余吾矿煤/岩层组合类型划分及压裂措施

郝少伟 ，张径硕 ，王韶伟 ，竟亚飞

（1.山西潞安金源煤层气开发有限责任公司，山西 长治 046000；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000）

煤层中能否营造有效裂缝对压裂效果具有重要影响。近年来，国内外研究者采用相似材料压裂物理模拟实验、数值模拟、现场压裂试验和裂缝监测等方法研究了煤岩强度、围岩力学性质和所受应力状态对水力压裂裂缝形态的影响[1-3]。模拟实验发现：当应力差大于6 MPa 时，地应力是裂缝延伸的主控因素，水力压裂裂缝容易沿着最大主应力方向延伸；当应力差在3～6 MPa 时，水力压裂裂缝形态是煤中裂隙系统、应力差和围岩力学共同作用的结果；当应力差小于3 MPa 时，煤中裂隙系统、围岩力学性质对水力压裂裂缝形态影响较大。这些成果为现场水力压裂参数优化提供了理论依据[4-9]。通过理论研究和现场水力压裂实践，学者们提出了针对软煤发育区的“虚拟储层”压裂和针对软硬煤互层的“避射软煤”的射孔优化技术，这些研究成果无疑为现场水力压裂效果最优提供了重要保障。

不同的煤、岩储层组合类型可能具有不同的水力压裂裂缝形态，其压裂效果也不同。目前，科研工作者更多关注水力压裂裂缝形态的主控因素和形态特征，对煤/岩组合类型划分相对关注较少。为此，以潞安矿区余吾矿的煤层气勘探开发资料为基础，对研究区3#煤层的顶板岩性和力学性质、煤体结构、地应力状态等进行研究，划分水力压裂的煤/岩组合类型，并提出了不同组合类型下的水力压裂措施建议，以期为不同煤/岩组合类型下水力压裂改造措施实施提供指导与借鉴。

1 地质概况及水力压裂煤/岩组合类型划分

余吾矿位于潞安矿区中部，井田内主要发育褶皱构造。主采煤层为3#煤层，厚度一般为4.67～7.03 m，平均为6.07 m；煤体结构以碎裂煤和碎粒煤为主。埋深一般为573～740 m，平均为617 m。3#煤层顶板岩性一般为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩；底板岩性一般为泥岩、砂质泥岩。

研究表明：煤层顶/底板的岩性及力学性质、煤体结构和煤层所受的地应力对水力压裂裂缝形态具有重要影响[10-13]。因此，首先获取这几个参数，然后根据这些参数进行水力压裂煤/岩组合类型划分。

1）煤层顶板岩性和力学性质的获取方法。本次通过该区煤层气井的测井解释对3#煤层顶板的岩性进行判识。在此基础上，对取心井3#煤层顶板的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等进行力学参数测试。以煤层顶板15 m 为界限，结合岩性求得其综合弹性模量Ez。Ez与中砂岩的弹性模-量Ef相除（根据研究区情况取Ef=28.54 GPa），当值<1 时，定义为软岩；当值≥1 时，定义为硬岩。

式中：Ez为综合弹性模量，GPa；Ei为第i种岩性的弹性模量，GPa；hi为第i种岩层的厚度（h1+h2+···+hn=15），m。

2）煤层段软/硬煤的获取方法。首先根据钻井取心，确定出不同煤体结构的GSI 值；然后，对参数井煤层段的GSI 值与对应的测井响应参数值进行多参数拟合，关系模型如式（2）；根据式（2）得出相对应的其他煤层气井煤层段的GSI 值。把GSI 值≥40 称为硬煤，GSI 值＜40 为软煤。分别统计煤层段的硬煤和软煤的厚度，当硬煤厚度≥60%时，煤层段称为硬煤；反之为软煤。

式中：GSI 为煤破碎程度值，1～100；ρc为煤的密度，t/m3；Gr为自然伽马，API；Cx、Cy分别为x、y方向上的井径，mm；Rd为深侧向电阻率，Ω·m；a、b、c、d、f为拟合常数。

3）地应力的获取方法。主要通过水力压裂曲线结合密度测井获取水平应力和垂直应力。压裂泵入结束后，压降曲线上有1 个明显的拐点，这个拐点就是瞬时关井压力pISTP，该值与最小水平主应力σMIN相当[14]；由此可得最大水平主应力σMAX；而上覆静岩压力σv就是上覆岩体自重引起的压力，可通过测井获取的上覆地层密度和相应厚度计算得出[15]。

式中：pISTP为瞬时关井压力，可由水力压裂施工曲线上直接读取， MPa；σMIN为最小水平主应力，MPa。

式中：σMAX为最大水平主应力，MPa；pf为破裂压力，MPa；p0为储层压力，可通过排采时初始动液面得出， MPa；St为煤的抗张强度，MPa。

式中：σv为上覆静岩压力，kPa；ρri为上覆地层某层密度，t/m3；Hi为上覆地层某层厚度，m。

根据上述划分关键参数的获取方法，分别对地应力状态、煤体结构、围岩的岩石力学划分参数进行计算，结合其临界值和研究区储层特征进行排列组合，划分出水力压裂煤/岩组合类型。水力压裂煤/岩组合类型划分方法如图1。

图1 水力压裂煤/岩组合类型划分方法Fig.1 Classification method of hydraulic fracturing coal /rock combination types

2 研究区水力压裂煤/岩层组合类型划分结果

1）顶/底板岩性分布特征。实验室对不同岩性进行力学实验：泥岩、砂质泥岩各测试了6 块，弹性模量范围分别为9.58～13.21 GPa 和10.59～16.77 GPa，平均值分别为11.10 GPa 和13.81 GPa；粉砂岩、细砂岩、中砂岩各测试5 块，弹性模量范围分别为29.79～41.37 GPa、27.9～47.62 GPa、25.78～39.31 GPa，平 均 值 分 别 为36.32、32.87、28.54 GPa。对煤层气井3#煤层顶15 m 内的岩性进行统计，结合实验测试和式（1），得出了顶板软、硬岩分布特征。从3#煤层顶板软/硬岩分布特征可得：研究区的西部和东部，顶板岩性为软岩，中部为硬岩。

2）软/硬煤分布特征。根据软、硬煤划分方法，得出3#煤层软、硬煤分布特征。从研究区3#煤层软/硬煤分布特征可得：硬煤主要分布在研究区的中部及中西部，其余以软煤为主。

3）地应力分布特征。根据地应力计算公式，得出研究区各煤层气井的地应力值。同时，为了验证计算结果的准确性，部分井计算结果与试井结果进行对比，部分煤层气井的地应力数据及应力类型见表1。表1 试井得出的破裂压力和闭合压力均比水力压裂曲线对应值大，原因为：①水力压裂施工排量较大，管线摩阻较大，导致其读数相对大；②有些井的井径扩大、煤层部分受到污染，导致破裂压力变大；③压裂时砂堵等曲线异常造成闭合压力变大。选择施工较正常的井进行计算，研究区3#煤层地应力分布特征应力分布如图2。从图2 可看出：研究区3#煤层最小水平主应力范围为6～15.5 MPa，最大水平主应力范围为10～29 MPa，垂直应力一般为9.5～19 MPa；地应力类型主要为拉张型或过渡型；其中最小、最大水平主应力的分布特征相似，均为北高南低，西高东低；垂直地应力呈北高南低变化趋势。

表1 部分煤层气井地应力计算结果及试井数据Table 1 Ground stress calculation results and stress types for selected CBM wells

图2 研究区3 号煤层地应力分布特征Fig.2 Characteristics of ground stress distribution in No.3 coal seam of study area

根据图1 的划分方法，划分出储层组合类型，研究区3#煤储层可划分为：软岩软煤过渡型、软岩软煤拉张型（YW-04～YW-09、YW-11、YW-15、YW-16、YW-18）、硬岩软煤过渡型（YW-17）、软岩硬煤过渡型（YW-19）、软岩硬煤拉张型(YW-02)、硬岩硬煤过渡型(YW-01、YW-03)和硬岩硬煤拉张型（YW-10、YW-12～YW-14）等7 种类型。

3 研究区水力压裂效果分析

分别选取研究区硬煤硬岩拉张型、软岩软煤拉张型、软岩硬煤拉张型和硬岩软煤过渡型4 种典型井的压裂和排采资料进行分析。不同储层类型的压裂曲线如图3，不同储层类型的排采曲线如图4。从图3 和图4 可看出：

图3 不同储层类型的压裂曲线Fig.3 Fracturing curves for different reservoir types

图4 不同储层类型的排采曲线Fig.4 Discharge and recovery curves for different reservoir types

1）硬岩硬煤拉张型。水力压裂时硬岩的阻隔作用，压裂裂缝主要在硬煤中形成并延伸；拉张型情况时，施工压力不高；加砂过程中支撑剂的重力作用，施工压力反而有所下降；营造的裂缝能有效支撑，停泵后压力降低较快。结合产气曲线，可知压裂效果较好。

2）软岩软煤拉张型。软煤较破碎，天然裂隙较少，近井筒地带可能有污染，造成初期施工压力较高，随着压裂进行，突破污染带，施工压力降低；拉张型使支撑剂容易在碎煤粒间堆积，施工压力一般较低，无法营造出有效裂缝。产气曲线侧面反映了压裂效果较差。

3）软岩硬煤拉张型。施工压力不高时，容易在硬煤中延伸形成裂缝；若排量过大，容易在软岩和硬煤界面延伸，影响压裂效果。压裂曲线表明：裂缝在硬煤中有一定延伸，产气曲线间接表明压裂较好。

4）硬岩软煤过渡型。压裂时硬岩的阻隔作用，软煤中营造的有效裂缝少；压裂中期砂比提高后，煤层发生堵塞施工压力居高不下，造缝困难，裂隙延伸范围有限。由产气曲线也可以看出：软煤层压裂时很难营造出有效裂缝，产气量较低。

在此基础上，针对不同的煤/岩组合类型，提出了相应的水力压裂建议，不同煤/岩组合类型水力压裂建议见表2。

表2 不同煤/岩组合类型水力压裂建议Table 2 Hydraulic fracturing proposals for different coal/rock combination types

4 不确定性分析

1）煤层段的非均质性、钻井的污染程度、压裂时是否存在砂堵及堵塞严重程度、管线摩阻等都可能造成压裂时破裂压力、停泵压力与实际存在一定的差异性，这些差异都影响着地应力的计算结果，今后需进一步考虑这些因素对数据的影响，使应力计算结果更接近实际。

2）本文的各种分布图是通过已有煤层气井资料计算相应参数后采用克里金插值法得出的结果。数据点是否是极值点、分布间距等都将影响着参数图的表征结果。个别块段由于煤层气井之间间距较大，所取值并非极值点，采用克里金插值法时可能与实际存在一定差异。随着今后煤层气井数量的增加，参数表征结果更接近实际。

5 结 语

1）通过研究区的地应力分布特征、围岩岩性特征和煤结构特征研究，将研究区3#煤/岩储层分为软岩软煤过渡型、硬岩软煤过渡型、软岩硬煤过渡型、硬岩硬煤过渡型、软岩软煤拉张型、软岩硬煤拉张型和硬岩硬煤拉张型等7 种类型。

2）不同的煤/岩储层组合类型，水力压裂时裂缝形态不同，压裂效果也不同。针对不同水力压裂煤/岩层组合类型，提出了不同组合类型下的水力压裂措施建议如下：①硬岩硬煤组合类型：采用大排量、多液量、低/中砂比、逐级加砂方式能营造出较长裂缝并能有效支撑；②硬岩软煤拉张型：建议在硬岩顶板压裂，但排量不宜过大，防止窜层；③硬岩软煤过渡/挤压型：需优化压裂工艺参数；④软岩硬煤组合：应避射部分煤层，防止水力压裂时裂缝进入到煤层与软岩交界面，影响压裂效果；⑤软岩软煤组合：不建议采用水力压裂方式进行改造。