地應(yīng)力場特征及其對煤儲層壓力和滲透率的影響研究

孟貴希

（華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210011）

地應(yīng)力場特征及其對煤儲層壓力和滲透率的影響研究

孟貴希

（華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210011）

通過對鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊和沁水盆地和順區(qū)塊31口煤層氣井試井資料分析，將含煤區(qū)塊分為伸張型應(yīng)力場和擠壓型應(yīng)力場，針對兩種應(yīng)力場背景下儲層壓力和滲透率與地應(yīng)力的關(guān)系，以及最小水平主應(yīng)力對滲透率的控制作用機理，提出地應(yīng)力研究在煤層氣選區(qū)評價的指導(dǎo)作用：繼承型原型盆地穩(wěn)定抬升，多以拉伸應(yīng)力場為主，應(yīng)力場較有利；殘留型盆地構(gòu)造運動較劇烈，多以擠壓應(yīng)力場為主，應(yīng)力場相對較不利。通過將貴州省織納煤田織金區(qū)塊、安徽省淮南礦區(qū)、貴州省亦資孔盆地紅果區(qū)塊、華北盆地平頂山區(qū)塊的地應(yīng)力資料分別與開發(fā)試驗區(qū)塊的地應(yīng)力資料進行對比，提出建議，即：貴州省織納煤田織金區(qū)塊和安徽省兩淮煤田的淮南礦區(qū)部分最小水平主應(yīng)力較小區(qū)值得進一步勘探；貴州省亦資孔盆地紅果區(qū)塊和華北盆地平頂山區(qū)塊以擠壓型應(yīng)力場為主，最小水平主應(yīng)力高，勘探風(fēng)險高，不建議投入勘探工作量。

煤層；地應(yīng)力特征；擠壓型；伸張型；滲透率；儲層壓力

0 引言

國外學(xué)者對于煤層氣勘探開發(fā)中的地應(yīng)力研究較早，澳大利亞學(xué)者Enever JR與Horner DM在1989年撰文論證了原地應(yīng)力是影響澳大利亞含煤盆地水力壓裂效果的關(guān)鍵因素[1]。Enever（1994）進一步指出:澳大利亞尋求煤層氣商業(yè)開發(fā)要應(yīng)用原地應(yīng)力研究尋找滲透相對較高地段[2]。

美國黑勇士盆地煤層氣高產(chǎn)區(qū)與煤儲層原地最小主應(yīng)力有著較好的相關(guān)關(guān)系，其中Oak Grove氣田迪姆地區(qū)煤層氣產(chǎn)量≥2265 m3/d的井的原地主應(yīng)力＜6.2 MPa，Cedar Cove氣田克林地區(qū)產(chǎn)量≥2832 m3/d的井也分布在原地主應(yīng)力＜15.5 MPa的相對低值區(qū)[3]。

中國石化華東油氣分公司在煤層氣勘探開發(fā)的過程中，逐步發(fā)現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)重點高階煤區(qū)塊鄂爾多斯盆地延川南、沁水盆地和順（圖1）等煤層氣資源較豐富，有利目標(biāo)區(qū)基本明確，但區(qū)塊內(nèi)煤儲層所承受的原地主應(yīng)力相對國外含煤盆地整體比較大（10～40 MPa）。美國黑勇士盆地水平最小應(yīng)力值一般為1～16 MPa，少數(shù)達15.5 MPa；澳大利亞東部悉尼盆地、鮑恩盆地為1～10 MPa，少數(shù)達14 MPa[3]。為充分利用煤層氣井試井和壓裂數(shù)據(jù)，本文結(jié)合構(gòu)造特征、產(chǎn)量數(shù)據(jù)等資料，探索不同地應(yīng)力場類型下主應(yīng)力對儲層壓力和滲透性的影響、及其在選區(qū)和目標(biāo)評價的應(yīng)用。

圖1 研究區(qū)位置圖Figure 1 Study area location

1 煤層地應(yīng)力場特征

1.1 現(xiàn)今地應(yīng)力測量及計算方法

在煤層氣勘探與開發(fā)中，針對煤儲層試井測試或水力壓裂中采用水壓致裂法測量獲取了煤層的破裂壓力、閉合壓力及儲層壓力等參數(shù)，結(jié)合實驗室煤巖力學(xué)測試結(jié)果，可以由以下公式可獲得三個方向的應(yīng)力值。

在豎直鉆孔中測量原地應(yīng)力時，設(shè)最大、最小水平主應(yīng)力分別為 σhmax和 σhmin（即 σ1=σhmax，σ2=σhmin），鉆孔周圍巖石的抗張強度為T，巖石孔隙壓力為P0，封隔孔段，注水增壓到破裂壓裂Pf使孔壁破裂，此時存在下述關(guān)系：

孔壁破裂后，若繼續(xù)注液且增大壓力，則裂縫將向縱深擴展，若停止注液增壓，并保持壓裂回路密閉，則裂縫立即停止延伸，趨于閉合。當(dāng)達到剛剛保持裂縫張開時的平衡壓力叫做瞬時關(guān)閉壓力Pc，它等于垂直于裂縫面的最小水平主應(yīng)力，即：

如果再次對封隔段注液增壓，使破裂重新張開，則可得到破裂重新張開時的壓力Pr。由于這時巖石已經(jīng)破裂，所以抗張強度T=0，由Pf變?yōu)椋?/p>

由（1）、（2）和（3）可得：

最大水平主應(yīng)力σH為：

垂向應(yīng)力可據(jù)上覆巖石的重力計算。

式中γ為巖石容重（kN/m3），H為上覆巖體的厚度或埋深（m）。

1.2 現(xiàn)今地應(yīng)力場特征

在鉆井水力壓裂法和力學(xué)模型計算獲得煤層地應(yīng)力值后，一般采用系數(shù)λ（λ=σH/συ）對地應(yīng)力場進行分類，λ＜1表明，最大水平主應(yīng)力小于垂向應(yīng)力，煤層總體以垂向上壓應(yīng)力為主，水平方向則以拉伸應(yīng)力為主，具有大地靜力場特征；若λ＞1，最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，煤層總體以水平向上壓應(yīng)力為主，具擠壓型應(yīng)力場特征；若λ≈1，則地應(yīng)力場接近靜水壓力場。

圖2 延川南區(qū)塊地應(yīng)力與埋深分布關(guān)系圖Figure 2 Relationship between ground stress and buried depth distribution in Yanchuan south block

延川南區(qū)塊二疊系山西組2號煤層20口井地應(yīng)力計算結(jié)果：2號煤層最大水平主應(yīng)力9.96～37.63 MPa，平均為21.93 MPa；垂直應(yīng)力24.1～40.5 MPa，平均為30.6 MPa（圖2）；其中17口井垂直應(yīng)力大于水平主應(yīng)力，其余3口井因局部構(gòu)造應(yīng)力集中且地震解釋井附近逆斷層發(fā)育，水平最大主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值λ系數(shù)0.41～1.19，平均為0.72（圖3），表明延川南區(qū)塊2號煤層垂直應(yīng)力總體上大于最大水平主應(yīng)力，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為伸張帶，具有大地靜力場型特征，這種應(yīng)力狀態(tài)有利于正斷層活動和裂縫保持開啟狀態(tài)。

和順區(qū)塊石炭系太原組15號煤層11口井地應(yīng)力計算結(jié)果：太原組15號煤層最大水平主應(yīng)力17.42～36.69 MPa，平均為24.92 MPa；垂直應(yīng)力13.55～34.31 MPa，平均為23.04 MPa（圖4）；最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值λ系數(shù)0.53～1.64，平均為1.15（圖5），其中9口井水平最大應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，表明和順區(qū)塊15號煤層總體上最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，現(xiàn)今地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為壓縮帶，具有擠壓型應(yīng)力場特征，這種應(yīng)力狀態(tài)有利于逆斷層或平移斷層活動和裂縫閉合。

圖3 延川南區(qū)塊系數(shù)λ與埋藏深度關(guān)系圖Figure 3 Relationship between coefficient λ and buried depth in Yanchuan south block

圖4 和順區(qū)塊地應(yīng)力與埋深分布關(guān)系圖Figure 4 Relationship between ground stress and buried depth distribution in Heshun block

圖5 和順區(qū)塊系數(shù)λ與埋藏深度關(guān)系圖Figure 5 Relationship between coefficient λ and buried depth in Heshun block

2 儲層壓力及滲透率與地應(yīng)力的關(guān)系

2.1 煤儲層壓力與地應(yīng)力關(guān)系

煤儲層壓力與地應(yīng)力密切相關(guān)，一般情況下，隨著地應(yīng)力的增加，煤儲層孔隙-裂隙被壓縮，體積變小，煤儲層壓力增大；反之，則減小?，F(xiàn)今煤層埋藏深度和溫度基本不變的情況下，煤的成巖作用基本停止，煤變質(zhì)作用停止，則煤儲層孔裂隙基本不變；在煤層中流體飽和狀態(tài)下，煤儲層壓力、煤層骨架承受的應(yīng)力（有效應(yīng)力）與上覆地層壓力（垂向應(yīng)力）三者之間的關(guān)系為：

式（7）中σ為有效應(yīng)力，即煤層骨架承受的應(yīng)力，P0為儲層壓力，三者之間的作用關(guān)系見圖6，從關(guān)系式和示意圖中可以得知，一般情況下煤儲層壓力應(yīng)與垂向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，但筆者對鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊和沁水盆地和順區(qū)塊等地應(yīng)力與儲層壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，發(fā)現(xiàn)不同類型的地應(yīng)力場環(huán)境中，儲層壓力與地應(yīng)力的關(guān)系有兩種關(guān)系類型，下面分伸張型地應(yīng)力場和擠壓型地應(yīng)力場分別分析。

2.1.1 伸張型地應(yīng)力場

伸張型應(yīng)力場以延川南區(qū)塊二疊系山西組2號煤層為例，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)2號煤儲層壓力與垂向應(yīng)力正相關(guān)關(guān)系明顯，兩者為冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.77（圖7a）；隨垂直主應(yīng)力增大，即煤層埋深加深，儲層壓力增大（圖7b）；與兩個水平主應(yīng)力相關(guān)程度較低（圖7c，圖7d）。

2.1.2 擠壓型地應(yīng)力場

擠壓型應(yīng)力場以和順區(qū)塊石炭系太原組15號煤層為例，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)15號煤儲層壓力與垂向應(yīng)力具有正相關(guān)趨勢，但二者線性關(guān)系不明顯，相關(guān)性系數(shù)R2=0.53（圖8a）。儲層壓力受煤層埋深影響較小，埋深400～1000 m二者相關(guān)性較差且儲層壓力值相差不大，深部1000～1 400 m二者正相關(guān)趨勢相對明顯（圖8b），這說明和順區(qū)塊淺部水平應(yīng)力作用強，體現(xiàn)在最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值λ系數(shù)1.0～1.64，反映構(gòu)造作用強，不利于煤儲層壓力的保存。儲層壓力與兩個水平主應(yīng)力相關(guān)程度均較低（圖8c，圖8d）。

圖7 延川南區(qū)塊2號煤儲層壓力與地應(yīng)力及埋深相關(guān)關(guān)系圖Figure 7 Correlation between reservoir pressure and ground stress,buried depth of coal No.2 in Yanchuan south block

圖8 和順區(qū)塊2號煤儲層壓力與地應(yīng)力及埋深相關(guān)關(guān)系圖Figure 8 Correlation between reservoir pressure and ground stress,buried depth of coal No.2 in Heshun block

2.2 滲透率與地應(yīng)力關(guān)系

2.2.1 伸張型地應(yīng)力場

煤儲層滲透率與煤層孔裂隙的開啟程度密切相關(guān)，最小水平主應(yīng)力垂直于裂縫面，等于剛剛保持裂縫張開時的平衡壓力（閉合壓力），統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)伸張型應(yīng)力場下，延川南2號煤層滲透率與水平最小主應(yīng)力呈負相關(guān)趨勢（圖9a），且水平最小主應(yīng)力超過20 MPa，滲透率降低0.01 mD以下；水平最小主應(yīng)力梯度大于1.5 MPa/100 m，滲透率小于0.1 mD（圖9b）。水平最小主應(yīng)力較大（超過20 MPa）或者應(yīng)力集中時（水平最小主應(yīng)力梯度大于1.5 MPa/100 m），煤儲層滲透性較差，煤層氣不易向井筒運移，煤層氣井產(chǎn)氣量較低，延2、7、20、26井4口井水平最小主應(yīng)力梯度均大于1.5 MPa/100 m，其中20、26井水平最小主應(yīng)力超過20 MPa；4口井最高產(chǎn)氣量215～625 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)氣50～400 m3/d，累產(chǎn)氣3.8～9萬方，產(chǎn)氣效果較差。

圖9 延川南區(qū)塊2號煤層滲透率與最小水平主應(yīng)力關(guān)系圖Figure 9 Relationship between permeability and minimum horizontal main stress of coal No.2 in Yanchuan south block

2.2.2 擠壓型地應(yīng)力場

擠壓型應(yīng)力場下，和順區(qū)塊及周邊17口煤層氣探井太原組15號煤層試井滲透率普遍較低，一般為0.002～0.04 mD平均為0.014 mD，與最小水平主應(yīng)力呈負相關(guān)關(guān)系（圖10a）。對和順區(qū)塊生產(chǎn)2年以上的和6煤層氣井組進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史擬合，據(jù)擬合滲透率小于0.05 mD，與水平最小主應(yīng)力呈負冪數(shù)關(guān)系，隨最小水平主應(yīng)力增大，滲透率迅速遞減（圖10b）。

日產(chǎn)氣量與最小水平主應(yīng)力呈負相關(guān)關(guān)系，最小水平主應(yīng)力增大，煤層氣井平均產(chǎn)氣量也隨之減??；水平最小主應(yīng)力＜10 MPa，煤層氣井產(chǎn)量較高（圖11）。

圖10 (和順區(qū)塊2號煤?)滲透率與水平最小主應(yīng)力關(guān)系圖Figure 11 Relationship between permeability and minimum horizontal main stress of coal No.2 in Heshunblock

圖11 平均日產(chǎn)氣量與最小水平主應(yīng)力與關(guān)系圖Figure 11 Relationship between average daily gas production rate and minimum horizontal main stress

3 最小水平主應(yīng)力對滲透率的控制作用機理

地應(yīng)力對煤儲層滲透性的影響，其實質(zhì)是通過對煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，而使其滲透性發(fā)生變化。煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)是由基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙組成的雙重孔隙系統(tǒng)?；|(zhì)孔隙是植物遺體殘片之間及其同礦物質(zhì)堆積物之間的一種粒間孔隙，割理的發(fā)育程度、面割理的走向、割理的寬度是控制煤儲層滲透率的主要因素。雖然基質(zhì)孔隙也有一定的滲透性，但因其孔徑較小，滲透率可視為零。因此，煤層的滲透率取決于割理系統(tǒng)的滲透率。由于煤層基質(zhì)滲透率遠遠小于煤層割理滲透率，測試所反映的滲透率為以割理滲透率為主的綜合滲透率。

地應(yīng)力對煤儲層滲透性的影響，主要指的是最小水平主應(yīng)力對滲透性的影響，最小水平主應(yīng)力與裂縫走向呈垂直關(guān)系，控制天然裂縫的開啟程度，進而影響煤儲層滲透性。

3.1 煤儲層割理面的壓縮變形

當(dāng)割理面法向力σn為壓應(yīng)力時，割理產(chǎn)生法向壓縮變形，開始先為點或線接觸，經(jīng)過擠壓，局部破碎或劈裂，接觸面增加，割理面壓縮量呈指數(shù)曲線特征，其指數(shù)函數(shù)為：

式中：x為割理面壓縮量（cm）；b0為割理初始張開度（cm）；σn法向壓應(yīng)力（MPa）；kn為割理法向剛度（MPa/cm），實際上為法向變形曲線的斜率

此時，割理面的實際開度為b：

3.2 煤儲層裂隙滲流模型

由于地質(zhì)歷史時期構(gòu)造運動作用，煤儲層被大量的節(jié)理裂隙所切割，這些裂隙雖雜亂無章，但有一定的規(guī)律可循。地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤儲層往往由幾組平行的裂隙所切割，所以，可以將煤儲層裂隙假設(shè)為平行、等間距、等隙寬的裂隙組進行理論研究。煤儲層的滲透率包括基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率。由于煤層的基質(zhì)孔隙太小，其表面的吸附作用很大，基質(zhì)滲透率可忽略不計。這樣煤層氣在煤體中的滲流，其本質(zhì)是煤層氣在割理及其相互交錯形成的網(wǎng)絡(luò)中的滲流。采用這些假設(shè)后可得到一組平行裂隙的滲透率K表達式為：

式中：K為裂隙的滲透率（×10-3μm2）；b為裂隙等效隙寬（cm）；D為裂隙平均間距（cm）；α為裂隙面與壓力梯度軸的夾角（°）；c為與單位有關(guān)的系數(shù)；β為裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通系數(shù)。

從（10）式不難看出，裂縫儲層滲透率的大小與裂縫張開度的三次方成正比例關(guān)系。

當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化后的滲透率Kf為：

式中：Kf為煤儲層在受地應(yīng)力作用后的滲透率；K0為煤儲層原始滲透率[4]。

由（11）式可以看出，煤儲層滲透率隨著割理面正應(yīng)力的增加呈指數(shù)關(guān)系降低，這與國內(nèi)外學(xué)者所分析的結(jié)果一致。

4 擴展應(yīng)用研究

當(dāng)前我國煤層氣勘探開發(fā)投資有呈下滑的趨勢，2011年～2014年我國煤層氣的年新鉆井?dāng)?shù)分別約為3100口、4000口、1900口和1200口[5]，主要原因是現(xiàn)階段煤層氣勘探開發(fā)的風(fēng)險是單井產(chǎn)量普遍不高，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)更新較慢[6]，加上2014年下半年以來，國際油價暴跌，油氣公司收入大幅度下滑，影響了油氣公司對煤層氣勘探開發(fā)投入的積極性。因此在國際油價長期低迷的新常態(tài)下，油氣公司利用有限投資，尋找煤層氣商業(yè)產(chǎn)建目標(biāo)區(qū)是現(xiàn)階段的主要方向，上述煤層氣勘探程度高、排采時間長區(qū)塊的研究表明影響產(chǎn)量主要參數(shù)儲層壓力和滲透率的有利區(qū)段與地應(yīng)力密切相關(guān)，因此作者對勘探程度低，資源潛力大的區(qū)塊內(nèi)地應(yīng)力測試資料收集整理，進行了地應(yīng)力分析研究，以期對煤層氣勘探投入排序和礦權(quán)取舍的決策提供依據(jù)，依據(jù)資料收集現(xiàn)狀，依次對南華北盆地平頂山區(qū)塊、兩淮煤田的淮南合作區(qū)、貴州紅果區(qū)塊、織金區(qū)塊等進行地應(yīng)力評價。

4.1 南華北盆地及兩淮煤田

表1 中國石化重點煤層氣區(qū)塊地應(yīng)力參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of ground stress parameters in SINOPEC key CBM blocks

南華北盆地平頂山區(qū)塊內(nèi)煤田勘探程度較高，煤礦巷道開拓中，地應(yīng)力測試資料較多，葉明亮，孫猛等[7-10]先后應(yīng)用地應(yīng)力聲波檢測、應(yīng)力解除法獲得平頂山礦區(qū)48處地應(yīng)力數(shù)據(jù)（表1），統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)平頂山礦區(qū)原巖地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，λ系數(shù)0.60～2.69，平均為1.53，具擠壓型應(yīng)力場特征。

安徽省兩淮煤田淮南礦區(qū)新集、潘集、新莊孜礦等礦在研究煤層頂板穩(wěn)定性中進行地應(yīng)力測試研究，師修昌等[11]應(yīng)用水壓致裂法測得新集煤礦1煤層圍巖最小水平主應(yīng)力12.16～21.17 MPa，λ系數(shù)0.98～1.30，平均1.07；孟召平[12]淮南潘集二號井和新莊孜礦采用應(yīng)力解除法實測原巖應(yīng)力結(jié)果，側(cè)壓力系數(shù)λ值一般為0.49～1.49，平均為0.92（表1）；二者采用兩種方法測得淮南礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)基本一致，表明淮南礦區(qū)主力煤層應(yīng)力系數(shù)λ≈1，地應(yīng)力場接近靜水壓力場，部分區(qū)域（λ系數(shù)＜1）地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主。

4.2 貴州省織納煤田及亦資孔盆地

貴州省織納煤田織金區(qū)塊8口井水力壓裂地應(yīng)力測試結(jié)果表明龍?zhí)督M主力煤層λ系數(shù)0.59～1.6，平均0.91（表1），煤層地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，水平方向則以拉伸應(yīng)力為主，具有大地靜力場特征，煤儲層裂縫易于保持開啟狀態(tài)，有利于煤層氣滲流，該地區(qū)煤層氣井排采后5口產(chǎn)量超過1 000 m3/d，其中織4、織5井穩(wěn)產(chǎn)量超過2400 m3/d，顯示出拉伸應(yīng)力背景下煤層氣勘探潛力較大。

貴州省亦資孔盆地紅果區(qū)塊5口井水力壓裂地應(yīng)力測試結(jié)果表明該區(qū)塊龍?zhí)督M主力煤層λ系數(shù)0.97～1.73，平均為1.26，反映該區(qū)水平主應(yīng)力為主，具擠壓型應(yīng)力場特征；且最小水平主應(yīng)力較高，最小水平主應(yīng)力10.52～28.33 MPa最小水平主應(yīng)力梯度2.07～2.94 MPa/100 m（表1），裂縫不易保持開啟狀態(tài)，不利于煤層氣滲流，5口井產(chǎn)量較低，單井最高產(chǎn)量70～362 m3/d。

4.3 對比分析

通過總結(jié)延川南及和順區(qū)塊地應(yīng)力場特征及最小水平主應(yīng)力與滲透率、產(chǎn)量的相關(guān)性規(guī)律，初步提出煤層氣勘探優(yōu)選拉伸性應(yīng)力場背景下（λ系數(shù)＜1），且最小水平主應(yīng)力小于20 MPa的區(qū)域，貴州省織納煤田織金區(qū)塊和安徽省兩淮煤田的淮南礦區(qū)部分最小水平主應(yīng)力較小區(qū)值得進一步勘探。沁水盆地14口探井及1個試驗井組（30口井）2年多的排采結(jié)果表明擠壓型應(yīng)力場背景下，最小水平主應(yīng)力梯度高且應(yīng)力值高，滲透率小，煤層氣產(chǎn)量低；僅部分正向構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力較小，但分布范圍有限，煤層氣勘探風(fēng)險較高，貴州省亦資孔盆地紅果區(qū)塊5口井的排采結(jié)果進一步證實高閉合壓力分布區(qū)煤層氣井產(chǎn)量低，勘探風(fēng)險大，因此不建議在南華北盆地平頂山區(qū)塊進行勘探工作量投入。

5 主要結(jié)論

通過對鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊和沁水盆地和順區(qū)塊31口煤層氣井試井資料分析，利用經(jīng)典巖石力學(xué)模型計算出三個主應(yīng)力值，比較水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值，即利用系數(shù)λ（λ=σH/συ）劃分應(yīng)力場類型及其深度分布范圍，分兩種應(yīng)力場背景下分析儲層壓力和滲透率與地應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，分析地應(yīng)力對煤儲層滲透性影響的機理.取得如下結(jié)論和認識：

1）依據(jù)試井和壓裂實測資料計算分析，現(xiàn)今鄂爾多斯盆地延川南2號煤層、貴州省織納煤田織金區(qū)塊以伸張型應(yīng)力場為主，沁水盆地和順區(qū)塊15號煤層、亦資孔盆地紅果區(qū)塊龍?zhí)督M煤層以擠壓型應(yīng)力場為主。根據(jù)煤礦收集地應(yīng)力測試資料計算分析，安徽省淮南礦區(qū)地應(yīng)力場以接近靜水壓力場為主，南華北盆地平頂山區(qū)塊以擠壓型應(yīng)力場為主。

2）依據(jù)試井資料較多的延川南及和順區(qū)塊總結(jié)出兩種應(yīng)力場背景下儲層壓力與地應(yīng)力關(guān)系：伸張型應(yīng)力場內(nèi)儲層壓力與垂直主應(yīng)力冪函數(shù)正相關(guān)，即深部儲層壓力較高；擠壓型應(yīng)力場內(nèi)淺部煤儲層壓力與地應(yīng)力關(guān)系不明顯，由于水平主應(yīng)力較大，儲層壓力受構(gòu)造等保存條件影響較大。

3）根據(jù)試井滲透率和生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史擬合滲透率總結(jié)出種應(yīng)力場背景下滲透率與地應(yīng)力關(guān)系：伸張型應(yīng)力場下，滲透率與水平最小主應(yīng)力呈負相關(guān)趨勢，水平最小主應(yīng)力梯度大于1.5 MPa/100 m，滲透率小于0.1 mD；水平最小主應(yīng)力超過20 MPa，滲透率降低0.01 mD以下。擠壓型應(yīng)力場下，生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合滲透率與水平最小主應(yīng)力呈負冪數(shù)關(guān)系，水平最小主應(yīng)力＜10 MPa，產(chǎn)量較高。

4）依據(jù)延川南區(qū)塊及和順區(qū)塊60余口井排采2年以上的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與地應(yīng)力場進行相關(guān)性分析，初步歸納出地應(yīng)力研究在煤層氣選區(qū)評價的指導(dǎo)作用：繼承型原型盆地（鄂爾多斯盆地）穩(wěn)定抬升，多以拉伸應(yīng)力場為主，應(yīng)力場較有利；殘留型盆地（沁水盆地）構(gòu)造運動較劇烈，多以擠壓應(yīng)力場為主，應(yīng)力場相對較不利。

5）通過收集重點煤層氣區(qū)塊內(nèi)煤礦地應(yīng)力資料，建立地應(yīng)力類型評價方法，并與開發(fā)試驗區(qū)塊進行對比，建議在貴州省織納煤田織金區(qū)塊和安徽省淮南礦區(qū)進行煤層氣勘探工作；貴州省亦資孔盆地紅果區(qū)塊和華北盆地平頂山區(qū)塊以擠壓型應(yīng)力場為主，最小水平主應(yīng)力高，勘探風(fēng)險高，不建議投入勘探工作量。

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Study on Ground Stress Field Features and Its Impact on Coal Reservoir Pressure and Permeability

Meng Guixi
(Exploration and Exploitation Research Institute,East China Branch,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210011)

Through analysis of 31 CBM wells testing data from the Yanchuan south block in Ordos Basin and the Heshun block in Qins?hui Basin has partitioned coal-bearing block stress field into stretching stress field and compressive stress field;analyzed relationship between ground stress and reservoir pressure,permeability under two different stress field backgrounds,as well as minimum main stress control mechanism on permeability.Preliminary induced guiding function of ground stress study on CBM exploration and exploi?tation target selection:the inherited prototype basins stably uplift,mostly stretching stress field,thus more favorable;the residual ba?sins have experienced stronger tectonic movement,mostly compressive stress field,relatively adverse.Through ground stress data from the Zhijin block of Zhina coalfield in Guizhou,Huainan mining area in Anhui,Hongguo block of Yizikong Basin in Guizhou,Pingding?shan block in North China Basin carried out comparison with ground stress data from the exploitation experiment blocks respectively, have put forward corresponding suggestions.Namely:Zhijin block of Zhina coalfield in Guizhou and Huainan mining area in Anhui have minor minimum horizontal main stress thus are worth further exploration;while Hongguo block of Yizikong Basin in Guizhou and Pingdingshan block in North China Basin have mainly compressive stress field with higher minimum horizontal main stress,thus higher exploration risks,further workload is not suggested.

coal seam;ground stress features;compressive type;stretching type;permeability;reservoir pressure

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.05

1674-1803(2017)03-0021-07

國家科技重大專項，“物探技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用”（2011ZX05035006）

孟貴希（1983—），男，工程師，主要研究方向為煤層氣勘探評價、川東南寒武系天然氣地質(zhì)評價等工作。

2016-11-28

責(zé)任編輯：宋博輦