張爭(zhēng)光，徐 強(qiáng)

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；2.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）

0 引言

地應(yīng)力對(duì)煤層氣井前期的地質(zhì)選區(qū)和后期的工程開(kāi)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(guò)控制煤儲(chǔ)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(guò)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(cè)地應(yīng)力的大小、機(jī)制和方向，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)工程的實(shí)施具有重要的現(xiàn)實(shí)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。基質(zhì)滲透率遠(yuǎn)小于裂隙滲透率，煤儲(chǔ)層滲透率主要來(lái)自于裂隙滲透率的貢獻(xiàn)［5，11］。煤儲(chǔ)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(chǎng)和煤化作用綜合作用的結(jié)果。古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)主要控制煤儲(chǔ)層的受力狀態(tài)和裂縫的開(kāi)合程度，從而影響煤儲(chǔ)層的滲透率［5，12］。同時(shí)，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(shì)裂隙發(fā)育方向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大擠壓應(yīng)力方向垂直，增強(qiáng)了蓋層對(duì)煤儲(chǔ)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guò)程中人工裂縫的發(fā)育特征。當(dāng)兩個(gè)水平主應(yīng)力差值較大時(shí)，人工裂縫以平直的主裂縫為主；當(dāng)兩個(gè)水平主應(yīng)力差值較小時(shí)，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(chǎng)分布格局及其對(duì)煤儲(chǔ)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)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

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(tái)，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(lái)，滇東地區(qū)聚煤盆地先后經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。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(dòng)及燕山運(yùn)動(dòng)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(dòng)以反復(fù)升降為特點(diǎn)，沉積時(shí)斷時(shí)續(xù)。第二，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)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?yàn)橹?，少?shù)為SN向。本次構(gòu)造活動(dòng)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(dòng)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(dòng)。第四，上新世末發(fā)生喜馬拉雅第三幕活動(dòng)，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(dòng)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(lèi)型豐富，含煤地層的變化較大，宣威組、長(zhǎng)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(guó)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(kāi)發(fā)也主要集中在這兩個(gè)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(guò)老廠礦區(qū)開(kāi)發(fā)效果優(yōu)于恩洪礦區(qū)。

2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理

試井技術(shù)是獲得煤儲(chǔ)層原位地應(yīng)力、初始煤儲(chǔ)層壓力和滲透率的有效方法。注入/壓降測(cè)試嚴(yán)格按照GB/T24504—2009［18］進(jìn)行操作，以此獲取初始煤儲(chǔ)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(cè)量，獲取閉合壓力和破裂壓力數(shù)據(jù)。

在水壓致裂過(guò)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(guò)巖石極限抗拉承受點(diǎn)時(shí)，孔壁巖石發(fā)生拉伸破壞，裂縫開(kāi)始擴(kuò)展。根據(jù)彈性理論，最大水平主應(yīng)力可由式（1）計(jì)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(chǔ)層壓力，MPa；St為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

在地應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中，至少包括3 個(gè)重張循環(huán)過(guò)程。由于煤層在第一個(gè)重張循環(huán)中已經(jīng)發(fā)生破裂，在后面的重張循環(huán)過(guò)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(jì)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(cè)煤層的垂向主應(yīng)力。BROWN 和HOEK 通過(guò)整理全球地應(yīng)力測(cè)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(cè)［1，14，24-26］，本文也采用該預(yù)測(cè)公式。

式中：SV為垂直主應(yīng)力，MPa；H為煤層埋深，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 注入/壓降試井結(jié)果

統(tǒng)計(jì)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(shì)（圖3a）。較高的破裂壓力對(duì)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(chǔ)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(guò)壓裂設(shè)備可以壓開(kāi)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(chǔ)層改造以及后期排采過(guò)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(chǔ)層滲透率為0.004 5～1.86mD（平均0.187 9MD），遠(yuǎn)低于中國(guó)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(chǔ)層。

表1 滇東試井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(cè)試得到的儲(chǔ)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）

3.2 垂向地應(yīng)力機(jī)制變化特征

三個(gè)主應(yīng)力的相對(duì)大小關(guān)系是判斷地應(yīng)力場(chǎng)的重要依據(jù)。Anderson 根據(jù)三個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系，將地應(yīng)力場(chǎng)劃分為逆斷層應(yīng)力場(chǎng)（SH＞Sh＞Sv）、走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)（SH＞Sv＞Sh）和正斷層應(yīng)力場(chǎng)（Sv＞SH＞Sh）［27］。本文采用該標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)滇東垂向地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了劃分。

滇東地區(qū)共收集35個(gè)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，其中17個(gè)數(shù)據(jù)顯示Sv＞SH＞Sh，15 個(gè)數(shù)據(jù)顯示SH＞Sv＞Sh，3 個(gè)數(shù)據(jù)顯示SH＞Sh＞Sv。地應(yīng)力測(cè)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(chǎng)，其次是走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)和逆斷層應(yīng)力場(chǎng)。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(chǎng)劃分為三部分（圖4）。

圖4 滇東地區(qū)垂向地應(yīng)力場(chǎng)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。10 個(gè)數(shù)據(jù)是SH＞Sv＞Sh，占比為62.5%。4 個(gè)數(shù)據(jù)是S＞SH＞Sh，占比為25%。2 個(gè)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(chǎng)起主導(dǎo)作用。

2）埋深介于700～1 000m 時(shí)，共有11 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。5 個(gè)數(shù)據(jù)是SH＞Sv＞Sh，占比為45.45%。5 個(gè)數(shù)據(jù)是Sv＞SH＞Sh，占比為45.45%。1 個(gè)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(guò)渡區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)由走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬討?yīng)力場(chǎng)。

3）在1 000m 以深，共有8 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。8 個(gè)數(shù)據(jù)全部顯示為Sv＞SH＞Sh?？梢?jiàn)，在1 000m 以深，以垂直應(yīng)力為主，正斷層應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)和正斷層應(yīng)力場(chǎng)。在正斷層應(yīng)力場(chǎng)中，垂直井眼最穩(wěn)定。因此，在正斷層應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)優(yōu)先考慮部署垂直井。在走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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。

3.3 地應(yīng)力對(duì)滲透率的影響

滲透率表征流體通過(guò)煤儲(chǔ)層的難易程度，也是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中重要的評(píng)估參數(shù)。煤儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力增加表現(xiàn)為指數(shù)衰減的趨勢(shì)［1，13-14，24］。在地層中，煤儲(chǔ)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(gè)有效主應(yīng)力的共同作用。為了更準(zhǔn)確地表征煤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shì)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(shí)，主應(yīng)力差越大，滲透率越大；二者方向垂直時(shí)，主應(yīng)力差越大，滲透率越?。?3］。換言之，影響煤儲(chǔ)層滲透率的主控因素首先是構(gòu)造地應(yīng)力施加在煤儲(chǔ)層天然裂隙的作用類(lèi)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(chǔ)層滲透率隨著埋深的增加，呈現(xiàn)“先降低后增加”的趨勢(shì)（圖6）。在700m 以淺，煤儲(chǔ)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(shí)，煤儲(chǔ)層滲透率為0.005 8～0.54mD（平均0.111 8mD）。在1 000m 以深，煤儲(chǔ)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(cè)量中，發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)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?yàn)镹W-SE 向和NE-SW 向［26，28-29］。滇東地區(qū)地應(yīng)力類(lèi)型主要表現(xiàn)為走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)和正斷層應(yīng)力場(chǎng)。在走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)轉(zhuǎn)化位置基本一致（圖4、圖6），表明煤儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育規(guī)律與現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)垂直分布特征共同控制滇東地區(qū)煤儲(chǔ)層的滲透率，也解釋了滇東地區(qū)有效地應(yīng)力與煤儲(chǔ)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

4 結(jié)論

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(shì)。同時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)（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(guò)渡區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)由走滑斷層應(yīng)力場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬討?yīng)力場(chǎng)（SH≈Sv＞Sh）。在1 000m 以深，以垂直應(yīng)力為主，正斷層應(yīng)力場(chǎng)（Sv＞SH＞Sh）起主導(dǎo)作用。

3）滇東地區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率為0.004 5～1.86mD（平均0.187 9mD），煤儲(chǔ)層滲透率隨著埋深的增加，呈現(xiàn)“先降低后增加”的趨勢(shì)，與地應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化位置基本一致。煤儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育規(guī)律與現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)垂直分布特征共同控制滇東地區(qū)煤儲(chǔ)層的滲透率，同時(shí)也解釋了滇東地區(qū)有效地應(yīng)力與煤儲(chǔ)層滲透率相關(guān)性較差的原因。