曹騰飛，楊兆彪，崔寶庫(kù)，郝少偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.潞安礦業(yè)集團(tuán)公司，山西 長(zhǎng)治 046204; 4.潞安金源煤層氣公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤層氣是重要的非常規(guī)天然氣藏，已經(jīng)成為清潔能源的重要來(lái)源，是傳統(tǒng)天然氣的戰(zhàn)略補(bǔ)充，受到高度重視[1-2]。中國(guó)擁有世界第三大煤層氣資源，僅次于俄羅斯和加拿大[3]。中國(guó)2 000 m埋深范圍內(nèi)的煤層氣面積為41.5萬(wàn)km2，資源量約為36.8×1012m3[4]。而沁水盆地是中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度最高的盆地之一，潞安礦區(qū)位于山西省東南部的沁水煤田東部邊緣中段，屬華北地層區(qū)山西地層分區(qū)寧武—臨汾小區(qū)，是大型國(guó)家煤炭規(guī)劃礦區(qū)，同時(shí)其煤層氣資源較為豐富，煤層氣地質(zhì)資源量為3 746.51億m3，資源豐度為1.45億m3/km2[5]。

地應(yīng)力是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的重要考慮因素[6-7]，地應(yīng)力估算已廣泛應(yīng)用于美國(guó)、中國(guó)、澳大利亞和加拿大的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)[8-9]。從本質(zhì)上講，地應(yīng)力是地殼中呈現(xiàn)的內(nèi)部應(yīng)力，受兩個(gè)因素的影響很大:相對(duì)簡(jiǎn)單的重力和復(fù)雜的構(gòu)造力[10-11]。通常，重力可由覆蓋層的具體質(zhì)量確定，而構(gòu)造力極不規(guī)則，幾乎不可能通過(guò)精確的分析解來(lái)描述，因?yàn)樗S時(shí)間而不斷變化[12]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖石地質(zhì)構(gòu)造對(duì)構(gòu)造力有很大的控制作用。地應(yīng)力的增加對(duì)煤的變形和破壞有著明顯的影響,現(xiàn)代地應(yīng)力影響含煤巖系的孔滲性，進(jìn)而控制著儲(chǔ)層的流體狀態(tài)，對(duì)多煤層發(fā)育區(qū)含氣系統(tǒng)的空間展布具有重要的意義，對(duì)于煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)至關(guān)重要[13-15]?，F(xiàn)代地應(yīng)力的大小和方向是控制煤層氣井水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態(tài)的重要參數(shù)[16]。研究現(xiàn)代地應(yīng)力對(duì)于更好地了解油氣勘探與開(kāi)發(fā)、井壁穩(wěn)定性、二氧化碳封存、儲(chǔ)層管理等現(xiàn)象也至關(guān)重要[11]。

煤儲(chǔ)層滲透性是煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能的關(guān)鍵決定因素之一，主要受地應(yīng)力、埋藏深度、煤階、煤結(jié)構(gòu)、天然裂縫等控制[3,17]。人們普遍認(rèn)為，隨著有效應(yīng)力的增加，煤儲(chǔ)層滲透性呈指數(shù)級(jí)下降。潞安礦區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率普遍較低，是制約其煤層氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)因素，但其地質(zhì)控制因素研究相對(duì)較少，同時(shí)煤儲(chǔ)層滲透率與現(xiàn)代地應(yīng)力之間的關(guān)系缺乏深入的研究。

筆者基于潞安礦區(qū)3號(hào)煤層的19組注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了研究區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力類型垂向轉(zhuǎn)換機(jī)理及其對(duì)滲透率的控制作用，并發(fā)現(xiàn)潞安礦區(qū)800 m以淺劃分為2個(gè)應(yīng)力場(chǎng)類型。結(jié)合潞安礦區(qū)井下煤層裂隙發(fā)育方向，首次闡述了潞安礦區(qū)二崗山、文王山斷層附近煤儲(chǔ)層滲透率差異的地質(zhì)原因。研究成果對(duì)于煤層氣選區(qū)、井位部署和鉆井工程具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

沁水盆地現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大擠壓應(yīng)力呈NNE—SSW向近水平展布，與燕山期NNE—SSW向正斷層走向近于平行。在此構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，燕山期形成的具有壓剪性質(zhì)的斷層再次活動(dòng)，致使盆地內(nèi)部及邊緣斷裂構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化，盆地中部文王山地壘、二崗山地壘的發(fā)育與此有關(guān)?，F(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)總體上繼承了第三紀(jì)至第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。沁水盆地東部和順—長(zhǎng)治一帶表現(xiàn)為NEE—SWW向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)，西部地區(qū)為NNW—SSE向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng);北部、中部和南部地區(qū)則均表現(xiàn)為近水平伸展應(yīng)力場(chǎng)，主應(yīng)力總體呈NW—SE向展布，仰角較小且較穩(wěn)定，一般小于20°;主壓應(yīng)力軸總體呈NE—SW向展布，仰角變化較大，一般為40°～60°。由此，形成了沁水盆地現(xiàn)代構(gòu)造格局，其總體趨勢(shì)是南北分區(qū)、東西分帶，主要表現(xiàn)為南部和北部的構(gòu)造端區(qū)、榆社—沁源和屯留—安澤構(gòu)造區(qū)[18]。

潞安礦區(qū)位于沁水塊坳?yáng)|部次級(jí)構(gòu)造單元沾尚—武鄉(xiāng)—陽(yáng)城NNE向凹褶帶中段，晉獲斷裂帶西側(cè)。研究區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為走向北北東—南北向，向西緩傾的單斜。在此基礎(chǔ)上發(fā)育了方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般<10°)，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20 m的斷層和一定數(shù)量斷距小于20 m的斷層及陷落柱。礦區(qū)內(nèi)較大的斷裂有西川斷層、文王山斷層、二崗山斷層、長(zhǎng)治斷層、中華斷層、安昌斷層、安城斷層和蘇店斷層(圖1)，斷裂構(gòu)造特點(diǎn)為走向平行、傾向相同或相背的剖面共軛組合關(guān)系，高角度正斷層兩兩組合，構(gòu)成地塹或地壘。

潞安區(qū)3號(hào)煤層位于山西組下部，上距K8砂巖19.80～37.41 m，平均31.85 m，下距9號(hào)煤50.48～73.12 m，平均61.83 m。從礦區(qū)整體賦存程度來(lái)看，3號(hào)煤層為全區(qū)可采煤層，全區(qū)穩(wěn)定厚度在5.5～6.0 m，礦區(qū)中部常村煤礦及其附近為煤層最厚處，厚度超過(guò)6 m，向四周煤厚逐漸減薄，礦區(qū)北端為煤層最薄處，3號(hào)煤層埋深由東向西逐漸增加，主要煤礦集中于800 m以淺地帶，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單煤層，3號(hào)煤屬于半亮-光亮型煤，鏡質(zhì)組反射率(Ro,max)在1.91%～2.97%，階以貧煤和無(wú)煙煤為主，平均礦物含量為9.3%，煤質(zhì)為低灰—中灰、低磷、特低硫、高發(fā)熱量煤。是現(xiàn)今煤層氣開(kāi)發(fā)和煤礦開(kāi)采的主力煤層之一。

圖1 潞安礦區(qū)構(gòu)造綱要及井位分布(引自文獻(xiàn)[19]，有改動(dòng))Fig.1 Structural outline and well location distribution map of Luan mining area (cited from Reference[19],with modification)

2 注入-壓降測(cè)試分析

采用注入/壓降試井及原地應(yīng)力測(cè)試方法，獲取煤層的儲(chǔ)層壓力、閉合壓力、破裂壓力和滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)數(shù)據(jù)。其中，水力壓裂測(cè)試直接測(cè)得閉合壓力Pc為最小水平主應(yīng)力σh。依據(jù)破裂壓力Pf、閉合壓力Pc和煤儲(chǔ)層壓力P0等試井參數(shù)計(jì)算最大水平主應(yīng)力σH[20]，即

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

T=Pf-Pr

(3)

式中，σH為最大水平主應(yīng)力，MPa;σh為最小水平主應(yīng)力，MPa;Pc為閉合壓力，MPa;Pf為破裂壓力，MPa;Pr為重張壓力，MPa;T為抗拉強(qiáng)度，MPa。

垂直應(yīng)力σv由BROWN和HOEK[21]給出的關(guān)系式估算得出

σv=0.027H

(4)

式中，H為埋深，m。

側(cè)壓系數(shù)K由最大水平主應(yīng)力σH，最小水平主應(yīng)力σh和垂直應(yīng)力σv求出

(5)

潞安礦區(qū)進(jìn)行了多次試井(圖1)，獲得了研究區(qū)3號(hào)煤層19組試井?dāng)?shù)據(jù)，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試井成果
Table 1 Well test results

煤礦鉆井編號(hào)埋深/m儲(chǔ)層壓力/MPa滲透率/10-15m2閉合壓力/MPa破裂壓力/MPa梯度/(MPa·hm-1)儲(chǔ)層壓力閉合壓力破裂壓力1597.011.7010.217 48.61510.6830.2831.4431.789常村2466.460.7930.870 75.4486.9390.1691.1681.4883457.520.2230.294 17.5238.0840.0481.6441.7674503.551.7090.135 67.8999.6730.3371.5691.9215512.072.0500.008 49.80012.4000.4001.9102.420高河6442.572.0500.195 08.0009.7300.4501.8102.2007452.481.3000.020 28.9109.9100.2801.9202.1408521.851.1500.010 312.05015.2400.2202.2602.8609608.733.1900.014 612.56013.4400.5202.0402.17010528.812.0300.015 012.97014.7400.3802.4202.560五陽(yáng)11543.432.0400.016 411.30012.8100.3802.0802.36012725.513.5200.022 014.43017.0300.4801.9802.33013747.644.4700.014 011.17015.3200.6001.5002.05014767.124.6000.021 211.32015.9900.6001.4802.080余吾15431.060.8600.038 08.5309.8400.1991.9802.28016519.551.4030.652 46.5569.9700.2681.2621.919漳村17510.531.1860.050 08.98111.1920.2311.7592.19218553.982.5970.192 96.0438.1400.4651.0921.46919601.281.9610.354 48.0379.4830.3241.3371.577

圖2 應(yīng)力場(chǎng)類型(引自文獻(xiàn)[25]，有改動(dòng))Fig.2 Type of stress field (cited from Reference[25], with modification)

3 討 論

3.1 三向地應(yīng)力特征及其垂向分帶性

對(duì)潞安礦區(qū)的19組壓降注入試井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)二疊系山西組3號(hào)煤層的埋藏深度主要在400～800 m范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力在7.392～22.74 MPa范圍內(nèi)，平均應(yīng)力為14.788 MPa，最大水平主壓力梯度為1.342～4.32 MPa/hm，平均最大水平主應(yīng)力梯度為2.724 MPa/hm。最小水平主應(yīng)力在5.448～14.430 MPa內(nèi)，平均應(yīng)力為9.481 MPa，最小水平主壓力梯度為1.092～2.420 MPa/hm，平均最小水平主應(yīng)力梯度為1.719 MPa/hm。垂直應(yīng)力在11.639～20.712 MPa范圍內(nèi)。根據(jù)應(yīng)力量級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)(σh>30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中應(yīng)力區(qū)，0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū))[22]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:潞安礦區(qū)整體為中-低應(yīng)力區(qū)，其中低應(yīng)力區(qū)占63.2%，埋深主要分布在430～600 m內(nèi)，平均埋深為504 m;中應(yīng)力區(qū)占36.8%，埋深主要分布在520～770 m內(nèi)，平均埋深為635 m。

根據(jù)斷層類型，ANDERSON將應(yīng)力場(chǎng)類型[23]劃分為逆斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σH>σh>σv)、走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σH>σv>σh)和正斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σv>σH>σh)。同一盆地內(nèi)的不同區(qū)域，地應(yīng)力類型會(huì)發(fā)生變化，在構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)的區(qū)域，由于強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力在水平方向上與重力應(yīng)力水平分量的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致水平主應(yīng)力高于垂向主應(yīng)力，形成逆斷層應(yīng)力場(chǎng)型(圖2(a));在構(gòu)造活動(dòng)中等的區(qū)域，中等構(gòu)造應(yīng)力在水平方向上與重力應(yīng)力水平分量的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致最大水平主應(yīng)力高于垂向主應(yīng)力，而最小水平主應(yīng)力依然小于垂向主應(yīng)力，形成走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)型(圖2(b));在構(gòu)造應(yīng)力弱的區(qū)域，弱構(gòu)造應(yīng)力在水平方向上與重力應(yīng)力水平分量的疊加效應(yīng)，未改變?nèi)蛑鲬?yīng)力之間的相對(duì)大小關(guān)系，形成正斷層應(yīng)力場(chǎng)型[24](圖2(c))。

在平面區(qū)域，在19組數(shù)據(jù)中，走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)型有11組數(shù)據(jù)，占57.9%，主要分布于高河礦、五陽(yáng)礦和余吾礦;正斷層應(yīng)力場(chǎng)型有8組數(shù)據(jù)，占42.1%，主要分布于常村礦和漳村礦;無(wú)反映逆斷層應(yīng)力場(chǎng)型的數(shù)據(jù)，反映出高河礦、五陽(yáng)礦和余吾礦的構(gòu)造應(yīng)力普遍大于常村礦和漳村礦(圖3)。

圖3 應(yīng)力場(chǎng)型分布比例Fig.3 Stress field distribution ratio

在垂向，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)煤儲(chǔ)層壓力、垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨埋深的增加而增大(圖4(a))。

圖4 主應(yīng)力和側(cè)壓系數(shù)與埋深的關(guān)系Fig.4 Relationship between principal stress，lateral pressure coefficient and buried depth

應(yīng)力場(chǎng)類型在垂向上呈非均勻分布，在埋深400～610 m區(qū)域，正斷層應(yīng)力場(chǎng)和走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)存在，走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σH>σv>σh)起主導(dǎo)作用;在埋深610～800 m區(qū)域，正斷層應(yīng)力場(chǎng)和走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)存在，正斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σv>σH>σh)起主導(dǎo)作用，這應(yīng)該是該地區(qū)淺部復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造引起的;在埋深800 m以下的地帶，由于缺少數(shù)據(jù)，不作討論(圖4)。因此，潞安地區(qū)地應(yīng)力垂直轉(zhuǎn)換深度約610 m。當(dāng)煤儲(chǔ)層處于正斷層應(yīng)力狀態(tài)和走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫沿垂直方向與最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，有利于高效建產(chǎn);當(dāng)煤儲(chǔ)層處于逆斷層應(yīng)力狀態(tài)下，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫沿兩個(gè)水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，使壓裂效果不佳[26]。隨著煤層埋深的增加，地應(yīng)力隨之增大，煤層中的孔隙、裂隙受力壓縮，使煤儲(chǔ)層滲透率快速降低。

進(jìn)一步根據(jù)式(5)計(jì)算了側(cè)壓系數(shù)(圖4(b)，下角i表示內(nèi)包絡(luò)線，下角o表示外包絡(luò)線)，結(jié)果表明:常村礦和漳村礦側(cè)壓系數(shù)都<1，在0.45～0.89內(nèi)，平均值為0.667 3;高河礦、五陽(yáng)礦和余吾礦的側(cè)壓系數(shù)在0.55～1.30內(nèi)，平均值為0.938 5。說(shuō)明常村礦和漳村礦煤儲(chǔ)層承受的構(gòu)造應(yīng)力較弱，高河礦、五陽(yáng)礦和余吾礦煤儲(chǔ)層承受的構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng)。

研究區(qū)側(cè)壓系數(shù)在0.449 1～1.229 5內(nèi)，平均值為0.821 3。當(dāng)埋深<600 m，側(cè)壓系數(shù)最大為1.229 5，平均為0.842 8，極差為0.780 4;埋深大于600 m，側(cè)壓系數(shù)最大為0.948 8，平均為0.720 4，極差為0.352 7。隨埋藏深度的增加，側(cè)壓系數(shù)的離散程度趨向于收斂。

BROWN和HOEK依據(jù)全球不同地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果[21]，擬合出了平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值與埋深的關(guān)系為

(6)

依據(jù)Brown-Hoek世界范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律的研究成果及分析方法，擬合出了潞安礦區(qū)平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值與埋深關(guān)系表達(dá)式為

(7)

潞安礦區(qū)內(nèi)外包絡(luò)線為

(8)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，潞安地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)K值隨埋深增加而下降，根據(jù)式(6),(8)和圖4(b)，潞安礦區(qū)內(nèi)外包絡(luò)線整體符合Hoek-Brown規(guī)律，但數(shù)值上存在較大差異，與中國(guó)大陸內(nèi)外包絡(luò)線更為接近，整體表現(xiàn)為“淺部離散，深部收斂”的特征。

3.2 現(xiàn)代地應(yīng)力與滲透率的關(guān)系

3.2.1水平主應(yīng)力與滲透率的關(guān)系

根據(jù)對(duì)研究區(qū)滲透率資料的統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)二疊系山西組3號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率在0.008 4×10-15～0.870 7×10-15m2內(nèi)，煤儲(chǔ)層滲透率平均為0.165 4×10-15m2。通過(guò)數(shù)據(jù)分析、擬合，發(fā)現(xiàn)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及其應(yīng)力梯度與煤儲(chǔ)層滲透率存有較好的冪函數(shù)關(guān)系(圖5)。

圖5 主應(yīng)力、主應(yīng)力梯度與滲透率的關(guān)系Fig.5 Relationship between principal stress,principal stress gradient and permeability

煤儲(chǔ)層滲透率與最大水平主應(yīng)力擬合式為

(9)

煤儲(chǔ)層滲透率與最小水平主應(yīng)力擬合式為

(10)

煤儲(chǔ)層滲透率與最大水平主應(yīng)力梯度擬合式為

k=10.693x-4.908

(11)

煤儲(chǔ)層滲透率與最小水平主應(yīng)力梯度擬合式為

k=8.173 9x-6.85

(12)

煤儲(chǔ)層滲透率隨主應(yīng)力(主應(yīng)力梯度)的增加快速降低。當(dāng)主應(yīng)力(主應(yīng)力梯度)增加時(shí)，煤儲(chǔ)層中裂隙、孔隙受到擠壓，裂隙和孔隙空間減小甚至閉合，導(dǎo)致滲透率急劇降低。由此可見(jiàn)，水平主應(yīng)力是滲透率的主要地質(zhì)控制因素。

3.2.2水平應(yīng)力差與滲透率的關(guān)系

煤儲(chǔ)層屬于一種由裂隙和基質(zhì)組成的雙孔隙介質(zhì),其滲透率與裂隙性質(zhì)密切相關(guān)，煤儲(chǔ)層中的天然裂隙是影響煤儲(chǔ)層滲透率的重要因素之一[27-28]。根據(jù)井下揭露處煤層觀察，該礦區(qū)外生裂隙發(fā)育數(shù)量較少，主要有兩組NW—NNW和NE—NEE向，大部分無(wú)充填。內(nèi)生裂隙主要發(fā)育有兩組，面割理走向?yàn)?05°～359°，端割理走向在0°～44°，這兩組裂隙一般以高角度斜交或正交，且大體垂直于層理面。而潞安礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，文王山大斷層以北區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向在N11.8°W—N34.5°W;文王山南大斷層至二崗山北正斷層，最大水平主應(yīng)力方向集中在N19.1°W—N72.9°W;二崗山大斷層以南的區(qū)域，最大水平主應(yīng)力集中在N22°E—N51.2°E[29]。因此，潞安礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以二崗山斷層和文王山斷層為界，在二崗山斷層以南的區(qū)域，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E，與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙方向是垂直關(guān)系，裂隙面受到擠壓作用;在二崗山斷層和文王山斷層之間區(qū)域，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W，與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙方向是一致的;在文王山斷層以北的區(qū)域，最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙方向斜交，裂隙面受擠壓力的作用。

研究表明，煤儲(chǔ)層滲透率受煤儲(chǔ)層埋深的影響[3,17]，為了減少埋深對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的干擾，分別從埋深在430～470 m(表2)和500～530 m(表3)，探究水平應(yīng)力差與煤儲(chǔ)層滲透率的關(guān)系(圖6)。

表2 430～470 m埋深，水平應(yīng)力差與煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)比
Table 2 Comparing of 430-470 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤礦鉆井編號(hào)埋深/m水平應(yīng)力差/MPa滲透率/10-15m2高河6442.574.2200.195 0高河7452.486.6100.020 2常村2466.463.1640.870 7常村3457.526.7390.294 1余吾15431.066.3600.038 0

表3 500～530 m埋深，水平應(yīng)力差與煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)比
Table 3 Comparing of 500-530 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤礦鉆井編號(hào)埋深/m水平應(yīng)力差/MPa滲透率/10-15m2高河5512.075.1500.008 43常村4503.554.4160.135 6五陽(yáng)8521.857.7100.010 3五陽(yáng)10528.819.1700.015 0漳村16519.551.7390.652 4漳村17510.535.5840.050 0

圖6 不同埋深水平壓力差與滲透率的關(guān)系Fig.6 Relationship between horizontal pressure difference and permeability at different depth

結(jié)果表明:① 在430～470 m和500～530 m埋深范圍內(nèi)，相同的水平應(yīng)力差作用下，二崗山斷層和文王山斷層之間區(qū)域的煤儲(chǔ)層滲透率普遍高于二崗山斷層和文王山斷層之外區(qū)域的煤儲(chǔ)層滲透率(圖6(a),(b))，這是應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育方向的相對(duì)關(guān)系決定的。二崗山斷層和文王山斷層之間的區(qū)域，水平主應(yīng)力差的方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向一致時(shí)，煤儲(chǔ)層中的裂隙受拉張作用，煤儲(chǔ)層滲透率提高，有利于煤層氣的開(kāi)采;二崗山斷層以南和文王山斷層以北的區(qū)域，水平主應(yīng)力差的方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向不一致時(shí)，煤儲(chǔ)層中的裂隙受到擠壓，滲透率降低，對(duì)煤層氣的開(kāi)采產(chǎn)生不利影響。因此，研究區(qū)煤儲(chǔ)層的滲透率受文王山、二崗山兩斷層的控制。② 煤儲(chǔ)層滲透率與水平應(yīng)力差呈指數(shù)關(guān)系，煤儲(chǔ)層滲透率隨著水平應(yīng)力差的增加呈指數(shù)性降低(圖6(c))，即σH-σh值較大時(shí)會(huì)造成巖體內(nèi)剪應(yīng)力較大，當(dāng)超過(guò)巖體抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體將發(fā)生破裂，容易形成斷層、節(jié)理等構(gòu)造[30]。

3.2.3有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系

在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，煤儲(chǔ)層滲透率是動(dòng)態(tài)變化的，在煤儲(chǔ)層中隨著水和氣體不斷排出，煤儲(chǔ)層壓力逐漸下降，煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力逐漸增加，使煤儲(chǔ)層中的孔隙和裂隙逐漸被壓縮，甚至閉合，煤體發(fā)生顯著的彈塑性形變，使煤儲(chǔ)層滲透率明顯下降，并使得氣井產(chǎn)能降低。目前，普遍認(rèn)為，隨著有效應(yīng)力的增加，煤的滲透率呈指數(shù)下降。

研究表明，煤儲(chǔ)層滲透率不僅僅受單向地應(yīng)力的影響，而是受多種地應(yīng)力(σH,σh和σv)的綜合影響[3,6]。因此，將有效地應(yīng)力(σeff)定義[31]為

(13)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:煤儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)降低(圖7(a))，煤儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系表達(dá)式為

k=9.958 4e-0.465σeff

(14)

圖7 煤儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力、埋深的關(guān)系Fig.7 Relationship between permeability and effective stress，buried depth of coal reservoirs

根據(jù)式(13)可知，煤儲(chǔ)層壓力是影響有效應(yīng)力的關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率產(chǎn)生影響。隨儲(chǔ)層壓力的增加，有效應(yīng)力減小，煤儲(chǔ)層滲透率增加，煤儲(chǔ)層壓力與煤儲(chǔ)層滲透率存在正相關(guān)關(guān)系。在其他相同條件下，煤儲(chǔ)層壓力高的地區(qū)，滲透率一般較高，有利于煤層氣的開(kāi)發(fā)生產(chǎn);煤儲(chǔ)層壓力低的地區(qū)，滲透率一般較低，不利于煤層氣的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。因此，潞安礦區(qū)儲(chǔ)層壓力梯度平均為0.35 MPa/hm，為嚴(yán)重欠壓，該特點(diǎn)可能是該區(qū)滲透率低，產(chǎn)氣量不高的主要影響因素之一。

當(dāng)有效應(yīng)力<12 MPa時(shí)，隨應(yīng)力值減小，煤儲(chǔ)層滲透率趨于逐漸增大;當(dāng)有效應(yīng)力>12 MPa時(shí)，高應(yīng)力使煤體發(fā)生明顯的彈塑性形變，煤體擠壓破碎使孔裂隙壓縮甚至閉合，阻斷裂隙通道，致使煤儲(chǔ)層滲透率趨近于0，而這一深度范圍大致在610 m以深。即610 m以深，由于儲(chǔ)層壓力低，相應(yīng)的有效應(yīng)力高，造成了煤儲(chǔ)層滲透率較低(圖7(b))。

4 結(jié) 論

(1)潞安礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層整體為中-低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)類型在垂向上呈非均勻分布，在埋深400～610 m區(qū)域內(nèi)，以走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σH>σv>σh)起主導(dǎo)作用;在埋深610～800 m區(qū)域內(nèi)，正斷層應(yīng)力場(chǎng)型(σv>σH>σh)起主導(dǎo)作用。潞安地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓系數(shù)K值隨埋深增加而下降，其隨埋深關(guān)系的關(guān)系式為:131.67/H+0.165 9≤K≤544.72/H+0.238 0，整體表現(xiàn)為“淺部離散，深部收斂”的特征。

(2)煤儲(chǔ)層滲透率與最大、最小水平主應(yīng)力及其應(yīng)力梯度存有較好的冪函數(shù)關(guān)系;煤儲(chǔ)層滲透率都隨最大、最小水平主應(yīng)力及其應(yīng)力梯度的增加而快速減小。

(3)水平應(yīng)力差實(shí)質(zhì)上是通過(guò)控制煤儲(chǔ)層裂隙開(kāi)合程度對(duì)煤儲(chǔ)層原始滲透率施加影響。當(dāng)?shù)V區(qū)應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向一致時(shí)，煤儲(chǔ)層中的裂隙受拉張作用，煤儲(chǔ)層滲透率提高;當(dāng)?shù)V區(qū)應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向不一致時(shí)，煤儲(chǔ)層中的裂隙受到擠壓，煤儲(chǔ)層滲透率降低。這也是二崗山、文王山斷層之間區(qū)域滲透率普遍高于二崗山、文王山斷層之外區(qū)域滲透率的地質(zhì)原因。

(4)煤儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)降低。在同等條件下，煤儲(chǔ)層壓力高的地區(qū)，有效應(yīng)力低，滲透率一般較高;煤儲(chǔ)層壓力低的地區(qū)，有效應(yīng)力高，滲透率一般較低。潞安礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力梯度平均為0.35 MPa/hm，為嚴(yán)重欠壓，該特點(diǎn)可能是該區(qū)滲透率低，產(chǎn)氣量不高的重要影響因素之一。