韓城礦區(qū)地應(yīng)力特征及其對(duì)煤層氣開發(fā)的影響

邵先杰 朱 明 彭英明 霍夢(mèng)穎 武 寧 岳鵬飛 何 俊 王 興

(燕山大學(xué)石油工程系， 河北 秦皇島 066004)

地應(yīng)力是指存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成[1]。其中，垂向的重力應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要來源。地應(yīng)力對(duì)煤層氣開發(fā)有著重要的影響，其主要影響煤儲(chǔ)層的滲透率、儲(chǔ)層壓力、煤層氣的解吸滲流過程、煤儲(chǔ)層天然裂縫的分布及后期煤儲(chǔ)層改造過程中裂縫的擴(kuò)展特征等[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地應(yīng)力對(duì)煤巖體滲透性的影響作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Mckee等人通過對(duì)美國(guó)圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煤層埋藏深度和有效應(yīng)力的增加，煤層割理縫寬度的減小，滲透率呈指數(shù)降低[3]。楊延輝等人對(duì)沁南 — 夏店區(qū)塊煤儲(chǔ)層地應(yīng)力條件及其對(duì)滲透性的影響進(jìn)行研究認(rèn)為：一般情況下，地應(yīng)力小的地區(qū)，煤儲(chǔ)層滲透率高，煤層氣井產(chǎn)氣量也高；地應(yīng)力高的地區(qū)，煤儲(chǔ)層滲透率低，且隨深度增加滲透率急劇減小[4]。但是針對(duì)地應(yīng)力對(duì)煤層氣開發(fā)影響的研究相對(duì)較少。隨著對(duì)深層煤層氣的深入研究與開發(fā)，開展地應(yīng)力特征研究也更迫切。本次研究以韓城礦區(qū)為例，通過計(jì)算礦區(qū)的地應(yīng)力，結(jié)合各煤層井位坐標(biāo)和礦區(qū)構(gòu)造特征，分析了礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律；基于礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，探討了地應(yīng)力對(duì)煤層氣生產(chǎn)開發(fā)的影響，為其他礦區(qū)地應(yīng)力研究及煤層氣生產(chǎn)開發(fā)提供借鑒。

1 礦區(qū)構(gòu)造特征

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣(見圖1)，含煤地層為晚古生界上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，其中，3#、5#和11#煤層是礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的目標(biāo)煤層[5]。韓城礦區(qū)在總體上為一個(gè)NW傾向的單斜構(gòu)造。其中，東部地層變形程度強(qiáng)于西部，南部地層變形程度強(qiáng)于北部?？v向上淺部斷層發(fā)育，而中部和深部構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，斷層發(fā)育較少。3#煤層主要發(fā)育2條斷層，分布于礦區(qū)北部；5#煤層發(fā)育3條斷層，分布于礦區(qū)中部及北部；11#煤層只發(fā)育1條斷層，該斷層貫穿3個(gè)煤層。

2 地應(yīng)力計(jì)算及分布規(guī)律

2.1 地應(yīng)力計(jì)算

通過水力壓裂施工曲線以及壓裂施工過程中的壓力變化數(shù)據(jù)，可直接讀取煤巖的破裂壓力、壓裂液延伸及瞬時(shí)停泵壓力[6]，而閉合壓力可通過壓裂施工的壓力數(shù)據(jù)求取。當(dāng)突然停止向井中泵入液體時(shí)，已經(jīng)壓開的裂縫由于壓力的突然降低而開始閉合。在停泵后，作壓力與時(shí)間開方的曲線，通過檢測(cè)偏離線性降低的壓力來確定裂縫閉合壓力。若采用黏稠的壓裂液，或壓裂液中有懸浮支撐劑，則計(jì)算過程中必須考慮井筒摩阻損耗。井筒摩阻損耗可由裂縫延伸壓力與瞬間停泵壓力計(jì)算得到。由此，最小主應(yīng)力可由式(1)計(jì)算得到：

Sh=Pc或Sh=Pc+Pw-Pm

(1)

式中：Sh—— 最小水平主應(yīng)力，MPa；

Pw—— 井筒液柱壓力，MPa；

Pc—— 裂縫閉合壓力，MPa；

Pm—— 井筒摩阻，MPa。

進(jìn)而，可求取最大主應(yīng)力：

SH=3Sh-Pf-Po+St

(2)

式中：SH—— 最大水平主應(yīng)力，MPa；

Pf—— 煤巖石破裂壓力，MPa；

Po—— 煤地層孔隙壓力，MPa；

St—— 煤巖的抗張強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)上述方法，計(jì)算韓城礦區(qū)3套煤層各井位點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力值(見表1)。

圖1 韓城地區(qū)構(gòu)造區(qū)域背景及礦區(qū)地理位置

井號(hào)3#煤層5#煤層11#煤層Sh∕MPaSH∕MPaSh∕MPaSH∕MPaSh∕MPaSH∕MPaWL2-00111．1619．099．9119．95WL2-0029．7912．7910．6112．83WL2-00313．2521．519．9215．58WL2-00411．3211．4011．3211．4015．3215．41WL2-00513．2616．7019．2119．8824．9125．60WL2-00616．1222．1415．9818．78WL2-00712．3016．3714．4931．64WL2-0088．4810．2610．0615．95WL2-00920．8831．3514．3714．63WL2-01019．5130．3316．4019．21WL2-01119．1521．3125．6431．19WL2-01211．0621．6611．0621．66WL2-01313．9225．1414．1127．32WL2-01410．3014．3710．3014．37WL2-01517．0323．8511．0221．12WL2-01611．2320．2913．3728．01WL2-01710．4914．2514．0020．00WL2-01812．2522．3816．3528．77WL2-01912．4421．8712．2212．59WL2-02014．0225．9119．4834．1120．7835．64

利用計(jì)算的各煤層最小水平地應(yīng)力值，結(jié)合井位坐標(biāo)，采用Surfer軟件作最小水平地應(yīng)力分布圖。研究發(fā)現(xiàn)：不同井位、不同煤層之間的最小水平地應(yīng)力差別較大，總體上3套煤層在斷層附近由于受到較強(qiáng)的擠壓作用，最小水平地應(yīng)力值普遍較大。橫向上，3#煤層西部的最小水平地應(yīng)力值大于東部的，在東南部為應(yīng)力低點(diǎn)，應(yīng)力值普遍小于15 MPa(見圖2)；5#煤層整體呈北高南低的趨勢(shì)，南部應(yīng)力值基本處于14 MPa以下(見圖3)；11#煤層斷層少，整體最小水平地應(yīng)力分布比較均勻，受埋深影響，最小地應(yīng)力較大，多在22～32 MPa(見圖4)?？v向上，3#煤層平均最小水平地應(yīng)力值為19.35 MPa；5#煤層平均最小水平地應(yīng)力值為17.05 MPa；11#煤層平均最小水平地應(yīng)力值為24.55 MPa：表明最小水平地應(yīng)力隨深度增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這與楊延輝等人的研究結(jié)果[4]稍有差別。由礦區(qū)構(gòu)造特征可知，縱向上淺部斷層更加發(fā)育，中部和深部構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，因此，由于局部斷層構(gòu)造應(yīng)力對(duì)3#和5#煤層的影響具有明顯的差異性，導(dǎo)致3#煤層的應(yīng)力值較大。

圖2 3#煤層最小水平地應(yīng)力分布圖

3 地應(yīng)力對(duì)開發(fā)的影響

地應(yīng)力對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)有著極其重要的影響，其主要影響煤儲(chǔ)層物性特征、壓裂裂縫的擴(kuò)展及煤層氣生產(chǎn)排采等。

3.1 對(duì)煤儲(chǔ)層物性的影響

地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層物性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)煤體宏觀和微觀的顆粒變形程度上，具體表現(xiàn)為煤儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)的差異性、煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)及滲透能力的非均質(zhì)性、煤儲(chǔ)層對(duì)氣體吸附能力的強(qiáng)弱等。

圖3 5#煤層最小水平地應(yīng)力分布圖

圖4 11#煤層最小水平地應(yīng)力分布圖

通過研究發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力越大，煤體結(jié)構(gòu)從構(gòu)造煤的碎裂煤向糜棱煤轉(zhuǎn)化[7]，而孔隙結(jié)構(gòu)類型所占比重逐步從大孔向過渡孔、微孔過渡(見圖5)，導(dǎo)致其滲透性降低。針對(duì)地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響，大量研究表明[8]：隨著地應(yīng)力上升，滲透率呈指數(shù)下降趨勢(shì)。其實(shí)質(zhì)主要是由于地應(yīng)力對(duì)煤體結(jié)構(gòu)中的孔裂隙系統(tǒng)發(fā)生作用，而使得其產(chǎn)生收縮變形。煤體結(jié)構(gòu)逐步由原生構(gòu)造煤向構(gòu)造煤中的碎裂煤、糜棱煤轉(zhuǎn)化。在孔裂隙系統(tǒng)中具體表現(xiàn)為大量的滲流孔裂隙向吸附孔喉轉(zhuǎn)換，最終導(dǎo)致其滲透能力減小，而吸附能力增加。

圖5 韓城礦區(qū)不同煤層孔隙類型比例

3.2 對(duì)壓裂的影響

地應(yīng)力對(duì)壓裂的影響主要是體現(xiàn)在影響水力裂縫的擴(kuò)展上。在區(qū)域的古應(yīng)力場(chǎng)作用下，煤巖發(fā)育天然割理裂隙，天然割理裂隙的存在對(duì)水力壓裂裂縫的開啟、延伸規(guī)律及形態(tài)特征產(chǎn)生重要影響，而水力裂縫的方向、形態(tài)又受到當(dāng)今地應(yīng)力場(chǎng)的控制。當(dāng)儲(chǔ)層中有天然裂縫存在時(shí)，天然裂縫的抗張強(qiáng)度很低或?yàn)榱?，使得巖石的均一性受到破壞，這必然影響壓裂裂縫的產(chǎn)出特征[9]。為了研究地應(yīng)力對(duì)壓裂的影響，定義水平主應(yīng)力差異系數(shù)Kh[10]為：

(3)

通過計(jì)算求取了韓城礦區(qū)WL2井組3#、5#煤層的水平主應(yīng)力差異系數(shù)Kh(見圖6)。結(jié)合楊焦生等人關(guān)于應(yīng)力差異系數(shù)的研究成果[11]，研究發(fā)現(xiàn)3#煤層的水平主應(yīng)力差異系數(shù)主要分布在小于0.47(占45%)和0.47～0.84(占45%)，壓裂易于產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，同時(shí)受天然裂縫的影響；而5#煤層的水平主應(yīng)力差異系數(shù)主要小于0.47(占50%)，壓裂易于產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫。統(tǒng)計(jì)韓城礦區(qū)穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量與煤層水平主應(yīng)力差異系數(shù)Kh的關(guān)系(見圖7)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量隨著差異系數(shù)的增加而增加。

3.3 對(duì)排采生產(chǎn)的影響

將地應(yīng)力等值線分布圖(圖2 — 圖4)與礦區(qū)實(shí)際產(chǎn)氣量等值線圖(圖8)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)二者在平面上吻合性較好。地應(yīng)力小的區(qū)域，煤層氣產(chǎn)氣量相對(duì)較高，其原因主要是地應(yīng)力大的區(qū)域，煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率較低，煤層氣滲流困難，產(chǎn)氣量較低。

4 結(jié) 語

(1) 各煤層受斷層擠壓作用，導(dǎo)致最小地應(yīng)力普遍較大。橫向上，3#煤層西部的最小水平地應(yīng)力值大于東部的，其值普遍小于15 MPa；5#煤層地應(yīng)力值整體呈北高南低的趨勢(shì)；11#煤層最小水平地應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值多在22～32 MPa。縱向上，受局部斷層構(gòu)造作用，應(yīng)力值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

圖6 WL2井組水平主應(yīng)力差異系數(shù)Kh分布圖

圖7 穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量與煤層水平主應(yīng)力差異系數(shù)Kh關(guān)系圖

圖8 穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量分布圖

(2) 隨著地應(yīng)力增加，煤體結(jié)構(gòu)向糜棱煤轉(zhuǎn)化，而孔隙結(jié)構(gòu)類型所占比重逐步從大孔向過渡孔、微孔過渡，煤儲(chǔ)層滲透能力減弱。

(3) 地應(yīng)力影響水力壓裂裂縫擴(kuò)展。韓城礦區(qū)水平主應(yīng)力差異系數(shù)以小于0.47為主，壓裂易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量隨著差異系數(shù)的增大而增加。

(4) 地應(yīng)力等值線與煤層氣產(chǎn)氣量等值線在平面上有較好的吻合性。地應(yīng)力小的區(qū)域，煤層氣產(chǎn)氣量相對(duì)較高。

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