新疆庫拜煤田鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力分布及其對煤層氣開發(fā)的影響

魏永恒，葛燕燕，王 剛，王文峰，田繼軍，李 鑫，吳 斌，張 曉

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一地質(zhì)勘探隊，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

中國擁有大量的煤層氣資源，位列世界第三位，僅次于俄羅斯和美國[1]。開發(fā)煤層氣可減少能源浪費，保護(hù)環(huán)境，降低煤礦瓦斯事故發(fā)生概率，對煤礦瓦斯安全具有重要意義[2]。煤的滲透性是影響煤層氣開發(fā)效果最重要的因素之一，主要受地應(yīng)力、埋藏深度、煤階、煤體結(jié)構(gòu)等因素影響，一般而言煤儲層的滲透性變化取決于當(dāng)時的地應(yīng)力狀態(tài)[3]，地應(yīng)力越大，煤儲層滲透率越低[4-6]。地應(yīng)力產(chǎn)生于地球內(nèi)部的各種動力作用過程中，主要包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、變異及殘余應(yīng)力和附加應(yīng)力等[7]。地應(yīng)力可改變裂縫的形態(tài)特征和延伸方向，是研究煤層氣勘探開發(fā)方面的基本因素[8]，而對現(xiàn)今地應(yīng)力場現(xiàn)狀的了解是煤層氣開發(fā)的前提[9]。

前人對新疆庫拜煤田煤儲層地應(yīng)力分布特征的研究較薄弱，鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力對煤儲層物性影響尚不清晰，地應(yīng)力對煤層氣產(chǎn)量的影響亦未揭示。針對上述不足，本研究基于新疆庫拜煤田鐵列克礦區(qū)煤儲層注入/壓降試井及原地應(yīng)力測試結(jié)果，深入分析鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力分布特征，結(jié)合鐵列克礦區(qū)典型日產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)，探討鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力對煤儲層滲透率的控制，明晰地應(yīng)力對煤儲層壓力、含氣量的影響，最終討論地應(yīng)力對鐵列克礦區(qū)煤層氣開發(fā)的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

庫拜煤田位于天山南麓，塔里木盆地以北的庫車坳陷北部[10]；鐵列克礦區(qū)位于庫拜煤田中西部。鐵列克礦區(qū)總體上為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般為40°～89°。鐵列克礦區(qū)可分為鐵西礦區(qū)和鐵東礦區(qū)，區(qū)域斷層主要有位于礦區(qū)北部的F1逆斷層和位于礦區(qū)南部的F2及F3正斷層[11](圖1)。研究區(qū)含煤地層主要為中生界下侏羅統(tǒng)塔里奇克組、陽霞組以及中侏羅統(tǒng)克孜努爾組[12]。塔里奇克組含煤層2～15層，單層煤厚0.09～25.10 m；陽霞組含煤6層，單層煤厚0.05～5.61 m；克孜努爾組含煤4層，單層煤厚0.57～3.51 m[13]。研究區(qū)含煤巖系巖性主要為灰色灰白色石英砂巖、粗砂巖、砂礫巖、中細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層。

2 注入/壓降試井和原地應(yīng)力測試

本次研究工作采用注入/壓降試井和原地應(yīng)力測試的方法得到儲層滲透率、儲層溫度、破裂壓力、閉合壓力、重張壓力等地層參數(shù)，注入/壓降試井和原地應(yīng)力測試分別根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24504-2009和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T14-2000開展[14]。試井?dāng)?shù)據(jù)主要采用PanSystem V3.5.0試井分析專用軟件進(jìn)行解譯，并對測試煤層采用半對數(shù)、雙對數(shù)曲線擬合分析[15]。選擇時間平方根法對原地應(yīng)力數(shù)據(jù)閉合壓力進(jìn)行測試，且用雙對數(shù)法進(jìn)行檢驗。水力壓裂測得的臨界煤層閉合壓力的數(shù)值即為最小水平主應(yīng)力的數(shù)值[16]；最大水平主應(yīng)力根據(jù)最小水平主應(yīng)力、破裂壓力、儲層壓力和抗拉強度之間的關(guān)系計算[17]；重張壓裂循環(huán)時巖石的抗拉強度為0[14,18]；垂直主應(yīng)力一般根據(jù)巖體容重和埋藏深度之間關(guān)系計算[19-20]。

圖1 庫拜煤田位置圖(a)和鐵列克礦區(qū)構(gòu)造綱要圖(b)Fig.1 Location map of the Kubai coalfield (a) and tectonic outline map of the Tielieke mining area (b)

3 儲層壓力與地應(yīng)力特征

3.1 儲層壓力特征

表1為鐵列克礦區(qū)注入/壓降試井和地應(yīng)力試驗結(jié)果。鐵列克礦區(qū)測試井位儲層埋深563.38～1 157.61 m，均值為813.18 m；儲層壓力為4.62～11.39 MPa，均值為7.57 MPa；壓力梯度為0.78～1.07 MPa/hm，均值為0.93 MPa/hm。據(jù)儲層壓力分類：小于0.9 MPa/hm為欠壓儲層，0.9～1.00MPa/hm為正常壓儲層，大于1.00 MPa/hm為高壓儲層，可知鐵列克礦區(qū)總體呈常壓狀態(tài)，存在局部超壓儲層。圖2為隨埋深增加鐵列克礦區(qū)最大、最小水平主應(yīng)力梯度和儲層壓力梯度的變化趨勢，由圖可知儲層壓力梯度隨埋深的增加趨于穩(wěn)定。

表1 鐵列克礦區(qū)注入/壓降試驗及地應(yīng)力測量試驗參數(shù)

圖2 鐵列克礦區(qū)最大水平主應(yīng)力梯度(GH)、最小水平主應(yīng)力梯度(Gh)、儲層壓力梯度(Go)和煤層埋深關(guān)系Fig.2 Relationship between maximum horizontal principal stress gradient (GH), minimum horizontal principal stress gradient (Gh), reservoir pressure gradient(Go)and burial depth in the Tielieke mining area

3.2 地應(yīng)力狀態(tài)隨埋深的變化

由計算結(jié)果可知，鐵列克礦區(qū)最大水平主應(yīng)力為9.33～33.52 MPa，均值為20.22 MPa；最大水平主應(yīng)力梯度為1.37～3.91 MPa/hm，均值為2.53 MPa/hm。最小水平主應(yīng)力為8.05～22.30 MPa，均值為14.48 MPa；最小水平主應(yīng)力梯度為1.19～2.43 MPa/hm，均值為1.80 MPa/hm。垂直主應(yīng)力為15.21～31.26 MPa，均值為21.99 MPa。根據(jù)最大水平主應(yīng)力對超高應(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[21]。由計算結(jié)果匯總分類可知鐵列克礦區(qū)71%的最大水平主應(yīng)力數(shù)據(jù)處于18～30 MPa范圍，鐵列克礦區(qū)總體上歸屬于高應(yīng)力水平。

將地應(yīng)力狀態(tài)分為正常層應(yīng)力場狀態(tài)(σv>σH>σh)、走滑斷層應(yīng)力場狀態(tài)(σH>σv>σh)、逆斷層應(yīng)力場狀態(tài)(σH>σh>σv)[22]。本研究鐵列克礦區(qū)涉及σv>σH>σh、σH>σv>σh和σH≈σv>σh三種應(yīng)力場，其中σv>σH>σh和σH>σv>σh應(yīng)力場分別對應(yīng)Anderson 1951年提出的[22]正常應(yīng)力場和走滑斷層應(yīng)力場，而σH≈σv>σh應(yīng)力場在此次工作中被定義為擠壓-壓縮過渡帶。鐵列克礦區(qū)煤層埋深處于550～650 m時，地應(yīng)力類型為σH>σh>σv，煤儲層處于走滑斷層應(yīng)力帶。當(dāng)煤層埋深處于650～850 m時，地應(yīng)力類型逐漸轉(zhuǎn)為σH≈σv>σh，煤儲層處于擠壓-壓縮過渡帶。當(dāng)深度處于850～1 200 m時，地應(yīng)力類型轉(zhuǎn)為σv>σH>σh(圖3)，垂直主應(yīng)力值最大，占據(jù)主導(dǎo)地位，煤儲層處于正常應(yīng)力帶。

3.3 水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的關(guān)系

側(cè)壓力系數(shù)(λ)定義為平均水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值，是表明地應(yīng)力狀態(tài)的重要參數(shù)[23]，λ用下式表示：

(1)

研究區(qū)λ的計算結(jié)果顯示，側(cè)壓力系數(shù)(λ)隨埋深的增加整體呈逐漸減小的趨勢(圖4)，且數(shù)值點基本都位于中國和Hoek-Brown應(yīng)力內(nèi)外包絡(luò)線范圍內(nèi)。在煤層埋深處于550～650 m范圍時，側(cè)壓力系數(shù)為0.57～1.15，均值為1.00；在煤層埋深處于650～850 m范圍時，側(cè)壓力系數(shù)為0.47～1.17，均值為0.76；在煤層埋深處于850～1200 m范圍時，側(cè)壓力系數(shù)為0.59～1.07，均值為0.75。在埋深小于650 m時，構(gòu)造作用較強烈，水平主應(yīng)力的影響最大；在埋深為650～850 m，垂直主應(yīng)力的作用開始增大，此段λ變小。在埋深為850～1 200 m，各主應(yīng)力均隨埋深增加而增大，此段λ值趨于穩(wěn)定。

圖3 研究區(qū)儲層最大水平主應(yīng)力(σH)、最小水平主應(yīng)力(σh)、儲層壓力(Po)、垂直主應(yīng)力(σv)和靜水壓力(Ph)隨煤層埋深變化圖Fig.3 Relationship between the maximum horizontal principal stress (σH), minimum horizontal principal stress (σh), reservoir pressure (Po), vertical principal stress (σv) and hydrostatic pressure (Ph) and the burial depth of the reservoirs in the study area

圖4 鐵列克礦區(qū)側(cè)壓力系數(shù)(λ)和深度(h)的關(guān)系Fig.4 Relationship between λ and burial depth (h) in the Tielieke mining area

4 地應(yīng)力對煤層氣勘探開發(fā)的影響

4.1 地應(yīng)力對煤儲層滲透率的控制

滲透率是決定煤層氣資源勘探開采成功與否的主要因素[24-25]，而影響煤儲層滲透率的因素多樣，地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、煤層埋深等因素均會在某種程度上改變煤儲層滲透率[26]。其中地應(yīng)力是控制滲透率的主要因素，其影響原因在于地應(yīng)力可改變煤儲層孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而進(jìn)一步改變煤儲層滲透率[27-28]。不僅上覆巖層的垂向作用力可影響煤儲層滲透率，水平方向上的構(gòu)造作用力亦可影響煤儲層滲透率。一般煤儲層滲透率隨地應(yīng)力增加而減小，美國皮申斯、圣胡安和黑勇士等盆地煤儲層滲透率隨有效地應(yīng)力增加呈指數(shù)下降[29]。鐵列克礦區(qū)煤儲層滲透率和地應(yīng)力之間存在指數(shù)關(guān)系；鐵列克礦區(qū)煤儲層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)力增大而遞減(圖5)；滲透率隨有效地應(yīng)力的增大而呈指數(shù)減小的關(guān)系(圖6)。這主要是因為隨著有效應(yīng)力增大，孔隙閉合，裂縫寬度減小，滲透率呈指數(shù)下降趨勢[30]。

圖5 鐵列克礦區(qū)最大水平主應(yīng)力和滲透率關(guān)系(a)、最小水平主應(yīng)力和滲透率關(guān)系(b)和垂直主應(yīng)力和滲透率關(guān)系(c)Fig.5 Relationship between maximum horizontal principal stress and permeability (a), minimum horizontal principal stress and permeability (b), and vertical principal stress and permeability (c) in the Tielieke mining area

隨著埋深的增加，主應(yīng)力不斷增大，但最大水平主應(yīng)力的的增大速率小于垂直主應(yīng)力的增大速率，存在最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的臨界轉(zhuǎn)換深度，由淺部到深部依次為σH>σv>σh、σH≈σv>σh、σv>σH>σh(圖7)，最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換深度為850 m。同樣，以850 m為界，滲透率隨深度變化發(fā)生改變。當(dāng)埋深處于550～850 m時，滲透率范圍為0.02～1.46 mD(1 mD=10-3μm2)，均值為0.53 mD，滲透率隨埋深增加呈快速減小趨勢，滲透率相對深部較高但變化范圍大。當(dāng)埋深處于850～1 100 m時，滲透率范圍為0.01～0.62 mD，均值為0.18 mD，此段滲透率趨于不變，變化范圍小且值較低。埋深850 m處既是垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點也是滲透率趨勢變化點，揭示地應(yīng)力對滲透率的控制。埋深處于550～850 m時，地應(yīng)力類型為σH>σv>σh和σH≈σv>σh，水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位使煤層受橫向擠壓，煤層裂隙隨深度增大而快速閉合，滲透率快速減小。儲層埋深處于850～1 100 m時，地應(yīng)力類型為σv>σH>σh，煤體結(jié)構(gòu)較淺部復(fù)雜，再加上較大值地應(yīng)力作用造成此段滲透率普遍較小。另外，圖7中出現(xiàn)例外點(紅虛線圓圈)可能是試井段處于天然裂隙發(fā)育帶所致。

4.2 地應(yīng)力對儲層壓力的控制

煤儲層壓力是指煤儲層孔隙-裂隙內(nèi)氣體和水所承受的壓力[31]。煤儲層壓力主要影響煤層氣含量、氣體賦存狀態(tài)、煤儲層對煤層氣的吸附和解吸能力[32]。一般煤儲層壓力越大，越有利于排水降壓，越利于煤層氣的開采[16]。地應(yīng)力是影響煤儲層壓力的重要因素，研究區(qū)最小水平主應(yīng)力和煤儲層壓力呈正相關(guān)(圖8)。隨著地應(yīng)力的增加，煤儲層孔隙收縮、裂隙減小，煤儲層中氣、水壓力增大，煤儲層壓力增大；反之，隨著地應(yīng)力減小，煤儲層壓力減小。

圖6 鐵列克礦區(qū)煤儲層最大水平主應(yīng)力-儲層壓力和滲透率關(guān)系(a)、最小水平主應(yīng)力-儲層壓力和滲透率關(guān)系(b)以及垂直主應(yīng)力-儲層壓力和滲透率關(guān)系(c)Fig.6 Relationship between maximum horizontal principal stress-reservoir pressure and permeability (a), minimum horizontal principal stress-reservoir pressure and permeability (b), and vertical principal stress-reservoir pressure and permeability (c) in the Tielieke mining area

圖7 鐵列克礦區(qū)煤儲層滲透率和深度關(guān)系Fig.7 Relationship between coal reservoir permeability and burial depth in Tielieke mining area

圖8 鐵列克礦區(qū)最小水平主應(yīng)力和煤儲層壓力關(guān)系Fig.8 Relationship between minimum horizontal principal stress and reservoir pressure in the Tielieke mining area

圖9 鐵西礦區(qū)不同埋深煤儲層特征差異Fig.9 Feature differences of coal reservoirs with different burial depths in the west Tielieke area

圖10 鐵東礦區(qū)不同埋深煤儲層特征差異Fig.10 Feature differences of coal reservoirs with different burial depths in the east Tielieke area

4.3 地應(yīng)力對儲層含氣量的影響

隨著埋深的增加，鐵西礦區(qū)煤巖層破壞程度增大，中部煤儲層(650～800 m)碎粒煤較發(fā)育(圖9)，因此中部煤儲層吸附孔體積隨埋深增加而增大；鐵東礦區(qū)在700～800 m處煤儲層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，且相對于淺部和深部煤層，中部煤儲層(700～950 m)構(gòu)造曲率最大，受力最強烈，煤巖破碎程度最大(圖10)，因此中部煤儲層吸附孔體積隨埋深增加而增大。鐵西礦區(qū)和鐵東礦區(qū)中部煤儲層吸附孔體積和壓力隨埋深增加而增大的雙重作用導(dǎo)致此段含氣量隨埋深增加而增加。中部煤儲層吸附孔體積、滲透率和含氣量均較大，是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)帶。

鐵西礦區(qū)深部煤儲層(800～1 100 m)和鐵東礦區(qū)深部煤儲層(950～1 200 m)的垂直主應(yīng)力不斷增大而形成正常應(yīng)力帶(σv>σH>σh)，且深部煤儲層孔裂隙隨埋深和地應(yīng)力的不斷增大被壓實閉合，使吸附孔體積和滲透率呈減小趨勢。煤儲層存在含氣量臨界深度，臨界深度以淺的正效應(yīng)作用使含氣量隨深度增加而增大，臨界深度以深的負(fù)效應(yīng)作用使含氣量隨埋深增加而減小[33]，因此鐵西礦區(qū)和鐵東礦區(qū)深部煤儲層在吸附孔體積逐漸減小及溫度的負(fù)效應(yīng)作用下其含氣量隨埋深增加而下降。

4.4 地應(yīng)力對產(chǎn)量的控制作用

地應(yīng)力可不同程度地影響煤儲層的滲透率和壓力(圖5和圖8)，且儲層壓力和煤儲層滲透率是影響煤層氣開發(fā)的重要變量。地應(yīng)力對煤層氣的勘探開采不僅有正面效應(yīng)亦有負(fù)面效應(yīng)，一方面地應(yīng)力越大，儲層壓力越大，越容易排水降壓，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，抑制煤儲層的排水降壓以及煤層氣的解吸、運移和產(chǎn)出[16]。煤層氣可采性是煤層氣勘探開采的先決條件，而滲透率和儲層壓力是衡量煤層氣可采性的關(guān)鍵地質(zhì)因素[34-35]。由上文分析可知，地應(yīng)力對滲透率有負(fù)效應(yīng)，對煤儲層壓力有正效應(yīng)；鐵列克礦區(qū)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(圖11)，因此可知，庫拜煤田鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力對滲透率造成的負(fù)面效應(yīng)大于地應(yīng)力對煤儲層壓力造成的正面效應(yīng)。

圖11 庫拜煤田鐵列克礦區(qū)最小水平主應(yīng)力和典型日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.11 Relationship between minimum horizontal principal stress and typical daily gas production of the Tielieke mining area in the Kubai coalfield

5 結(jié) 論

通過研究新疆庫拜煤田鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力與煤儲層物性特征相關(guān)性，分析了鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力變化規(guī)律及其對煤層氣產(chǎn)量的影響，以及鐵西礦區(qū)和鐵東礦區(qū)各自的地應(yīng)力場特征及其對儲層物性的影響，得到如下主要認(rèn)識：

(1)鐵列克礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)在垂向上的變化規(guī)律為：埋深550～650 m、650～850 m和850～1 200 m時，地應(yīng)力狀態(tài)類型依次分別為σH>σv>σh、σH≈σv>σh和σv>σH>σh；埋深850 m處既是垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點，也是滲透率趨勢變化點，指示了地應(yīng)力對滲透率的控制作用。

(2)滲透率和煤儲層壓力與地應(yīng)力分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系；

(3)地應(yīng)力對產(chǎn)能的負(fù)效應(yīng)大于地應(yīng)力對產(chǎn)能的正效應(yīng)，使典型日產(chǎn)氣量隨著地應(yīng)力的增大而減??；

(4)鐵西礦區(qū)和鐵東礦區(qū)中部煤儲層碎粒煤較發(fā)育、吸附孔體積和含氣量均較大，是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)帶。