高阶煤煤层气储层裂缝发育程度及渗透性定量评价

杜敬国，蒋建勋，霍征光，沈云波

（1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；3.中石油长庆油田第二采油厂，甘肃 庆阳 745199；4.中石油长庆油田分公司气田开发处，陕西 西安 710018）

煤储层基质渗透率极低[1]，但割理、裂缝发育，非均质性强，对煤层气井压裂、排采均有重要的影响。目前许多学者对砂岩尤其是泥页岩的裂缝类型、发育程度、表征方法等进行了研究，赖锦等研究了砂岩储层裂缝测井识别方法[2]，商琳等研究了砂泥岩互层裂缝发育特征[3]，冯建伟等研究了应力场对砂岩裂缝发育程度的影响[4]。王濡岳等、王艿川等研究了页岩裂缝发育特征与主控因素[5-6]，岳锋等研究了页岩裂缝及其分布控制因素[7]。部分学者对煤层气储层裂缝发育特征进行了研究，蓝宝锋等研究了煤储层的孔隙和微裂缝发育特征[8]，张建勋等研究了构造对煤岩孔隙、裂隙结构的影响[9]，尹帅等研究了沁水盆地南部地区山西组煤系地层裂缝发育特征对含气量的影响[10]，但对煤岩储层裂缝发育程度定及裂缝渗透性定量表征方面研究较少。通过扫描电镜室内实验，描述煤岩裂缝发育形态，定量描述裂缝长度、宽度、高度、密度等参数，建立了裂缝渗透性定量评价指标并研究了其影响因素，为煤层气储层裂缝定量评价提供借鉴。

1 实验样品及方法

1）样品选择。实验取3#煤样4块，埋深在515.5～518.2 m 之间，渗透率分布在 0.03×10-15～0.11×10-15m2之间；15#煤样3块，埋深在600.7～630.9 m之间，渗透率分布在 0.035×10-15～0.3×10-15m2之间。

2）实验方法。扫描电镜能够有效描述煤岩裂缝发育[11]，对煤岩样品开展扫描电镜（SEM）试验，观察煤岩裂缝发育情况，遵照MT/T 968—2005《煤裂隙描述方法》开展煤岩裂缝长度、宽度、高度、密度定量描述，煤岩裂缝扫描电镜图片如图1；遵照GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》测定煤样镜质体反射率。

图1 煤岩裂缝扫描电镜图片

2 实验结果

2.1 裂缝产状

煤岩裂缝产状可以通过扫描电镜直接观察和定量描述，通过对实验煤样裂缝产状进行统计分析。

区域最大水平主应力方向为北东向，因此煤岩裂缝优势发育方向为北东向，但局部构造复杂区域发育北西向或近东西向裂缝，裂缝局部被黏土矿物或方解石填充。图1（a）和图1（b）煤岩均发育北东向裂缝，图 1（a）裂缝局部被矿物充填，而图 1（b）裂缝张开未被填充，裂缝宽度2～3 μm。该区域煤岩往往发育以北东向为主的平行裂缝组，偶见北西向斜交裂缝。图1（c）发育1组北东向平行裂缝，局部发育微小北西向裂缝。图1（d）发育1组近东西向平行裂缝，裂缝密度局部较大，非均质性较强。

另外，该区还局部发育交叉裂缝和曲折裂缝（图1（e）和图 1（f）），图 1（e）为斜交裂缝，2 条裂缝均为北东向，夹角较小，局部被黏土矿物充填；图1（f）基本为直交缝，主缝近南北向，支缝近东西向，夹角接近90°，局部被黏土矿物充填。

2.2 裂缝尺寸及密度

通过扫描电镜图片，从裂隙长度、高度、宽度和密度等4个方面定量统计煤岩样品主裂缝、次裂缝发育情况，煤岩样品裂缝数据统计见表1，样品主裂缝长度均值分布在 0.16～0.55 cm 之间，高度均值分布在 0.2～0.57 cm 之间，宽度均值分布在 6～14 μm之间，密度均值分布在 4.9～15.7 条/cm 之间；次裂缝长度均值分布在 0.14～0.77 cm 之间，高度均值分布在 0.17～0.54 cm 之间，宽度均值分布在 4～9 μm 之间，密度均值分布在 1.4～5.4 条/cm 之间。可见，主、次裂缝长度和高度基本相似，次裂缝宽度和密度值明显低于主裂缝。

表1 煤岩样品裂缝数据统计

3 裂缝渗透指数计算方法及意义

3.1 裂缝渗透指数

煤岩基质孔隙渗透率极低，其渗透性主要取决于裂缝发育程度，受裂缝长度、高度、宽度和密度的综合影响，其中裂缝宽度是最主要因素[12]，因此可以通过单位距离中煤岩裂缝的总宽度所占比例来表征煤岩渗透性，将其定义为裂缝渗透指数：

式中：Fper为裂缝渗透指数，无量纲量；wi为第i条裂缝的宽度，μm；l为观测长度，cm；waz、wac分别为主、次裂缝平均宽度，μm；Dfz、Dfc分别为主、次裂缝密度，条/cm。

根据式（1）计算表1中煤岩样品的裂缝渗透指数，由表1可知，裂缝渗透指数分布在51.0～161.6之间，差异较大。煤样裂缝渗透指数与渗透率关系如图2，煤样渗透率与裂缝渗透指数成指数关系，即煤样渗透率随裂缝渗透指数增加而增加，表明裂缝渗透指数能够有效表征煤层的渗透性。

3.2 裂缝渗透指数对产量影响

裂缝渗透指数与日产气量关系如图3。

裂缝指数分布在90～322之间，日产气量分布在1 000～5 200 m3之间，日产气量随裂缝渗透指数的增加而增加。当裂缝渗透指数大于150时，日产气量均在3 000 m3以上，为煤层气开发有利区；当裂缝渗透指数小于100时，日产气量以小于1 500 m3为主，需要采用水平井分段压裂工艺改善开发效果。

图2 裂缝渗透指数与渗透率关系

图3 裂缝渗透指数与日产气量关系

4 结论

1）该区域煤岩裂缝优势发育方向为北东向，但局部构造复杂区发育北西向或近东西向裂缝，裂缝局部被黏土矿物或方解石填充，裂缝组以北东向平行裂缝为主，偶见北西向斜交裂缝，局部发育交叉裂缝和曲折裂缝。

2）可以通过扫描电镜从裂隙长度、高度、宽度和密度4个方面定量描述煤岩样品主、次裂缝发育情况，研究区块煤岩主、次裂缝长度和高度基本相似，次裂缝宽度和密度值明显低于主裂缝。煤岩渗透性主要取决于裂缝宽度，通过裂缝渗透指数即单位距离煤岩裂缝的总宽度所占比例来表征煤岩渗透性切实可行，煤样渗透率随裂缝渗透指数增加而增加。

3）日产气量随裂缝渗透指数的增加而增加。当裂缝渗透指数大于150时，日产气量均在3 000 m3以上，为煤层气开发有利区；当裂缝渗透指数小于100时，日产气量以小于1 500 m3为主，需要采用水平井分段压裂工艺改善开发效果。