王丹，趙峰華，耿昊，王海濤，孫俊義，程晨

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100008；2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 臨汾041000）

測量地應(yīng)力場的方式可分為4 類：一是現(xiàn)場測量，如水力壓裂法、應(yīng)力解除法等［1-2］；二是巖心測量，如巖石Kaiser 效應(yīng)法、差應(yīng)變分析法、各向異性測定等；三是測井方法，如井壁崩落法、陣列聲波法；四是數(shù)值模擬方法，如地應(yīng)力場有限元模擬方法。以上測量地應(yīng)力場的方法中，水力壓裂法測量地應(yīng)力可以對地應(yīng)力狀態(tài)進行直接測量，測得的值是井壁附近地層地應(yīng)力狀態(tài)的平均值，代表性較強，可信度較高［3-8］。

臨汾區(qū)塊煤層埋深700～1 500 m，煤層整體滲透性較低。本文對煤層的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透規(guī)律進行研究［9］，以期摸索本區(qū)煤儲層地應(yīng)力分布規(guī)律，逐步控制主要煤層壓裂效果，為本區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 臨汾區(qū)塊現(xiàn)代地應(yīng)力場特征

1.1 水力壓裂分析

臨汾區(qū)塊位于山西省臨汾市境內(nèi)，煤層氣資源豐富，但由于煤層埋藏較深，滲透性差，煤層氣開發(fā)難度相對較大。

對33 個壓裂實驗的資料進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：該區(qū)已壓裂的上主力煤層埋藏深度743.8～1 293.9 m，儲層壓力4.06～11.72 MPa，平均7.49 MPa，儲層壓力梯度0.49～0.93 MPa/100 m，平均0.72 MPa/100 m；煤層實測破裂壓力7.54～31.94 MPa，平均22.45 MPa，破裂壓力梯度0.95～2.93 MPa/100 m，平均2.15 MPa/100 m；煤層實測閉合壓力7.04～24.17 MPa，平均17.64 MPa，閉合壓力梯度0.89～2.09 MPa/100 m，平均1.69 MPa/100 m。

研究區(qū)內(nèi)煤層儲層壓力、 破裂壓力和閉合壓力呈現(xiàn)隨埋藏深度增加而線性增大的規(guī)律（見圖1）。

圖1 儲層壓力、閉合壓力和破裂壓力與深度的關(guān)系

從圖1可以看出：

式中：p0為儲層壓力，MPa；h 為煤層的埋藏深度，m；pf為破裂壓力，MPa；pc為閉合壓力，MPa。

1.2 地應(yīng)力隨深度的變化

在壓裂施工停泵后，關(guān)井期壓降曲線上有一個明顯的拐點，這個拐點就是瞬時關(guān)井壓力p，該值可代表裂縫閉合壓力pc，這一閉合壓力與水平最小主應(yīng)力σh相當(dāng)，即

根據(jù)水力壓裂應(yīng)力測量的基本理論和有效應(yīng)力定律，可得出：

式中：σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；pD為地層孔隙壓力，MPa；St為煤巖抗張強度，MPa。

可根據(jù)上覆巖層重力計算垂直主應(yīng)力：

式中，σv為垂直主應(yīng)力，MPa；νh為巖石容重，kN/m3。

利用水力壓裂法測定臨汾區(qū)塊743～1 293 m 的33個主采煤層應(yīng)力資料，統(tǒng)計顯示： 最大水平主應(yīng)力7.78～37.20 MPa，平均22.79 MPa，最大主應(yīng)力梯度0.98～2.94 MPa/100 m，平均2.19 MPa/100 m；最小主應(yīng)力7.04～21.17 MPa，平均17.40 MPa，最小主應(yīng)力梯度0.89～2.09 MPa/100 m，平均1.68 MPa/100 m；垂直主應(yīng)力16.31～29.81 MPa，平均23.67 MPa，垂直主應(yīng)力梯度2.02～2.48 MPa/100 m，平均2.31 MPa/100 m。結(jié)果分析表明，臨汾區(qū)塊主力煤層現(xiàn)今地應(yīng)力呈現(xiàn)水平主應(yīng)力隨深度的增加而線性增大的規(guī)律（見圖2）。

圖2 臨汾區(qū)塊煤層深度與地應(yīng)力的關(guān)系

從圖2可以看出：

根據(jù)深度可估算垂直應(yīng)力σv，即

如使用測壓系數(shù)λ 來表示地應(yīng)力狀態(tài)的變化，則

對臨汾區(qū)塊地應(yīng)力狀態(tài)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn) （見圖3），λ主要集中在0.7～1.1，平均0.9，并隨h 增大而增大。h＜1 070 m 時，地應(yīng)力狀態(tài)以σv＞σH＞σh為主，σh＜15 MPa，煤層處于伸張狀態(tài)；埋深1 070～1 200 m 時，煤層地應(yīng)力狀態(tài)則轉(zhuǎn)化為σH≈σv≈σh，煤層由伸張狀態(tài)向擠壓狀態(tài)過渡；h＞1 200 m，則地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為σH≈σv＞σh，σh＞20 MPa，煤層處于擠壓狀態(tài)。

圖3 埋藏深度與側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系

綜上所述，臨汾區(qū)塊在1 070 m 處以淺地層中現(xiàn)代地應(yīng)力較弱，垂直主應(yīng)力大于水平主應(yīng)力，主力煤層處于拉張狀態(tài)，煤巖所處應(yīng)力主要以垂直主應(yīng)力為主。

2 煤儲層地應(yīng)力方向

鉆具鉆進過程中，井眼破壞了原地應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致井壁上產(chǎn)生應(yīng)力釋放縫［10］，而這些應(yīng)力釋放縫的水平方向延伸較淺。根據(jù)這個原理，可以依據(jù)應(yīng)力釋放形成的誘導(dǎo)縫的方位角來判斷地應(yīng)力的方向，且應(yīng)力縫的走向沿著當(dāng)前最大水平主應(yīng)力方向。

多極子陣列聲波測井可以在煤巖地層中提取縱波、橫波和斯通利波波速，從而獲得地層各向異性的特征［11-12］。吉A 井進行了多極子陣列聲波測井，從該井及附近9 口井的煤層及頂?shù)装迦⌒馁Y料可以看出，該井附近不存在斷層，因此，吉A 井1 100～1 120 m 快橫波方位大致為40°左右（煤層段為1 106.6～1 116.8 m），由此可知，該井最大水平主應(yīng)力方位為40°，說明該井主要受NEE 構(gòu)造應(yīng)力的影響。

MCI（Micro Scan Imaging）成像測井具有極高的垂向和周向分辨率，以貼井壁方式測量地層電阻率微細變化，確定裂縫產(chǎn)狀及發(fā)育方向，劃分裂縫段，精確解釋煤層及頂?shù)装辶芽p發(fā)育情況，分析煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征［13-14］。鉆井過程中鉆井液密度過大，高密度鉆井液與地應(yīng)力不平衡，會形成高密度鉆井液壓裂縫。這類裂縫在成像測井圖中易識別，壓裂縫徑向延伸不遠，張開度和縱向延伸較大，往往以180°之差對稱的出現(xiàn)在井壁上。吉B 井進行了MCI 成像測井，982.5～984.0 m 發(fā)育高密度鉆井液壓裂縫（見圖4）；而自然裂縫因常遭溶蝕和褶皺的作用，故裂縫面往往不太規(guī)則，且縫寬有較大的變化，以正弦曲線的形式存在（見圖5）。

該區(qū)有21 口井進行了多極子陣列聲波和MCI 成像測井。將最大水平主應(yīng)力方向分為NNE（0～45°），NEE（45～90°），NWW（90～135°）和NNW（135～180°）4組統(tǒng)計，結(jié)果表明，優(yōu)勢方向為NEE 向（見圖6）。

圖4 吉B 井MCI 成像測井效果（982.5～984.0 m）

圖5 吉B 井MCI 成像測井效果

圖6 臨汾區(qū)塊最大主應(yīng)力方位分布

3 地應(yīng)力對煤層滲透性的影響

3.1 對煤層原始滲透率的影響

隨著煤層埋深的增加，重力應(yīng)力增加，煤層裂隙趨于閉合，造成煤層滲透率降低，而構(gòu)造應(yīng)力實質(zhì)是通過對天然裂縫開啟程度的控制而對儲層原始滲透率施加影響的。Evener 通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率與地應(yīng)力增加呈指數(shù)關(guān)系降低［15］。高產(chǎn)井主要分布在最小主應(yīng)力相對較小的區(qū)域。

3.2 對煤層壓裂裂縫的影響

煤儲層壓裂作業(yè)產(chǎn)生的人工裂縫，能夠有效提高井筒與煤儲層天然裂隙系統(tǒng)之間連通性，從而在排水降壓過程中，提高壓力降的傳播速度，促進氣體的解吸速率。水力壓裂產(chǎn)生人工裂縫的形態(tài)主要受地層應(yīng)力狀態(tài)和煤巖的力學(xué)性質(zhì)影響。

不同的地應(yīng)力狀態(tài)和煤巖力學(xué)性質(zhì)條件下，煤儲層可產(chǎn)生多種形態(tài)的壓裂縫（見圖7）。一般來說，壓裂縫垂直于最小主應(yīng)力方向延伸。比如：當(dāng)水平應(yīng)力為最小主應(yīng)力時，壓裂縫多為垂直裂縫；當(dāng)垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力時，壓裂縫多為水平裂縫［4］。根據(jù)研究區(qū)的應(yīng)力分布情況，1 070 m 以淺，煤層地應(yīng)力狀態(tài)以σv＞σH＞σh為主，壓裂縫多為垂直裂縫；1 070～1 200 m 及以深，σH≈σv≈σh，壓裂后垂直裂縫和水平裂縫同時存在。

圖7 不同情況下形成的壓裂縫形態(tài)

4 結(jié)論

1）臨汾區(qū)塊上主力煤層儲層壓力、破裂壓力和閉合壓力與煤層埋深呈線性關(guān)系，隨埋深增大而升高。

2）該區(qū)煤層主應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系，隨埋深的增大而升高。

3）煤層1 070 m 以淺，煤層處于伸張狀態(tài)，壓裂縫主要為垂直裂縫；1 070～1 200 m，煤層由伸張狀態(tài)向擠壓狀態(tài)過渡，壓裂后垂直裂縫與水平裂縫共存；1 200～1 500 m，煤層處于擠壓狀態(tài)，壓裂后垂直裂縫與水平裂縫共存。

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