大宁-吉县区块8号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧地球科学与勘查收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：中国石油煤层气有限责任公司重大科技项目（）作者简介：田丰华（），男，湖北宜昌人，高级工程师，博士，年毕业于中国石油大学（北京），研究方向为油气成藏。引用格式：田丰华，李小刚，朱文涛，等 大宁吉县区块 号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选 能源与环保，（）：，（）：大宁吉县区块 号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选田丰华，李小刚，朱文涛，何睿，陈国辉（中石油煤层气有限责任公司勘探开发建设分公司，陕西 西安 ；北京润泽创新科技有限公司，北京 ）摘要：煤岩储层具有典型的双重孔隙结构，裂缝的发育影响煤层气储集、扩散和渗流，也是煤岩储层压裂改造评价的一项重要参考。目前研究裂缝的常规方法在岩心裂缝三维精细表征上均有不足，采用全直径 扫描技术对大宁吉县区块 口井煤岩裂缝进行精细三维刻画。测试结果表明，研究区太原组中浅层 号煤岩和深层 号煤岩裂缝特征差异明显，中浅层煤岩裂缝更发育，深层煤岩裂缝充填率更高。中浅层煤岩平均总裂缝率 ，裂缝充填率 ，常见高角度缝和水平缝，深层煤岩平均总裂缝率 ，裂缝充填率达到 ，端割理发育且多被矿物充填，在三维形态上呈复杂的网状。通过多维度定量化参数对研究区煤岩储层裂缝进行评价，划分了 个级别，为单井煤岩压裂段优选提供有利依据，现场应用于 井压裂试气，取得了良好的效果。研究成果可为下一步区内井位试气选层和实施不同层位勘探开发方案提供技术支撑。关键词：煤层气；裂缝；全直径 扫描；压裂段优选；二值化处理中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，年第 期田丰华，等：大宁吉县区块 号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选第 卷 ：；煤层气作为非常规天然气是我国油气产能转型重要的支柱之一，截至 年底，全国累计探明煤层气地质储量 亿，探明率约 ，累计煤层气产量 亿，动用率约 ，加快煤层气勘探和开发对于实现“双碳”目标具有长远意义。煤岩储层具有典型的双重孔隙结构，可以划分为基质孔隙和裂缝。裂缝直接影响着煤层气储集、扩散和渗流，其发育特征和分布规律是决定煤层含气量和渗透性的关键参数 ，也是煤岩储层压裂改造评价的一项重要参考。通过储层压裂改造技术形成大规模缝网是煤层气效益开发的有效手段，目前煤层气大规模压裂工艺主要是借鉴页岩气开发，而基于煤层气精细裂缝地质模型和压裂参数设计方案尚未建立，还难以满足煤层气大规模效益开发的需求。需要进一步对煤岩裂缝进行三维定量表征，建立精细裂缝地质模型，指导压裂工程设计 。目前研究裂缝主要采用地震、测井和实验法，地震方法受精度限制能够识别的裂缝大多为地质尺度的裂缝或裂缝发育带，测井方法对微小裂缝响应微弱 ，常见的实验法有铸体薄片法、扫描电镜法、压汞法、核磁共振法等 ，但都无法对直径 的岩心进行三维定量表征。此前学者应用微米 主要是对直径 的柱塞样品进行分析 ，而用于全直径 扫描实验的岩心直径为 ，扫描精度达到 ，扫描成果不仅能够反映岩心密度分布、裂缝形态特征，而且能够对裂缝精细定量表征。本文以大宁吉县区块为例，对全直径 扫描的煤岩裂缝三维定量表征及压裂段优选进行论述，对比中浅层和深层 号煤岩储层裂缝差异，研究成果为下一步区内井位压裂试气工程甜点选择和实施不同层位勘探开发方案提供技术支撑。区域概况大宁吉县区块位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南端与伊陕斜坡东南缘如图 所示，整体构造特征为走向 、向 缓倾的单斜构造，含煤地层主要为上古生界石炭二叠系，沉积环境由海陆交互相转为陆相。其中，山西组 号煤层和太原组 号煤层为主体开发煤层 ，太原组 号煤宏观煤岩类型以光亮煤和半暗煤为主，煤演化程度高，平均 。煤层厚度 ，煤层面积大、厚度大、分布广、煤层气资源富集，但酸化压裂后产能差异大，裂缝割理系统的差异是影响其中的一个重要因素。研究区内目前共试采了 余口井，平均单井产气量 ，平均解吸压力 。太原组 号煤在区块中部和西北部埋深超过 ，属于深层煤层气资源 ，在区块东南部埋深相对较浅（埋深小于 ），属于中浅层煤层气资源，构造位置和埋深的不同煤岩储层也有差异 。图 研究区构造位置 实验设备全直径 即螺旋 ，最早应用于医学领域，是在设备扫描的同时，被扫描物随扫描床匀速线性运动，线管球和探测器组围绕被测物作快速连续的 旋转，同时探测器组连续采集数据 。近年来，全直径 扫描技术在石油地质研究应用中日益增加，具有无损、可视化、大尺度的特点，是定量表征和评价岩心裂缝的一种有效方法，特别适用于直径 的完整岩心。本次实验采用设备为多能谱全直径 扫描仪（），仪器参数：扫描电压 ；扫描层数 层；横向分辨率 ，纵向分辨率 ；岩心连续扫描长度 次；可扫描岩心直径 。实验样品为鄂尔多斯盆地大宁吉县区块 口井太原组 号煤，其中中部深层 号煤井 口（、），东南部中浅层 号煤井 口（、），扫描段为太原组 号煤全段。年第 期能源与环保第 卷 研究区煤岩裂缝三维定量表征 煤岩裂缝发育特征全直径 扫描成果图为灰度图像，灰度值高低反映扫描岩心的密度，密度低的煤岩在灰度图像上呈黑褐色，密度高的碳酸盐矿物、黄铁矿灰度图像呈灰白色、亮白色，未被充填的裂缝在灰度图像上呈暗黑色（图 ）。图 井中浅层 号煤全直径 扫描 大宁吉县区块太原组 号煤裂缝割理系统发育，从全直径 扫描成果图观察，研究区中浅层 号煤煤体结构以碎裂、碎粒结构为主，纵截面上可见多条高角度缝、垂直缝和水平缝，高角度缝纵向上呈树枝分叉状，延伸较远、连续性较好。横切面上可见裂缝呈线状和曲折状分布，部分裂缝相互平行，被矿物充填较少，三维形态上多呈连片状（图 ）。研究区深层 号煤以柱状、块状的原生结构为主，整体结构形态更为完整，纵截面上可见端割理发育，垂直于层面展布，且大都被矿物充填，横切面上可见裂缝割理相互曲折交叉，在三维形态上呈复杂的网状（图 ）。图 井深层 号煤全直径 扫描 年第 期田丰华，等：大宁吉县区块 号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选第 卷通过对研究区 口实验井 号煤扫描电镜测试观察，煤岩裂缝被矿物充填较多，能谱分析测试结果表明，裂缝充填矿物多为高岭石、方解石等可溶性矿物（图 ）。充填的裂缝对于煤层气开采也具有一定意义，在煤岩酸化压裂过程中，注入的酸液能够对裂缝中可溶性矿物进行溶蚀，促进裂缝纵横向伸展。图 研究区 号煤裂缝发育扫描电镜及能谱分析 煤岩裂缝定量表征 裂缝提取及建模通过全直径 扫描获取煤岩灰度图像数据体，利用专业数字岩心分析软件 进行岩心三维重构建模。根据裂缝、煤岩、无机矿物等在灰度值上的差异，选择合适的灰度阈值来分割扫描数据体中的裂缝，随后进行二值化处理，再对裂缝进行提取，建立裂缝模型（图 ），进而计算裂缝几何参数。图 研究区 号煤全直径 扫描裂缝三维模型 裂缝定量参数表征定量化参数计算是全直径 扫描的优势，能够精细表征煤岩储层裂缝密度、长度、宽度等参数数据。通过扫描生成的单井裂缝率曲线，可对单井裂缝特征进行整体评价。裂缝率可用扫描横截面中裂缝面积占横截面总面积的比例表示，公式如下：式中，为单个深度点裂缝率；为单个深度点裂缝灰度图像面积；为岩心单个深度点横截面总面积。值越高说明裂缝占比越高，裂缝越发育。根据裂缝充填灰度差异，可将裂缝率曲线划分为有效裂缝率曲线和总裂缝率曲线。有效裂缝率即未被矿物充填的裂缝率，总裂缝率为充填和未充填裂缝之和的裂缝率（图 ）。研究区 口井太原组 号煤岩段扫描计算得到各井煤岩储层裂缝参数见表 。年第 期能源与环保第 卷图 研究区 号煤岩井裂缝率曲线 表 研究区单井 号煤岩段全直径 扫描裂缝参数 井位平均裂缝密度（条 ）裂缝宽度范围 平均有效裂缝率 平均总裂缝率 裂缝充填率 层位 中浅层 中浅层 中浅层 中浅层 深层 深层 深层 深层 深层 年第 期田丰华，等：大宁吉县区块 号煤裂缝三维特征评价及压裂段优选第 卷虽然 口实验井段同属大宁吉县区块太原组号煤，但中浅层与深层裂缝特征差异明显。从裂缝发育的尺度和规模上看，口中浅层 号煤岩井裂缝平均密度 条 ，裂缝平均宽度为 ，口深层 号煤岩井裂缝平均密度 条 ，裂缝平均宽度为 。中浅层煤岩裂缝密度更高，裂缝平均宽度更大。对比 口井裂缝率，中浅层 号煤岩井平均总裂缝率 ，平均有效裂缝率 ，平均裂缝充填率 ，而深层 号煤岩井平均总裂缝率 ，平均有效裂缝率 ，平均裂缝充填率达到 。中浅层煤岩平均裂缝率优于深层，但深层裂缝被矿物充填比例更高。整体而言，浅层 号煤裂缝更为发育，针对中浅层和深层煤岩储层裂缝的差异性，可从裂缝特征入手，寻找对比不同层位开发效果差异的不同点，从而指导勘探目标选取和压裂方式调整。如深层 号煤在储层压裂改造过程中，针对充填矿物比例高的特点，可考虑大规模体积酸化压裂且加大用酸量，对裂缝中充填的高岭石、方解石等可溶性矿物进行大量溶蚀，以增加储层改造规模和效果。研究区单井煤岩段压裂段优选根据 口实验井整体裂缝发育特征结合区块资料 ，选用多维度定量化参数建立研究区全直径 煤岩储层裂缝评价级别（表 ）。其中，类煤岩裂缝最为发育，裂缝密度高、平均裂缝宽度大，平均总裂缝率大于，是煤层气从吸附态解吸为游离态后有利的存储空间，游离气富集，易形成高产；类煤岩裂缝较发育，裂缝密度和平均裂缝宽度中等，平均总裂缝率 ；类煤岩裂缝欠发育，裂缝密度和平均裂缝宽度较低，平均总裂缝率小于。表 研究区全直径 煤岩储层裂缝评价级别 裂缝级别裂缝密度（条 ）平均裂缝宽度 平均有效裂缝率 平均总裂缝率 裂缝充填率 裂缝发育程度类 发育类 较发育类 欠发育裂隙参数是煤岩储层压裂改造评价的一项重要参考，类煤岩裂缝在工程上更有助于煤储层压裂改造，可加大天然裂缝与人工裂缝的连通，从而为煤层气提供良好的运移通道，将上述研究成果结合三类级别储层的单井空间分布，确定压裂段的优选，为单井煤岩储层工程“甜点”选择提供有利依据。以研究区 井深层 号煤岩储层为例，号煤岩段全直径 扫描压裂选层应用如图 所示。井上部煤岩段裂缝发育（图 （），裂缝率较高，平均总裂缝率 ，平均有效裂缝率 ，裂缝充填率 ，储层裂缝级别以类和类为主，尤其是 段裂缝率曲线多呈尖峰状，最高值超过 ，说明该段水平裂缝发育，有利于气体聚集及压裂改造。对比下部层段（图（），裂缝率曲线相对平缓，裂缝发育较少被充填较多，平均总裂缝率 ，平均有效裂缝 率 ，储层裂缝级别以类和类为主。现场试气结合地质甜点位最终选择了上部层段 跨灰岩顶板进行压裂，采用大规模体积酸压的方式沟通形成缝网。井压裂取得了良好的效果，试气初期日产气 ，稳定后日产气 ，且该井在生产上具有产水少、见气早、增长快的特点，表明压裂层段具有游离气的典型特征，游离气资源丰富，储层裂缝的发育正是游离气存储的空间和渗流的通道。结论（）利用全直径 扫描技术手段对研究区太原组 号煤岩储层裂缝割理系统进行精细三维刻画，中浅层 号煤常见高角度缝和水平缝，深层 号煤端割理发育且多被矿物充填，在三维形态上呈复杂的网状。（）中浅层 号煤平均裂缝率优于深层，深层 号煤裂缝充填率更高。中浅层 号煤岩井平均总裂缝率 ，平均裂缝充填率 ，而深层 号煤岩井平均总裂缝率 ，平均裂缝充填率达到 。（）建立了研究区全直径 煤岩储层裂缝评价 个级别，为单井煤岩储层压裂工程甜点选择提供 有利依据。现场应用于 井 号煤上部层段 跨灰岩顶板进行压裂，取得了良好的效果。年第 期能源与环保第 卷图 井 号煤岩段全直径 扫描压裂选层应用 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多层螺旋 三维成像技术岩心裂缝观测 ，断块油气田，（）：，（）：李勇，许卫凯，高计县，等“源储输导系统”联控煤系气富集成藏机制 以鄂尔多斯盆地东缘为例 煤炭学报，（）：，：，（）：王成旺，甄怀宾，陈高杰，等 大宁吉县区块深部 号煤储层特征及可压裂性评价 中国煤炭地质，（）：，（）：