喬茂坡 胡秋嘉 竇 武 王小玲 桑廣杰 樊 彬

(中石油長治煤層氣勘探開發(fā)分公司 山西 046000)

潞安礦區(qū)構(gòu)造軟煤展布規(guī)律及其對開發(fā)效果影響的探討

喬茂坡 胡秋嘉 竇 武 王小玲 桑廣杰 樊 彬

(中石油長治煤層氣勘探開發(fā)分公司 山西 046000)

本文以潞安礦區(qū)為例，基于巖心、測井曲線建立了煤體結(jié)構(gòu)識別圖版，劃分了已開發(fā)區(qū)煤體結(jié)構(gòu)，總結(jié)了構(gòu)造軟煤展布規(guī)律，探討了其對壓裂及排采工程的影響。研究表明，構(gòu)造軟煤與硬煤測井相應(yīng)特征差異大，具有深側(cè)向電阻率降低、深淺電阻率幅差增大及井眼擴徑等特征。利用識別圖版能有效劃分出構(gòu)造軟煤，劃分結(jié)果顯示，構(gòu)造軟煤帶的平面展布特征主要受大斷裂構(gòu)造控制，而局部小斷層、褶皺控制了軟煤層的發(fā)育程度。在實際生產(chǎn)過程中隨著軟煤層厚度的增加單井產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢；究其原因主要是常規(guī)壓裂在軟煤層中造縫效果差，且排采過程中易產(chǎn)出煤粉，堵塞裂縫，導(dǎo)致單井產(chǎn)能降低。

潞安礦區(qū) 煤體結(jié)構(gòu) 測井曲線 煤粉 壓裂

煤體結(jié)構(gòu)是煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下形變、破壞的產(chǎn)物，是煤儲層物性、力學(xué)性質(zhì)等間接反應(yīng)。根據(jù)破壞程度劃分為原生、碎裂、碎粒和糜棱結(jié)構(gòu)煤，利用堅固性系數(shù)可將其分為硬煤(原生、碎裂結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱)和構(gòu)造軟煤(碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱)。近年來，煤體結(jié)構(gòu)對開發(fā)的影響越來越受到國內(nèi)外專家重視，其中構(gòu)造軟煤對選區(qū)、壓裂及排采工程等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)起著重要的作用。因此筆者以潞安礦區(qū)為例，分析了煤體結(jié)構(gòu)展布規(guī)律，探討了構(gòu)造軟煤對開發(fā)效果的影響，旨在為復(fù)雜煤體結(jié)構(gòu)區(qū)的煤層氣開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

潞安礦區(qū)位于沁水盆地南部，煤層氣資源量3000億方。構(gòu)造主體為新生代疊加的長治新斷陷，東以晉獲斷裂帶為界，向西逐漸過渡為沁水盆地核部。地層為總體走向北北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，由南向北發(fā)育二崗山、中華-安昌、古城、文王山四大斷裂帶，斷層、褶曲走向主要為NEE-NE、NNE-NE和NW向。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為山西組和太原組，山西組3號煤層單層厚度5～8m，橫向分布連續(xù)、穩(wěn)定，為主力開發(fā)層系；整體含氣富集，含氣量8～20m3/t，平均16m3/t；滲透率一般小于0.02mD，屬于特低滲儲層；煤體結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜多樣，以碎裂-原生為主，局部多發(fā)育碎粒、碎裂-碎粒等構(gòu)造軟煤，對煤層氣開發(fā)影響較大。

2 構(gòu)造軟煤測井定性識別

不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的密度、強度和裂縫發(fā)育程度等不同，導(dǎo)致測井響應(yīng)特征也有所差別。理論上隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增大裂隙發(fā)育程度增加，強度降低，含水性增強，導(dǎo)致導(dǎo)電性變好、聲波時差增大、井眼擴徑。但在實際應(yīng)用過程中利用某一條測井曲線是難以進行準確識別的。通過20口井取芯化驗分析與測井資料對比，建立了煤體結(jié)構(gòu)與測井曲線交會圖。發(fā)現(xiàn)構(gòu)造軟煤深側(cè)向電阻率RD較低，一般小于5000Ω·m；且由于構(gòu)造軟煤在近井地帶易受到鉆井泥漿侵入，導(dǎo)致淺側(cè)向電阻率下降，而深側(cè)向電阻率探測深度較大，影響相對較小，引起電阻率增大率ΔRD((RD-RI)/RD，RD：深側(cè)向電阻率、RI：淺側(cè)向電阻率)一般20%以上；構(gòu)造軟煤力學(xué)強度低，鉆井過程中井眼易垮塌形成擴徑，擴徑率ΔCAL((CAL-BIT)/CAL，CAL：井徑測井值、BIT：鉆頭直徑)可達到40%以上，利用上述測井曲線變化規(guī)律，可以有效識別出煤層中構(gòu)造軟煤的厚度。

3 軟煤展布規(guī)律及與產(chǎn)氣量的關(guān)系

利用識別圖版劃分了潞安礦區(qū)內(nèi)五陽井區(qū)3號煤層的煤體結(jié)構(gòu)。其構(gòu)造軟煤發(fā)育呈條帶狀分布特點，受構(gòu)造形態(tài)、斷層影響明顯，具有以下展布規(guī)律：

(1)斷裂構(gòu)造控制煤體結(jié)構(gòu)分布。距北部西川大斷層1km以內(nèi)是構(gòu)造軟煤相對發(fā)育區(qū)。且斷層的延伸方向控制了軟煤發(fā)育帶的走勢，軟煤帶與斷層呈現(xiàn)近平行的分布特征。分析主要原因：一是由于斷層對煤層造成直接破壞作用，煤體結(jié)構(gòu)破碎；二是斷層附近構(gòu)造應(yīng)力集中，導(dǎo)致煤層在順層剪切過程中破壞加劇，從而形成斷層附近的軟煤發(fā)育條帶。

(2)局部小斷層密集區(qū)、褶皺發(fā)育區(qū)軟煤層多發(fā)育。這些區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中，煤體結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，同時在褶曲壓扭性疊加作用下，多為粉沫煤。而在向斜褶曲兩翼、寬緩的斜坡帶，受構(gòu)造應(yīng)力影響較小，煤體結(jié)構(gòu)保存完整，以原生-碎裂結(jié)構(gòu)為主。

為了弄清煤體結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量的關(guān)系，選取了28口含氣量測試大于15m3/t井，建立了硬煤厚度與日產(chǎn)氣量關(guān)系，隨著構(gòu)造軟煤比例的增加，日產(chǎn)氣量呈下降趨勢。當(dāng)硬煤比例大于70%時，日產(chǎn)氣量大于1000m3；以構(gòu)造軟煤為主的井日產(chǎn)氣量較低，一般在200～500m3，硬煤比例一般小于50%?？梢哉f構(gòu)造軟煤發(fā)育區(qū)，多為煤層氣井的低產(chǎn)區(qū)。

4 煤體結(jié)構(gòu)對開發(fā)工程的影響

壓裂、排采是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵工程技術(shù)，壓裂是通過改善煤層滲透性提高單井產(chǎn)量的關(guān)鍵；排采是是煤層氣穩(wěn)定、連續(xù)產(chǎn)出的保障，煤體結(jié)構(gòu)對產(chǎn)量的控制作用主要是基于對兩大工程技術(shù)的影響。

(1)對壓裂工程影響

不同煤體結(jié)構(gòu)煤的裂隙發(fā)育特征及力學(xué)性質(zhì)存在差異，決定了水力壓裂的造縫效果，進而影響壓裂投產(chǎn)后的產(chǎn)氣效果。一般情況下，滲透率：碎裂結(jié)構(gòu)煤>原生結(jié)構(gòu)煤>構(gòu)造軟煤；巖石力學(xué)強度：原生結(jié)構(gòu)煤>碎裂煤>構(gòu)造軟煤。通常硬煤經(jīng)壓裂后易獲得工業(yè)氣流，而構(gòu)造軟煤由于力學(xué)強度低、塑性強，壓裂難以在煤層內(nèi)形成預(yù)期的水平長縫或有效溝通的體積縫網(wǎng)。即使含氣量很高，但是對于低滲煤層，改造增氣難度大，影響單井產(chǎn)氣量。

煤體破碎程度越大，井壁垮塌越嚴重，固井水泥環(huán)越厚，在構(gòu)造軟煤發(fā)育的井段，水泥甚至?xí)罅繑D入近井筒煤層的裂隙內(nèi)，堵塞天然裂隙通道。并且當(dāng)水泥環(huán)非常厚時，常規(guī)射孔彈甚至無法穿過水泥環(huán)，在壓裂過程中，導(dǎo)致初期施工壓力過高，壓裂液傳遞分散，難以形成主縫，影響造縫效果。在壓裂加砂段，壓裂液優(yōu)先溝通天然裂縫，硬煤天然裂縫發(fā)育程度較低，易形成主裂縫且持續(xù)延伸；而構(gòu)造軟煤，裂縫極發(fā)育，壓裂液易進入主裂縫旁的次級裂縫中，并且發(fā)生轉(zhuǎn)向，而支撐劑難以進入，導(dǎo)致慮失量增大，施工壓力快速上升，嚴重時會形成砂堵，影響壓裂改造效果。

(2)對排采工程影響

煤層氣井排采管控是以控制井底流壓為核心。排采強度的高低決定著煤層氣藏生產(chǎn)壓差及地層流體流速的大小。排采過程中，排采強度過大，容易攜帶出煤粉，堵塞裂縫或射孔孔眼，影響產(chǎn)量；嚴重時甚至堵塞篩管等，引發(fā)井故障，導(dǎo)致排采不連續(xù)，井底流壓波動，對煤層造成應(yīng)力損傷，致使裂縫閉合影響單井產(chǎn)量。

生產(chǎn)實踐表明，以原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤為主的煤層氣井排采過程中出煤粉較少，從力學(xué)角度分析，硬煤的巖石力學(xué)強度較大，應(yīng)力敏感性相對較弱，受井底流壓微幅變化影響較??；而構(gòu)造軟煤發(fā)育的井出煤粉較嚴重，并且應(yīng)力敏感性強，井底流壓的小幅度波動容易導(dǎo)致裂縫閉合，氣井產(chǎn)量快速下降。含氣量16m3/t，煤體結(jié)構(gòu)以構(gòu)造軟煤為主，初期日降流壓0.1MPa，煤粉大量產(chǎn)出、頻繁卡泵，流壓波動，多次檢泵后氣量雖能暫時恢復(fù)，但后期呈下降趨勢。目前，日產(chǎn)氣量200m3；而井區(qū)內(nèi)原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育、噸煤含氣量相當(dāng)?shù)木?，日產(chǎn)氣量已達到1000m3以上。

5 結(jié)論與建議

(1)利用深側(cè)向電阻率、深淺電阻率幅度差及井眼擴徑增大率等測井響應(yīng)特征，可以有效的識別出硬煤和軟煤；一般硬煤電阻率較高、幅度差增大率小、井眼不擴徑或微幅擴徑；構(gòu)造軟煤電阻率降低、幅度差增大、井眼擴徑較嚴重。

(2)煤體結(jié)構(gòu)受斷層、褶皺影響較大，構(gòu)造軟煤多分布在大斷層附近，且斷層走向?qū)γ后w結(jié)構(gòu)分布控制作用明顯；同時在靠近壓扭性褶曲軸部位構(gòu)造軟煤也多有發(fā)育。一般硬煤發(fā)育的井易獲得高產(chǎn)，而軟煤發(fā)育井產(chǎn)量較低。建議在評價選區(qū)時，平面上應(yīng)盡量避開構(gòu)造軟煤發(fā)育區(qū)，降低開發(fā)風(fēng)險。

(3)構(gòu)造軟煤發(fā)育的層段不利于人工裂縫有效擴展，建議壓裂改造時縱向上應(yīng)盡量避開構(gòu)造煤發(fā)育井段，例如可以考慮間接頂板壓裂工藝；構(gòu)造軟煤應(yīng)力敏感性強、且易產(chǎn)生煤粉，排采過程中應(yīng)嚴格控制井底流壓下降幅度，避免排采過激引起煤粉堵塞或裂縫閉合。

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(責(zé)任編輯 王一然)

Discussion on Distribution Law of Tectonic Soft Coal and its Effects on Development Effect in Lu’an Coal Mine Area

QIAO Maopo，HU Qiujia，DOU Wu，WANG Xiaoling，SANG Guangjie，F(xiàn)AN Bin

(Changzhi CBM Exploration and Development Branch of PetroChina Company，Shanxi 046000)

This dissertation used Lu’an coal mine area as an example，established the coal body structure identification charts based on core and logging data，classification of coal body structure of exploration zone，summarized the distribution rule of tectonic coal，discussed the effect of tectonic coal on fracturing and drainage engineering.Research shows that the difference of tectonic soft coal and hard coal logging corresponding characteristics，tectonic soft coal logging response is deep lateral resistivity decreasing、the difference between deep and shallow lateral resistivity values is increased and the enlargement of the well diameter.The indentification plate can effectively identify tectonic soft coal.The plane distribution characteristics of tectonic soft coal belt is mainly controlled by large fault structure，local small fault and fold control development degree of soft coal seam.Thickness of soft coal increased in gas production decreased in the actual production process；the main reason is the conventional racturing effect is poor in tectonic soft coal，and pulverized coal is easy to be produced in the process of discharging，which will easily lead to local congestion and this will beresulting in lower the production of single well.

Lu’an coal mine，coal body structure，logging curve，pulverized coal，fracturing

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程(2013E-22)”資助。

喬茂坡，工程師，碩士，現(xiàn)在中石油華北油田長治煤層氣分公司從事煤層氣勘探開發(fā)研究工作。