滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應力場與二疊系煤儲層滲透率特征

鞠 瑋，王勝宇，姜 波，苗 琦，李 明，黃沛銘

（1.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.云南省198 煤田地質(zhì)勘探隊，云南 昆明 650208）

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，煤層氣、頁巖氣以及致密油氣等非常規(guī)油氣在現(xiàn)有技術條件下顯示出巨大潛力［1］。 煤層氣作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，據(jù)第4 輪全國煤層氣資源評價顯示，全國埋深在2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量為29.82×1012m3，可采資源量為12.51×1012m3［2］。 因此，如何實現(xiàn)煤層氣的高效開發(fā)是目前面臨的重要課題。準確預測一個地區(qū)的現(xiàn)今地應力狀態(tài)不僅有助于非常規(guī)油氣勘探開發(fā)［3-6］，并且在CO2地質(zhì)封存［7］、井壁穩(wěn)定性評價［6，8-9］等方面也具有重要的作用。 研究表明，在煤層氣勘探開發(fā)過程中，煤儲層地應力可以通過控制壓裂隙的形態(tài)和擴展方向影響煤儲層的壓裂改造效果，并能在排采過程中影響煤儲層滲透率的動態(tài)變化，現(xiàn)今地應力狀態(tài)（大小和方向）和煤儲層滲透率是影響煤層氣開發(fā)的重要地質(zhì)因素［10-12］。 高產(chǎn)煤層氣在地質(zhì)方面表現(xiàn)為高滲透特征，而煤層滲透率的大小受到地應力、煤變質(zhì)程度以及裂隙發(fā)育程度及方位等多因素控制［13-15］。 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層富含大量煤層氣資源［16］?；诖?，依據(jù)試井及地應力測試參數(shù)對滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應力場和二疊系煤層滲透率開展研究，對該區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

滇東-黔西地區(qū)位于中國西南部，面積2.58×104km2，是黔西-滇東-川南晚二疊世上揚子聚煤沉積盆地的重要組成部分。 后期該區(qū)受燕山期、喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運動的影響，造成原型盆地解體，形成現(xiàn)今眾多的殘留盆地［16］（圖1），這些聚煤（煤層氣）盆地是我國長江以南著名的煤炭工業(yè)基地，同時也是我國重要的工業(yè)煤層氣聚集場所，主要含煤層氣盆地的總資源量可達2.2×1012～2.75×1012m3，具有非常巨大的開發(fā)前景［16-17］。

圖1 滇東-黔西地區(qū)煤層氣盆地分布［16］Fig.1 Distribution of coalbed methane basins in eastern Yunnan and western Guizhou regions［16］

滇東-黔西地區(qū)在晚二疊世發(fā)育了從陸相到海陸過渡相再到海相為主的沉積環(huán)境［18-19］（圖2）。按成因類型，研究區(qū)的含煤系地層可分為以典型宣威組為代表的陸相型與以龍?zhí)督M和長興組為代表的海陸過渡相型。 滇東-黔西地區(qū)的工業(yè)煤層氣主要賦存于海陸過渡相型中，如盤縣盆地、格目底向斜、青山向斜、恩洪盆地、老廠-圭山盆地等［16］。 在垂向上，該區(qū)煤系最為顯著的特征是多煤層疊置，煤層多而薄，以層序地層格架為主的沉積背景是其重要的控制因素［20］。

圖2 滇東-黔西地區(qū)晚二疊世長興階沉積古地圖圖［18］Fig.2 The Late Permian Changxing stage paleogeographic map in eastern Yunnan and western Guizhou regions［18］

2 滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應力場特征

目前而言，對于地應力狀態(tài)的表征主要是依據(jù)地應力大小（包括水平最大主應力SH，max，水平最小主應力Sh，min和垂向應力Sv）和水平最大主應力方向［3-4，21］。 根據(jù)不同方向應力值之間的相互大小關系，可劃分成3 種基本的應力機制類型［22］（圖3）：正斷應力機制（Sv＞SH，max＞Sh，min），走滑應力機制（SH，max＞Sv＞Sh，min）和逆斷應力機制（SH，max＞Sh，min＞Sv）。

圖3 地應力機制類型示意［21］Fig.3 Types of in-situ stress regime［21］

2.1 現(xiàn)今地應力場方向特征

現(xiàn)今地應力方向在油氣勘探、開發(fā)和鉆井工程中具有廣泛應用。 一般而言，可以通過震源機制解反演、鉆孔崩落特征、鉆井誘導張裂隙特征、壓裂隙微震監(jiān)測等方法確定［6，9-10］。 研究主要依據(jù)最新的2016 版全球應力圖（World Stress Map，WSM）數(shù)據(jù)庫［23-24］進行現(xiàn)今地應力場方向的分析，結(jié)果顯示，滇東-黔西地區(qū)水平最大主應力方向總體為WNW-ESE 向（圖4）。

圖4 滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應力場方向Fig.4 The present-day in-situ stress orientations in eastern Yunnan and western Guizhou regions

2.2 現(xiàn)今應力場大小特征

水力壓裂法是確定地應力的一種常用方法。 一般在煤層氣井投入生產(chǎn)之前，需要參照中國國家標準GB／T 24504—2009 對煤層開展／壓降試井，參照中國行業(yè)標準DB／T 14—2000 進行原地應力測試，以獲取煤層滲透率、儲層壓力、閉合壓力以及破裂壓力等參數(shù)。 結(jié)果表明，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層埋深在31.77 ～1 182.64 m 內(nèi)；煤層破裂壓力為2.01～29.16 MPa，平均為11.55 MPa；閉合壓力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；煤儲層壓力為0.52～12.81 MPa，平均為5.44 MPa（表1）。

表1 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層水力壓裂試驗參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Hydraulic fracture parameters in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

在煤儲層參數(shù)獲取的基礎上，一般認為閉合壓力即等于測試深度處的水平最小主應力［9］，即：

式中：Sh，min為水平最小主應力，MPa；Pc為閉合壓力，MPa。水平最大主應力可依據(jù)下式計算［25］：

SH，max＝3Sh，min-Pf-Po+T（2）式中：Pf為破裂壓力，MPa；Po為儲層壓力，MPa；T為煤巖抗拉強度，MPa。

而對于垂向應力，可依據(jù)上覆巖石重力計算，即：

式中：μ為巖石容重，計算時可參考取μ＝0.027［26］；h為上覆巖體厚度，m。

在研究過程中，由于煤巖石力學樣品制備困難等問題尚無法獲取每處壓裂深度點的煤巖抗拉強度，再者煤巖的抗拉強度相對較低，忽略不計時對結(jié)果影響較小，因此，在計算水平最大主應力時主要依據(jù)下式進行：

根據(jù)滇東-黔西地區(qū)138 組二疊系煤層水力壓裂試驗參數(shù)，計算研究區(qū)水平最大主應力為2.67 ～29.84 MPa，平均為14.10 MPa；水平最小主應力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；垂向應力為0.86～31.93 MPa，平均為14.49 MPa。

隨著地質(zhì)環(huán)境的變化致使所計算出來的地應力分布具有差異性，但滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層地應力大小隨埋深的分布仍具有某些規(guī)律：

1）煤層地應力大小隨著埋深表現(xiàn)出較好的正相關性（圖5）。 水平最大主應力、水平最小主應力和垂向應力的大小均隨著煤層埋深的增大而具有增大的趨勢。

2）煤層地應力的垂向分布具有分帶性（圖5）。根據(jù)應力機制的垂向變化，可劃分為三個帶，即：（Ⅰ）淺部帶，在600 m 以淺，研究區(qū)地應力分布整體表現(xiàn)為SH，max＞Sv＞Sh，min，水平最大主應力起主導作用，為大地動力場型。 （Ⅱ）過渡帶，在600 ～700 m，地應力的垂向分布呈現(xiàn)多種形式，水平最大主應力和垂向應力交替起主導作用。 （Ⅲ） 深部帶，深度超過700 m 之后，研究區(qū)地應力機制轉(zhuǎn)換為Sv＞SH，max＞Sh，min，垂向應力起主導作用，為大地靜力場型。 因此，滇東-黔西地區(qū)的地應力垂向轉(zhuǎn)換深度為600～700 m。

圖5 滇東-黔西地區(qū)地應力垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution of in-situ stresses in eastern Yunnan and western Guizhou regions

3 二疊系煤儲層滲透率特征及影響因素

統(tǒng)計表明，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層滲透率主要介于0.000 2 ～0.98×10-15m2，分布范圍較大。由于在不同具體區(qū)塊各種因素的影響，二疊系煤層滲透率呈現(xiàn)不規(guī)則變化，整體規(guī)律性不明顯。 迄今，國內(nèi)外諸多含煤盆地針對煤層現(xiàn)今地應力場和煤儲層滲透率開展了一系列卓有成效的研究［3-4，10-12，27-28］，認為煤儲層滲透率很大程度上受現(xiàn)今地應力場的影響。 一般而言，煤儲層中有效地應力（即原地應力與儲層壓力之差）的變化會造成煤體變形，進而導致煤儲層滲透率發(fā)生變化，在其他影響因素均等時，煤儲層滲透率隨著有效地應力的增大而呈指數(shù)減?。?-12，27，29］。 但在滇東-黔西地區(qū)，二疊系煤儲層滲透率與有效地應力間并沒有表現(xiàn)出良好的指數(shù)關系（圖6），表明研究區(qū)二疊系煤儲層滲透率變化復雜，受多種因素綜合控制。

圖6 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層滲透率與有效地應力關系Fig.6 The relationship between coal permeability and effective in-situ stresses in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

煤儲層是裂隙-孔隙型儲集層，屬于低孔低滲非常規(guī)儲層，煤儲層滲透率的高低除了受地應力影響外，還取決于煤化作用程度、天然裂隙、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)以及儲層壓力等方面［13，27，30-31］。 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層埋深、儲層壓力與滲透率之間的關系表明，二者之間也不存在明顯的相關性（圖7）。 天然裂隙的發(fā)育程度與產(chǎn)狀對煤儲層、致密油儲層等非常規(guī)儲層的滲透性具有重要的控制作用［27，32-34］。 煤儲層中發(fā)育的天然裂隙不僅可作為煤層氣重要的儲集空間，同時也能良好地連通煤基質(zhì)之間的空隙網(wǎng)絡，有效增強煤儲層的滲透性［34］。滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層沉積后經(jīng)歷了印支期、燕山期以及喜馬拉雅期多期構(gòu)造運動，發(fā)育復雜且相互交織的斷層和裂隙系統(tǒng)［16］。 據(jù)統(tǒng)計［34］，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層裂隙發(fā)育，平均裂隙密度在4.30 ～6.92 條／cm2內(nèi)，盤縣盆地二疊系煤儲層的平均裂隙密度高達6.92 條／cm2（圖8）。

圖7 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層滲透率與煤層埋深和儲層壓力之間關系Fig.7 The relationship among coal permeability， burial depth and reservoir pressure in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

圖8 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層平均裂隙密度Fig.8 The average fracture density in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

另外，依據(jù)煤層裂隙產(chǎn)狀實測統(tǒng)計，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層主要發(fā)育高角度裂隙，裂隙傾角主要集中在65°～85°。 同時，前文地應力分析顯示，滇東-黔西地區(qū)的深部帶（即深度超過700 m 時）煤儲層的應力機制為Sv＞SH，max＞Sh，min。 在這種垂向應力主導作用下，高角度裂隙多呈開啟狀態(tài)（圖3），進而可有效增大煤儲層滲透率。

滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層滲透率變化受多種因素綜合影響，單一的煤層埋深、儲層壓力等因素對研究區(qū)滲透率的控制不明顯，天然裂隙狀態(tài)及其與現(xiàn)今地應力場耦合可能是控制研究區(qū)二疊系煤層滲透率的重要因素。

4 結(jié) 論

1）滇東-黔西地區(qū)水平最大主應力方向總體為WNW-ESE 向。

2）滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層破裂壓力為2.01～29.16 MPa，平均為11.55 MPa；閉合壓力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；煤儲層壓力為0.52～12.81 MPa，平均為5.44 MPa。 水平最大主應力為2.67～29.84 MPa，平均為14.10 MPa；水平最小主應力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；垂向應力為0.86～31.93 MPa，平均為14.49 MPa。

3）滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應力大小隨煤層埋深的增加而增大，在垂向分布上呈現(xiàn)出分帶性。 在600 m 以淺，地應力分布整體表現(xiàn)為SH，max＞Sv＞Sh，min，水平最大主應力起主導作用；深度超過700 m之后，地應力機制轉(zhuǎn)換為Sv＞SH，max＞Sh，min，垂向應力起主導作用，為大地靜力場型；地應力垂向轉(zhuǎn)換深度為600～700 m。

4）滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲層滲透率的變化受多種因素的綜合影響。 煤層埋深、儲層壓力、有效地應力等因素對研究區(qū)二疊系煤儲層滲透率變化的控制不明顯，天然裂隙特征（發(fā)育程度與產(chǎn)狀）及其與現(xiàn)今地應力狀態(tài)（地應力大小和方向）的配套關系可能對該區(qū)煤儲層滲透性起到重要控制作用。

致謝：感謝評審專家提出的建設性寶貴意見。云南省198 煤田地質(zhì)勘探隊為本次研究給予大力幫助，特此致謝！