平頂山東北部礦區(qū)地應(yīng)力發(fā)育特征及其對(duì)煤儲(chǔ)層壓力、滲透率的控制作用

王曉彬，趙 晶，張志榮，李海濤

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤其以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成及其特點(diǎn)影響最大[1]。目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地應(yīng)力方法是獲取地應(yīng)力參數(shù)的主要途徑[2-4]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地應(yīng)力方法主要有地面煤層氣井水力壓裂和應(yīng)力解除方法。地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用不僅僅影響了煤儲(chǔ)層的形態(tài)、連續(xù)性，而且也影響煤層氣儲(chǔ)層滲透性大小[5，6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在部分煤層氣開發(fā)區(qū)塊通過各種手段研究分析了地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力與滲透率的關(guān)系[7-11]。平頂山礦區(qū)是國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)煤和煤層氣開發(fā)區(qū)域，關(guān)于平頂山礦區(qū)地應(yīng)力方面的研究[12，13]，學(xué)者們主要通過井下空心包體應(yīng)力解除法獲取地應(yīng)力數(shù)據(jù)資料，但通過壓力致裂法獲取地應(yīng)力數(shù)據(jù)資料的研究較少，同時(shí)關(guān)于平頂山礦區(qū)地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層特性(儲(chǔ)層壓裂、滲透率)的影響方面的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道，因此，本文擬從平頂山東北部礦區(qū)煤層氣開發(fā)的角度，收集整理煤層氣開發(fā)過程中鉆井、壓裂、試井等資料，通過分析地應(yīng)力發(fā)育特征，建立地應(yīng)力與煤儲(chǔ)層壓力、滲透率之間的相互關(guān)系，揭示平頂山東北部礦區(qū)地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力、滲透率的影響，為本區(qū)煤層氣勘探開發(fā)和井下瓦斯治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為平頂山東北部礦區(qū)主要指首山一礦和十三礦區(qū)域，主要發(fā)育二1煤層，其中首山一礦和平頂山十三礦二1煤層煤層厚度平均為6.15m，含氣量為3～23.86m3/t，是該區(qū)煤層氣開發(fā)的主要煤層，也是本次研究的目的煤層。礦區(qū)主體構(gòu)造為一軸向NW、向北傾伏的寬緩的復(fù)式向斜—李口向斜，軸向大致NW50°，軸面近直立，向NW方向傾伏。礦區(qū)東部井田，由北向南依次為襄郟背斜、靈武山向斜、白石山背斜、郭莊背斜、牛莊向斜、諸葛廟背斜和郝堂向斜等，靈武山向斜、白石山背斜位于李口向斜的北東翼區(qū)，靈武山向斜南東向傾伏，北西向收斂仰起，從礦區(qū)東南部發(fā)育至礦區(qū)西北十三礦的東部；白石山背斜起始于首山一礦和十三礦東部，南東向傾伏，北西向收斂仰起。靈武山向斜、白石山背斜是首山一礦和十三礦東部的主體構(gòu)造，首山一礦和十三礦東部構(gòu)造以褶曲構(gòu)造為主，該區(qū)主要受靈武山向斜、白石山背斜和李口向斜的控制，構(gòu)造復(fù)雜。一些學(xué)者對(duì)平頂山礦區(qū)構(gòu)造進(jìn)行了等級(jí)程度劃分[14]，其中平頂山東北部十三礦和首山一礦區(qū)域被劃分為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，如圖1所示。

2 地應(yīng)力測(cè)量

煤層氣井水力壓裂方法是通過壓裂泵車向目的煤層注入高壓水的形式，獲取目的煤層儲(chǔ)層壓力、煤的抗拉強(qiáng)度、破裂壓力、閉合壓力等煤層氣井壓裂參數(shù)，煤巖體內(nèi)水平主應(yīng)力大小可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16]提供的主應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算和確定。而垂直應(yīng)力的大小可通過上覆巖層質(zhì)量來計(jì)算。

圖1 平頂山東北部礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

通過平頂山東北部礦區(qū)十三礦和首山一礦布置的煤層氣井所進(jìn)行水力壓裂測(cè)試試驗(yàn)，得到的閉合壓力即為最小水平主應(yīng)力(σh)；最大水平主應(yīng)力(σH)可通過破裂壓力、閉合壓力和煤儲(chǔ)層壓力、煤巖抗拉強(qiáng)度等參數(shù)之間的相互關(guān)系計(jì)算出：

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

式中，σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；Pc為閉合壓力，MPa；Pf為破裂壓力，MPa；P0為孔隙壓力(原位條件下近似等于儲(chǔ)層壓力，MPa；T為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

垂直主應(yīng)力σv是按照E.T.Brown和Hock(1978)給出的關(guān)系估算，即：

σv=0.027Z

(3)

式中，Z為煤層垂直深度，m。

基于此方法和煤層氣井試井、壓裂資料，通過研究計(jì)算了18口井目的層段的地應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果及參數(shù)見表1。

表1 地應(yīng)力分析計(jì)算參數(shù)

3 研究區(qū)塊地應(yīng)力發(fā)育特征

3.1 礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)類型

通過水力壓裂法獲取18個(gè)數(shù)據(jù)，18個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，屬于σv>σH>σh型的測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的16.7%；屬于σH>σh>σv型的測(cè)點(diǎn)有2個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的11.1%；屬于σH>σv>σh型的測(cè)點(diǎn)有13個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的72.2%。根據(jù)應(yīng)力類型劃分方案[16]。Ⅰ類(σv>σH>σh)地應(yīng)力類型中，垂直主應(yīng)力σv最大，高傾角斷層或裂隙發(fā)育；Ⅱ類(σH>σh>σv)類型中，垂直主應(yīng)力σv最小，低傾角斷層或裂隙發(fā)育；Ⅲ類(σH>σv>σh)類型中，最大水平主應(yīng)力σH為主，垂直主應(yīng)力σv居中，走滑斷裂或垂直裂隙發(fā)育。所以，從平頂山東北部礦區(qū)應(yīng)力類型分析來看，礦區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)總體上以水平應(yīng)力為主，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，σH>σv>σh且總體應(yīng)力場(chǎng)特征為高傾角斷層或裂隙發(fā)育，根據(jù)平頂山十三礦和首山一礦勘探資料和礦井生產(chǎn)揭露資料，落差較大的高角度斷層比較發(fā)育，這與地應(yīng)力分布規(guī)律相吻合，同時(shí)也印證了該區(qū)域?yàn)闃?gòu)造復(fù)雜區(qū)。

3.2 主應(yīng)力隨深度的關(guān)系變化

平頂山東北部礦區(qū)深度527～842m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系如圖2所示，最大、最小水平主應(yīng)力總體上均呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。

圖2 平頂山東北部礦區(qū)地應(yīng)力與埋深的關(guān)系

使用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯著性效果檢驗(yàn)則使用R檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，即分別檢驗(yàn)?zāi)康拿簩勇裆钆c最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力的相關(guān)性。分析得到平頂山東北部十三礦—首山一礦地應(yīng)力與埋深的關(guān)系為。

1)最大水平主應(yīng)力：

σH=0.0696Z-29.065

(4)

對(duì)回歸曲線進(jìn)行顯著性效果檢驗(yàn)：樣本數(shù)量n=18，擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.7222>Rα=0.561，α=0.01。表明最大水平主應(yīng)力隨埋藏深度的增加而增大。

2)最小水平主應(yīng)力：

σh=0.0427Z-15.041

(5)

相關(guān)系數(shù)R=0.6943>Rα=0.561，α=0.01。說明試驗(yàn)點(diǎn)最小水平主應(yīng)力隨埋藏深度的增加而增大。

3.3 側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律

最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力的比值即為側(cè)壓系數(shù)λ，其隨著煤層埋藏深度的變化關(guān)系如圖3所示。

λ=0.0022Z-0.5579

(6)

圖3 側(cè)壓系數(shù)λ與埋深的關(guān)系

相關(guān)系數(shù)R=0.5756>Rα=0.561，α=0.01。說明λ隨深度的變化有呈現(xiàn)一定的線性相關(guān)性，顯然，隨深度的增加λ呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

平頂山東北部礦區(qū)18個(gè)測(cè)點(diǎn)的λ為0.70～1.55。其中λ≤1.0的測(cè)點(diǎn)數(shù)有3個(gè)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的16.7%；λ>1.0的測(cè)點(diǎn)數(shù)有15個(gè)，占總數(shù)的83.3%，分布約730m以深；由此可見，研究區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主，同時(shí)說明該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。在λ>1.0的測(cè)點(diǎn)數(shù)中，1.0<λ≤1.3的測(cè)點(diǎn)有10個(gè)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的55.6%，且大部分測(cè)點(diǎn)分布在埋深800m左右，可見，隨深度的增加側(cè)壓系數(shù)有接近1.0的發(fā)展趨勢(shì)。因此，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)約730m以深，地應(yīng)力場(chǎng)為大地動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)型，但隨著埋深的增加，有向大地靜應(yīng)力場(chǎng)型過渡的趨勢(shì)。

3.4 側(cè)壓比隨埋深的變化規(guī)律

平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值即是側(cè)壓比k。即：

k=σh，av/2σv=(σH+σh)/2σv

(7)

其隨深度的變化關(guān)系(圖4)為：

k=0.0017Z-0.2897

(8)

圖4 側(cè)壓比k與埋深的關(guān)系

回歸相關(guān)系數(shù)R=0.5666>Rα=0.561，α=0.01。故側(cè)壓比k隨深度變化具有一定的線性關(guān)系。

3.5 地應(yīng)力類型轉(zhuǎn)換

不同的盆地或同一盆地內(nèi)的不同區(qū)塊，地應(yīng)力類型會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)地應(yīng)力與埋深關(guān)系，可計(jì)算出在埋深約在682m地應(yīng)力類型發(fā)生轉(zhuǎn)換：在682m以淺垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，即：σv>σH，以大地靜力場(chǎng)為主，有利于深部地下工程的穩(wěn)定；在682m以深最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，即：σH>σv，以大地動(dòng)力場(chǎng)為主，對(duì)深部地下工程的穩(wěn)定不利，易產(chǎn)生沖擊地壓。地應(yīng)力類型在垂向的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，不但與構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)弱有關(guān)，而且與平頂山礦區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造演化息息相關(guān)。在地質(zhì)史上，平頂山礦區(qū)主要經(jīng)歷了3次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，依次為三疊紀(jì)晚期的印支運(yùn)動(dòng)、中生代的燕山運(yùn)動(dòng)和新生代的喜山運(yùn)動(dòng)，每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)在大小和方向都發(fā)生重大變化，因此，現(xiàn)今地應(yīng)力類型形成和轉(zhuǎn)換是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起的地應(yīng)力疊加的結(jié)果，同時(shí)理清地應(yīng)力類型轉(zhuǎn)換深度對(duì)深部工程建設(shè)和防治礦井煤與瓦斯突出有著重要意義。

4 地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層壓力、滲透率的控制

煤儲(chǔ)層壓力、滲透率是影響煤層氣開發(fā)的重要特性參數(shù)，不但與煤儲(chǔ)層本身特性有關(guān)，而且還受地應(yīng)力的控制作用。

4.1 應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力的關(guān)系

煤儲(chǔ)層壓力與垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力的線性關(guān)系明顯，煤儲(chǔ)層壓力隨著垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力增大而增大，如圖5所示。這表明構(gòu)造應(yīng)力的增大致使煤儲(chǔ)層裂隙空間被壓縮，裂隙空間體積變小，儲(chǔ)層壓力變大。

圖5 儲(chǔ)層壓力與地應(yīng)力關(guān)系

4.2 有效應(yīng)力與滲透率的關(guān)系

煤儲(chǔ)層的原始地應(yīng)力減去原始儲(chǔ)層壓力即為煤層的有效應(yīng)力，如圖6所示，平頂山東北部區(qū)塊煤儲(chǔ)層滲透率隨著主應(yīng)力差、最大水平有效主應(yīng)力和最小水平有效主應(yīng)力關(guān)系以負(fù)指數(shù)形式呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中，滲透率與主應(yīng)力差、最大水平有效主應(yīng)力相關(guān)性較好，說明主應(yīng)力差越小、滲透率越高；最大水平有效主應(yīng)力越小，滲透率值越高。

圖6 滲透率與地應(yīng)力關(guān)系

平頂山東北部礦區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率數(shù)值級(jí)別相差從幾倍到幾十倍，差別很大，而且分布不均勻，究其原因該區(qū)域滲透率受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響較大，平頂山礦區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，受逆沖推覆強(qiáng)烈作用，構(gòu)造擠壓區(qū)普遍發(fā)育，形成了構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域，這些區(qū)域也是煤儲(chǔ)層低滲透分布區(qū)域；斷層、裂隙、次生斷層發(fā)育區(qū)域以及破碎構(gòu)造帶往往是低構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域，這些區(qū)域也是滲透率比較高的區(qū)域。構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域、低滲透率分布區(qū)域是煤層氣壓裂等儲(chǔ)層改造和井下煤層增透卸壓工程重點(diǎn)布置區(qū)域。因此，理清平頂山礦區(qū)地應(yīng)力發(fā)育特征以及對(duì)煤儲(chǔ)層壓力、滲透率控制機(jī)理，對(duì)地面煤層氣壓裂和井下煤層增透卸壓治理瓦斯提供了重要的參考依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)平頂山東北部礦區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)總體上以水平應(yīng)力為主，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，且總體應(yīng)力場(chǎng)特征為高傾角斷層或裂隙發(fā)育。

2)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)和側(cè)壓比均隨埋深的增加而線性增加，其中最大水平主應(yīng)力與埋深的正線性關(guān)系最好；隨著深度的增加側(cè)壓系數(shù)有接近1.0的發(fā)展趨勢(shì)。

3)埋深約在682m地應(yīng)力類型發(fā)生轉(zhuǎn)換：在682m以淺垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，即：σv>σH，以大地靜力場(chǎng)為主；在682m以深最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，即：σH>σv，以大地動(dòng)力場(chǎng)為主。地應(yīng)力類型在垂向的轉(zhuǎn)變?cè)蛑饕芷巾斏降V區(qū)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起的地應(yīng)力疊加的結(jié)果。

4)煤儲(chǔ)層壓力與垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力的線性關(guān)系明顯，煤儲(chǔ)層壓力隨著垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力增大而增大。滲透率隨著主應(yīng)力差、最大水平有效主應(yīng)力和最小水平有效主應(yīng)力關(guān)系以負(fù)指數(shù)形式呈現(xiàn)，其中，滲透率與主應(yīng)力差、最大水平有效主應(yīng)力相關(guān)性較好，說明主應(yīng)力差越大、滲透率越高；最大水平有效主應(yīng)力越小，滲透率值越高。研究認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域、低滲透率分布區(qū)域是煤層氣壓裂等儲(chǔ)層改造和井下煤層增透卸壓工程重點(diǎn)布置區(qū)域。