沁水盆地柿庄北地区15号煤层裂缝发育特征预测

岳喜伟，戴俊生，李 婷，安 廷

(1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆 克拉玛依834000；2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580；3.中国石油新疆油田分公司风城油田作业区,新疆 克拉玛依834000)

柿庄北地区位于沁水盆地的东南部，其中石炭系太原组15号煤层的含气量高，发育稳定，但开发效果一直未达到预期，而决定煤层气井是否高产的主要原因是煤储层渗透率的高低[1-2]。多项国内外研究表明，当煤岩、煤样天然裂缝发育时，渗透率就明显要高，煤层中的裂缝是影响煤储层渗透率的重要因素[3-4]，对煤层气开发起到至关重要的作用，所以研究如何更好的预测深部煤层裂缝，对深部煤层气勘探开发具有深远意义。目前煤层裂缝预测方法主要有分形分维法[5-6]、曲率分析法[7]、构造应力场法[8]、综合研究法等[9]，但多处于定性阶段，通过定量方法研究预测煤层裂缝的方法较少。通过对沁水盆地煤矿井下观察、统计发现，由构造应力作用形成的外生裂隙在高煤级煤储层中较发育[10]，由于煤层裂缝形成、分布以及现今裂缝开合程度等明显受到构造应力的控制，因此可以从构造应力场的角度来研究煤层裂缝。鉴于以上原因，本文利用ANSYS有限元软件结合应力场数值模拟技术，对研究区15号煤层裂缝发育规律、分布特征进行了预测及定量描述，从而达到预测高渗区的目的。

1 造缝期应力场数值模拟

1.1 造缝期分析

沁水盆地演化过程中主要经历了印支运动、燕山运动以及喜马拉雅三期构造运动[2]。整体上来说，印支期近SN方向的水平挤压应力场对晋中南的影响不大，未在其内部形成形迹明显的地质构造[11]；燕山期对沁水盆地的现今形态影响较大[12]，燕山期NW-SE方向近水平挤压应力场使得沁水盆地整体成为一个NE向的向斜[13]。在燕山期挤压应力场下，研究区主要以挤压抬升和褶皱作用为主[14]，形成了一系列轴向NNE-NE向背斜、向斜构造、NEE向高角度正断层，而柿庄北地区构造图(图1)所显示的褶皱及断层走向主要为NNE-NEE和近SN向与以上特征相吻合。在燕山期挤压应力场下还形成了走向NE与近EW的节理，晋城南部一带野外调查发现本组节理十分发育，节理面平直、紧闭[14]，这种节理发育情况与柿庄北地区野外裂缝发育情况非常相似。因此，确定燕山期为15号煤层构造裂缝主要形成时期。

1.2 地质模型建立

通过造缝期分析，确定柿庄北地区15号煤层构造裂缝主要形成于燕山期，燕山期是沁水盆地形成的关键时期，对盆地的现今形态影响较大，因此认为研究区古地质形态与现今形态相近。由于燕山期研究区并未形成如今的地表起伏形态，因此建立古地质模型时，不考虑现今地表的起伏，只考虑15号煤层及其顶底板构造特征，根据柿庄北地区15号煤层底板构造图(图1)，利用ANSYS软件，建立地质模型(图2)，为了易于对模型施加约束及加载边界力，在地质模型外部建立一个外框，相当于围岩。

图1 柿庄北地区15号煤层底板构造等高线图Figure 1 Coal No.15 floor structure contour in Shizhuangbei area

1.3 岩石力学参数确定

由于煤层与其顶、底板具有非常明显的岩石力学性质差异，所以应需要用不同的岩石力学参数加以反映。本文主要依据测井解释所得弹性模量、泊松比和密度来加以反映。而断层区的弹性模量是正常地层的50%～70%，泊松比比正常地层的略大，两者之间的差距通常在0.02～0.1[15]，由于有限元模型加载所需力学参数为固定数值，因此取断层区与正常地层差值的中间值，计算得到断层区的弹性模量及泊松比，最终确定模型加载所需岩石力学参数(表1)。

表1 岩石力学参数表Table 1 Rock mechanical parameters

1.4 造缝期古应力场方向

燕山期，在西太平洋古陆与亚洲大陆的碰撞、拼贴作用下，形成了NWW-SEE方向的水平挤压应力场[12]。露头区裂缝走向以近EW、NWW及NEE为主，基本都为剪性缝,推断最大主应力方向应为近EW向，而图1可以看出，断层及褶皱的走向主要为NEE、NNE及近SN向，综合考虑以上两者，确定研究区燕山期最大主应力方向为SEE100°。

1.5 造缝期古应力加载方式

古应力场下形成裂缝，而现今地应力场下，一般不能产生新裂缝，仅对古裂缝起改造作用，使裂缝的开度、孔隙度大小发生变化。因此利用造缝期古应力场与裂缝密度、开度的定量关系，现今应力场影响情况下，裂缝开度的变化公式，以裂缝开度为桥梁推导出现今应力场作用下裂缝孔隙度、渗透率的计算公式[16]，然后将公式导入模拟软件。此文应力场数值模拟中所施加的造缝期古应力为等效古应力，等效古应力大小与裂缝形成时所受到的实际古应力大小有一定区别，但两者可以产生相似的效果。在确保力学模型加载应力类型与裂缝形成时的应力类型一致的情况下，以研究区15号煤层单井裂缝实测开度、孔隙度为约束条件，经过不断地模拟最终确定在模型SEE100°方向加载应力性质为挤压的525MPa水平最大等效古应力，SSW190°方向加载应力性质为挤压的水平最小等效古应力，大小为120MPa，垂向上加载60MPa的挤压应力(图2)。

图2 造缝期古应力加载方式Figure 2 Paleostress loading mode during fissure forming stage

2 目的煤层裂缝参数模拟结果分析

依据建立好的应力、应变与煤层裂缝参数之间的定量关系及数学模型，在现今应力场模拟的基础上，结合上文所确定的古应力加载方式，利用ANYSY软件，展开目的层裂缝参数空间分布预测，得到目的层裂缝现今开度孔、隙度等参数，从而在宏观上把握研究区15号煤层裂缝的发育规律。

2.1 裂缝开度分布

受现今地应力场的影响，裂缝开度会发生变化，进而影响到裂缝的孔隙度及渗透率。从裂缝开度分布图(图3)可以看出，15号煤层裂缝开度主要分布在0.1～0.3mm， 柿庄北地区实测煤层构造裂缝开度在0.26mm左右， 模拟得到的开度与实际开度吻合较好。15号煤层裂缝开度分布规律明显，背斜顶部及向斜翼部开度较大，在0.22～0.6mm，接下来是断层两侧，为0.18～0.3mm，向斜区的开度值较小，基本上小于0.2mm，构造低部位开度值相比于构造高部位较小，比如研究区西北角开度普遍小于0.18mm。

图3 柿庄北地区15号煤层裂缝开度分布图Figure 3 Coal No.15 fissure openings distribution in Shizhuangbei area

2.2 裂缝孔隙度分布

由图4来看，15号煤层裂缝孔隙度在1.5%～20%，集中于3.4%～14%，并且分布规律明显，与开度分布规律有着很好的相似性。孔隙度分布与构造形态及构造部位有密切的关系，断层两侧为明显的高值区，随着与断层的距离增大逐渐减小，为6.8%～20%；背斜及向斜翼部孔隙度较大，一般大于4.8%，向斜区为孔隙度低值区，小于4.8%，另外构造高部位的孔隙度值要大于构造低部位。

图4 柿庄北地区15号煤层裂缝孔隙度分布图Figure 4 Coal No.15 fissures and porosities distribution in Shizhuangbei area

2.3 裂缝渗透率分布

由图5来看，柿庄北地区15号煤层裂缝EW向渗透率与SN向渗透率大小基本相同，总体上来看小于1mD，垂向渗透率相比于前两者要小一个数量级，基本小于0.2mD，这点体现了煤层渗透率的各向异性特征。

图5 柿庄北地区15号煤层裂缝东西向、南北向及垂向渗透率分布图Figure 5 Coal No.15 EW, NS and vertical fissure permeabilities distribution in Shizhuangbei area

对比三向渗透率，发现三者分布基本规律一致并且与开度分布规律有着很好的相似性；断层两侧为明显的高值区，随着与断层的距离增大逐渐减小，EW向和SN向渗透率0.03～1mD，垂向渗透率0.07～0.2mD；背斜顶部及向斜翼部渗透率相比于向斜区较大；构造低部位及向斜部位属于明显的低值区，EW向和SN向渗透率普遍小于0.03mD，垂向渗透率基本小于0.007mD。

2.4 裂缝模拟结果验证

2.4.1 裂缝孔隙度对比

将模拟得到的15号煤层裂缝孔隙度结果与试井结果对比(表2)，总体上来看模拟所得15号煤层裂缝孔隙度与实际结果吻合度较好， 模拟结果可信度高，误差小于15%的井有11口，个别井误差较大，有5口，误差在15%～30%。原因是由于煤储层为孔隙-裂隙双重孔隙介质，总孔隙度包括基质孔隙度和裂缝孔隙度[3]， 而模拟结果只是包括了构造裂缝的孔隙度，不能反映基质孔隙，会造成一定误差，另外对研究区岩心观察发现煤层裂缝不同程度被充填物所充填，也会使模拟结果与实际结果发生偏差。

表2 孔隙度对比表Table 2 Comparison of porosities

2.4.2 裂缝渗透率对比

将模拟得到的15号煤层裂缝渗透率与试井及压汞测试对比如下(图6)，由于模拟得到的渗透率为三个方向的渗透率，而试井及压汞的渗透率为整体渗透率，因此将各个井点的三向渗透率大小变化与测试结果进行对比，对比发现模拟结果与实际测试结果，渗透率大小变化趋势基本一致，说明模拟过有效性高。

图6 模拟渗透率与测试结果对比图Figure 6 Comparison of simulated and tested permeabilities

3 结论

15号煤层开度、孔隙度、渗透率分布规律明显，并且孔隙度和渗透率与开度有很好的相关性。煤层裂缝参数在断层两侧为明显的高值区，随着与断层的距离增大逐渐减小，背斜及向斜翼部较大，向斜区为低值区，构造高部位孔隙度、渗透率值要大于构造低部位。另外EW向渗透率与SN向渗透率大小基本相同，明显大于垂向渗透率，反应了煤层渗透率的各向异性特征。将应力场数值模拟结果与实际测试结果对比，证明了模拟的有效性，达到了预测15号煤层高渗区的目的，为后续煤层气开发提供了重要支撑。

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