nearly NS, while a group of conjugate shear fractures was developed in outcrops, of which the dominant direction is NW and nearly EW, followed by nearly NS. Ac- cording to the structural features, the stress field of Yanshanian was mainly compression from SEE105. The stress in well points was calculated by using the hydraulic fracturing , the direction of the maximum horizontal principal stress which is NE55, was determined by restoring the original position through paleomagnetic and ac- cording to the velocity anisotropy. Considering the coal structure and surface topography as the main influencing factors, using the finite element to simulate Yanshanian and the present stress field, and the precision is high. By using elastic mechanics theory to calculate fracture parameters, the porosity and permeability of SEAM No.3 in northern Shizhuang is generally small. In general, the porosity and permeability in central anticlinal area ＞ central flat area ＞ eastern monoclinic area ＞ central synclinal area ＞ western district, the simulation results were consistant with the measured data and single well gas production line, the credibility was high. Keywords northern Shizhuang; fracture; stress field; porosity; permeability 中、 高煤阶煤储层具有双重孔隙结构， 煤基质孔 隙作为主要的储气空间，是煤层气吸附的主要场所， 其渗透率很低， 而煤层中普遍发育的裂隙虽然孔隙度 较低，但为流体产出提供了运移通道[1-2]。煤层裂缝 ChaoXing 第 1 期 付晓龙等 沁水盆地柿庄北区块 3 号煤层裂缝预测 57 是一项极为重要的控制煤层气高产富集因素， 但由于 深埋于地下， 无法直接观察到裂缝的展布情况， 需要 通过多种方法进行裂缝的识别和预测。煤层的孔隙 度、渗透率受多种因素影响[3-5]，本次研究借鉴低渗 透油气藏裂缝预测方法， 对沁水盆地柿庄北地区山西 组 3 号煤层中裂缝发育特征进行分析预测， 为煤层气 开发井网部署及开发动态分析等提供依据。 1 研究区概况 柿庄北地区地形以山地、丘陵为主，地表起伏 十分明显。构造处于沁水盆地南部斜坡带，由于经 历多期构造运动，构造复杂，其中发育多个褶皱， 断层相互交错但大型断层不甚发育，断层落差均不 超过 100 m。煤层构造整体较平缓，地层倾角一般 不超过 6，但局部地区受构造影响，倾角可达 15。 西部地区煤层海拔低，为一个倾向北北西的相对平 缓地区；中部为构造挤压形成的隆升区，其间发育 多条延伸短、落差小的小型断层，煤层海拔较高且 较为平缓，而在其两侧发育有多个背斜、向斜，并 且发育有延伸较长的北北东向断层；东部煤层海拔 较高，为一个北西倾向、倾角稍大的单斜构造，靠 近东部边缘地带有较明显的凹陷和凸起图 1。 图 1 沁水盆地柿庄北 3 号煤层构造等值线图 Fig.1 Structural contours of seam No.3 in northern Shizhuang 区内发育典型的华北石炭－二叠纪含煤地层， 其中 山西组的3 号煤层分布范围广，煤层埋深700～1 700 m， 厚度在 5.6～6.6 m，平均厚度约 6 m，纵向上厚度稳 定，煤层气含量较高[6]。是煤层气勘探的主要目的 层。3 号煤层中以黑色亮煤为主，暗煤次之，变质程 度接近于无烟煤阶段[7]，割理 20～26 条/10 cm，非均 质性强，渗透率变化很大。顶、底板以泥岩和粉砂 岩为主，具有较好的封闭性，储层压力偏低，地下 水动力条件差，有利于煤层气富集。 2 裂缝预测方法 地下岩石所处应力状态复杂，依据应力状态及 破裂的力学性质，分别选取库仑－莫尔破裂准则和 格里菲斯破裂准则对岩石破裂状态进行判别[8]。申 卫兵等[9]对 6 种煤阶煤岩样品进行了三轴力学实验， 应力－应变曲线主要以线性段为主，其弹性变形可 持续相当长的一个阶段，因此将煤作为弹性体进行 计算分析符合实际深度煤岩情况。根据弹性力学及 断裂力学理论，建立裂缝参数与应力－应变的数学 关系，进行岩石破裂判断并计算裂缝的开度、密度 等参数。 现今应力场下不产生新裂缝，但对先期形成的 裂缝进行改造。考虑正应力和剪应力的影响[10]，忽 略现今应力场产生的极小的剪切位移及裂缝的残余 宽度，计算得到裂缝的孔隙度、渗透率 fvf 1 2 f f 12 i m m m b K D b φ φ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ∑ 1 式中 bm为裂缝开度， m； Dvf为裂缝体密度， m2/m3； φf为裂缝孔隙度，；Kf为裂缝渗透率，m2。 以裂缝的微观破裂机制为基础，结合研究区的 构造应力场条件，以单井参数及施工数据为检验标 准，预测结果准确度较高。 3 造缝期古应力场 柿庄北地区主要出露二叠系砂岩，砂岩中裂缝 发育密集，产状稳定，且不同裂缝之间的距离相等， 其中存在一组较明显的 X 型共轭剪裂缝图 2，裂缝 走向以 NW 和 NEE 向为主，其次是近南北向图 3。 野外露头区裂缝倾角较大，以高角度垂直缝为主， 其中倾角 70以上的裂缝约占 87图 4。 图 2 柿庄北野外露头中裂缝发育特征示意图 Fig.2 Fracture development characteristics in outcrops of northern Shizhuang ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 3 柿庄北野外露头裂缝走向玫瑰花图 Fig.3 Rose diagram of fractures in outcrops of northern Shizhuang 图 4 柿庄北野外露头裂缝倾角分布直方图 Fig.4 Distribution of fracture dip in outcrops of northern Shizhuang 自中生代以来，沁水盆地经历了印支期、燕山 期和喜马拉雅期构造活动。在燕山期太平洋板块与 亚洲板块的碰撞产生的近东西向挤压应力作用下， 沁水盆地形成了宽缓的 NE 向含煤向斜构造[11]，同 时形成了近 NE、NNE 向规模较小的正断层。燕山 期对柿庄北 3 号煤层构造的形成产生重要影响，是 煤层裂缝形成的主要时期。 柿庄北 3 号煤层构造较平缓， 倾角一般小于 6， 在此基础上发育有一系列规模、大小不等的次一级 褶曲。褶皱轴部走向多为近 NS-NNE 向，区内大型 断层不发育，多为延伸较短、落差小的断裂，走向 与野外露头中裂缝相似。依据构造演化及构造形迹 判断燕山期古应力场以近 EW 向挤压为主，最大水 平主应力为 SEE105-NWW285。 断层对煤层整体应力分布影响较小，因此在建 立地质模型时对其进行适当简化，除 2 条延伸较长 的断层外，其余小断层以连续构造起伏的形态进行 表示。主要考虑煤层构造形态，采用有限元法对主 要造缝期燕山期应力场进行数值模拟。指定模型 东西方向为 X 轴，南北方向为 Y 轴，垂直方向为 Z 轴，为保持模型稳定并得到收敛解答，在模型西边 界施加 X 方向约束，北边界施加 Y 方向约束，模型 底面施加 Z 方向约束。经过反复加载试验，最终确 定在 SEE105-NWW285方向施加 182 MPa 挤压 力，NNE15-SSW105方向施加 69 MPa 挤压力，得 到最佳结果。 4 现今地应力 现今地应力可利用多种方法进行实际测试，其 中水力压裂是较为方便直接的一种方法[12]。通过施 工数据可计算得到各井点中特定目的层段的主应力 大小表 1。 最小水平主应力 σhPc 2 最大水平主应力 σH＝3σh-Pf-P0＋St 3 式中 Pc为闭合压力，MPa；Pf为破裂压力，MPa； P0为储层压力，MPa；St为岩石抗张强度，MPa。 由于该区煤岩易破碎， 直接钻井取心难度较大， 考虑到相邻地层中地应力场的统一性，选取邻近地 表 1 水力压裂法计算主应力结果 Table1 Results of principal stresses calculated through hydraulic fracturing 井号 深度/m σh/MPa σH/MPa井号 深度/mσh/MPaσH/MPa井号 深度/m σh/MPa σH/MPa SX 149 736.30 17.40 25.14 SX 126 835.00 17.50 25.75 SX 127859.30 18.08 27.93 SX 122 745.70 17.00 24.58 SX 013-1 1 002.0019.50 26.77 SX 006-3956.60 19.21 27.40 SX 002 1 067.30 21.58 28.63 SX 132 879.00 20.59 27.63 SX 006-61 016.00 20.80 27.29 SX 006-1 976.25 19.66 27.07 SX 010 1 345.5023.20 31.74 SX 135940.40 20.60 27.78 SX020-2 942.70 20.96 26.38 SX 004-1 752.50 17.27 26.02 SX 123804.97 19.50 25.83 SX 134 850.40 19.70 25.44 SX 133 804.00 18.59 24.08 SX 006-4984.70 19.30 28.27 SX 131 937.80 19.82 26.58 SX 009 1 127.4022.33 27.23 SX 020952.80 21.08 23.91 SX 006-5 996.50 18.98 25.63 SX 006-7 968.70 21.40 28.86 ChaoXing 第 1 期 付晓龙等 沁水盆地柿庄北区块 3 号煤层裂缝预测 59 层中砂岩样品进行室内试验分析。岩心脱离地下三 向应力环境后产生微裂缝，通过古地磁法恢复岩心 在地下的原始方位[13]，根据岩心中各方向的声速差 异确定微裂缝优势方向，声速最大方向即为最小水 平主应力的方向[14]。由于岩性组成的差异，多个典 型样品的声速测试数值各不相同，但最小值指示均 为 NE 向，确定现今以 NE 向挤压为主图 5，最大 水平主应力方向平均为 NE55。 图 5 柿庄北岩石样品声速各向异性结果图 Fig.5 Velocity anisotropy of the samples of northern Shiz- huang 柿庄北地区 3 号煤层现今模型与燕山期古模型 的最大区别在于埋深。研究区地形以山地、丘陵为 主，埋深 700～1 700 m，变化范围较大。山脊总体沿 NW-SE 方向延伸，向两侧海拔逐渐降低。埋深是影 响地应力分布的一个重要因素，因此在煤层之上建 立以实际海拔为基准的地表形态，模拟真实埋深。 以实际单井数据为拟合标准，通过不断加载试 验提高模拟准确性。最终确定在模型 NE55- SW235施加 88 MPa 挤压力，SE145-NW325施加 27 MPa 挤压力， 最终结果误差均不超过 15图 6。 图 6 柿庄北 3 号煤层现今地应力模拟结果误差 Fig.6 Error of present in-situ stress simulation results of seam No.3 of northern Shizhuang 5 煤层裂缝数值模拟 燕山期是煤层裂缝形成的主要时期，现今地应力 场对裂缝进行后期改造。在燕山期古应力场与现今地 应力场数值模拟的基础上， 进行煤层裂缝参数的计算。 裂缝孔隙度是指裂缝孔隙体积与岩石总体积的 比值，是表征裂缝发育程度的一个重要参数。由于煤 层易碎， 煤样脱离原始地层条件后孔隙条件发生变化， 因此采集较完整的煤样进行试验分析。由试验数据得 到的煤岩孔隙度为总孔隙度，需转换为裂缝孔隙度进 行分析。管俊芳等[15]对煤样实验测试统计发现，煤层 割理孔隙度在总孔隙度中仅占 10～18， 且煤阶越高 此比例越小。沁水盆地 3 号煤的镜质体反射率在 1.3～3.9，平均 2.47[16]，而柿庄北地区煤岩镜质 体反射率最高可达到 3.2左右[17]，煤岩变质程度不 均。本次研究中认为裂缝孔隙度占总孔隙度的 15， 通过统计各井点计算数据，模拟结果与测井孔隙度误 差在允许范围20以内，模拟可信度较高表 2。 表 2 柿庄北 3 号煤层孔隙度及模拟误差 Table 2 Porosity and error of simulation of seam No.3 in northern Shizhuang 裂缝孔隙度/ 编号井号埋深/m 总孔隙度/ 实测 数值 模拟 相对 误差 1 SX 0021 088.084.87 0.730 5 0.733 220 2 SX 0031 196.296～7.143 0.900 0 0.778 36-14 3 SX 0041 040.359.825 1.473 75 1.338 42-9 4 SX 0061 037.355.2～5.41 0.811 5 0.808 9650 5 SX 00811 64.425.806～5.81 0.871 5 0.933 177 6 SX 0091 040.075.263 0.789 45 0.695 165-12 7 SX 01011 64.99 5.096～5.882 0.764 4 0.624 155-18 8 SX 013982.925.882～6.41 0.961 5 1.010 9055 9 SX 013-1979.625.88～6.41 0.961 5 0.946 41-2 10SX 0141 099.233.92～4.67 0.700 5 0.807 0815 11SX 0161 093.873.92～3.97 0.595 5 0.625 015 12SX 017969.734.7 0.705 0 0.825 16517 13SX 018979.934.73～6.58 0.709 5 0.729 8453 14SX 0251 147.68 5.755～6.164 0.924 6 1.015 1510 煤层渗透率通常采用注入/压降试井分析的方法及 取样测试进行测定，根据实测结果，柿庄北地区 3 号 煤层渗透率较低，大多分布在0.01～0.0310-3μm2。由 于研究区内仅有的少量测试结果不足以进行整体的对 比分析，模拟结果与实测数据同在一个数量级。煤层 经历构造活动导致不同程度的变形，破裂压力一定程 度上可反映煤层构造变形程度，该区构造煤发育导致 破裂压力较大，而渗透率则较小[18]。模拟结果中各井 点的渗透率随破裂压力增大而减小图 7，与研究区中 二者实际变化关系一致，认为模拟结果较为可靠。 3 号煤层裂缝孔隙度、渗透率普遍较小，且发 育程度十分不均图 8，图 9。孔隙度 0.4～1.2的 地区占 90.2，大部分地区渗透率＜0.610-3 μm2， ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 7 破裂压力与渗透率关系图 Fig.7 Relationship between fracture pressure and permeability 图 8 柿庄北 3 号煤层裂缝孔隙度数值模拟结果 Fig.8 Results of porosity numerical simulation of seam No.3 in northern Shizhuang 图 9 柿庄北 3 号煤层裂缝渗透率数值模拟结果 Fig.9 Results of numerical simulation of fracture permeability of seam No.3 in northern Shizhuang 其中小于0.02510-3 μm2的地区占73，因此，虽然柿 庄北3 号煤层厚度大而稳定、含气量高，但孔渗条件总 体并不好，开采难度较大。孔隙度、渗透率分布呈现明 显的分区特点，西部地区孔隙度、渗透率较小，中、东 部地区裂缝发育程度相对较高，孔隙度、渗透率相对较 大。孔隙度、渗透率的分布与构造的关系密切。 a. 中部背斜区 孔隙度整体在 0.9以上，在轴 部达到 1.2，东西两侧翼部裂缝最发育，可超过 1.4；渗透率普遍大于 0.0510-3 μm2，翼部可大于 0.110-3 μm2。 但不可忽略的是背斜南部斜坡中孔渗 较小，在背斜中也零星分布有孔渗的低值，这种近 于突变的分布给煤层气开发带来较大的困难。 b. 中部平缓区 以两条延伸较远的较大型断层 为界，虽然区域内煤层构造平缓，没有较大规模的 褶皱，但延伸短、落差小的小型断层较为发育，孔 隙度普遍在 0.9以上， 渗透率在 0.210-3 μm2以上。 靠近边界处孔隙度较大，在断层内部孔隙度较大， 与背斜翼部相当。 c. 东部单斜区 孔隙度较高，多在 0.8以上， 零星有小范围地区孔隙度小于 0.5；渗透率大多在 0.0110-3 μm2以上。在东部边缘煤层构造起伏较为 明显处，孔隙度、渗透率增大。 d. 中部向斜区 在背斜东侧发育连续的多个小 型向斜，其内部受到强烈挤压，裂缝呈紧闭状态， 除翼部斜坡上小范围孔隙度达到 1.0， 多数在 0.7 以下。渗透率一般小于 0.0210-3 μm2，仅在翼部小 范围内可达到 0.05 左右，向斜中心渗透率极低，多 数小于 0.0110-3 μm2。 e. 西部 特别是西北部地区，煤层平缓，构造 起伏不明显，一般不发育裂缝，孔隙度普遍小于 0.5，渗透率极小。 煤层气产量对孔隙度、渗透率极为敏感，特别 是煤层渗透率[19]，通过典型生产井排采数据分析， 单井产气量与煤层裂缝孔隙度、渗透率模拟结果具 有较好的一致性。 SX 017 与 SX 006 井组位于东部地区，煤层孔 隙度 0.7～1.0，渗透率0.02～0.0510-3 μm2，煤 层的单井产气量在 400 m3/d 以上。SX004 井组位于 中部地区，井数量多，但多数位于背斜南部斜坡， 并未到达轴部或翼部高孔渗区，井组所处位置孔隙 度 0.7～0.9，渗透率0.01～0.0310-3 μm2，单井 产量 200～400 m3/d，并且由于沿背斜轴部向南孔隙 度、渗透率减小，南部的井单井日产气量相对更低。 SX 010井组位于西南部， 各井的产气量低于200 m3/d， 与煤层裂缝不发育、孔渗小有关。 6 结 论 a. 柿庄北地区野外裂缝观察表现出较好的共轭剪 裂缝特征，优势走向为 NW 与 NEE 向，3 号煤层中褶 皱轴部走向为近南北向，依据构造形迹确定燕山期构 造应力场以 SEE105-NWW285挤压为主。 b. 根据水力加砂压裂资料进行井点地应力计 算，通过古地磁定向及声速各向异性确定现今最大 水平主应力为 NE55-SW235。将煤层构造形态与 地表起伏作为主要影响因素，建立地质模型并对现 今地应力场进行数值模拟，结果与单井地应力数值 误差小，模拟精度较高。 c. 煤层变形以弹性阶段为主，以燕山期及现今 ChaoXing 第 1 期 付晓龙等 沁水盆地柿庄北区块 3 号煤层裂缝预测 61 地应力场模拟结果为基础，利用弹性力学理论对柿 庄北 3 号煤层裂缝参数进行计算分析， 裂缝孔隙度、 渗透率普遍较小，分布不均。整体来说，孔隙度、 渗透率分布规律相似，中部背斜区＞中部平缓区＞东 部单斜区＞中部向斜区＞西部地区。 d. 柿庄北3号煤层裂缝数值模拟结果与实际测 试结果误差小，模拟可信度高。单井产气量高的地 区裂隙较发育，这可作为煤层气开发井网部署和开 发动态分析的依据。 参考文献 [1] 张胜利， 李宝芳. 煤层割理的形成机理及在煤层气勘探开发评 价中的意义[J]. 中国煤田地质，1996，8172-77. 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