陳世達(dá)，湯達(dá)禎，陶 樹(shù)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083; 2.煤層氣開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程研究中心 煤儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

黔西—滇東煤層群發(fā)育區(qū)煤層氣資源豐富，但單層資源量較低[1-2]?，F(xiàn)行技術(shù)條件下，多煤層共采是實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤層氣資源高效開(kāi)發(fā)的必要手段之一。然而，煤系地層內(nèi)“隔水阻氣關(guān)鍵層”的存在使得流體垂向聯(lián)通性受限，煤層群甚至單一煤層的流體壓力系統(tǒng)相互封閉和獨(dú)立，儲(chǔ)層壓力、壓力系數(shù)及含氣量等儲(chǔ)層物性參數(shù)呈非單調(diào)性變化，即“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”普遍存在[3-4]。這種現(xiàn)象致使產(chǎn)層組合設(shè)計(jì)難度增加，排采過(guò)程中可能由于合采層位不兼容觸發(fā)層間矛盾，最終導(dǎo)致合采效果差[5-7]。

關(guān)于其成藏機(jī)制，目前更多的研究在于關(guān)注層序地層格架控制下的低滲透性巖層對(duì)含氣單元間流體的封閉能力。楊兆彪等[8]、沈玉林等[9]先后針對(duì)黔西煤層群發(fā)育區(qū)，進(jìn)一步闡明了層序地層格架的控藏效應(yīng)，但關(guān)于隔水層的發(fā)育位置及其形成機(jī)理的結(jié)論差異較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者以地應(yīng)力為切入點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的垂向轉(zhuǎn)化與含氣系統(tǒng)、資源類(lèi)型存在一定的關(guān)聯(lián)性[10-12]。澳大利亞悉尼盆地也曾報(bào)道過(guò)水平主應(yīng)力各向異性在含氣性分帶中的指示作用[13]。原位埋深條件下，煤系地層特別是煤儲(chǔ)層中的割理-裂隙系統(tǒng)必然受到地應(yīng)力的壓縮而變形，從而影響其封隔性，進(jìn)而使得含煤層氣系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。此前，徐宏杰等[14-15],XU等[16-17],JU等[18]先后對(duì)黔西煤儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)的垂向展布及對(duì)滲透率的控制作用進(jìn)行了研究。楊兆彪等[10]、郭晨和盧玲玲[11]進(jìn)一步揭示了黔西地區(qū)原位應(yīng)力場(chǎng)條件下煤層氣的成藏特性和含氣系統(tǒng)疊置特征，并認(rèn)為臨界轉(zhuǎn)換深度界面以淺有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。然而，上述研究均未考慮地應(yīng)力的非線(xiàn)性和滲透率的非指數(shù)性變化規(guī)律及其所承載的重要成藏(或煤層氣富集)信息。

據(jù)此，筆者基于煤層氣試井和原位地應(yīng)力測(cè)量資料，系統(tǒng)分析了黔西地區(qū)含煤向斜構(gòu)造內(nèi)地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律，揭示了應(yīng)力場(chǎng)制約下煤儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層壓力、壓力系數(shù)及含氣性的垂向差異性變化規(guī)律及其匹配關(guān)系，探討了地層條件下煤儲(chǔ)層的自封閉作用及其成藏效應(yīng)，以期拓展煤層氣富集機(jī)理和成藏理論認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景與數(shù)據(jù)處理

黔西地區(qū)屬于二疊世上揚(yáng)子聚煤沉積盆地的一部分，含煤地層為上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和龍?zhí)督M，受高頻振蕩海平面變化影響，泥炭沼澤穩(wěn)定期短，造成煤層數(shù)量多但單層厚度薄的現(xiàn)狀[8-9]。多期構(gòu)造活動(dòng)的改造使得原型含煤盆地肢解為眾多北東向、北西向的構(gòu)造盆地，煤系地層在這些規(guī)模大小不一的向斜內(nèi)得以保存，外圍則被剝蝕殆盡[19]。

本次研究共搜集到黔西地區(qū)不同含煤構(gòu)造32口井共計(jì)77層次的試井?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)地面垂直鉆孔水力壓裂測(cè)量地應(yīng)力方法,閉合壓力pc為最小水平主應(yīng)力σh[20]，即

σh=pc

(1)

最大水平主應(yīng)力σH[20]為

σH=3pc-pf-p0+T

(2)

式中,pf為破裂壓力，MPa;p0為儲(chǔ)層壓力，MPa;T為煤或巖石的抗拉強(qiáng)度,可由破裂壓力和重張壓力的差值求取，MPa。

在任意深度，地層垂直主應(yīng)力σv等于上覆巖石壓力，可以通過(guò)上覆巖層的密度與埋深進(jìn)行估算。本文中垂直主應(yīng)力σv由經(jīng)驗(yàn)公式[21]計(jì)算獲得,即

σv≈0.027H

(3)

其中,H為垂直深度,m。水平主應(yīng)力梯度(G，MPa/hm)可以根據(jù)計(jì)算得到的水平應(yīng)力大小(σ)和對(duì)應(yīng)埋深(H)求取，即

(4)

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本次研究剔除了部分最大水平主應(yīng)力<最小水平主應(yīng)力的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)(如普定縣打磨沖煤礦503孔16號(hào)煤層、赫章縣野馬川507孔1號(hào)煤層、大方縣對(duì)江南2602鉆孔M18煤層、龍場(chǎng)煤礦檢3孔18號(hào)煤層等);200 m以淺僅一口井2組數(shù)據(jù)，且位于破頭山背斜，故也未作針對(duì)性分析。因此，共計(jì)保留了200～1 300 m埋深范圍內(nèi)的68組數(shù)據(jù)用以開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析(表1)。

表1 注入/壓降試井及原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 1 Results of injection/fall-off test and in-situ stress measurement

續(xù) 表

2 原位地應(yīng)力場(chǎng)垂向分布規(guī)律

2.1 含煤向斜構(gòu)造水平主應(yīng)力變化

為查明含煤向斜構(gòu)造對(duì)水平主應(yīng)力的影響，筆者對(duì)盤(pán)關(guān)向斜8井次24層次的試井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了剖析(圖1)。其中，黔紅1,2，3井位于向斜軸部的亮山區(qū)塊;JV-1,GC-1,YV-1和貴煤1,2井位于向斜翼部。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，向斜兩翼最大、最小水平主應(yīng)力梯度隨埋深增大逐漸降低，在埋深中段應(yīng)力梯度大小達(dá)到最小值，應(yīng)力場(chǎng)逐漸過(guò)渡為正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型(σv>σH>σh)。位于向斜軸部的黔紅1,2，3井的水平主應(yīng)力大小及梯度較之埋深中段明顯增高，屬于高應(yīng)力區(qū)(σh>18 MPa)的范疇，三向應(yīng)力相對(duì)大小關(guān)系表現(xiàn)為σH>σv>σh，即走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，應(yīng)力梯度隨埋深變化整體上表現(xiàn)為“弧形”，淺部和靠近向斜軸部煤層構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域，埋深中段構(gòu)造應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)不明顯，以垂直主應(yīng)力為主。

圖1 盤(pán)關(guān)向斜最大、最小水平主應(yīng)力及應(yīng)力梯度垂向變化Fig.1 Vertical variation of horizontal stresses and horizontal stresses gradient in the Panguan syncline

地應(yīng)力是存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，包括自重應(yīng)力與水平應(yīng)力。自重應(yīng)力場(chǎng)比較簡(jiǎn)單，可用上覆巖層的容重與埋藏深度估算。水平應(yīng)力場(chǎng)則相對(duì)較為復(fù)雜，一方面是在重力作用下煤巖層水平方向移動(dòng)受限而產(chǎn)生;另一方面與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖層地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，尤以水平方向構(gòu)造應(yīng)力影響最大[22]。因此，水平主應(yīng)力大小是自重應(yīng)力產(chǎn)生的泊松效應(yīng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力疊加的結(jié)果。在向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用下，自重應(yīng)力形成的水平應(yīng)力基礎(chǔ)上附加了較大構(gòu)造應(yīng)力，煤巖層內(nèi)水平應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致水平應(yīng)力迅速增加。HAN 等[23]也發(fā)現(xiàn)在距離平頂山向斜軸部的一定范圍內(nèi)，水平主應(yīng)力的梯度將顯著增高。圖2給出了盤(pán)關(guān)向斜同一煤層(18號(hào),24號(hào))或鄰近煤層(1+3號(hào),3號(hào)，6號(hào),7號(hào)，9號(hào),10號(hào)，12號(hào),13號(hào)，15號(hào),16號(hào))水平主應(yīng)力梯度隨埋深的變化趨勢(shì)，其客觀(guān)上反映了煤層水平主應(yīng)力自淺部至深部、自向斜翼部至軸部的變化過(guò)程?？梢?jiàn)，在靠近向斜軸部過(guò)程中煤層應(yīng)力梯度先降后增，約750 m埋深處向斜軸部應(yīng)力集中作用開(kāi)始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力梯度隨埋深增大而遞增且逐漸大于垂直主應(yīng)力梯度。

圖2 相同或鄰近煤層應(yīng)力梯度隨埋深變化Fig.2 Changes in horizontal stress gradient of the same or the adjacent seams with increasing depth

2.2 原位地應(yīng)力狀態(tài)垂向轉(zhuǎn)換規(guī)律

從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，黔西地區(qū)平均最小水平主應(yīng)力梯度(2.1 MPa/hm)較之我國(guó)其他含煤盆地略高，但由于不同含煤盆地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)在不同埋深區(qū)間出現(xiàn)的頻率不同，應(yīng)力大小或梯度的平均值難以反映煤巖所承受的現(xiàn)今地應(yīng)力強(qiáng)度(表2)。從應(yīng)力值大小及梯度與埋深的關(guān)系的角度，在給定埋深范圍內(nèi)，黔西地區(qū)最小水平主應(yīng)力變化區(qū)間范圍與我國(guó)其他含煤盆地基本相當(dāng)，并非傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中典型的“高應(yīng)力區(qū)”(圖3)。依據(jù)地應(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]，400 m以淺表現(xiàn)為為低應(yīng)力區(qū)，400～1 000 m為中應(yīng)力區(qū)，1 000～1 300 m才進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)的范疇。從擬合趨勢(shì)來(lái)看，1 400 m以深的煤層將承受超高地應(yīng)力的影響。

表2 我國(guó)不同含煤盆地煤儲(chǔ)層地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of in-situ stress measurements results of coals in different coal-bearing basins

圖3 不同含煤盆地煤儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力大小及梯度垂向變化Fig.3 Vertical variation in minimum horizontal stress magnitude and gradient

在統(tǒng)計(jì)的68個(gè)測(cè)點(diǎn)中，逆斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型(σH>σh>σv)有9個(gè)，埋深介于215～560 m;正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型(σv>σH>σh)有37個(gè)，埋深介于210～1 027 m;走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型(σH>σv>σh)有22個(gè)，埋深介于221～1 244 m。水平主地應(yīng)力梯度隨埋深的變化規(guī)律與盤(pán)關(guān)向斜實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。500 m以淺和1 000 m以深共計(jì)進(jìn)行了34層次的試井，逆斷層和走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型占76%，以水平主應(yīng)力為主導(dǎo)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型;500～1 000 m埋深范圍內(nèi)進(jìn)行了34層次的試井，正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型占85%，以垂直主應(yīng)力為主導(dǎo)，屬于大地靜力場(chǎng)類(lèi)型。

考慮應(yīng)力梯度變化、應(yīng)力的相對(duì)大小關(guān)系及向斜構(gòu)造的影響，可以將煤儲(chǔ)層地應(yīng)力狀態(tài)劃分為4個(gè)深度區(qū)間(圖4，表3):① 200～500 m埋深內(nèi)煤儲(chǔ)層呈應(yīng)力擠壓狀態(tài)，表現(xiàn)為水平應(yīng)力隨埋深增大而增大，且增加幅度(或應(yīng)力梯度)大于垂直應(yīng)力，400 m附近正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型消失，水平構(gòu)造應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位;② 500～750 m煤儲(chǔ)層位于應(yīng)力釋放區(qū)，水平主應(yīng)力梯度較之淺部有所收斂且明顯降低，應(yīng)力值變化趨于平緩，走滑、逆斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型基本不可見(jiàn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯;③ 750～1 000 m地應(yīng)力場(chǎng)仍以垂直主應(yīng)力為主，但向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力集中作用開(kāi)始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力梯度變化趨勢(shì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，最大水平主應(yīng)力逐步接近垂直應(yīng)力，屬于應(yīng)力過(guò)渡區(qū);④ 1 000 m以深進(jìn)入向斜軸部的構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，水平主應(yīng)力增加幅度遠(yuǎn)大于垂直主應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力增高至所測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值，屬于高應(yīng)力區(qū)的范疇。

表3 黔西地區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)垂向分帶及其地質(zhì)意義Table 3 Vertical variation of in situ stress field in western Guizhou and its geology significance

圖4 地應(yīng)力狀態(tài)劃分Fig.4 Division of in-situ stress regimes

3 原位地應(yīng)力控滲、控藏效應(yīng)

黔西地區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率在0.000 1×10-15～0.573×10-15m2，平均僅0.09×10-15m2。滲透率的垂向分布具有明顯的階段性，200～500,500～750,750～1 000 m以及1 000～1 300 m埋深范圍分別對(duì)應(yīng)低(平均0.05×10-15m2)、高(平均0.2×10-15m2)、低(平均0.03×10-15m2)、極低(平均0.003×10-15m2)滲透率(圖5)。滲透率的這種垂向階段分布特點(diǎn)并非個(gè)例，在盤(pán)關(guān)—土城向斜以及比德—三塘向斜均較為明顯(圖6)。在500～750 m埋深內(nèi)，2者均存在一個(gè)滲透率相對(duì)高值區(qū)(> 0.1×10-15m2)，如盤(pán)關(guān)—土城向斜金佳1井(3號(hào)，10號(hào)，22號(hào))、松參1井(1+3號(hào)，9號(hào)，16號(hào))、月亮田1井(6號(hào)，12號(hào))以及貴煤1井(7號(hào))，比德-三塘向斜的織4井(27號(hào))、化樂(lè)一礦1602孔(2號(hào)，5號(hào)，6號(hào))以及化樂(lè)一礦3603孔(2號(hào)，6號(hào));該埋深區(qū)間上下煤層滲透率則普遍較低。

圖5 黔西地區(qū)煤層試井滲透率、水平主應(yīng)力差及側(cè)壓系數(shù)垂向變化Fig.5 Vertical variation of permeability,horizontal stress difference and lateral pressure coefficient

圖6 盤(pán)關(guān)—土城向斜、比德-三塘向斜滲透率垂向變化Fig.6 Vertical variation of permeability in Panguan-Tucheng and Bide-Santang synclines

從應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型來(lái)看，正斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型相對(duì)有利于形成較高滲透的儲(chǔ)層，其次為走滑應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型，逆斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型的煤層滲透率均較低。垂向上，儲(chǔ)層裂隙的開(kāi)合程度(即煤儲(chǔ)層的滲流能力)不單純與某一方向地應(yīng)力絕對(duì)值相關(guān)，也與應(yīng)力梯度變化趨勢(shì)所反映出來(lái)的儲(chǔ)層受力“狀態(tài)”相關(guān)(圖5):當(dāng)應(yīng)力梯度趨于降低時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)拉張，滲透率則有所恢復(fù);當(dāng)應(yīng)力梯度趨于增高時(shí)，則處于相對(duì)擠壓的狀態(tài)，滲透率普遍較低。水平主應(yīng)力差也是控制裂縫開(kāi)合程度和滲透率大小的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在較高的水平主應(yīng)力差條件下，絕大多數(shù)天然裂縫通常處于閉合狀態(tài)，導(dǎo)致其導(dǎo)流能力明顯下降。就黔西地區(qū)而言，200～500 m埋深內(nèi)應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差明顯增大，導(dǎo)致煤巖裂縫閉合，煤儲(chǔ)層滲透率相應(yīng)降低;500～750 m埋深區(qū)間內(nèi)應(yīng)力集中程度較低，水平主應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差均有所下降，相對(duì)有利于煤巖裂縫保持張開(kāi)的狀態(tài);750～1 000 m埋深段內(nèi)，向斜軸部構(gòu)造擠壓作用開(kāi)始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力大小、梯度及水平主應(yīng)力差值再次升高，導(dǎo)致煤巖滲透率顯著降低;1 000 m以深進(jìn)入高地應(yīng)力區(qū)的范疇，應(yīng)力高度集中，滲透率極低(<0.01×10-15m2)。原位地應(yīng)力制約下煤儲(chǔ)層滲透率的垂向差異性分帶與儲(chǔ)層壓力、含氣性之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。黔西地區(qū)煤層的儲(chǔ)層壓力為0.72～12.89 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度介于0.28～1.70 MPa/hm。圖7表明，儲(chǔ)層壓力與埋深的線(xiàn)性關(guān)系并不明顯，特別是在200～500 m及>750 m埋深范圍內(nèi)存在極強(qiáng)的離散型，這種離散性反映在儲(chǔ)層壓力梯度上則更為顯著。200～500 m和>750 m埋深范圍內(nèi)，儲(chǔ)層壓力梯度分布離散，常壓、欠壓以及超壓儲(chǔ)層均有分布且不存在明顯的變化規(guī)律;500～750 m埋深范圍內(nèi)，儲(chǔ)層壓力與埋深相關(guān)性較好，壓力系統(tǒng)統(tǒng)一程度高，平均儲(chǔ)層壓力梯度約為1 MPa/hm，與靜水壓力梯度大小相當(dāng)。

同一鉆孔內(nèi)，不同煤層的儲(chǔ)層壓力隨埋深增加(或?qū)游唤档?的變化也基本符合上述規(guī)律(圖8)。例如，盤(pán)關(guān)向斜金佳1井3號(hào)～22號(hào)煤層位于550～750 m埋深范圍內(nèi)，儲(chǔ)層壓力隨埋深增加單調(diào)遞增，壓力梯度無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明其屬于統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng);松參1井1+3號(hào)～27號(hào)埋深在550～950 m，儲(chǔ)層壓力梯度在約750 m附近發(fā)生突變，由常壓儲(chǔ)層變?yōu)槌瑝簝?chǔ)層，類(lèi)似的變化也發(fā)生在月亮田1井的6號(hào)～24號(hào)煤;黔紅1井12號(hào)～24號(hào)煤層埋深大于1 100 m，滲透率極低，儲(chǔ)層壓力大小及梯度不增反降，說(shuō)明層間壓力系統(tǒng)疊置發(fā)育;比德向斜化樂(lè)1礦1602鉆孔在460～540 m埋深段內(nèi)，儲(chǔ)層壓力單調(diào)遞增且至5號(hào)煤(約500 m)壓力梯度開(kāi)始趨于穩(wěn)定;中寨煤礦503鉆孔6號(hào)～27號(hào)煤的埋深介于200～450 m，隨著埋深增大或?qū)游坏慕档停瑑?chǔ)層壓力大小及梯度呈波動(dòng)變化，超壓(16號(hào)煤)、欠壓(6號(hào),27號(hào)煤)儲(chǔ)層均有發(fā)育地應(yīng)力、滲透率、儲(chǔ)層壓力的垂向差異性變化與煤巖含氣量分布存在較高的一致性。土城向斜松河礦區(qū)的松參1井進(jìn)行了600～960 m埋深內(nèi)共計(jì)30層次的現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試，其中部分煤層僅完成了解吸氣量和損失氣量的分析，未對(duì)殘余氣量進(jìn)行進(jìn)一步分析。盡管這部分樣品的含氣量較總含氣量略低，但2者整體的變化趨勢(shì)完全一致。由圖9可知，600～750 m埋深內(nèi)的煤層屬于相對(duì)統(tǒng)一的含氣系統(tǒng)(1+3號(hào)煤→12號(hào)煤)，含氣量隨埋深的變化基本符合單調(diào)遞增的一般性規(guī)律，含氣量由5.93 m3/t增高至18.83 m3/t;當(dāng)埋深>750 m，煤層含氣量與埋深失去相關(guān)性，呈無(wú)明顯規(guī)律的波動(dòng)變化，說(shuō)明該埋深段內(nèi)含氣系統(tǒng)疊置發(fā)育，相關(guān)成藏參數(shù)難以有效預(yù)測(cè)。含氣量的這種垂向分帶式變化規(guī)律在盤(pán)關(guān)向斜月亮田1井(YV-1井)及金佳1井(JV-1井)中也較為明顯。

圖8 同一井筒內(nèi)不同煤層儲(chǔ)層壓力及壓力梯度變化特征Fig.8 Variation of reservoir pressure and pressure gradient of different coal seams in the same borehole

圖9 GC-1井、YV-1井、JV-1井含氣量(解吸氣+殘余氣)垂向變化規(guī)律Fig.9 Variation of coal seam gas content(desorbed gas remined gas) in Well GC-1，Well YV-1 and Well JV-1

4 地應(yīng)力控藏機(jī)制探討及研究展望

原位地應(yīng)力場(chǎng)、儲(chǔ)層滲透率、流體壓力系統(tǒng)及含氣性分帶之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系，其對(duì)于煤層氣資源可采性的評(píng)價(jià)和甜點(diǎn)區(qū)段的優(yōu)選具有重要的意義。黔西地區(qū)500～750 m埋深內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，垂直應(yīng)力占主導(dǎo)地位，滲透率相對(duì)較高(>0.1×10-15m2)，儲(chǔ)層壓力與埋深存在良好的線(xiàn)性正相關(guān)性，壓力梯度(或壓力系數(shù))波動(dòng)幅度不大，含氣量隨埋深的增大而增高，流體壓力系統(tǒng)統(tǒng)一程度較高。相反，在200～500 m和>750 m埋深內(nèi)，水平主應(yīng)力大小、梯度及水平主應(yīng)力差均隨埋深增加而增大，導(dǎo)致形成低滲-極低滲煤儲(chǔ)層，儲(chǔ)層壓力、壓力系數(shù)及含氣量與埋深的相關(guān)性較差，欠壓、常壓、超壓儲(chǔ)層均有分布，流體壓力系統(tǒng)普遍疊置發(fā)育。從這一點(diǎn)來(lái)看，500～750 m埋深區(qū)間多煤層合采的甜點(diǎn)層段，這與現(xiàn)階段的高產(chǎn)煤層氣井的產(chǎn)層埋深分布具有較高的一致性，如楊梅樹(shù)向斜楊煤參1井的13-2號(hào)(657.07～659.00 m)、7號(hào)(635.87～637.7 m)、5-2號(hào)(596.35～599.01 m)[24]，三塘向斜織3井14號(hào)(697.7～700.3 m)、16號(hào)(735.4～737.5 m)煤層，珠藏向斜小試驗(yàn)井組10口合采煤層氣井的20號(hào),23號(hào),27號(hào),30號(hào)煤層(埋深450～650 m)[25]。

具體而言，原位地應(yīng)力場(chǎng)控藏效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是以控制儲(chǔ)層滲透率為橋梁，進(jìn)而決定儲(chǔ)層自封閉能力的一種地質(zhì)作用。自封閉(Self-sealing)最早由FACCA和TONANI[26-27]提出，常規(guī)油氣地質(zhì)領(lǐng)域多概指地層溫壓變化及地下流體共同作用下巖體發(fā)生重結(jié)晶和再膠結(jié)，最終封閉或封堵蓋層之下儲(chǔ)集巖體內(nèi)流體的地質(zhì)作用，它使地下流體與蓋層之外失去聯(lián)系后構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的流體單元或成藏單元。這類(lèi)“自封閉”作用是目標(biāo)巖體外圍產(chǎn)生了相對(duì)致密部分，并對(duì)其高孔滲部分形成類(lèi)似蓋層的封堵能力。秦勇等[28]提出了高煤級(jí)煤層氣成藏“彈性自封閉效應(yīng)”的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為這種效應(yīng)是我國(guó)高煤級(jí)煤地區(qū)煤層氣普遍富集的重要地質(zhì)原因。賈承造等[27]將這一概念引入了非常規(guī)油氣領(lǐng)域，并將其定義為非常規(guī)油氣在沉積盆地內(nèi)由于自身特殊的物理化學(xué)特性或在特殊儲(chǔ)集層介質(zhì)條件和特殊溫壓環(huán)境共同作用下，依賴(lài)油氣自身內(nèi)部或油氣與儲(chǔ)集層介質(zhì)界面之間的分子間作用力，不依賴(lài)儲(chǔ)集體之外的圈閉等上傾封堵條件，與外界隔離并獨(dú)立成藏富集保存的地質(zhì)作用。

不同于常規(guī)油氣藏，非常規(guī)油氣的自封閉是在一定的邊界條件或地質(zhì)門(mén)限條件下，發(fā)生在非常規(guī)油氣藏內(nèi)部而不是在其外部或邊緣的一種成藏作用。對(duì)于煤層氣而言，自封閉成藏作用需要致密儲(chǔ)集條件。例如，黔西地區(qū)200～500 m埋深區(qū)間內(nèi)煤層試井滲透率小于0.1×10-15m2，750 m以深煤層滲透率<0.01×10-15m2，這種低孔隙度、低滲透率條件使得煤層氣藏不依賴(lài)于外部“封隔層”即可阻斷儲(chǔ)集層內(nèi)流體的自由流出和外部流體的自由進(jìn)入，形成獨(dú)立流體壓力系統(tǒng)垂向多層疊置的現(xiàn)象。這與楊兆彪等[29]的研究結(jié)論基本一致，即原位滲透率0.1×10-15m2可以作為劃分煤層是否具有統(tǒng)一含氣系統(tǒng)的標(biāo)志。對(duì)于500～750 m埋深范圍內(nèi)的相對(duì)高滲儲(chǔ)層(>0.1×10-15m2)，需外圍形成相對(duì)致密的封堵蓋層(即考慮層序地層格架特點(diǎn))阻斷層間的流體聯(lián)系才能構(gòu)成獨(dú)立的流體單元或成藏單元，因此相對(duì)于其他埋深區(qū)間更有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

除黔西地區(qū)煤層群發(fā)育區(qū)外，地應(yīng)力的非線(xiàn)性和滲透率的非指數(shù)型垂向變化在其他含煤盆地也并不鮮見(jiàn)，如滇東(600～800 m)、沁水盆地南部(650～800 m)、鄂爾多斯盆地東緣(800～950 m)及準(zhǔn)噶爾盆地南緣(600～800 m)等地區(qū)埋深中段均存在水平主應(yīng)力梯度低值區(qū)和滲透率相對(duì)高值區(qū)，且水平應(yīng)力梯度隨埋深的階段式增減與滲透率變化均存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖10)。地應(yīng)力在垂向上的這種復(fù)雜變化與盆地類(lèi)型有關(guān)，我國(guó)含煤盆地多屬于擠壓型盆地，擠壓構(gòu)造力的傳播伴隨著壓縮吸收能量和斷層釋放能量的過(guò)程，在區(qū)域應(yīng)力背景下通常疊加了局部構(gòu)造應(yīng)力作用，因此地應(yīng)力類(lèi)型和構(gòu)造特征具有極強(qiáng)的分帶性[30-31]。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，我國(guó)幾個(gè)主要含煤盆地應(yīng)力梯度變化多表現(xiàn)為數(shù)字“3”形態(tài):近地表靠近背斜軸部或近軸翼部等區(qū)域?qū)儆跒槔瓘垜?yīng)力區(qū)，滲透率普遍較高;隨著埋深增大，構(gòu)造應(yīng)力附加值逐步增大，過(guò)渡為走滑或逆斷層應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型，煤體發(fā)生塑性變形，滲透率快速降低;隨著埋深進(jìn)一步增大，地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，水平應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差減小，滲透率恢復(fù)至相對(duì)較高的水平;局部(如向斜軸部)擠壓應(yīng)力的疊加會(huì)使深部煤層應(yīng)力梯度將再次升高，同時(shí)伴隨滲透率的驟降。

圖10 滇東[32]、沁南、鄂東、準(zhǔn)南地區(qū)應(yīng)力梯度、滲透率隨埋深變化Fig.10 Vertical variation of permeability and horizontal stress gradient in the eastern Yunnan[32],the southern Qinshui basin,the eastern margin of Ordos basin,and the southern Junggar basin

地應(yīng)力-滲透率的這種垂向非單調(diào)函數(shù)變化模式明顯不同于埋深增大→地應(yīng)力增高→滲透率負(fù)指數(shù)降低的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，而不同埋深段儲(chǔ)層的致密情況對(duì)束縛流體動(dòng)力場(chǎng)、調(diào)控油氣聚集成藏的作用不可忽視。對(duì)于我國(guó)西南地區(qū)的煤層群發(fā)育區(qū)，低滲儲(chǔ)層的自封閉成藏效應(yīng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致流體壓力系統(tǒng)層間疊置發(fā)育的更加復(fù)雜化。同一儲(chǔ)層在不同埋深或不同構(gòu)造位置處所承受的現(xiàn)今地應(yīng)力也顯著不同，儲(chǔ)集層內(nèi)部的致密情況分布必然也有所差異，相對(duì)致密部分也可能會(huì)封堵高孔滲部分的流體，導(dǎo)致同一氣藏內(nèi)流體壓力系統(tǒng)在橫向上多段疊置，這對(duì)以單煤層單采為主的沁南、鄂東等含煤盆地內(nèi)煤層氣的富集機(jī)理、資源類(lèi)型也具有重要意義，在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)予以足夠重視。

5 結(jié) 論

(1)黔西地區(qū)地應(yīng)力量級(jí)與我國(guó)其他含煤沉積盆地基本相當(dāng)，并非典型的“高應(yīng)力區(qū)”，1 000 m以深才進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)的范疇，向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域。

(2)根據(jù)應(yīng)力梯度變化可將黔西地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)劃分應(yīng)力擠壓區(qū)、應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力過(guò)渡區(qū)和構(gòu)造集中區(qū)。應(yīng)力釋放區(qū)有利于相對(duì)高滲儲(chǔ)層的形成，在此深度區(qū)間上下滲透率普遍較低(<0.1×10-15m2)。

(3)地應(yīng)力控藏效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是一定滲透率門(mén)限條件下的煤儲(chǔ)層自封閉成藏作用。低滲儲(chǔ)層(<0.1×10-15m2)可阻斷內(nèi)部流體的流出和外部流體的進(jìn)入,促使流體壓力系統(tǒng)疊置發(fā)育。相對(duì)高滲儲(chǔ)層(>0.1×10-15m2)則需外圍形成致密的封堵蓋層才能構(gòu)成獨(dú)立的流體單元或成藏單元,相對(duì)有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

(4)地應(yīng)力的非線(xiàn)性和滲透率的非指數(shù)型垂向變化在沁水、鄂東、準(zhǔn)南、滇東等含煤盆地也較為普遍，其所承載的重要成藏信息在煤層氣勘探過(guò)程中應(yīng)予以足夠重視。