沁水盆地3＃煤储层压裂裂缝延展特征

1.潘庄区块3＃煤储层压裂裂缝延展特征

（1）SHx-168井附近煤储层压裂裂缝延展特征。SHx-168位于寺河矿东三盘区，埋藏深度340.77m，构造较简单，裂缝相对不发育，不在主要裂缝带上。本次观测点位于掘进巷道，发现一条近垂直的裂缝，未挖出井筒。裂缝产状为SW265°∠65°，平均宽度为1.5cm，最宽处2cm，最窄处1cm。图2-6（a）中夹矸厚度为8cm，裂缝高度为2.1m。近井部位煤体较破碎，近井煤体裂缝间隙充填有泥浆后期形成的泥饼，向外逐渐被压裂砂充填。压裂裂缝周围煤体较破碎，依据现场观测计算，观测点距井筒为4～5m。

（2）SH-125井附近煤储层压裂裂缝延展特征。SH-125位于寺河煤矿东区1307工作面，深度为426.55m，厚度为6.65m，观测点煤层临近大断层F15。本次观测压裂裂缝以煤层中上部分垂直裂缝为主，裂缝产状为NW280°∠80°，并在顶部观测到有水平裂缝分布，属于“T”型复合裂缝模式［图2-6（b）］。按照井下采煤对井筒外部压裂裂缝的揭露，先后完成三次观测。观测面一：仅在煤层顶部发现有明显的水平裂缝，并且被压裂砂充填，水平裂缝宽约14cm，压裂砂厚度18cm，观测点距井筒距离约4m。观测面二：在煤层顶部和中部发现压裂裂缝及压裂砂的分布，其中顶部为水平裂缝，并被压裂砂充填，裂缝宽度约10cm，压裂砂厚度约10cm；中部为垂直裂缝，宽度约10cm，压裂砂的厚度10cm，观测点距离井筒长度约2m。观测面三：观察到井筒周围裂缝较发育，未见到压裂用石英砂；煤层中部压裂形成裂缝带，宽度约80cm，煤块裂隙间被白色泥浆充填；裂缝带内裂缝宽度较小，约0.2cm，连通性较好，为近井筒的主导流通道；煤层顶部也发现被白色泥浆充填的导流裂隙带，宽度约50cm。

图2-6　潘庄区块3＃煤储层压裂裂缝延展特征

（3）SH-126井附近煤储层压裂裂缝延展特征。SH-126位于寺河煤矿东区1308工作面皮带巷道，深度为338.40m，厚度为6.65m，煤层构造临近大断层F15。本次观测点位于两条掘进面中心位置，与掘进面的距离为3m。观测发现一条主压裂裂缝，形态为近垂直裂缝，产状为SE125°∠80°。由于煤储层中发育有大裂隙系统，因此煤储层中压裂裂缝在延展上呈曲折形态的特征。可观察到裂缝长度延伸为6m，实际长度应远大于9m（加上井筒距掘进面上的3m）。通过观察煤体结构、裂缝规模可以发现，压裂裂缝靠近井筒处开口较大，近井筒的巷道壁的裂缝宽度达到15cm，在裂缝的延伸方向上，其张开度逐渐变小，延伸6m后裂缝宽度变为5cm左右［图2-6（c）］。本观测点裂缝高度大，下部延伸到煤层中部，上部穿过顶板。在裂缝周缘未发现分支水力裂缝形成。由于压裂穿透顶板，可能造成压裂液部分损失。观测点处煤储层中的压裂砂基本充填于主干压裂裂缝的上部，裂缝底部无压裂砂，其他缝隙中也未发现压裂砂。压裂砂多数以黏结的形式悬挂在裂缝缝面上，掘进后大量压裂砂从顶板压裂裂缝中掉落。压裂砂在裂缝走向上延伸长度大于6m，在压裂裂缝靠近井筒的位置压裂砂一般较粗，而远离井筒压裂砂的粒度变细。

从寺河矿SHx-168井、SH-125井、SH-126井解剖结果可以看出，煤储层压裂裂缝延展特征具有以下规律：①煤体结构对煤储层压裂裂缝延展的严重制约。3＃煤储层的煤体结构由原生结构煤向碎裂煤甚至碎粒煤和糜棱煤过渡，而其他地质条件类似，气井压裂施工条件也相似，随着煤体结构越破碎，煤储层压裂裂缝延展效果越差，压裂裂缝长度大为减小。②煤储层原生裂缝对压裂裂缝延展的影响。3＃煤储层原生裂缝系统发育为适中型，部分采区甚至为欠发育型，煤储层原始渗透性较差，从本次压裂解剖来看，煤储层压裂裂缝延展基本沿着原生裂缝发育位置，仅对原有裂缝进行扩大，而不产生新的岩石破裂等现象。③“T”型复合裂缝产生在煤体结构相对完整的部位，推测与压裂液滤失程度小、压裂能量高憋压有关；而煤体结构破碎地段很难产生“T”型复合裂缝，仅表现为规模很小的单一裂缝，且裂缝发育较为曲折。同时煤体结构破碎部位的煤层顶部水力裂缝的启裂与煤层埋深之间相关性不明显。

2.成庄区块3＃煤储层压裂裂缝延展特征

成庄区块3＃无烟煤储层中的裂缝，特别是大节理系统的节理缝具有延伸长、裂缝面光滑平直、方向性强和尖灭侧现排列等特征。此种裂缝遇到高压液体注入后，将呈现不同程度的张开。依据成庄矿CZ-24井充填支撑剂的裂隙特征的观测结果，裂缝最初张开的宽度为充填支撑剂宽度的1.5～2.0倍，而近井筒煤层中充填支撑剂的裂隙宽度为0.5～1cm，距离井筒40m处煤层中冲填支撑剂的裂隙宽度为0.3～0.5cm。成庄区块压裂裂缝的典型特征为：煤储层构造节理较发育，煤储层压裂裂缝沿原有裂缝扩展，相对于寺河矿解剖结果，本区压裂裂缝趋于表现为多裂缝的形态特征（图2-7），内部充填有支撑剂的裂缝条数多，裂缝形态非常复杂。(www.zuozong.com)

压裂裂缝几乎全部沿着原有裂缝进行扩展，裂缝长度为几米—十几米，有效支撑裂缝长度在10m以内，由于压裂井附近煤储层深度为504.68m，因此垂直应力高，未见煤岩顶板产生水平压裂裂缝。更重要的是，压裂液体使成庄区块无烟煤裂缝张开以后的再闭合对煤储层裂缝系统起到了良好的连通作用，尤其是主干裂缝的连通作用比较显著，且对煤层整体上有明显的松动效应，特别是在近井筒20m的范围内更加明显。

当压裂流体压力降低，无烟煤裂缝将发生一定程度的闭合，但是这种闭合不可能是全部闭合。由于成庄区块3＃煤储层中的节理裂缝比较长，裂缝中除压入的支撑剂之外，还产生比较多的次生支撑物，如方解石和泥岩破碎后的碎屑，加上裂缝不能够完整地原样闭合等因素，因此造成裂缝闭合程度低。换句话说，即使裂缝张开的压裂液体中没有支撑剂和次生支撑物，其裂缝也不可能完全闭合。因此，压裂液体及支撑物对煤储层中流体渗流能力增加十分明显，特别是在近井筒附近。

图2-7　成庄区块CZ-24井煤储层压裂裂缝延展及充填特征

人工压裂裂缝的实际长度、形态及规模与不少煤层气工程专家早期的预期相差甚远。对于类似成庄矿CZ-24井3＃煤储层和晋试1-1井3＃煤储层的压裂裂缝方位及长度采用地面电位和试井进行检测。地面电位检测的基本原理是压裂前后由于压入流体的作用导致电信号的差异，找出在井筒周围的分布差异，就可以推算出压裂裂缝的方位及长度。依据王杏尊等（2001）检测研究结果（表2-1），晋试1-1井3＃煤储层的压裂裂缝半长为54m和73m，方位是北东80°对称。晋试1-5井3＃煤储层的压裂裂缝半长为51m和60m，方位仍然是北东80°对称。

表2-1　地面电位测试结果（王杏尊，2001）

就主要压裂裂缝方向而言，前人的研究结果与本区的实际观测结果相近，但是前人的预测裂缝长度与本次观测存在明显的偏差。之所以造成压裂裂缝比较短的主要原因如下：①在入井原始能量中，由于通道瓶颈效应所消耗的能量比例较大，所以有效能量比例大幅度降低。②原始裂缝形态与应力状态所决定的压裂液体具有比较复杂的流动轨迹。③预测裂缝依据的是电位信号，该信号可以粗略判定压裂液体波及的区域，但是它并不能准确断定支撑剂充填的确切位置。值得指出的是，晋试1-1井、晋试1-5井和CZ-24井的压裂设计与施工工艺几乎完全一样。对于压裂裂缝，尤其是有效支撑裂缝的几何尺寸方面，通过矿井解剖发现的结果与前人计算的结果具有较大的误差，因此基于矿井解剖观测等手段提出煤储层压裂裂缝延展的机制无疑具有重要的价值。