鄭莊區塊地應力場分布規律及其對煤層氣開發的影響

魯秀芹 張永平 周秋成 王秀偉 魯曉醒 韓 毅

(1.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導試驗基地，河北 062550；2.華北油田公司勘探開發研究院,河北 062550；3.華北油田公司工程技術研究院,河北 062550；4.華北油田公司技術監督檢驗處,河北 062550)

地應力與煤層氣的勘探開發緊密關聯，其中古地應力場的演變決定了區域構造變形和裂縫發育情況，現今地應力場控制煤儲層的滲透性，并影響水力壓裂過程中裂縫的形態和擴展方向。

國內外學者研究表明，地應力大小及方位直接控制著煤儲層裂隙的張開度和壓裂縫的形態及擴展方向，對煤層發育區的空間展布具有重要的意義。隨著埋深的增加，地應力狀態將發生轉換，而地應力的這種垂向變化將導致淺部煤層與深部煤層的儲層存在差異，如力學性質、應力敏感性、孔隙度、滲透率及壓裂性能等，并最終對煤層氣的產能產生影響。因此，分析區塊的地應力場分布規律及其與埋深的關系，評價不同的地應力場狀態對壓裂改造效果及產能的影響就顯得尤為重要。

沁水盆地煤層氣含量高，是目前全國勘探程度最高、商業化程度較高的煤層氣田。鄭莊區塊位于沁水盆地東南晉城斜坡帶寺頭大斷層下降盤。區塊總體構造形態為一單斜構造，自東南向西北傾斜，主要斷層為寺頭斷層和后城腰斷層，其周圍發育大量伴生小斷層。目前主要開采煤層為3號煤，厚度為5.0～7.0m，煤層埋深在386～1245m，埋藏深度適中。煤層的滲透率普遍偏低，試井解釋的滲透率為0.01～0.43mD，平均0.16mD，具有低壓、特低滲、非均質性強的特征，開采難度較大。目前采出程度僅為5%，開發調整的潛力大。

本文基于鄭莊區塊煤儲層的試井資料，并結合構造、儲層等資料，采用地質統計等方法，探討了鄭莊區塊地應力場的分布規律，分析了最大、最小水平主應力和垂向應力與深度的關系，并評價了側壓系數隨深度增加的變化趨勢，分析了不同的側壓系數下壓裂裂縫的擴展特征，結合煤巖割理裂隙的發育特點，評價了鄭莊區塊地應力場對壓裂改造的影響，在此基礎上，分析了不同的地應力場狀態對開發效果的影響作用，為鄭莊區塊下一步進行開發調整的潛力區的篩選和新井的壓裂措施的實施提供了理論依據，也為類似區塊的地應力研究提供了借鑒。

1 地應力場分布規律

1.1 地應力測試方法

地應力測試采用注入/壓降試井方法，在試井過程中，用地面注入泵在很短時間內向井筒中注入流體，使井底流壓高于目的層破裂壓力，從而使目的層破裂，產生裂縫后關井測壓降曲線。通過分析注入曲線求取煤層破裂壓力，運用壓降曲線求取煤層裂縫閉合壓力。

針對鄭莊3號煤共進行了20口井的原地應力測試，平面上覆蓋了鄭莊全區，縱向上測試深度為516.55～1269.7m，具有較好的代表性，通過原地應力測試資料，得到閉合壓力、破裂壓力與埋深之間的關系(表1)。

表1 鄭莊區塊3號煤層原地應力測試結果表

通過水力壓裂測試直接測得閉合壓力即為最小水平主應力(σ1)、破裂壓力和煤儲層壓力；根據這些試井參數可以計算出最大水平主應力(σH)，即：

σ1=Pc

(1)

σH=3σ1-Pf+T-P0

(2)

式中:為最小水平主應力，MPa；σH為最大水平主應力，MPa；Pc為閉合壓力，MPa；Pf為破裂壓力，MPa；T為抗拉強度，MPa；P0為孔隙壓力(原位條件下近似等于儲層壓力)，MPa。

垂向應力σv可由上覆巖體靜巖壓力近似地表示為：

σv=ρgH 或 γH

(3)

式中:ρ為上覆煤巖體平均密度(可由密度測井計算)，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為埋深，m；γ為上覆巖體容重，k N/m3。

1.2 地應力與深度的關系

根據最大水平主應力、最小水平主應力和垂向應力的計算方法，對鄭莊區塊三個方向的主應力進行了計算，得到地應力與深度的關系，可以看出，鄭莊區塊的儲層壓力、最大水平主應力、最小水平主應力和垂向應力均隨深度的增加而線性增加，差異在于數據的離散程度不同，儲層壓力、垂向應力和最小水平主應力相關性相對較好。鄭莊區塊的垂向應力梯度小于Brown和Hoek提出的平均水平(圖1)。

圖1 鄭莊區塊應力與埋深關系圖

2 地應力場對壓裂改造的影響

由于鄭莊區塊的特低滲儲層特征，壓裂作為必不可少的改造手段，在該區的開發中起到了重要的作用。煤層氣井壓裂是指使用壓裂車組把壓裂液和支撐劑壓入煤層，在煤層中人為地造成裂縫，使井筒與煤層的天然裂縫更有效地連通，擴大煤層的連通性，加速煤層壓力降低，提高產氣量。水力壓裂作用下裂縫間的幾何形狀，主要由地層應力狀態和巖石力學性質等條件所決定。

地應力對壓裂的影響主要是體現在影響水力裂縫的擴展上。在區域的古應力場作用下，煤巖發育天然割理裂隙，天然割理裂隙的存在對水力壓裂裂縫的開啟、延伸規律及形態特征產生重要影響，而水力裂縫的方向、形態又受到當今地應力場的控制。實際地層中壓裂裂縫的擴展不僅與三個應力的絕對大小有關系，更重要的是與他們的相對大小有關系，地應力側壓系數是評價地應力對壓裂效果影響最重要的指標。

側壓系數表示兩個水平主應力的平均值(σH+σh)/2與垂直應力σv之比，用來反映水平主應力與垂直主應力之間的關系：

(4)

式中：σH—最大水平主應力；σh—最小水平主應力；σv—垂向應力。

(1)當λ>1，水平應力起主導作用，容易產生水平縫；

(2)當1>λ>0.8，過渡應力場，容易產生復雜縫；

(3)當0.8>λ，垂向應力起主導作用，容易產生垂直縫。

Hock和Brown統計了世界不同地區地應力測量結果，并繪制了側壓系數隨深部變化的規律。根據鄭莊最大水平主應力、最小水平主應力和垂直應力的關系，計算了該區側壓系數與深度的關系，結果表明，側壓系數與埋深的關系介于Hoek-Brown內外包絡線之間，并且與埋藏深度有一定的趨勢關系，隨著埋深增加，側壓系數減小，變化范圍逐漸收斂。

當埋深小于600m時，側壓系數大于1，水平應力起主導作用，壓裂時容易壓開水平縫；當埋深位于600～1040m之間時，側壓系數介于0.8～1.0，屬于過渡區，各項應力差相對較小，方向性減弱，水平縫和垂直縫相互轉向，容易壓成復雜縫；當埋深大于1040m時，側壓系數小于0.8，更容易壓開垂直縫(圖2)。從側壓系數的平面分布分析，鄭莊區塊從西南向東北方向的側壓系數逐漸減小，各項應力差逐漸減小，壓裂裂縫逐漸由水平縫過渡為垂直縫(圖3)。

圖2 側壓系數與埋深的關系圖

圖3 鄭莊區塊側壓系數分布圖

由于煤巖儲層的內生割理裂隙發育，煤巖面割理一般是板狀延伸，連續性好，是煤層中的主要內生裂隙，而端割理只發育于兩條面割理之間，一般連續性較差，是煤層中的次生內生裂隙。所以，最好的壓裂效果應該是壓裂裂縫與面割理垂直，溝通更多的裂隙。根據鄭莊的取心井的掃描電鏡觀察，該區的割理發育以面割理垂直于水平面為主，呈高角度發育(圖4)。

圖4 鄭莊區塊3號煤掃描電鏡(SEM)照片

這種割理發育類型決定了造水平縫與面割理垂直，同樣縫長的情況下改造效率更好；造垂直縫與面割理平行，與端割理垂直，改造效果差(圖5)。

圖5 3號煤壓裂裂縫與割理的交接關系

3 地應力場對煤層氣開發的影響

不同的地應力場狀態影響壓裂造縫的類型、造縫效率及壓裂裂縫的長短，進而影響開發效果。單井平均日產氣量可以反映產氣能力，在鄭莊含氣量整體較高的情況下反映的是改造效果。

將鄭莊全區的單井平均日產氣量投在側壓系數圖上，可以看出，利于壓裂改造的應力場，即側壓系數大于1的區域壓裂產生水平縫，造縫效率高，改造范圍大，產氣量最高,單井平均日產氣僅1080m2；中間過渡區域次之；而側壓系數小于0.8的區域不利于壓裂改造，壓裂產生垂直縫，裂縫效率低，改造范圍小，產量普遍較低，該區單井平均日產氣僅350m2(圖6)。

圖6 單井產量與側壓系數等值線關系圖

4 結論

本文基于煤層氣試井注入/壓降法測試獲得的地應力數據，分析了鄭莊區塊地應力和儲層壓力等參數在平面和垂向上的變化關系，并分析了其對煤層氣開發的影響，主要得出了以下結論：

(1)鄭莊區塊的儲層壓力、最大水平主應力、最小水平主應力和垂向應力均隨深度的增加而線性增加，差異在于數據的離散程度不同，儲層壓力、垂向應力和最小水平主應力相關性相對較好；

(2)鄭莊區塊的側壓系數與埋深的關系介于Hoek-Brown內外包絡線之間，并且與埋藏深度有一定的趨勢關系。當埋深小于600m時，側壓系數大于1，壓裂時容易壓開水平縫；當埋深位于600～1040m之間時，側壓系數介于0.8～1.0，屬于過渡區，容易壓成復雜縫；當埋深大于1040m時，側壓系數小于0.8，更容易壓開垂直縫。根據該區煤巖割理的發育狀況，壓開水平縫垂直于面割理，改造效率高，垂直縫改造效率低；

(3)鄭莊區塊不同的地應力場環境對開發影響較大，從西南向東北方向，隨著地應力場的變化，壓裂效果逐漸變差，難以造長縫，泄氣范圍小，產氣能力下降。