正斷層發育特征對煤層氣直井開發的影響
——以沁水盆地南部柿莊南區塊為例

韓文龍，王延斌，倪小明，李 勇，陶傳奇，劉振明，吳 翔

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083; 2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 3.遼寧石油化工大學 礦業工程學院，遼寧 撫順 113001; 4.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)

查明斷層對煤儲層含氣性、物性和工程實施的影響特征對實現煤層氣的高效開發具有重要的現實意義[1-2]。斷層活動過程中會造成煤層中氣體的逸散、應力釋放、孔裂隙發育，煤體破壞和煤粉產生，進而影響鉆井壓裂工程的實施，導致煤層氣井排采效果較差[3-4]。斷層性質、發育規模及上下盤等對煤層氣開發的影響特征存在差異，小規模的逆斷層具有良好的封閉條件，有利于氣體的保存和富集[5];規模較大斷層的影響特征趨于復雜，正斷層的上盤較下盤擾動范圍大，更容易造成氣體的逸散[6]。前人對斷層的研究多集中在斷層演化特征及成藏模式、斷層封閉性的定性評價及定量計算和斷層發育特征對產能的影響等方面[5-10];在有利區優選時多將較大的斷層作為邊界來考慮，同時對斷層附近煤層氣儲層參數特征進行了相應評價[2，11-12]。這些研究方法及成果在指導斷層發育區煤層氣開發起到了一定的作用，但在斷層對煤層氣開發的影響方面缺乏系統的認識，斷層的影響范圍及控產方式尚不明確。

為了查明斷層對煤層氣井產氣的影響特征，筆者以沁水盆地南部柿莊南區塊3號煤層為研究對象，采用定性與定量分析相結合的方法，對不同規模正斷層附近1 000 m范圍以內168口煤層氣直井的煤儲層含氣性、物性、工程實施效果和排采工作特征進行系統分析，揭示了正斷層對產氣影響的本質，采用灰色關聯法分析各因素的主次關系，得到正斷層的控產方式，以期為斷層發育區的煤層氣勘探開發提供借鑒。

1 地質概況

柿莊南區塊位于沁水盆地南部，區塊面積約為763.2 km2，截止目前完鉆井數1 400余口，已完成10億m3的產能建設。全區穩定發育的3號煤層為煤層氣主力開發煤層，厚度最小4.16 m，最大8.80 m，平均6.30 m，埋深515～1 682 m。自3號煤層形成后，共經歷了4期構造運動，分別為印支期近NS向擠壓應力、燕山期NWW—SEE向擠壓應力、喜山早期NWW—SEE向拉張應力以及喜山晚期NE—SW向擠壓應力。最終形成了北部以斷層為主和南部褶皺為主的構造特征(圖1)，斷層主要集中在北部地區(主要斷層特征見表1)，呈NS或NNE向展布，其中寺頭斷層為區域性大斷層，位于研究區中部[13]，該斷層于燕山期開始發育，成熟于喜馬拉雅早期[14]。其余較大的斷層為F7,F8,F9,F10,F11和F12，全部為正斷層，根據古應力場及斷層發育特征，表明上述斷層發育形成于喜馬拉雅早期。南部地層整體向西傾斜，以次一級褶皺構造為主，斷層不甚發育。

圖1 柿莊南區塊構造特征Fig.1 Structural characteristics of the Shizhuang south Block

表1 柿莊南區塊斷層要素Table 1 Fault elements in the south block of Shizhuang

2 正斷層對儲層特征的影響

2.1 含氣性

在距離正斷層較近的位置，含氣量普遍較低，如距離寺頭斷層上盤55 m的SZ-273井和下盤40 m的SZ-133井，含氣量僅為10.6和7.6 m3/t，并以該斷層為界，煤層含氣量由分界處向兩端逐漸增加，如距離寺頭斷層上盤841 m的SZ-828井和下盤630 m的SZ-81井，含氣量為16.01和19.21 m3/t。由圖2可知，在正斷層兩側一定范圍內，隨著距離的增加，含氣量不斷增大;超過一定的范圍，斷層活動對含氣量的影響程度較弱，含氣量變化較小。說明斷層的擾動程度隨著距離的增加不斷減弱，并且存在明顯的界線。

圖2 距斷層距離與含氣量關系Fig.2 Relation between distance from fault and the gas content

以含氣量15 m3/t為界劃定影響范圍，由圖2可知，寺頭斷層的影響范圍要大于F11斷層，其中寺頭斷層延展長度為23.2 km，最大斷距為240 m，F11斷層延展長度為8.2 km，最大斷距為180 m，表明斷層影響范圍和斷層規模呈正相關關系。從影響程度上來看，規模越大，斷層對煤層氣的破壞程度越高。將斷層上下盤分開來看，斷層上盤對含氣量的影響距離要大于下盤，這是由于正斷層上盤為斷層形成過程中的主動盤，沿斷層面的剪應力大于下盤，使得斷層上盤煤層的破碎程度較高，對煤層氣含氣量的賦存的影響也相之較遠。

研究區以正斷層為主，并以地塹和地壘的組合形式存在。以圖1中A—A′剖面為例，對典型組合樣式周圍煤層氣井含氣量變化規律分析(圖3，剖面位置如圖1所示)發現，斷層附近的含氣量明顯低于柿莊區塊含氣量平均值，并且地塹部位井的含氣量高于地壘部位井的含氣量值，如SZ-61井的含氣量為13.8 m3/t，而位于地壘部位的SZ-102井和SZ-60井的含氣量稍微降低，分別為12.03和11.85 m3/t，稍遠位置距離的SZ-98井和SZ-67井，含氣量值又有一定程度的上升，說明在斷層的影響范圍內，地塹下降盤的含氣量相對較高，這與拉張過程中的受力特征以及下降盤的埋深較大對氣體起到了一定程度的保護作用有關。

圖3 A—A′剖面含氣量剖面示意Fig.3 Schematic diagram of the gas content profile of the A—A′ section

2.2 煤體結構

為了定量分析斷層對煤體結構的影響特征，將GSI定量表征引入本次研究。GSI巖體分類體系是由E.HOEK等提出的一種巖體分類方法[15]。基于巖石的構造特征和表面風化條件將其劃分為0～100不等的值(圖4)。首先觀察煤體的結構特征，將其劃分為原生結構煤(70～100)、碎裂結構煤(45～70)、碎粒結構煤(30～45)、糜棱結構(0～30)4類;再觀察煤巖的表面條件，但是由于煤層埋藏一般較深，傳統的用風化狀況來表征巖體表面質量狀況效果較差，因此采用裂隙寬度及充填情況進行煤體結構面的描述[16]。煤體表面質量越好、煤巖塊之間連接作用越強，表示煤體結構越完整，按其完整性分為非常好(90～100)、較好(80～90)、一般(65～80)、差(35～65)、很差(0～35)5種;最后根據其所處中斜線上的數值即GSI 取值，“N/A”表示在這個范圍內不適用。對取心井的煤體結構定量表征完成后，再利用測井信息擬合GSI的計算公式并對非取心井進行計算。

圖4 GSI 巖體分類系統Fig.4 GSI rock mass classification system

M=0.132GR-2.35CX-1.81CY-

2.48ln RD+224.15

(1)

式中,M為煤體結構GSI值;GR為自然伽馬，API;CX,CY為X,Y方向的井徑，cm;RD為深側向電阻率，Ω·m。

選取較有代表性的寺頭斷層和F12斷層，分析斷層規模以及上、下盤對煤體結構造成的影響。沿斷層面傾向分別在上下盤布置3條測線(測線位置如圖1所示)，根據柿莊區塊鉆井取心煤樣，建立斷層距離對煤體結構影響的量化關系(圖5)。在距F12斷層上盤250 m內，GSI值隨著斷層距離的增大急劇上升，隨后速度放緩直至趨于一個相對穩定的數值;正斷層上盤作為主動盤，控制范圍大于下盤，在距F12下盤200 m的距離內，GSI值上升速度較快;在寺頭斷層附近，GSI值的快速上升段為距上盤300 m的距離和下盤250 m的距離。總的來看，斷層對煤體結構的控制的強弱受斷層規模以及部位的影響。

圖5 GSI值與距斷層距離關系Fig.5 Relation of GSI and distance from the fault

2.3 裂隙發育特征

在7條正斷層附近大量鉆井數據與測井數據的基礎上，對煤樣孔裂隙發育特征進行測試和表征，由于孔隙度在全區離散性較差，因此選取鉆井取心煤樣統計計算得出的裂隙率來表征煤儲層裂隙發育程度。裂隙率是順著鉆進的方向在巖芯面測量每米巖芯裂隙的總寬度[17]，用全煤層段的平均值作為裂隙率的最終值。煤裂隙發育程度與距斷層距離呈負相關(圖6)，并且在一定范圍內，隨著距離的減小，裂隙率值大小發生大幅度提升，對于上盤來說，快速上升段分布在2倍斷距的位置，而下盤控制在1.5倍的位置附近。總得來說，上盤裂隙發育程度要優于下盤。

圖6 正斷層附近煤層裂隙發育程度Fig.6 Development degree of coal seam crack near normal fault

正斷層在構造應力的作用下形成，并在斷層面附近存在應力集中帶，位于該區域的煤層受應力集中作用的影響，發生明顯的變形破裂，力學強度大幅度降低，隨著距斷層距離的增大，應力作用強度也逐漸降低，其變形破裂也逐漸減弱，故煤巖的力學強度和裂隙發育狀況在平面上與距斷層距離呈負相關，并且上盤的裂隙發育率大于下盤。這與在正斷層斷裂面形成后，作為主動盤的上盤因重力作用而向下滑動而產生的次生應力，斷塊與斷面或內部小斷塊之間的相互作用而產生的局部應力有關。

此外，上述作用不僅會使上盤裂隙發育程度大于下盤，還會使裂隙性質發生轉化。在其作用下，斷層帶和其附近因脫空而產生的薄弱帶內的破裂面及與斷層平行的裂隙轉化為張扭、壓扭性裂隙，從而導致在斷層一定距離處的裂隙性質呈現出由張性到壓扭、張扭性裂隙再到張性的變化特征[17]。這些變化特征控制著斷層附近煤儲層的孔滲分布。

2.4 滲透率發育特征

基于試井滲透率和測井信息所建立的滲透率公式計算出斷層附近滲透率分布特征。由圖7可知，斷層附近煤儲層滲透率普遍偏低，一般<0.1×10-15m2，超過一定距離后滲透會明顯的改善，隨著距離的增加，滲透率逐漸恢復研究區平均水平(0.08×10-15～0.2×10-15m2)。分析認為，煤儲層原始滲透性主要取決于天然裂隙的發育程度和裂隙的張開度，由文獻[18]可知，正斷層周圍一般為張性裂縫，但其煤體結構較為破碎，因此滲透性較差;隨著距離的延長進而轉變為壓扭、張扭性裂隙，其張開度較低，滲透率同樣較低;到達一定的距離后，裂縫轉為張性時，加之煤體結構以碎裂煤為主，滲透性顯著提高;隨著距離的延長，斷層的影響逐漸消失。同時，滲透率變化特征與斷層的規模和所處上下盤同樣有關，斷層規模越大，滲透率低值范圍越大，且上盤大于下盤。

圖7 距斷層距離與滲透率關系Fig.7 Relation between distance from fault and permeability

3 正斷層對鉆壓工程的影響

3.1 井徑擴徑

斷層活動影響帶內，煤體結構較為破碎，加之應力擾動，所以在鉆井過程中極易發生井徑擴徑的現象[19]。柿莊區塊斷層附近井徑擴大率與煤體結構的關系如圖8所示，隨著煤體結構破碎程度的加劇，井徑擴大率也不斷地增大，但是井徑擴大率并非煤體結構的單一變量函數，同時受鉆井施工過程中的鉆壓、鉆速和泥漿密度等影響，所以只能對其變化趨勢進行推斷，無法具體到某一固定的變化范圍，相應地，可以建立斷層距離和井徑擴大率關系，分析斷層規模、部位的不同對其的影響。

圖8 典型煤體結構與井徑擴大率關系Fig.8 Relation between typical coal structure and hole enlargement ratio

基于測井資料計算的平均井徑擴大率，分析斷層對井徑擴徑的影響的特征。如圖9所示，寺頭斷層對井徑擴大率的影響以及控制范圍均大于F11斷層，且作為主動盤的上盤控制范圍大于下盤。根據行業規范，煤層段井徑擴大率>40%的井為不合格井，對于寺頭斷層，在上盤影響范圍內的煤層氣井不合格率約為42.11%，下盤約為33.33%;對于F11斷層，上盤影響范圍內的不合格率約為38.89%,下盤約為16.67%。

圖9 距斷層距離與井徑擴大率關系Fig.9 Relation between distance from fault and hole enlargement ratio

3.2 壓裂工程

斷層周圍一定距離內，裂隙發育程度呈規律性變化，裂隙的發育會影響破裂壓力，且斷層活動過程中產生的應力擾動，會形成應力釋放或應力集中帶，因此斷層對于破裂壓力同樣起到控制的作用。如圖10所示，寺頭斷層對破裂壓力的影響以及控制范圍均大于F11斷層，且作為主動盤的上盤控制范圍大于下盤。在控制范圍內的破裂壓力，隨著距斷層距離的減小，破裂壓力也呈現減小的趨勢，但并非簡單的線性關系，此現象由煤體結構、裂隙發育程度及地應力分布差異產生的。

圖10 距斷層距離與破裂壓力關系Fig.10 Relation between distance from fault and fracture pressure

根據壓裂施工過程中油壓變化，壓裂曲線可劃分為穩定型、下降型、上升型和波動型 4 種類型(圖11)，曲線形態一方面受控于儲層地質特征，另一方面能夠反映出壓裂效果[20-21]。理論上，穩定型和下降型曲線的壓裂改造效果較好，容易形成形態較為單一的壓裂裂縫，主縫延伸較長，能夠實現較好的排采效果;而上升型和波動型曲線的壓裂改造效果相對較差，多形成形態復雜的壓裂裂縫，主縫較短，且支縫較多，排采效果相對較差。斷層附近的壓裂曲線類型以波動型和下降型為主，隨著距離的增加，曲線形態趨于以穩定型和下降型曲線為主。斷層影響范圍內，寺頭斷層上下盤部位煤層氣井壓裂曲線中波動型占比分別為43%和52%(表2)，F11斷層上下盤中的均為56%，這與斷層對周圍裂隙發育程度的影響和斷層附近煤體結構較為破碎有關;部分壓裂曲線呈現出上升型的變化特征，占20%左右，穩定型曲線占比最少，均在15%以下。說明在斷層影響范圍內對壓裂施工效果的影響較大。

圖11 3號煤層典型壓裂曲線類型Fig.11 Classification of fracturing curves types of coal seam 3

表2 斷層附近壓裂曲線類型所占比例統計Table 2 Proportion of different fracturing curves near faults %

4 正斷層對排采的影響

以斷層附近排采時間4 a以上且較為連續的井作為研究對象[22]，其依據:① 4 a以上生產井的排采制度基本定型;② 保證所有井都已達到產氣高峰，并維持一定時間;③ 排采較為連續可消除停機事故對產氣特征的影響。

斷層對排采的影響同樣隨著距離的增加而逐漸減弱，斷層附近的產水量明顯高于研究區的平均水平，且表現出距離斷層越近產水量越大的特點(圖12)。大量外來水通過斷層擾動形成的裂縫或壓裂裂縫不斷補給煤層，導致排采過程中產水量偏高，且部分井日產水量持續(4 a)維持在10 m3以上。同時，斷層對煤層氣井產水的影響特征與規模和上下盤位置有關，與其他參數類似，寺頭斷層影響范圍大于F11斷層，斷層上盤大于下盤;與含氣量、煤體結構和井徑擴大率等參數相比，兩斷層上下盤對產水的影響范圍擴大80～150 m，導致該現象的原因與壓裂裂縫擴展有關。

圖12 距斷層距離與日產水量關系Fig.12 Relation between distance from fault and daily water production

如圖13所示，在距離斷層較近的煤層，產氣量較低，一方面由于裂隙發育程度較高，煤層氣逸散逃離導致含氣量降低，另一方面則是由溝通含水層導致降壓漏斗擴展受限所引起的解吸困難;隨著距離的增加，斷層的影響表現為提高儲層的滲透性，產氣量逐漸上升;在斷層影響范圍之外的煤層，儲層的物性特征、煤體結構以及含氣性等特征恢復至區域正常水平，產氣量變化特征不顯著。同時，斷層附近存在若干口排采3 a以上只產水不產氣的井(不見氣井)，分析認為，首先，斷層活動造成含氣量較低，進而表現出較低的臨界解吸壓力，排采過程需要降低較大的儲層壓力氣體才能解吸;其次，斷層附近，煤體結構較為破碎、應力擾動較大，影響壓裂施工效果，導致煤層氣井產氣產液通道較差;并且斷層導致裂隙頂底板溝通含水層，排采過程中產水量大，降壓漏斗擴展困難。較低的臨界解吸壓力、較破碎的煤體結構和外來水的補給導致儲層壓力難以降低到解吸壓力以下，進而煤層氣井表現出只產水不產氣。

圖13 距斷層距離與日產氣量關系Fig.13 Relation diagram between distance from fault and daily gas production

5 正斷層影響下產氣量主控因素

影響煤層氣井產氣的因素大致可劃分為地質因素、工程因素以及排采因素3個方面[23-24]，其中地質因素又包括煤層厚度、煤體結構、儲層物性特征、地質構造條件以及煤層含氣性等因素;工程因素方面，則主要有井距、井網類型、井型、煤層破裂壓力、壓裂液量以及砂比等;排采因素主要包括井底流壓、日產水量、排采制度等。本文主要探究斷層構造控制下影響產能的因素，因此選取與斷層密切相關的因素，在各參數與產氣之間的相互關系分析的基礎上，采用灰色關聯法來確定各因素的主次等級。基于前文分析，選取含氣量、滲透率、煤體結構、井徑擴大率、破裂壓力和日產水量6個參數進行分析，其中煤體結構通過GSI值來進行表征。計算步驟如下:

(1)確定比較序列和參數序列。此次參考序列為柿莊地區寺頭斷層和F11斷層影響范圍內的50口煤層氣井穩定階段的平均日產氣量;比較序列為這50口井所對應的上述6個參數。

(2)參數無量綱化和歸一化處理。由于各評價指標物理意義，數值范圍以及單位不同，在計算前，需事先對數據進行預處理來消除參數之間的量綱影響，使之產生可用于分析的無量綱的歸一化數據。

(3)確定關聯系數。設參考序列為{Xi(n)}，比較序列為{Y(n)},其中i的變化范圍為1～8，n的變化范圍為1～50。當n=k時，參考數列表示為{Xi(k)}，比較序列表示為{Y(k)}，且二者的關聯系數εi(k)通過以下公式進行計算:

(2)

式中,Δi(max)與Δi(min)分別為參考序列和比較序列差的絕對值的最大值和最小值;Δi(k)為當n=k時的二者差的絕對值，即Δi(k)=|Y(k)-Xi[k]|;m為分辨系數，通常為0.5。

(4)計算關聯度。即計算比較序列與參考序列在不同點的關聯系數的平均值，并通過以下公式進行計算:

(3)

根據式(3)計算出各個參數與日產氣量的關聯程度，并按大小關系對其進行排序。由表2可知，斷層控制下的產能影響因素主次關系為:滲透率>含氣量>日產水量>煤體結構>破裂壓力>井徑擴大率。

由灰色關聯分析評價的結果，可以得出滲透率是在正斷層控制下影響煤層產氣的主控因素。分析認為，滲透性決定了儲層中氣液運移的難易程度，進而影響產氣量大小;柿莊區塊3號煤變質程度較高，基質孔隙滲透性較差，儲層裂隙發育程度決定了煤儲層滲透率的大小，斷層活動在一定程度上控制了其附近裂隙的發育特征。含氣量作為表征資源豐度的基礎數據，是煤層氣井高產的基礎，斷層活動過程引起氣體逸散程度不同，進而影響含氣量大小，造成斷層附近的產氣差異較大。日產水量則主要表征的是正斷層溝通含水層與否，一般情況，正斷層附近日產水量處于較高的水平，在一定程度抑制煤層氣的產出;煤體的破壞程度影響著煤粉的產出和壓裂施工效果，進而造成產氣存在一定的差異。破裂壓力和井徑擴大率對產氣量的影響較小，這是由于破裂壓力并不能完全表征壓裂效果的好壞，而井徑擴大率的大小主要控制井壁的穩定性，造成頻繁的修井，進而影響排采的連續性。

表3 灰色關聯分析評價Table 3 Analysis and evaluation based on grey correlation

綜上所述，正斷層對于柿莊區塊產氣量的影響主要通過控制滲透率、含氣量以及日產水量來實現。在進行斷層影響范圍內的煤層氣開發時，可優先考慮滲透率、含氣量以及是否溝通含水層等因素，來實現高效開發。

6 結 論

(1)正斷層對儲層特征的影響存在一定的距離范圍，該范圍的大小與斷層上下盤、規模和組合形式有關，正斷層上盤的影響范圍大于下盤，區域性大斷層上盤300 m、下盤250 m范圍內對儲層特征控制明顯，區內較大斷層上盤250 m、下盤200 m范圍內對儲層特征控制明顯，地塹地區的含氣量明顯高于地壘部分。

(2)正斷層附近，井徑擴大率較大，破裂壓力較低，且壓裂曲線形態多變，隨著距離的增大，這些現象逐漸減弱;產水量普遍高于研究區平均水平，產氣量隨著距離的增加呈現出逐漸增高的趨勢。

(3)正斷層主要通過影響含氣量、滲透率以及地下水的補給來影響煤層氣井產氣量，若要實現斷層附近煤層氣的高效開采，應優先關注這些參數是否異常。