恩村井田煤体结构与煤层气垂直井产能关系_倪小明_图文

1、煤层气收稿日期:2009-09-21;修回日期:2010-01-07基金项目:国家自然科学基金(编号:40902044;河南理工大学博士基金项目(编号:B2009-51;河南省科技基础与前沿项目(编号:092300410213联合资助.作者简介:倪小明(1979-,男,山西临汾人,博士后,主要从事煤及煤层气工程方面的研究工作.E -mail:.n xm1979.恩村井田煤体结构与煤层气垂直井产能关系倪小明1,陈 鹏2,李广生2,张宜生3(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;2.河南理工大学资源环境学院,河南焦作454000;3.河南中裕煤层气开发利用有限公司,河南郑州45

2、0016摘要:煤储层原始渗透率、压裂改造后渗透率及围岩的渗透率共同影响着煤层气垂直井排采过程中压力传播轨迹,并最终影响着煤层气垂直井的产能。以焦作矿区恩村井田勘探开发原始资料为基础,根据测井响应曲线,结合钻井取心,把煤体结构划分为原生结构煤(I 类、碎裂煤( 类和构造煤( 类和 类3类4种。根据岩石弹性力学理论结合不同煤体结构天然裂隙发育状况,建立了天然裂缝方位与地应力方向关系模型,分析出不同煤体结构主裂缝方位的主控因素。根据裂缝延伸方位结合煤层气井排采过程压力传播轨迹,得出不同煤体结构与产能关系。排采试验表明:以目前的水力压裂工艺进行储层改造,碎裂煤对产能的贡献最大,原生结构煤次之,构造煤几

3、乎不可被改造。关键词:煤体结构;煤层气;产能;地应力;水力压裂中图分类号:TE321 文献标识码:A 文章编号:1672-1926(201003-0508-050 引言我国煤原始储层渗透率的非均质性、试验测试手段的局限性,钻井、完井及储层改造等施工过程对煤层气井产能的附加影响,储层改造时裂缝延伸形态的复杂性及改造后渗透率测试手段的匮乏,长期以来关于煤储层原始渗透率与改造后渗透率对煤层气垂直井产能哪个贡献更大一直是煤层气界争议的问题。笔者以焦作矿区恩村井田勘探开发原始资料为基础,根据测井资料,结合钻井取心对煤体结构进行划分,分析不同煤体结构裂缝延伸的主控因素,探索在目前水力压裂工艺技术条件下,不

4、同煤体结构与垂直井产能关系,以期对煤层气地面开发靶区的选择和煤储层改造工艺方式优化提供研究思路。1 恩村井田地质概况焦作矿区是河南省重要的煤炭工业基地,煤层气资源极其丰富。研究区位于太行山南麓,东起赵固勘探区东界一1煤层露头,西至焦作柏山,与济源矿区接壤;北起太行山南麓一1煤层露头,南抵武陟古隆起,以盘古寺大断层为界。研究区整体为一走向东北、倾向东南的单斜构造形态,地层倾角为6 16 ,局部为25 30 。恩村井田位于焦作矿区中部,因其煤层稳定、厚度大(平均为6.26m、埋藏适中(500900m、结构简单及含气量高等特点而成为研究区煤层气开发的有利区之一。恩村井田南部为盘古寺断层,西部至九里山

5、断层,北部为凤凰岭断层,恩村井田的主体构造为墙南向斜,轴向近东西向。本文研究的开发区及恩村井田构造基本特征见图1。2 测井曲线划分煤体结构不同的煤体结构,具有不同的裂缝发育状态,这决定了水力压裂改造时具有不同的裂缝延伸形态,进而决定了煤层气垂直井小范围内产能的差异。因此,查明小范围内各垂直井的煤体结构是进行煤层气垂直井产能主控因素分析的前提。第21卷第3期2010年6月天然气地球科学NAT URAL GAS GEOSCIENCE Vol.21No.3Jun. 2010图1 恩村井田构造纲要煤体结构的分类方法很多,瓦斯地质学中根据煤体的破坏程度把煤体结构划分为原生结构煤( 类、碎裂煤( 类、碎粒

6、煤( 类和糜棱煤( 类4种1。不同煤体结构因煤岩密度、裂缝密度及煤岩强度等的不同表现出不同的测井响应特征。大量的试验表明,煤岩在电性曲线上表现为 三高三低 : 三高 即电阻率高、声波时差高及中子测井值高; 三低 即自然伽马低、体积密度低及光电有效截面低2-4。因此,本文根据测井曲线结合钻井取心把研究区煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤和构造煤(包括碎粒煤和糜棱煤3类。其基本思想可描述为:(1根据测井曲线中补偿密度曲线异常半幅点、深侧向电阻率曲线异常根部突变点及自然伽马曲线异常半幅值点三者结合识别并确定出目的煤层厚度。(2在研究区各井煤层段,以0.5m间隔统计声波时差值、补偿密度值。(3根据研究区

7、钻井取心观察描述与测井声波时差对照,兼顾补偿密度数据,划分出不同煤体结构声波时差响应值段。(4根据声波时差响应值段得出各井煤体结构。在上述思想指导下,得出恩村井田各煤层气井原生结构煤、碎裂煤和构造煤所对应的声波时差值,即:声波时差值小于420 s为原生结构煤;在420 530 s之间为碎裂煤;大于530 s为构造煤。煤层气垂直井的煤体结构划分结果见表1。3 不同煤体结构与煤层气垂直井产能关系3.1 原生结构煤与煤层气垂直井产能关系3.1.1 原生结构煤主裂缝延伸方位主控因素压裂因煤层克服挤聚力而张裂,相对分离的2个缝面移动方向必然与地层最弱挤聚力方向相反,因此,确定压裂位置处最小挤聚力方向成为

8、确定裂缝延伸方位的关键5-7。据苏现波等8关于煤中裂隙形态成因的分类可知:原生结构煤内生裂隙相对发育,外生裂隙和继承性裂隙不发育。目前,在地面进行水力压裂时,泵注排量相对较大,一般在7 8m3/m in之间,因此,地面实施水力压裂时,可把原生结构煤看作无天然裂隙的相对均质岩石考虑其裂隙延伸方位。这时,裂缝形成的外力可表示为9: P f c h+S t-P p(1式中:P f c为无天然裂缝时裂缝形成的外力,MPa; h 为水平最小主应力,MPa;S t为煤岩抗拉强度,M Pa; P p为孔隙压力,M Pa。原生结构煤的裂隙特点决定了水力压裂过程中可把煤岩的抗拉强度及孔隙压力看作在各个方向上相等

9、,根据公式(1可知原生结构煤水力压裂过程中主裂缝将沿着水平最大主应力方向延伸。3.1.2 原生结构煤与煤层气垂直井产能关系煤层气井是通过 排水 降压 使煤层气产出的。压力首先将沿着渗透性好的地方传递。根据公式(1可知,以目前的水力压裂工艺对原生结构煤进行储层改造时,易在煤层中形成几条大而宽的主裂缝,在这样的储层中进行排采时,若压裂时突破不了上、下围岩界限,排采初期压力传播速度在4个方向上几乎相等,压降漏斗几乎匀速下降,降低到临界解吸压力以下时,煤层气将产出。随着排采进行,压力仅在几条主裂缝中传播,水产量下降,真正起到沟通表1 恩村井田煤层气各井煤体结构数据井号声波时差段/( s/m煤体结构井号

10、声波时差段/( s/m煤体结构1350378 类9400455 类2425480 类10375530以 类为主3525545以 类为主11418485 类4655770 类12462560以 类为主5390675以 类 类为主13380440以 类为主6385450以 类为主14530600以 为主7328525以 类为主15300490以 类为主8420600以 类为主16380430 类509N o.3 倪小明等:恩村井田煤体结构与煤层气垂直井产能关系 煤层气储存空间 孔隙系统与裂隙系统的有效裂隙很少,产气面积极其有限,最终导致几乎不产水、不产气。若水力压裂时突破了上、下围岩界限,排采初期

11、压力传播轨迹与上述相同。随着排采进行,压力仅在围岩中传播,产水量大小与围岩含水性及与其他含水层连通情况有关,此时,可能产水量很大或很小,但由于压力不再在煤层中传播,产气量几乎为零。综上可知:以目前水力压裂工艺在 类煤体中进行储层改造时,压裂或徒劳增加排水工作或造成煤储层降压困难,压裂效果有限,导致煤层气垂直井产能不理想。3.2 碎裂煤与煤层气垂直井产能关系3.2.1 碎裂煤主裂缝延伸方位主控因素类煤体中多组互相交切的裂隙的存在增加了压裂裂缝延伸方位的复杂性。最小水平主应力方向还是裂隙面的正应力方向的挤聚力最小成为判定裂缝延伸方位的关键。设最大水平主应力与煤储层天然裂隙面方向夹角为 ,则裂隙面上

12、的正应力为8:n =( h + H /2-( H - h cos2 /2(2式中: n 为裂隙面上的正应力,MPa ; 为天然裂隙面与最大水平主应力夹角, ; H 为水平最大主应力,MPa 。裂缝面上抗张裂强度几乎为零,可忽略不计。因此,压裂时在裂缝面上张开的极限应力为:P f f n -P p(3式中:P f f 为裂缝面张开的极限应力,MPa ;P p 为孔隙压力,M Pa 。产生新缝的极限条件可根据公式(1求得。因此,碎裂煤中水力压裂过程中主裂缝方位主要取决于煤岩抗拉强度与水平最大、最小主应力的差值。当差值大于煤岩抗拉强度2倍时,裂缝将首先沿着天然裂缝延伸,当延伸到天然裂隙末端时,则向最

13、大主应力方向靠近,最终在煤岩中形成曲折裂缝。3.2.2 碎裂煤与煤层气垂直井产能关系在 类煤体中,天然裂缝、地应力与煤岩抗拉强度共同影响着裂缝延伸,压裂施工过程中可能引起压力的波动,但这样更有利于煤层微裂隙的破裂及延伸。进行排采时,压力能较好地通过微裂隙传递到煤层气的主要储集空间 孔隙中,进而引起孔隙压力的降低,使煤层气解吸。随着煤层气井的排采,气体能源源不断地解吸产出。3.3 构造煤与煤层气垂直井产能关系构造煤中看不到层理,原生裂隙中分不出层理,次生裂隙稠密,裂隙间距变密,煤体松软,用较小力可将煤研成小碎块或粉状。根据目前水力压裂施工情况,从分排量较大和分排量较小2种情况进行分析,分析过程及

14、结果见表2及图2。表2 不同泵注排量不同水力压裂施工阶段裂缝在构造煤中延伸情况 煤体描述排量施工阶段泵注排量较大时泵注排量较小时水力压裂前煤中层理不明显,煤体几乎成单独小块状或粉状,排列有一定规律水力压裂中构造煤中次生裂隙稠密,煤体颗粒移动,甚至破裂成更小的碎块或粉状,形成堵塞带,煤体挤胀,形成类似 梨形 结构,若不能突破堵塞桥,压裂失败;若突破堵塞桥,继续重复上述过程,直到压裂结束煤体内部不发生流体渗透作用,流体沿煤体与煤体间缝隙流动,煤体可能移动、破碎,流体流动相对畅通,挤胀空间相对较小,施工过程较顺利水力压裂后形成间歇式的支撑剂充填带及压实带孔隙与裂隙有效沟通的很少排采时压力传递压力仅在

15、煤颗粒与煤颗粒缝隙间传递,起不到真正降压排采的目的产能情况产能很低甚至不产气图2 水力压裂不同阶段构造煤岩体分布示意510 天 然 气 地 球 科 学Vol.214 恩村井田煤层气垂直井煤体结构与实测产气量对比根据恩村井田煤层气垂直井井位坐标,做出各井不同煤体结构分布情况见图3。排采半年多来各煤层气垂直井产气量情况见图4。从图中看出, 类煤发育的区域,除13井和15井外,其他都位于高产区,而构造煤发育的区域,产量很低甚至不产气, 类煤发育的部分井产气中等。因煤层气井产气量影响因素诸多,进一步分析发现13井和15井固井引起的储层污染是造成这2口井产量低的主要原因,在此不做论述。因此,在忽略钻井、

16、完井及射孔等其他工程因素对煤层气产能的附加影响外,恩村井田煤体 结构与煤层气垂直井产能具有较好的一致性。图3 恩村井田各煤层气井煤体结构分布图4 恩村井田各煤层气垂直井产能分析5 结论查明煤体结构与垂直井产能关系是进行井位选择、储层改造工艺优化的重要保障。通过恩村井田不同煤体结构与煤层气垂直井产能关系研究,得到以下认识:(1利用测井响应曲线,结合钻井资料能较准确地划分出不同煤体结构。(2不同煤体结构天然裂隙发育状况的不同决定了采用目前水力压裂、工艺技术参数进行施工压裂裂缝方位的不同。原生结构煤压裂主裂缝延伸方位主要受控于最小、最大水平主应力方向;碎裂煤主裂缝延伸方位是天然裂缝天然裂隙方位、煤岩

17、抗拉强度与水平最大、最小主应力差值大小和方向共同作用的结果;构造煤中在现有地面水力压裂施工工艺技术条件下,不能使煤体内原有的次生裂隙进一511 N o.3 倪小明等:恩村井田煤体结构与煤层气垂直井产能关系步扩展延伸,寻求新的地面水力施工工艺技术或从其他方面着手研究是增加构造煤渗透率的举措。(3忽略钻井、完井及射孔过程对产能的附加影响,以目前的水力压裂工艺参数施工,高变质的无烟煤区,碎裂煤对煤层气垂直井产能贡献最大,原生结构煤次之,构造煤贡献最小。碎裂煤发育区是地面进行煤层气开发的首选靶区。致谢:本文完成过程中得到了河南中裕煤层气开发利用有限公司现场工作人员的大力支持和协助,在此表示衷心的感谢!

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26、ermeability,fracturing and reco nstr ucting permeability,sur rounding permeability affect the pressur e spread contrail in the production process of the CBM vertical w ells,and then control the productivity of CBM ver tical w ells.Based on the raw data of ex plo ration and developm ent of CMB in the Encun mine field,w e classified the co al structure into the pr im ary structure coal ( ,fr ag mentation coal ( and tectonic coal ( and ,in combination of curve o f lo gg ing respo nse and drilling core.Acco rd -ing to e