庫拜煤田阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力特征及其對(duì)儲(chǔ)層物性的制約?

李 鑫，魏永恒，王文峰，琚宜文，田繼軍，吳 斌，馮 爍

(1.新疆大學(xué) 新疆中亞造山帶大陸動(dòng)力學(xué)與成礦預(yù)測(cè)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017；2.中國科學(xué)院 計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；3.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049；4.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

煤層氣作為一種可替代天然氣的清潔能源，可以有效緩解天然氣供能不足的局面[1?2]．我國煤層氣資源量位居世界第三位[3]，其中埋深2 000 m以淺煤層氣可采資源量為12.5×1012m3[4]．地應(yīng)力是影響煤層氣開發(fā)的基本因素，可影響煤儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層含氣性、壓裂裂縫形態(tài)和擴(kuò)展方向等[5]．地應(yīng)力主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成[6]；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響孔隙和天然裂縫的發(fā)育，進(jìn)而制約儲(chǔ)層原始滲透率；現(xiàn)今地應(yīng)力是在古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成基礎(chǔ)上的疊加，其分布直接決定了煤儲(chǔ)層孔隙和裂縫的開閉[7]；中國淺-中深部煤儲(chǔ)層地應(yīng)力以中-高應(yīng)力區(qū)為主[8]．我國不同盆地煤儲(chǔ)層最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換深度不同，如沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地柳林地區(qū)和黔西六盤水煤田轉(zhuǎn)換深度分別為650 m、850 m和600 m[9?11]．隨埋深增加，我國不同盆地煤儲(chǔ)層吸附氣含量臨界轉(zhuǎn)換深度亦存在差異，如沁水盆地南部范莊-鄭莊區(qū)塊吸附氣含量臨界轉(zhuǎn)換深度為825 m[12]，而鄂爾多斯盆地東部吸附氣含量轉(zhuǎn)換深度則在900～1 600 m范圍內(nèi)波動(dòng)[13]．

近年新疆南天山撓曲盆地庫車坳陷煤層氣的勘探開發(fā)進(jìn)展迅速，庫拜煤田是其中重點(diǎn)勘探開發(fā)的地區(qū)之一．受山前強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓抬升的影響，庫拜煤田多套煤層氣儲(chǔ)層地應(yīng)力特征及其影響下儲(chǔ)層物性特征可能與我國中東部煤田相應(yīng)特征不同．前人對(duì)撓曲盆地煤儲(chǔ)層地應(yīng)力研究較薄弱，此類地質(zhì)條件下地應(yīng)力分布特征及其地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)煤儲(chǔ)層物性的影響尚不清晰，對(duì)撓曲盆地構(gòu)造背景制約下儲(chǔ)層地應(yīng)力特征的討論較為欠缺．針對(duì)上述不足，本文分析了南天山撓曲盆地庫車坳陷阿艾礦區(qū)多套煤層氣儲(chǔ)層地應(yīng)力分布特征及其對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的制約，揭示了地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力和吸附氣含量的影響，并結(jié)合構(gòu)造演化對(duì)煤儲(chǔ)層現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的影響，探討了撓曲盆地構(gòu)造演化背景下煤儲(chǔ)層地應(yīng)力特征及其對(duì)儲(chǔ)層物性的制約機(jī)理，研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)庫拜煤田煤層氣乃至南疆地區(qū)煤層氣進(jìn)一步勘探開采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

1 區(qū)域地質(zhì)背景與特征

庫拜煤田位于南天山山前撓曲盆地[14]庫車坳陷北部，阿艾礦區(qū)處于庫拜煤田東部．阿艾礦區(qū)東西走向長(zhǎng)約39 km，南北寬約1.7 km，面積約63.53 km2；礦區(qū)總體走向?yàn)榻鼥|西向，局部地段為北東走向，形態(tài)展布不規(guī)則；礦區(qū)內(nèi)褶皺較為發(fā)育，由北向南依次發(fā)育有捷斯德里克向斜、捷斯德里克背斜、夏闊坦向斜、比尤勒包谷孜背斜[15]，區(qū)內(nèi)西部發(fā)育F1逆斷層（圖1）．不同褶皺構(gòu)造復(fù)雜程度差異性較大，傾角介于8～80?之間；阿艾礦區(qū)內(nèi)分布的地層主要有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系；含煤地層主要有侏羅系下統(tǒng)陽霞組、塔里奇克組和侏羅系中統(tǒng)克孜努爾組（圖2），其中塔里奇克組是主要含煤地層，共含煤14層，主要煤層為下5和下12煤層，可采煤層累計(jì)平均厚度在20 m左右．

圖1 （a）庫車凹陷構(gòu)造單元圖；（b）阿艾礦區(qū)構(gòu)造綱要圖；（c）阿艾礦區(qū)煤層氣井位分布圖

圖2 阿艾礦區(qū)煤系地層柱狀圖

2 樣品采集與測(cè)試方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24504―2009和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T 14―2000對(duì)阿艾礦區(qū)14口井/29個(gè)層開展注入/壓降試井和原地應(yīng)力測(cè)試，以獲取儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層溫度、儲(chǔ)層壓力、破裂壓力、閉合壓力、重張壓力等參數(shù)．最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別根據(jù)煤儲(chǔ)層閉合壓力、破裂壓力、巖石抗張強(qiáng)度及巖體容重之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[16?17]．

含氣量測(cè)定根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19559―2008進(jìn)行．將密封后煤樣（來自阿艾礦區(qū)14口煤層氣井）在恒溫裝置的儲(chǔ)層溫度下進(jìn)行解吸，自然解吸量連續(xù)7天、平均每天小于或等于10 mL時(shí)結(jié)束解吸．將自然解吸后的樣品破碎2～4 h后放入恒溫裝置，待恢復(fù)儲(chǔ)層溫度后觀測(cè)氣體逸出量，連續(xù)解吸7天、平均每天小于或等于10 mL時(shí)結(jié)束殘余量測(cè)定[18]，并根據(jù)煤樣暴露時(shí)間計(jì)算采樣過程中氣體損失量．解吸氣量、殘余氣量加損失氣量即為煤樣含氣量．

3 撓曲盆地煤儲(chǔ)層儲(chǔ)層壓力和地應(yīng)力特征

3.1 儲(chǔ)層壓力特征

表1為阿艾礦區(qū)注入/壓降試井和地應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果．阿艾礦區(qū)試井煤層埋深363.23～1 149.06 m，均值為750.64 m；煤儲(chǔ)層壓力為3.26～10.70 MPa，均值為6.60 MPa；儲(chǔ)層壓力梯度為0.72～1.27 MPa/100 m，均值為0.89 MPa/100 m．據(jù)儲(chǔ)層壓力分類：小于0.9 MPa/100 m為欠壓儲(chǔ)層，0.9～1.00 MPa/100 m為正常壓儲(chǔ)層，大于1.00 MPa/100 m為高壓儲(chǔ)層，可知阿艾礦區(qū)總體呈欠壓狀態(tài)，但也存在局部超壓儲(chǔ)層．阿艾礦區(qū)有效應(yīng)力隨埋深的增加而增大，有效垂直主應(yīng)力隨埋深增大速率>有效最小水平主應(yīng)力隨埋深增大速率>有效最大水平主應(yīng)力；隨埋深增大速率，有效最大水平主應(yīng)力和埋深相關(guān)性大于有效最小水平主應(yīng)力和埋深相關(guān)性（圖3）．儲(chǔ)層壓力梯度隨埋深的增加基本呈略緩慢減小趨勢(shì)（圖4(a)）．破裂壓力、閉合壓力和儲(chǔ)層壓力隨埋深呈線性增大趨勢(shì)，且三者與埋深的相關(guān)性均較高（圖4(b)），其中閉合壓力和破裂壓力之間的相關(guān)性可達(dá)90%（圖4(c)）．

圖3 （a）阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層（最大水平主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和埋深關(guān)系；（b）（最小水平主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和埋深關(guān)系；（c）（垂直主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和埋深關(guān)系

圖4 （a）阿艾礦區(qū)最大水平主應(yīng)力梯度、最小水平主應(yīng)力梯度、儲(chǔ)層壓力梯度和埋深關(guān)系；（b）煤儲(chǔ)層破裂壓力、閉合壓力、儲(chǔ)層壓力和埋深關(guān)系；（c）煤儲(chǔ)層閉合壓力和破裂壓力的關(guān)系

表1 研究區(qū)注入/壓降試驗(yàn)及地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)參數(shù)

3.2 地應(yīng)力狀態(tài)隨埋深的變化

阿艾礦區(qū)最大水平主應(yīng)力為5.56～28.02 MPa，均值為18.11 MPa；最大水平主應(yīng)力梯度為1.44～4.29 MPa/100 m，均值為2.51 MPa/100 m；最小水平主應(yīng)力為5.10～18.90 MPa，均值為12.67 MPa；最小水平主應(yīng)力梯度為1.11～2.58 MPa/100 m，均值為1.76 MPa/100 m；垂直主應(yīng)力為9.81～30.43 MPa，均值為19.61 MPa．Kang等[19]根據(jù)最大水平主應(yīng)力對(duì)超高應(yīng)力區(qū)（>30 MPa）、高應(yīng)力區(qū)（18～30 MPa）、中等應(yīng)力區(qū)（10～18 MPa）和低應(yīng)力區(qū)（0～10 MPa）進(jìn)行分類．統(tǒng)計(jì)可知阿艾礦區(qū)52%的最大水平主應(yīng)力處于18～30 MPa，該礦區(qū)處于高應(yīng)力水平．

根據(jù)Zhao等[6]對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的劃分，阿艾礦區(qū)σv>σH>σh、σH>σv>σh、σH≈σv>σh應(yīng)力場(chǎng)分別對(duì)應(yīng)正常應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)、走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)過渡狀態(tài)．阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層埋深處于350～500 m時(shí)，地應(yīng)力類型為σH>σv>σh，煤儲(chǔ)層處于走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)，為擠壓狀態(tài)；埋深處于500～900 m時(shí)，地應(yīng)力類型逐漸轉(zhuǎn)為σH≈σv>σh，煤儲(chǔ)層處于應(yīng)力場(chǎng)過渡狀態(tài)；埋深大于900 m時(shí)，地應(yīng)力類型逐漸轉(zhuǎn)為σv>σH>σh（圖5(a)），垂直主應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，煤儲(chǔ)層處于正常應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，為壓縮狀態(tài)．

側(cè)壓力系數(shù)（λ）定義為平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值、是反映地應(yīng)力狀態(tài)的重要參數(shù)[20]，λ用下列公式表示：

圖5（b）為阿艾礦區(qū)λ和深度的關(guān)系．由圖5（b）可知，數(shù)值點(diǎn)基本都位于中國應(yīng)力內(nèi)外包絡(luò)線范圍內(nèi)，也同時(shí)位于Hoek-Brown應(yīng)力內(nèi)外包絡(luò)線范圍內(nèi)．煤儲(chǔ)層埋深350～500 m范圍，側(cè)壓力系數(shù)為0.54～1.27，均值為0.95；煤儲(chǔ)層埋深500～900 m范圍，側(cè)壓力系數(shù)為0.48～1.00，均值為0.77；煤儲(chǔ)層埋深900～1 200 m范圍，側(cè)壓力系數(shù)為0.62～0.79，均值為0.74．埋深處于350～500 m時(shí)，水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位；埋深處于500～900 m時(shí)，垂直主應(yīng)力的作用開始增大，此段λ變小；埋深處于900～1 200 m時(shí)，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力隨深度增加而增大，此段λ值趨于收斂．

圖5 （a）阿艾礦區(qū)的儲(chǔ)層最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、儲(chǔ)層壓力、垂直主應(yīng)力和靜水壓力和儲(chǔ)層埋深關(guān)系；（b）側(cè)壓力系數(shù)和儲(chǔ)層埋深的關(guān)系

4 撓曲盆地煤儲(chǔ)層地應(yīng)力對(duì)煤層氣可采性的制約

4.1 地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的制約

滲透率反映煤儲(chǔ)層的滲流能力，決定煤儲(chǔ)層中氣液運(yùn)移的難易程度，進(jìn)而影響氣體的產(chǎn)量[21?22]．制約煤儲(chǔ)層滲透率的因素多樣，包括應(yīng)力狀態(tài)、煤體結(jié)構(gòu)、天然裂隙等因素[23]．中國的地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，煤儲(chǔ)層滲透率一般低于美國、澳大利亞等，原地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響更加顯著[24?26]．阿艾礦區(qū)滲透率隨最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力增加呈減小趨勢(shì)（圖6），阿艾礦區(qū)滲透率隨有效地應(yīng)力的增大亦呈減小趨勢(shì)（圖7）．有效地應(yīng)力隨埋深增加呈增大趨勢(shì)（圖3），而滲透率隨有效地應(yīng)力的增加呈減小趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S有效應(yīng)力增大，孔隙閉合，裂縫寬度減小，煤體發(fā)生彈塑性變形，煤儲(chǔ)層滲流空間減小，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率減小．

圖6 （a）阿艾礦區(qū)最大水平主應(yīng)力和滲透率關(guān)系；（b）最小水平主應(yīng)力和滲透率關(guān)系；（c）垂直主應(yīng)力和滲透率關(guān)系

圖7 （a）阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層（最大水平主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和滲透率關(guān)系；（b）（最小水平主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和滲透率關(guān)系；（c）（垂直主應(yīng)力-儲(chǔ)層壓力）和滲透率關(guān)系

圖8為阿艾礦區(qū)滲透率和儲(chǔ)層埋深的關(guān)系．儲(chǔ)層埋深350～500 m，兩個(gè)滲透率數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為2.23 mD和0.23 mD，一定程度上說明此埋深范圍滲透率值較大；儲(chǔ)層埋深500～900 m，滲透率范圍為0.01～2.31 mD，均值為0.46 mD，數(shù)值大于0.25 mD的滲透率數(shù)據(jù)點(diǎn)占一半左右，此深度范圍滲透率較大但總體隨埋深增加不斷減小，主要在于此段地應(yīng)力類型為σH≈σv>σh，垂直應(yīng)力隨埋深增大速率逐漸大于水平應(yīng)力，煤儲(chǔ)層裂隙隨深度增大而逐漸閉合，滲透率逐漸減?。粌?chǔ)層埋深900～1 200 m，滲透率范圍為0.08～0.35 mD，均值為0.19 mD，此段滲透率較低，4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值均小于0.25 mD，僅1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值大于0.25 mD，主要在于埋深大于900 m后，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值均較大，且垂直主應(yīng)力增大速度大于水平主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力為主后對(duì)水平滲透率的影響更大，致使此段滲透率均較低．埋深900 m處既是滲透率趨勢(shì)變化點(diǎn)，也是垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，暗示了地應(yīng)力對(duì)滲透率的制約作用．

圖8 阿艾礦區(qū)滲透率和儲(chǔ)層埋深關(guān)系

4.2 地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層壓力的制約

煤層氣的開發(fā)是一個(gè)排水、降壓和促進(jìn)氣體解吸的過程[27?28]，儲(chǔ)層壓力直接決定了煤層氣的吸附、脫附和滲流能力，對(duì)煤層氣的開發(fā)具有重要制約作用．由圖9可知，煤儲(chǔ)層壓力隨著地應(yīng)力的增加而增大，兩者呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.696 9．地應(yīng)力是影響煤儲(chǔ)層壓力的主要因素，隨著地應(yīng)力的增加，煤儲(chǔ)層孔隙體積被擠壓，煤儲(chǔ)層中氣、水介質(zhì)壓力增大，促使煤儲(chǔ)層壓力增大[29]．

圖9 阿艾礦區(qū)最小水平主應(yīng)力和煤儲(chǔ)層壓力關(guān)系

4.3 地應(yīng)力對(duì)吸附氣含量的影響

影響吸附氣含量的因素有儲(chǔ)層壓力和溫度等因素[30]．其中儲(chǔ)層壓力對(duì)煤的吸附能力具有正效應(yīng)，溫度對(duì)煤的吸附能力具有負(fù)效應(yīng)，正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)之間相互作用導(dǎo)致存在煤層氣含氣量臨界深度[31]．由上述分析可知，埋深900 m為地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，是垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，亦是側(cè)壓力系數(shù)1.0深度處．由圖10可知，總體上阿艾礦區(qū)下5和下10煤儲(chǔ)層吸附氣含量在300～900 m的范圍內(nèi)隨埋深增加而趨于增大、在大于1 000 m時(shí)隨埋深增加而趨于減小，可知阿艾礦區(qū)下5和下10煤儲(chǔ)層吸附氣含量轉(zhuǎn)換深度在900～1 000 m附近．當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)1.0深度小于含氣量反轉(zhuǎn)深度時(shí)，埋深較深的界線為臨界深度[2]，亦證明阿艾礦區(qū)吸附氣含量臨界深度在900～1 000 m附近．當(dāng)埋深小于900～1 000 m時(shí)，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力隨埋深增加速率大于相應(yīng)值在埋深大于1 000 m時(shí)的增大速率（圖5(a)），因此，埋深900～1 000 m以淺地應(yīng)力制約下的儲(chǔ)層壓力起主導(dǎo)作用，吸附氣含量隨埋深增加而增大；當(dāng)埋深大于900～1 000 m時(shí)，儲(chǔ)層壓力正效應(yīng)小于溫度負(fù)效應(yīng)，吸附氣含量隨埋深增加轉(zhuǎn)為下降．

圖10 （a）阿艾礦區(qū)下5煤儲(chǔ)層吸附氣含量和埋深關(guān)系；（b）下10煤儲(chǔ)層吸附氣含量和埋深關(guān)系

4.4 地應(yīng)力對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響

地應(yīng)力對(duì)煤層氣的勘探開采不僅具有正效應(yīng)亦具有負(fù)效應(yīng)．一方面，地應(yīng)力越大，儲(chǔ)層壓力越大，有利于保持煤儲(chǔ)層壓力并形成高臨儲(chǔ)比儲(chǔ)層，容易排水降壓，有利于煤層氣的開發(fā)；另一方面，隨著地應(yīng)力增加，滲透率往往減小，抑制煤儲(chǔ)層的排水降壓以及煤層氣的解吸、運(yùn)移和產(chǎn)出[16]．煤層氣可采性是煤層氣勘探開采的先決條件，而臨儲(chǔ)比和滲透率是衡量煤層氣可采性的關(guān)鍵地質(zhì)因素[32]．由上文分析可知，地應(yīng)力對(duì)滲透率具有負(fù)效應(yīng)；同時(shí)地應(yīng)力通過對(duì)儲(chǔ)層壓力的正效應(yīng)而對(duì)臨儲(chǔ)比產(chǎn)生正效應(yīng)．目前，阿艾礦區(qū)大部分煤層氣井排采時(shí)間較短（多處于排水段尚未產(chǎn)氣），因此，分析了阿艾礦區(qū)鄰區(qū)鐵列克礦區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力與煤層氣井典型日產(chǎn)氣量[33]的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最小水平主應(yīng)力和典型日產(chǎn)氣量呈負(fù)相關(guān)（圖11），典型日產(chǎn)氣量隨著最小水平主應(yīng)力的增加而逐漸減小．由此可知，地應(yīng)力對(duì)滲透率造成的負(fù)效應(yīng)大于地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力和臨儲(chǔ)比造成的正效應(yīng)，高地應(yīng)區(qū)可能面臨煤層氣井低產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)．

圖11 鐵列克礦區(qū)最小水平主應(yīng)力和典型日產(chǎn)氣量關(guān)系

5 撓曲盆地煤系構(gòu)造演化及其對(duì)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力的制約作用

5.1 構(gòu)造演化對(duì)現(xiàn)今煤儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)的制約

阿艾礦區(qū)地層走向近EW向，發(fā)育NS向平行排列一系列寬緩短軸狀褶皺[34]．礦區(qū)地層傾角跨度大，隨褶皺不同而不同，礦區(qū)最南部比尤勒包谷孜背斜南翼地層近直立，向北地層傾角依次變緩，直至礦區(qū)北部捷斯德里克向斜傾角8～30?．南天山撓曲盆地庫車坳陷北部構(gòu)造帶主要經(jīng)歷燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，燕山期和喜山期構(gòu)造應(yīng)力的方向分別為NW-SE向和近NS向[35]，燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最大有效古應(yīng)力分別為27.4～60.0 MPa和55.7～100.0 MPa，燕山期最大有效古應(yīng)力小于喜山期，且北部構(gòu)造帶在燕山期和喜山期各經(jīng)過一次構(gòu)造抬升（圖12）．阿艾礦區(qū)主要開采煤層位于北部構(gòu)造帶北部埋深小于1 500 m的位置，其所經(jīng)歷的構(gòu)造歷程與北部構(gòu)造帶一致．據(jù)此推測(cè)第一次擠壓構(gòu)造抬升過程阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響發(fā)生輕微褶皺，形成山前寬緩褶皺雛形；第二次強(qiáng)烈擠壓抬升過程阿艾礦區(qū)煤儲(chǔ)層受喜山期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響部分煤儲(chǔ)層急劇抬升形成陡傾斜緊閉背斜煤儲(chǔ)層，且存在不同褶皺間高角度逆沖斷層制約下斷塊間做差異性升降運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[36]．煤儲(chǔ)層在燕山晚期先抬升，其中淺部煤儲(chǔ)層（小于500 m）會(huì)伴隨應(yīng)力釋放形成碎裂煤，然后煤儲(chǔ)層在喜山期的構(gòu)造擠壓作用下發(fā)育一系列高角度逆沖推覆斷層，形成現(xiàn)今走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)（σH>σv>σh，圖5(a)）又將裂隙壓實(shí)閉合，導(dǎo)致滲透率減?。芟采狡跍\部煤儲(chǔ)層（小于500 m）逆沖推覆影響，中深部（埋深500～1 200 m）煤儲(chǔ)層現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)明顯小于淺部，同時(shí)古NS向構(gòu)造擠壓應(yīng)力部分釋放后滲透率回彈，該位置儲(chǔ)層含氣量較高，較有利于煤層氣的開發(fā)．

圖12 庫車坳陷北部構(gòu)造帶煤儲(chǔ)層埋藏史（據(jù)文獻(xiàn)[35]修改）

5.2 撓曲盆地山前褶皺帶地應(yīng)力場(chǎng)分異特征

庫車坳陷庫拜煤田主要經(jīng)歷燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成了基本平行于天山的東西向的山前二級(jí)褶皺單元[37]，同時(shí)受到南東東、北西西向扭應(yīng)力作用，產(chǎn)生了次一級(jí)的波狀起伏，其中就包括阿艾礦區(qū)的夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜，而南北向的擠壓應(yīng)力程度不同和垂向上的升降運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致位于礦區(qū)中部的夏闊坦向斜和礦區(qū)南部的比尤勒包谷孜背斜的地應(yīng)力特征不同．由圖13可知，夏闊坦向斜中最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力隨埋深增大的速率大于比尤勒包谷孜背斜中最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力隨埋深增大的速率，即同一埋深夏闊坦向斜水平主應(yīng)力大于比尤勒包谷孜背斜水平主應(yīng)力．受此影響，夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜煤儲(chǔ)層滲透率和埋深關(guān)系亦產(chǎn)生分異（圖14），地應(yīng)力較大的夏闊坦向斜滲透率值（0.01～0.61 mD，均值為0.22 mD）小于比尤勒包谷孜背斜滲透率值（0.11～2.23 mD，均值為0.60 mD）（表2），可知夏闊坦向斜垂直方向所受構(gòu)造擠壓應(yīng)力較大，煤儲(chǔ)層裂隙收縮，造成此處滲透率較小，而比尤勒包谷孜背斜所受構(gòu)造擠壓應(yīng)力較小，造成此處滲透率相對(duì)較大，更利于煤層氣的開發(fā)．

表2 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜地應(yīng)力數(shù)據(jù)

圖13 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜中最大水平主應(yīng)力（a）、最小水平主應(yīng)力（b）與埋深關(guān)系

圖14 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜中滲透率和埋深關(guān)系

由圖5可知，埋深350～1 200 m范圍內(nèi)阿艾礦區(qū)σH>σv>σh類型占總地應(yīng)力場(chǎng)類型的10.7%，無σH>σh>σv類型，σH≈σv>σh類型占總地應(yīng)力場(chǎng)類型的53.6%，且σv>σH>σh類型隨著埋深的增加而增多．鄂爾多斯盆地東緣埋深488～1 289.5 m范圍內(nèi)σH>σv>σh、σH>σh>σv、σv>σH>σh地應(yīng)力場(chǎng)類型分別占總地應(yīng)力場(chǎng)類型的54.7%、4%、41.3%．可知鄂爾多斯盆地東緣σH>σv>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)占比遠(yuǎn)大于阿艾礦區(qū)σH>σv>σh類型占比；阿艾礦區(qū)不含σH>σh>σv，而鄂爾多斯盆地東緣含有少量σH>σh>σv類型．推測(cè)上述不同產(chǎn)生的原因是阿艾礦區(qū)煤層抬升至近地表急傾斜后水平應(yīng)力釋放，導(dǎo)致水平應(yīng)力減小，進(jìn)而導(dǎo)致σH>σv>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)向σH≈σv>σh類型轉(zhuǎn)換所致．最終導(dǎo)致σH>σv>σh類型占比減小而σH≈σv>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)占比較大．

6 結(jié)論

系統(tǒng)分析了南天山撓曲盆地庫車坳陷阿艾礦區(qū)煤系多套煤層氣儲(chǔ)層地應(yīng)力分布特征并分析了其對(duì)煤儲(chǔ)層物性的制約作用，主要結(jié)論如下：

（1）阿艾礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)在垂向上發(fā)生變化，儲(chǔ)層埋深處于350～500 m、500～900 m和900～1 200 m時(shí)，地應(yīng)力狀態(tài)類型依次為σH>σv>σh、σH≈σv>σh和σv>σH>σh．

（2）埋深900 m處既是垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，也是滲透率趨勢(shì)變化點(diǎn)，暗示了地應(yīng)力對(duì)滲透率的制約作用，阿艾礦區(qū)吸附氣含量臨界深度為900～1 000 m．

（3）受淺部逆沖推覆影響，阿艾礦區(qū)中深部煤儲(chǔ)層古NS向構(gòu)造擠壓應(yīng)力部分釋放后滲透率回彈，再加上含氣性較好，總體有利于煤層氣開發(fā)．

（4）阿艾礦區(qū)南部比尤勒包谷孜背斜水平主應(yīng)力小于礦區(qū)中部夏闊坦向斜水平主應(yīng)力，導(dǎo)致比尤勒包谷孜背斜煤儲(chǔ)層滲透率大于夏闊坦向斜煤儲(chǔ)層滲透率，相對(duì)更有利于煤層氣的開發(fā)．