鞠 瑋，王勝宇，姜 波，苗 琦，李 明，黃沛銘

（1.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(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.云南省198 煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，云南 昆明 650208）

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，煤層氣、頁巖氣以及致密油氣等非常規(guī)油氣在現(xiàn)有技術(shù)條件下顯示出巨大潛力［1］。 煤層氣作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，據(jù)第4 輪全國煤層氣資源評(píng)價(jià)顯示，全國埋深在2 000 m 以淺煤層氣地質(zhì)資源量為29.82×1012m3，可采資源量為12.51×1012m3［2］。 因此，如何實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開發(fā)是目前面臨的重要課題。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一個(gè)地區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)不僅有助于非常規(guī)油氣勘探開發(fā)［3-6］，并且在CO2地質(zhì)封存［7］、井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［6，8-9］等方面也具有重要的作用。 研究表明，在煤層氣勘探開發(fā)過程中，煤儲(chǔ)層地應(yīng)力可以通過控制壓裂隙的形態(tài)和擴(kuò)展方向影響煤儲(chǔ)層的壓裂改造效果，并能在排采過程中影響煤儲(chǔ)層滲透率的動(dòng)態(tài)變化，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)（大小和方向）和煤儲(chǔ)層滲透率是影響煤層氣開發(fā)的重要地質(zhì)因素［10-12］。 高產(chǎn)煤層氣在地質(zhì)方面表現(xiàn)為高滲透特征，而煤層滲透率的大小受到地應(yīng)力、煤變質(zhì)程度以及裂隙發(fā)育程度及方位等多因素控制［13-15］。 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層富含大量煤層氣資源［16］?；诖?，依據(jù)試井及地應(yīng)力測(cè)試參數(shù)對(duì)滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)和二疊系煤層滲透率開展研究，對(duì)該區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

滇東-黔西地區(qū)位于中國西南部，面積2.58×104km2，是黔西-滇東-川南晚二疊世上揚(yáng)子聚煤沉積盆地的重要組成部分。 后期該區(qū)受燕山期、喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，造成原型盆地解體，形成現(xiàn)今眾多的殘留盆地［16］（圖1），這些聚煤（煤層氣）盆地是我國長(zhǎng)江以南著名的煤炭工業(yè)基地，同時(shí)也是我國重要的工業(yè)煤層氣聚集場(chǎng)所，主要含煤層氣盆地的總資源量可達(dá)2.2×1012～2.75×1012m3，具有非常巨大的開發(fā)前景［16-17］。

圖1 滇東-黔西地區(qū)煤層氣盆地分布［16］Fig.1 Distribution of coalbed methane basins in eastern Yunnan and western Guizhou regions［16］

滇東-黔西地區(qū)在晚二疊世發(fā)育了從陸相到海陸過渡相再到海相為主的沉積環(huán)境［18-19］（圖2）。按成因類型，研究區(qū)的含煤系地層可分為以典型宣威組為代表的陸相型與以龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組為代表的海陸過渡相型。 滇東-黔西地區(qū)的工業(yè)煤層氣主要賦存于海陸過渡相型中，如盤縣盆地、格目底向斜、青山向斜、恩洪盆地、老廠-圭山盆地等［16］。 在垂向上，該區(qū)煤系最為顯著的特征是多煤層疊置，煤層多而薄，以層序地層格架為主的沉積背景是其重要的控制因素［20］。

圖2 滇東-黔西地區(qū)晚二疊世長(zhǎng)興階沉積古地圖圖［18］Fig.2 The Late Permian Changxing stage paleogeographic map in eastern Yunnan and western Guizhou regions［18］

2 滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)特征

目前而言，對(duì)于地應(yīng)力狀態(tài)的表征主要是依據(jù)地應(yīng)力大?。òㄋ阶畲笾鲬?yīng)力SH，max，水平最小主應(yīng)力Sh，min和垂向應(yīng)力Sv）和水平最大主應(yīng)力方向［3-4，21］。 根據(jù)不同方向應(yīng)力值之間的相互大小關(guān)系，可劃分成3 種基本的應(yīng)力機(jī)制類型［22］（圖3）：正斷應(yīng)力機(jī)制（Sv＞SH，max＞Sh，min），走滑應(yīng)力機(jī)制（SH，max＞Sv＞Sh，min）和逆斷應(yīng)力機(jī)制（SH，max＞Sh，min＞Sv）。

圖3 地應(yīng)力機(jī)制類型示意［21］Fig.3 Types of in-situ stress regime［21］

2.1 現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)方向特征

現(xiàn)今地應(yīng)力方向在油氣勘探、開發(fā)和鉆井工程中具有廣泛應(yīng)用。 一般而言，可以通過震源機(jī)制解反演、鉆孔崩落特征、鉆井誘導(dǎo)張裂隙特征、壓裂隙微震監(jiān)測(cè)等方法確定［6，9-10］。 研究主要依據(jù)最新的2016 版全球應(yīng)力圖（World Stress Map，WSM）數(shù)據(jù)庫［23-24］進(jìn)行現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)方向的分析，結(jié)果顯示，滇東-黔西地區(qū)水平最大主應(yīng)力方向總體為WNW-ESE 向（圖4）。

圖4 滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)方向Fig.4 The present-day in-situ stress orientations in eastern Yunnan and western Guizhou regions

2.2 現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)大小特征

水力壓裂法是確定地應(yīng)力的一種常用方法。 一般在煤層氣井投入生產(chǎn)之前，需要參照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 24504—2009 對(duì)煤層開展／壓降試井，參照中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB／T 14—2000 進(jìn)行原地應(yīng)力測(cè)試，以獲取煤層滲透率、儲(chǔ)層壓力、閉合壓力以及破裂壓力等參數(shù)。 結(jié)果表明，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層埋深在31.77 ～1 182.64 m 內(nèi)；煤層破裂壓力為2.01～29.16 MPa，平均為11.55 MPa；閉合壓力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；煤儲(chǔ)層壓力為0.52～12.81 MPa，平均為5.44 MPa（表1）。

表1 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層水力壓裂試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Hydraulic fracture parameters in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

在煤儲(chǔ)層參數(shù)獲取的基礎(chǔ)上，一般認(rèn)為閉合壓力即等于測(cè)試深度處的水平最小主應(yīng)力［9］，即：

式中：Sh，min為水平最小主應(yīng)力，MPa；Pc為閉合壓力，MPa。水平最大主應(yīng)力可依據(jù)下式計(jì)算［25］：

SH，max＝3Sh，min-Pf-Po+T（2）式中：Pf為破裂壓力，MPa；Po為儲(chǔ)層壓力，MPa；T為煤巖抗拉強(qiáng)度，MPa。

而對(duì)于垂向應(yīng)力，可依據(jù)上覆巖石重力計(jì)算，即：

式中：μ為巖石容重，計(jì)算時(shí)可參考取μ＝0.027［26］；h為上覆巖體厚度，m。

在研究過程中，由于煤巖石力學(xué)樣品制備困難等問題尚無法獲取每處壓裂深度點(diǎn)的煤巖抗拉強(qiáng)度，再者煤巖的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，忽略不計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)果影響較小，因此，在計(jì)算水平最大主應(yīng)力時(shí)主要依據(jù)下式進(jìn)行：

根據(jù)滇東-黔西地區(qū)138 組二疊系煤層水力壓裂試驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算研究區(qū)水平最大主應(yīng)力為2.67 ～29.84 MPa，平均為14.10 MPa；水平最小主應(yīng)力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；垂向應(yīng)力為0.86～31.93 MPa，平均為14.49 MPa。

隨著地質(zhì)環(huán)境的變化致使所計(jì)算出來的地應(yīng)力分布具有差異性，但滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層地應(yīng)力大小隨埋深的分布仍具有某些規(guī)律：

1）煤層地應(yīng)力大小隨著埋深表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性（圖5）。 水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和垂向應(yīng)力的大小均隨著煤層埋深的增大而具有增大的趨勢(shì)。

2）煤層地應(yīng)力的垂向分布具有分帶性（圖5）。根據(jù)應(yīng)力機(jī)制的垂向變化，可劃分為三個(gè)帶，即：（Ⅰ）淺部帶，在600 m 以淺，研究區(qū)地應(yīng)力分布整體表現(xiàn)為SH，max＞Sv＞Sh，min，水平最大主應(yīng)力起主導(dǎo)作用，為大地動(dòng)力場(chǎng)型。 （Ⅱ）過渡帶，在600 ～700 m，地應(yīng)力的垂向分布呈現(xiàn)多種形式，水平最大主應(yīng)力和垂向應(yīng)力交替起主導(dǎo)作用。 （Ⅲ） 深部帶，深度超過700 m 之后，研究區(qū)地應(yīng)力機(jī)制轉(zhuǎn)換為Sv＞SH，max＞Sh，min，垂向應(yīng)力起主導(dǎo)作用，為大地靜力場(chǎng)型。 因此，滇東-黔西地區(qū)的地應(yīng)力垂向轉(zhuǎn)換深度為600～700 m。

圖5 滇東-黔西地區(qū)地應(yīng)力垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution of in-situ stresses in eastern Yunnan and western Guizhou regions

3 二疊系煤儲(chǔ)層滲透率特征及影響因素

統(tǒng)計(jì)表明，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層滲透率主要介于0.000 2 ～0.98×10-15m2，分布范圍較大。由于在不同具體區(qū)塊各種因素的影響，二疊系煤層滲透率呈現(xiàn)不規(guī)則變化，整體規(guī)律性不明顯。 迄今，國內(nèi)外諸多含煤盆地針對(duì)煤層現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)和煤儲(chǔ)層滲透率開展了一系列卓有成效的研究［3-4，10-12，27-28］，認(rèn)為煤儲(chǔ)層滲透率很大程度上受現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的影響。 一般而言，煤儲(chǔ)層中有效地應(yīng)力（即原地應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力之差）的變化會(huì)造成煤體變形，進(jìn)而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率發(fā)生變化，在其他影響因素均等時(shí)，煤儲(chǔ)層滲透率隨著有效地應(yīng)力的增大而呈指數(shù)減?。?-12，27，29］。 但在滇東-黔西地區(qū)，二疊系煤儲(chǔ)層滲透率與有效地應(yīng)力間并沒有表現(xiàn)出良好的指數(shù)關(guān)系（圖6），表明研究區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率變化復(fù)雜，受多種因素綜合控制。

圖6 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率與有效地應(yīng)力關(guān)系Fig.6 The relationship between coal permeability and effective in-situ stresses in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

煤儲(chǔ)層是裂隙-孔隙型儲(chǔ)集層，屬于低孔低滲非常規(guī)儲(chǔ)層，煤儲(chǔ)層滲透率的高低除了受地應(yīng)力影響外，還取決于煤化作用程度、天然裂隙、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)層壓力等方面［13，27，30-31］。 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層壓力與滲透率之間的關(guān)系表明，二者之間也不存在明顯的相關(guān)性（圖7）。 天然裂隙的發(fā)育程度與產(chǎn)狀對(duì)煤儲(chǔ)層、致密油儲(chǔ)層等非常規(guī)儲(chǔ)層的滲透性具有重要的控制作用［27，32-34］。 煤儲(chǔ)層中發(fā)育的天然裂隙不僅可作為煤層氣重要的儲(chǔ)集空間，同時(shí)也能良好地連通煤基質(zhì)之間的空隙網(wǎng)絡(luò)，有效增強(qiáng)煤儲(chǔ)層的滲透性［34］。滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層沉積后經(jīng)歷了印支期、燕山期以及喜馬拉雅期多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)育復(fù)雜且相互交織的斷層和裂隙系統(tǒng)［16］。 據(jù)統(tǒng)計(jì)［34］，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育，平均裂隙密度在4.30 ～6.92 條／cm2內(nèi)，盤縣盆地二疊系煤儲(chǔ)層的平均裂隙密度高達(dá)6.92 條／cm2（圖8）。

圖7 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率與煤層埋深和儲(chǔ)層壓力之間關(guān)系Fig.7 The relationship among coal permeability， burial depth and reservoir pressure in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

圖8 滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層平均裂隙密度Fig.8 The average fracture density in the Permian coal reservoirs of eastern Yunnan and western Guizhou regions

另外，依據(jù)煤層裂隙產(chǎn)狀實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層主要發(fā)育高角度裂隙，裂隙傾角主要集中在65°～85°。 同時(shí)，前文地應(yīng)力分析顯示，滇東-黔西地區(qū)的深部帶（即深度超過700 m 時(shí)）煤儲(chǔ)層的應(yīng)力機(jī)制為Sv＞SH，max＞Sh，min。 在這種垂向應(yīng)力主導(dǎo)作用下，高角度裂隙多呈開啟狀態(tài)（圖3），進(jìn)而可有效增大煤儲(chǔ)層滲透率。

滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率變化受多種因素綜合影響，單一的煤層埋深、儲(chǔ)層壓力等因素對(duì)研究區(qū)滲透率的控制不明顯，天然裂隙狀態(tài)及其與現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)耦合可能是控制研究區(qū)二疊系煤層滲透率的重要因素。

4 結(jié) 論

1）滇東-黔西地區(qū)水平最大主應(yīng)力方向總體為WNW-ESE 向。

2）滇東-黔西地區(qū)二疊系煤層破裂壓力為2.01～29.16 MPa，平均為11.55 MPa；閉合壓力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；煤儲(chǔ)層壓力為0.52～12.81 MPa，平均為5.44 MPa。 水平最大主應(yīng)力為2.67～29.84 MPa，平均為14.10 MPa；水平最小主應(yīng)力為1.85～23.76 MPa，平均為10.36 MPa；垂向應(yīng)力為0.86～31.93 MPa，平均為14.49 MPa。

3）滇東-黔西地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力大小隨煤層埋深的增加而增大，在垂向分布上呈現(xiàn)出分帶性。 在600 m 以淺，地應(yīng)力分布整體表現(xiàn)為SH，max＞Sv＞Sh，min，水平最大主應(yīng)力起主導(dǎo)作用；深度超過700 m之后，地應(yīng)力機(jī)制轉(zhuǎn)換為Sv＞SH，max＞Sh，min，垂向應(yīng)力起主導(dǎo)作用，為大地靜力場(chǎng)型；地應(yīng)力垂向轉(zhuǎn)換深度為600～700 m。

4）滇東-黔西地區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率的變化受多種因素的綜合影響。 煤層埋深、儲(chǔ)層壓力、有效地應(yīng)力等因素對(duì)研究區(qū)二疊系煤儲(chǔ)層滲透率變化的控制不明顯，天然裂隙特征（發(fā)育程度與產(chǎn)狀）及其與現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)（地應(yīng)力大小和方向）的配套關(guān)系可能對(duì)該區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性起到重要控制作用。

致謝：感謝評(píng)審專家提出的建設(shè)性寶貴意見。云南省198 煤田地質(zhì)勘探隊(duì)為本次研究給予大力幫助，特此致謝！