寺河井田15号煤层压裂裂缝微地震实时监测及分析

王广慧

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西 晋城 048006)

水力压裂是低渗油气藏改造的有效方法,是油气水井增产增注的重要措施[1]。压裂所形成裂缝及其延展特征直接影响着储层的改造效果[2-3],裂缝延展特征是油气藏压裂工程设计及优化、井位布置及优选、产能预测的重要研究内容之一[4-6]。在油气工业的发展历程中,学者们在压裂裂缝监测方法、理论、技术及装备等方面开展了大量研究工作,取得了丰硕成果,助推了油气工业的蓬勃发展[7-8]。微地震实时裂缝监测技术是近年来兴起的一种地球物理探测技术,具有技术成熟、可靠性高、易操作、适应性强、发震信号实时监测、数据自动化采集和处理等特点。该技术可实现压裂单翼及总长度、裂缝高度、裂缝优势延展方位等进行解释和分析[4,9],近年来在油气藏开发压裂裂缝实时监测、裂缝形态及延展特征研究及评价等方面应用尤为广泛[10-13]。

煤是一种非均质性极强的有机岩类,压裂裂缝特征除受煤层自身天然属性(非均质性、物理力学特性)影响外,还与应力场、压裂工程参数等因素息息相关,这也是造成煤矿区煤储层压裂改造效果和开发成效差异性主因之一。寺河井田在煤层气地质基础理论研究和应用方面开展了大量研究和实践工作,目前尚未开展15号煤层压裂裂缝延展特征方面的研究工作。为此,笔者基于研究区15号煤层压裂裂缝微地震实时监测数据,开展压裂裂缝延展特征研究。

1 研究区基本概况

寺河井田地处沁水复式向斜盆地的南端东翼晋城煤矿区沁水煤层气田,隶属于原晋煤集团煤炭开采矿业权区，面积约76.622 9 km2。井田主要煤系为二叠系下统山西组(P1S)和石炭系上统太原组(C3T),两组煤系共含煤15层,其中可采和局部可采煤层3层。本文研究的15号煤层位于太原组下部,为全井田稳定发育可采煤层,煤层厚度一般为1.80～5.45 m,平均2.67 m,为中—厚煤层;煤层结构较简单,一般含1～2层泥质夹矸;煤层埋深均在1 000 m以浅,一般为300～800 m。15号煤为当前井田主力开采煤层之一,煤层含煤性好，煤变质程度(平均镜质组最大反射率Ro, max达3.462%,煤类为无烟煤)、煤层含气量高且具有煤与瓦斯突出危险性，煤层开采矿井瓦斯涌出量大。为解决煤炭开采矿井瓦斯难题,晋煤集团于20世纪90年代率先在研究区开展地面煤层气预抽工程,开创了“先采气、后采煤,采煤采气一体化”瓦斯治理模式先河。

15号煤属于典型的软质岩,其物理力学特性如下(表1):软化系数0.67～0.92,平均0.79;饱和单轴抗压强度9.6～14.9 MPa,平均12.0 MPa;单轴抗压强度12.9～16.1 MPa,平均14.7 MPa;弹性模量切线模量(5～7)×103MPa,平均6×103MPa。弹性模量变形参数(4～5)×103MPa,平均4×103MPa;泊松比0.15～0.25,平均0.19。

2 压裂工程关键参数

压裂工程关键参数主要包括压裂液总用量、支撑剂总用量、压裂排量、砂比等,这些参数对压裂裂缝延展特征和压裂改造效果具有直接控制作用,是压裂工程设计及优化的重要研究内容。寺河井田15号煤层压裂裂缝监测井压裂工程关键参数统计见表1所示。裂缝监测井压裂方式为套管注入,压裂类型为水力压裂法。压裂裂缝监测井15号煤层的埋深相对较浅,属于浅埋深煤储层,压裂段深度范围一般为379.26～494.14 m;压裂改造层位仅为煤层,因而射孔、压裂段厚度和煤层埋深一致,一般为2.12～2.57 m,平均2.36 m;射孔密度24孔/m,射孔数量56～96个,平均73个;小规模压裂,压裂液总用量413.7～485.3 m3,平均444.9 m3;支撑剂总用量较小,一般为18.6～24.3 m3,平均21.4 m3;压裂排量7.5～8.0 m3/min,平均7.7 m3/min;中砂占中砂混合液体积比,压裂砂占压裂砂混合液体积比一般为7.3%～7.8%,平均为7.5%;破裂压力大小不一,一般为14.2～25.1 MPa,平均20.3 MPa。

表1 寺河井田15号煤层压裂裂缝监测井关键工程参数统计表

续表1

3 人工裂缝实时监测及结果分析

3.1 微地震裂缝实时监测基本原理

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一种地球物理探测技术[14],常用于油气藏开发人工压裂裂缝实时监测,实现裂缝长度、裂缝高度及裂缝优势延展方位等裂缝特征参数实时监测和结果分析[15],进而指导压裂工程设计、优化和生产实践。

油气井压裂主要是采用体积法压裂,即压裂时向油气井的井筒和地层中持续高压注入压裂液和支撑剂,随着压裂的进行井筒和地层的压力随之升高,当压力超过煤岩的破裂压力(或力学强度)时,煤岩会发生破坏。为了定量描述压裂过程中煤岩破裂过程,引入了经典的材料摩尔-库伦破坏准则(即“C-M准则”)[16],该准则表达式如下:

(1)

(2)

式中：τ为作用在裂缝面的剪切作用应力,MPa;τ0为岩石的抗剪强度,MPa;p0为地层压力,MPa;σ1、σ1分别为作用于地层的最大和最小主应力,MPa;φ为最大主应力与裂缝面法向间的夹角,(°)。

由摩尔-库伦准则公式可知,式(1)左侧不小于右侧时微地震发生,微震易于沿已有裂缝面发生,此时τ0为零,左侧易于不小于右侧。p0(地层压力)增大时,式(1)的右侧数值减小,当作用在裂缝面的τ(剪切应力)大于煤岩固有的无法向应力τ0(抗剪断强度)时,式(1)左侧大于右侧,地层煤岩将发生破坏且煤岩中形成人工裂隙网络。此时,在裂缝边缘发生微地震事件,微地震信号以球面波的形式在地层中向四周传播[4]。在压裂井周边适宜的地方多个方位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,然后通过信号转换和处理后传输给母站,数据经过微机实时处理分析,进而实现微地震信号的实时监测和裂缝长度、高度及裂缝优势延展方位等裂缝特征参数分析的判识。

3.2 微地震裂缝实时监测基本工艺流程

微地震信号监测站点选址及布置是微地震裂缝实时监测的一项重要内容和关键环节,对裂缝监测效果及结果可靠性具有重要影响。因此,在裂缝监测前需要对压裂监测井及其周边的地形地貌情况进行现场踏勘,优选出适宜布置微地震信号监测站点的位置；并利用钻井测斜和坐标数据确定井口在水平面上的投影点,在井口的投影点四周不同距离、不同方位布置多个微地震监测分站点(本文压裂裂缝监测均布置6台,即图1中A、B、C、D、E、F站)。各监测分站点布置完毕后,打开主站信号接收和处理站仪器,调试其与各分站和整个系统的良好状况,背景噪音及其他相关参数设定。压裂前(时间一般大于5 min),打开裂缝监测系统,并对整个压裂过程中产生的微地震信号进行实时监测、采集、处理和分析。压裂达到设计施工要求后停泵,停泵初期井筒内还处于高压状态,压力会继续挤推压裂液和支撑剂向裂缝远处运移、堆叠,缝长和缝高会有所变化。因此,需在停泵后继续监测不少于20 min。然后保存监测数据,关机,收拾各监测仪器,装箱，打包,完成裂缝监测任务。

图1 寺河井田15号煤层压裂井裂缝实时监测各分站位置图

3.3 人工压裂裂缝形态及延展特征分析

寺河井田15号煤层压裂裂缝实时监测分析成果数据见表2、图2—图4所示。研究区所压裂的15号煤层破裂均显著,受煤自身非均质性、物理力学特性和压裂施工参数等差异影响,在压裂规模基本相当情况下，各压裂煤层的裂缝单翼缝长和总长度、裂缝高度和优势延展方位均有所不同,且具有明显的分异现象。受NE向最大水平主应力控制,裂缝主要沿着最大水平主应力方向的水平延展,垂直方向次之,压裂裂缝优势延展方位一般为NNE13°—NE57°。裂缝的东翼单裂缝长度57.2～87.6 m,平均71.4 m。西翼单裂缝长度66.5～144.2 m,平均88.0 m。裂缝总长度131.5～231.8 m,平均159.4 m(图2)。压裂液总用量、支撑剂总用量及砂比对裂缝总长度影响显著,他们之间具有较好的线性正相关关系(图4(a)、4(c)、4(g)),这是因为压裂液总量、支撑剂总用量控制着压裂的规模,压裂液总用量、支撑剂总用量越多,压裂规模越大,人工裂缝网络越发育，裂缝延伸得越远，反之亦然[17-19]。压裂排量仅影响注入强度,对裂缝水平延展及总长度影响甚微(图4(e));裂缝高度12.1～29.2 m,平均16.8 m(图3)。支撑剂总用量、压裂排量对裂缝发育高度影响显著,压裂液总用量对裂缝发育高度影响一般(图4(b)),砂比对裂缝发育高度影响甚微(图4(h))。支撑剂总用量、压裂排量和裂缝高度之间具有较好的线性正相关关系(图4(d)、图4(f)),这是因为在大排量注入、大量支撑剂挤入铺设情况下,有利于垂直裂缝形成和延展,裂缝高度越大[19]。

表2 寺河井田15号煤层压裂裂缝监测成果统计分析表

图2 寺河井田15号煤层压裂裂缝长度及方位解释成果图

图3 寺河井田15号煤层压裂井裂缝高度解释成果图

图4 压裂裂缝实时监测分析

4 结论

1)在压裂煤层厚度、埋深、压裂规模等基本相当情况下,受煤的非均质性、应力场分布及压裂工程参数差异性等影响,寺河井田15号煤压裂裂缝长度、高度和延伸方位有所不同,具有明显的分异现象。

2)寺河井田最大水平主应力方向为北东方向,控制着压裂裂缝优势延伸方位(二者方位保持一致)。

3)压裂液总用量、支撑剂总用量及砂比对裂缝总长度影响显著,他们之间具有较好的线性正相关关系;支撑剂总用量、压裂排量对裂缝发育高度影响显著,他们之间具有较好的线性正相关关系。

4)寺河井田15号煤层压裂起裂显著,裂缝主要为水平裂缝,垂直裂缝发育次之。压裂裂缝优势延展方位一般为NNE13°—NE57°。裂缝的东、西翼单裂缝长度57.2～144.2 m,裂缝总长度131.5～231.8 m,平均159.4 m。