張爭光,徐 強(qiáng)
(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院,北京 100039;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實驗室,江蘇徐州 221008)
地應(yīng)力對煤層氣井前期的地質(zhì)選區(qū)和后期的工程開發(fā)都具有重要的影響,是貫穿于煤層氣生產(chǎn)全生命周期的關(guān)鍵參數(shù)。首先通過控制煤儲層的滲透率[1-3]、含氣量[4-5]和煤體結(jié)構(gòu)[6],影響煤層氣的選區(qū)結(jié)果以及后期煤層氣井產(chǎn)出效果。其次,通過控制煤層氣井的井眼軌跡、井壁穩(wěn)定性[7-9]和裂縫延伸方向[10],影響煤層氣井的工程質(zhì)量,進(jìn)而影響煤層氣井的產(chǎn)能。因此,準(zhǔn)確預(yù)測地應(yīng)力的大小、機(jī)制和方向,對煤層氣開發(fā)工程的實施具有重要的現(xiàn)實意義。
煤層原始滲透率主要由兩部分組成,分別是基質(zhì)滲透率和裂隙滲透?;|(zhì)滲透率遠(yuǎn)小于裂隙滲透率,煤儲層滲透率主要來自于裂隙滲透率的貢獻(xiàn)[5,11]。煤儲層中天然裂縫系統(tǒng)是影響裂隙滲透率的直接原因,天然裂隙發(fā)育特征是構(gòu)造應(yīng)力場和煤化作用綜合作用的結(jié)果。古構(gòu)造應(yīng)力場控制著天然裂縫的發(fā)育程度及分布情況,而現(xiàn)代地應(yīng)力場主要控制煤儲層的受力狀態(tài)和裂縫的開合程度,從而影響煤儲層的滲透率[5,12]。同時,地應(yīng)力機(jī)制也是影響煤層含氣量和煤體結(jié)構(gòu)的重要因素。秦勇等研究發(fā)現(xiàn)沁水盆地中、南部煤層頂板的天然優(yōu)勢裂隙發(fā)育方向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大擠壓應(yīng)力方向垂直,增強(qiáng)了蓋層對煤儲層的封蓋能力,有利于煤層氣的富集和保存[13]。其次,不同的地應(yīng)力機(jī)制導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞,產(chǎn)生井壁坍塌和煤粉,從而影響煤層氣的鉆井工程和排采工程[14-15]。劉向君等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)垂直地應(yīng)力為最大主應(yīng)力時,垂直井眼最穩(wěn)定,不易發(fā)生剪切破壞;當(dāng)垂直地應(yīng)力為中間主應(yīng)力時,垂直井眼最不穩(wěn)定,容易發(fā)生剪切破壞;當(dāng)垂直地應(yīng)力為最小主應(yīng)力時,平行于最大水平主應(yīng)力方向的井眼最穩(wěn)定,平行于最小水平主應(yīng)力方向的井眼最易發(fā)生剪切破壞[7]。此外,地應(yīng)力機(jī)制也控制著壓裂過程中人工裂縫的發(fā)育特征。當(dāng)兩個水平主應(yīng)力差值較大時,人工裂縫以平直的主裂縫為主;當(dāng)兩個水平主應(yīng)力差值較小時,人工裂縫以縫網(wǎng)為主[10]。
因此,基于滇東地區(qū)15 口井(35 層煤)注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù),查明滇東地區(qū)煤層地應(yīng)力垂向分布特征,并討論地應(yīng)力場分布格局及其對煤儲層滲透率的影響,為研究區(qū)煤層氣勘探選區(qū)和井位部署提供重要的地質(zhì)依據(jù)。
滇東地區(qū)以羅平—彌勒一線為界,北部位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺,云南省內(nèi)煤炭資源大部分集中賦存于這一地區(qū);南部屬于華南褶皺系,煤炭資源貧乏(圖1)。晚二疊世以來,滇東地區(qū)聚煤盆地先后經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動。第一,在三疊紀(jì)早—中期,滇東地區(qū)地殼持續(xù)下沉,形成濱海-淺海環(huán)境。隨后,印支運(yùn)動及燕山運(yùn)動發(fā)生,全區(qū)轉(zhuǎn)為內(nèi)陸環(huán)境。但是,自晚二疊世到白堊紀(jì)末,地殼運(yùn)動以反復(fù)升降為特點(diǎn),沉積時斷時續(xù)。第二,喜馬拉雅運(yùn)動第一幕使滇東地區(qū)上古生界及中生界全面褶皺隆起,蓋層構(gòu)造褶皺與斷裂同等發(fā)育,構(gòu)造線以NE向為主,少數(shù)為SN向。本次構(gòu)造活動為滇東地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造輪廓及含煤地層賦存格局奠定了基礎(chǔ)。第三,漸新世末,受運(yùn)動第二幕的影響,滇東地區(qū)除有輕度褶皺外,主要為上升剝蝕作用及較強(qiáng)烈的斷裂活動。第四,上新世末發(fā)生喜馬拉雅第三幕活動,其性質(zhì)與第二幕基本相同,滇東地區(qū)仍表現(xiàn)為上升剝蝕作用為主,褶皺作用輕微,斷裂活動持續(xù),形成現(xiàn)代地貌輪廓,各期含煤地層(除少數(shù)新近紀(jì)盆地外)出露地表,多在向斜構(gòu)造部位殘存保留,基本上形成賦煤構(gòu)造的現(xiàn)代展布格局[16]。
圖1 云南構(gòu)造分區(qū)略圖[16]Figure 1 Outline of structural divisions in Yunnan[16]
滇東地區(qū)沉積類型豐富,含煤地層的變化較大,宣威組、長興組、龍?zhí)督M、吳家坪組均有發(fā)育。宣威組分布于康滇古陸東緣與鹽津、鎮(zhèn)雄、田壩、富源及曲靖恩洪以西之間的滇東及滇東北地區(qū)。巖性由砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層組成,夾薄層菱鐵巖,底部有凝灰質(zhì)殘積鋁土質(zhì)泥巖,局部地帶有辮狀河底礫巖、砂礫巖,碎屑巖粒度從陸緣向海的方向逐漸變細(xì),邊緣相沉積明顯。地層厚度27.19~279.69m,一般厚100~270m,東厚西薄,至康滇古陸邊緣尖滅[16]。
滇東地區(qū)是中國南方重要的煤層氣富集區(qū)域,主要包括恩洪礦區(qū)和老廠礦區(qū),目前滇東地區(qū)的煤層氣開發(fā)也主要集中在這兩個區(qū)域。截至2019 年底,恩洪礦區(qū)布置煤層氣井9 口(5 口參數(shù)井和4 口生產(chǎn)井),產(chǎn)氣峰值介于29.3~314.568m3/d。老廠礦區(qū)布置17 口煤層氣井(參數(shù)井6 口,生產(chǎn)井11 口),產(chǎn)氣峰值介于120.68~1 864m3/d[17]。整體而言,滇東地區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣效果較差,不過老廠礦區(qū)開發(fā)效果優(yōu)于恩洪礦區(qū)。
試井技術(shù)是獲得煤儲層原位地應(yīng)力、初始煤儲層壓力和滲透率的有效方法。注入/壓降測試嚴(yán)格按照GB/T24504—2009[18]進(jìn)行操作,以此獲取初始煤儲層壓力和滲透率。注入/壓降試井結(jié)束以后,按照DB/T14—2018[19]中的水壓致裂法進(jìn)行原位地應(yīng)力測量,獲取閉合壓力和破裂壓力數(shù)據(jù)。
在水壓致裂過程中,隨著注入壓力的持續(xù)增加,井壁巖石破裂的最大切向應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,最終超過巖石極限抗拉承受點(diǎn)時,孔壁巖石發(fā)生拉伸破壞,裂縫開始擴(kuò)展。根據(jù)彈性理論,最大水平主應(yīng)力可由式(1)計算得到[20-21]。
式中:SH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為儲層壓力,MPa;St為煤的抗拉強(qiáng)度,MPa。
在地應(yīng)力測試過程中,至少包括3 個重張循環(huán)過程。由于煤層在第一個重張循環(huán)中已經(jīng)發(fā)生破裂,在后面的重張循環(huán)過程中,煤層的抗拉強(qiáng)度為0。因此最大水平主應(yīng)力又可由式(2)計算得到。
HAIMSON 和CORNET 發(fā)現(xiàn)閉合壓力等于最小水平主應(yīng)力[22]:
式中:Sh為最小水平主應(yīng)力,MPa。
垂直主應(yīng)力主要受上覆巖石重力影響,可由上覆巖石的密度和深度預(yù)測煤層的垂向主應(yīng)力。BROWN 和HOEK 通過整理全球地應(yīng)力測試結(jié)果,建立了垂直主應(yīng)力與深度的關(guān)系(式4)[23],且被廣泛應(yīng)用到不同區(qū)域的垂向地應(yīng)力預(yù)測[1,14,24-26],本文也采用該預(yù)測公式。
式中:SV為垂直主應(yīng)力,MPa;H為煤層埋深,m。
統(tǒng)計滇東地區(qū)15 口井(35 層煤)注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)(表1,圖2),發(fā)現(xiàn)滇東煤層埋深介于497.12~1 234.31m(平均780.44m),破裂壓裂介于10.26~22.31MPa(平均16.55MPa),閉合壓力介于9.75~21.44MPa(平均15.52MPa)。隨著埋深的增加,煤層的破裂壓力表現(xiàn)為線性增加的趨勢(圖3a)。較高的破裂壓力對煤層的壓裂技術(shù)和壓裂設(shè)備提出了嚴(yán)格的要求,表明滇東地區(qū)煤儲層的改造難度大。研究發(fā)現(xiàn)破裂壓力與閉合壓力具有良好的正相關(guān)性,且擬合優(yōu)度較高(圖3b)。雖然通過壓裂設(shè)備可以壓開地層,但是較高的閉合壓力極易導(dǎo)致人工裂縫閉合。因此,需要強(qiáng)度高且不同粒度的支撐劑在前期儲層改造以及后期排采過程中發(fā)揮不同的關(guān)鍵作用,才能有效支撐人工裂縫。滇東地區(qū)煤儲層滲透率為0.004 5~1.86mD(平均0.187 9MD),遠(yuǎn)低于中國的鄂爾多斯盆地東緣和準(zhǔn)噶爾盆地南緣[5,25],屬于典型的低滲儲層。
表1 滇東試井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of well test data in eastern Yunnan
圖2 滇東地區(qū)注入/壓降試井和地應(yīng)力測試得到的儲層參數(shù)Figure 2 Reservoir parameters obtained from injection/falloff well test and in-situ stress test in eastern Yunnan
圖3 破裂壓力與埋深(a)、閉合壓力(b)的關(guān)系Figure 3 Relationship between fracture pressure and burial depth(a),closure pressure(b)
三個主應(yīng)力的相對大小關(guān)系是判斷地應(yīng)力場的重要依據(jù)。Anderson 根據(jù)三個主應(yīng)力的關(guān)系,將地應(yīng)力場劃分為逆斷層應(yīng)力場(SH>Sh>Sv)、走滑斷層應(yīng)力場(SH>Sv>Sh)和正斷層應(yīng)力場(Sv>SH>Sh)[27]。本文采用該標(biāo)準(zhǔn),對滇東垂向地應(yīng)力場進(jìn)行了劃分。
滇東地區(qū)共收集35個地應(yīng)力測試數(shù)據(jù),其中17個數(shù)據(jù)顯示Sv>SH>Sh,15 個數(shù)據(jù)顯示SH>Sv>Sh,3 個數(shù)據(jù)顯示SH>Sh>Sv。地應(yīng)力測試結(jié)果表明滇東地區(qū)垂向上主要發(fā)育正斷層應(yīng)力場,其次是走滑斷層應(yīng)力場和逆斷層應(yīng)力場。在垂向上,SH>Sv>Sh和SH>Sh>Sv主要出現(xiàn)在1 000m 以淺,而Sv>SH>Sh主要出現(xiàn)在700m 以深。據(jù)此,可將滇東地應(yīng)力場劃分為三部分(圖4)。
圖4 滇東地區(qū)垂向地應(yīng)力場分布特征Figure 4 Distribution characteristics of vertical in-situ stress field in eastern Yunnan
1)在700m 以淺,共有16 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。10 個數(shù)據(jù)是SH>Sv>Sh,占比為62.5%。4 個數(shù)據(jù)是S>SH>Sh,占比為25%。2 個數(shù)據(jù)是SH>Sh>Sv,占比為12.5%。由此可知,在700m 以淺,主要以水平應(yīng)力為主,走滑斷層應(yīng)力場起主導(dǎo)作用。
2)埋深介于700~1 000m 時,共有11 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。5 個數(shù)據(jù)是SH>Sv>Sh,占比為45.45%。5 個數(shù)據(jù)是Sv>SH>Sh,占比為45.45%。1 個數(shù)據(jù)是SH>Sh>Sv,占比為9.1%。當(dāng)埋深介于700~1 000m,處于應(yīng)力帶過渡區(qū),應(yīng)力場由走滑斷層應(yīng)力場逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬討?yīng)力場。
3)在1 000m 以深,共有8 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。8 個數(shù)據(jù)全部顯示為Sv>SH>Sh??梢?,在1 000m 以深,以垂直應(yīng)力為主,正斷層應(yīng)力場起主導(dǎo)作用。
整體而言,滇東地區(qū)垂向地應(yīng)力主要為走滑斷層應(yīng)力場和正斷層應(yīng)力場。在正斷層應(yīng)力場中,垂直井眼最穩(wěn)定。因此,在正斷層應(yīng)力場中應(yīng)優(yōu)先考慮部署垂直井。在走滑斷層應(yīng)力場中,沿著最大水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井眼最穩(wěn)定[7]。因此,在走滑斷層應(yīng)力場中應(yīng)優(yōu)先考慮部署沿著最大水平主應(yīng)力方向的水平井。
滲透率表征流體通過煤儲層的難易程度,也是煤層氣勘探開發(fā)過程中重要的評估參數(shù)。煤儲層滲透率隨有效應(yīng)力增加表現(xiàn)為指數(shù)衰減的趨勢[1,13-14,24]。在地層中,煤儲層滲透率并非僅受單一方向有效主應(yīng)力的影響,而是三個有效主應(yīng)力的共同作用。為了更準(zhǔn)確地表征煤儲層受力特征,本文引入了CHEN et al.提出的有效原位地應(yīng)力(ESI)(式5)[1]。
式中:ESI為有效原位地應(yīng)力,MPa。
本文擬合了滇東地區(qū)煤儲層有效地應(yīng)力與滲透率的關(guān)系(圖5),發(fā)現(xiàn)有效地應(yīng)力與滲透率的相關(guān)性極低(R2<0.3),甚至出現(xiàn)垂直有效地應(yīng)力與滲透率表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系(圖5d)。結(jié)果表明影響滇東地區(qū)煤儲層滲透率的因素極為復(fù)雜,有效地應(yīng)力的數(shù)值并非是主控因素。秦勇等認(rèn)為巖層優(yōu)勢裂隙方向和最大主應(yīng)力方向決定了巖層的滲透率,二者方向一致時,主應(yīng)力差越大,滲透率越大;二者方向垂直時,主應(yīng)力差越大,滲透率越小[13]。換言之,影響煤儲層滲透率的主控因素首先是構(gòu)造地應(yīng)力施加在煤儲層天然裂隙的作用類型(拉張和擠壓),其次才是構(gòu)造地應(yīng)力的數(shù)值大小。
圖5 滇東地區(qū)有效地應(yīng)力ESI(a)、SH-p0(b)、Sh-p0(c)、Sv-p0(d)與滲透率的關(guān)系Figure 5 Relationship between effective in situ stress ESI(a),SH-p0(b),Sh-p0(c),Sv-p0(d)and permeability in eastern Yunnan
滇東地區(qū)煤儲層滲透率隨著埋深的增加,呈現(xiàn)“先降低后增加”的趨勢(圖6)。在700m 以淺,煤儲層滲透率介于0.004 5~0.87mD(平均0.151 1mD)。當(dāng)埋深介于700~1 000m時,煤儲層滲透率為0.005 8~0.54mD(平均0.111 8mD)。在1 000m 以深,煤儲層滲透率為0.00 3~1.86mD(平均0.366 3mD)。在滇東地區(qū)井下煤層天然裂縫傾角測量中,發(fā)現(xiàn)煤儲層天然裂縫的傾角呈現(xiàn)垂直或亞垂直,大部分傾角大于80°,走向為NW-SE 向和NE-SW 向[26,28-29]。滇東地區(qū)地應(yīng)力類型主要表現(xiàn)為走滑斷層應(yīng)力場和正斷層應(yīng)力場。在走滑斷層應(yīng)力場中,水平應(yīng)力成為主導(dǎo)應(yīng)力,天然裂縫受到擠壓作用,主應(yīng)力差越大,擠壓效應(yīng)越強(qiáng),導(dǎo)致裂縫閉合,滲透率急劇衰減。而在正斷層應(yīng)力場中,垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)應(yīng)力,天然裂縫受到拉張作用,主應(yīng)力差越大,拉張效應(yīng)越強(qiáng),滲透率明顯增高。滇東地區(qū)垂向滲透率變化特征與地應(yīng)力場轉(zhuǎn)化位置基本一致(圖4、圖6),表明煤儲層天然裂縫的發(fā)育規(guī)律與現(xiàn)代地應(yīng)力場垂直分布特征共同控制滇東地區(qū)煤儲層的滲透率,也解釋了滇東地區(qū)有效地應(yīng)力與煤儲層滲透率相關(guān)性較差的原因(圖5)。
圖6 滇東地區(qū)垂向滲透率變化規(guī)律Figure 6 Variation of vertical permeability in eastern Yunnan
1)基于滇東地區(qū)15 口井(35 層煤)注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)滇東煤層埋深介于497.12~1 234.31m(平均780.44m),破裂壓裂介于10.26~22.31MPa(平均16.55MPa),閉合壓力介于9.75~21.44MPa(平均15.52MPa)。隨著埋深的增加,煤層的破裂壓力呈現(xiàn)為線性增加的趨勢。同時,發(fā)現(xiàn)破裂壓力與閉合壓力具有良好的正相關(guān)性。
2)滇東垂向地應(yīng)力場劃分為三部分,在700m以淺,地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,走滑斷層應(yīng)力場(SH>Sv>Sh)起主導(dǎo)作用。當(dāng)埋深介于700~1 000m,處于應(yīng)力帶過渡區(qū),應(yīng)力場由走滑斷層應(yīng)力場逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬討?yīng)力場(SH≈Sv>Sh)。在1 000m 以深,以垂直應(yīng)力為主,正斷層應(yīng)力場(Sv>SH>Sh)起主導(dǎo)作用。
3)滇東地區(qū)煤儲層滲透率為0.004 5~1.86mD(平均0.187 9mD),煤儲層滲透率隨著埋深的增加,呈現(xiàn)“先降低后增加”的趨勢,與地應(yīng)力場轉(zhuǎn)化位置基本一致。煤儲層天然裂縫的發(fā)育規(guī)律與現(xiàn)代地應(yīng)力場垂直分布特征共同控制滇東地區(qū)煤儲層的滲透率,同時也解釋了滇東地區(qū)有效地應(yīng)力與煤儲層滲透率相關(guān)性較差的原因。