平頂山東北部礦區地應力發育特征及其對煤儲層壓力、滲透率的控制作用

王曉彬，趙 晶，張志榮，李海濤

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 礦山安全技術研究分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤其以水平方向的構造運動對地應力的形成及其特點影響最大[1]。目前，現場測試地應力方法是獲取地應力參數的主要途徑[2-4]，現場測試地應力方法主要有地面煤層氣井水力壓裂和應力解除方法。地質構造應力作用不僅僅影響了煤儲層的形態、連續性，而且也影響煤層氣儲層滲透性大小[5，6]。國內外學者已經在部分煤層氣開發區塊通過各種手段研究分析了地質構造應力與滲透率的關系[7-11]。平頂山礦區是國內主要產煤和煤層氣開發區域，關于平頂山礦區地應力方面的研究[12，13]，學者們主要通過井下空心包體應力解除法獲取地應力數據資料，但通過壓力致裂法獲取地應力數據資料的研究較少，同時關于平頂山礦區地應力對煤儲層特性(儲層壓裂、滲透率)的影響方面的研究鮮見文獻報道，因此，本文擬從平頂山東北部礦區煤層氣開發的角度，收集整理煤層氣開發過程中鉆井、壓裂、試井等資料，通過分析地應力發育特征，建立地應力與煤儲層壓力、滲透率之間的相互關系，揭示平頂山東北部礦區地應力對煤儲層壓力、滲透率的影響，為本區煤層氣勘探開發和井下瓦斯治理提供理論依據。

1 研究區概況

研究區為平頂山東北部礦區主要指首山一礦和十三礦區域，主要發育二1煤層，其中首山一礦和平頂山十三礦二1煤層煤層厚度平均為6.15m，含氣量為3～23.86m3/t，是該區煤層氣開發的主要煤層，也是本次研究的目的煤層。礦區主體構造為一軸向NW、向北傾伏的寬緩的復式向斜—李口向斜，軸向大致NW50°，軸面近直立，向NW方向傾伏。礦區東部井田，由北向南依次為襄郟背斜、靈武山向斜、白石山背斜、郭莊背斜、牛莊向斜、諸葛廟背斜和郝堂向斜等，靈武山向斜、白石山背斜位于李口向斜的北東翼區，靈武山向斜南東向傾伏，北西向收斂仰起，從礦區東南部發育至礦區西北十三礦的東部；白石山背斜起始于首山一礦和十三礦東部，南東向傾伏，北西向收斂仰起。靈武山向斜、白石山背斜是首山一礦和十三礦東部的主體構造，首山一礦和十三礦東部構造以褶曲構造為主，該區主要受靈武山向斜、白石山背斜和李口向斜的控制，構造復雜。一些學者對平頂山礦區構造進行了等級程度劃分[14]，其中平頂山東北部十三礦和首山一礦區域被劃分為構造復雜區，如圖1所示。

2 地應力測量

煤層氣井水力壓裂方法是通過壓裂泵車向目的煤層注入高壓水的形式，獲取目的煤層儲層壓力、煤的抗拉強度、破裂壓力、閉合壓力等煤層氣井壓裂參數，煤巖體內水平主應力大小可根據相關文獻[16]提供的主應力計算公式計算和確定。而垂直應力的大小可通過上覆巖層質量來計算。

圖1 平頂山東北部礦區構造綱要圖

通過平頂山東北部礦區十三礦和首山一礦布置的煤層氣井所進行水力壓裂測試試驗，得到的閉合壓力即為最小水平主應力(σh)；最大水平主應力(σH)可通過破裂壓力、閉合壓力和煤儲層壓力、煤巖抗拉強度等參數之間的相互關系計算出：

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

式中，σh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；P0為孔隙壓力(原位條件下近似等于儲層壓力，MPa；T為煤的抗拉強度，MPa。

垂直主應力σv是按照E.T.Brown和Hock(1978)給出的關系估算，即：

σv=0.027Z

(3)

式中，Z為煤層垂直深度，m。

基于此方法和煤層氣井試井、壓裂資料，通過研究計算了18口井目的層段的地應力。計算結果及參數見表1。

表1 地應力分析計算參數

3 研究區塊地應力發育特征

3.1 礦區地應力場類型

通過水力壓裂法獲取18個數據，18個測點數據中，屬于σv>σH>σh型的測點有3個，占總測點數的16.7%；屬于σH>σh>σv型的測點有2個，占總測點數的11.1%；屬于σH>σv>σh型的測點有13個，占總測點數的72.2%。根據應力類型劃分方案[16]。Ⅰ類(σv>σH>σh)地應力類型中，垂直主應力σv最大，高傾角斷層或裂隙發育；Ⅱ類(σH>σh>σv)類型中，垂直主應力σv最小，低傾角斷層或裂隙發育；Ⅲ類(σH>σv>σh)類型中，最大水平主應力σH為主，垂直主應力σv居中，走滑斷裂或垂直裂隙發育。所以，從平頂山東北部礦區應力類型分析來看，礦區現今地應力場總體上以水平應力為主，屬于典型的構造應力場類型，σH>σv>σh且總體應力場特征為高傾角斷層或裂隙發育，根據平頂山十三礦和首山一礦勘探資料和礦井生產揭露資料，落差較大的高角度斷層比較發育，這與地應力分布規律相吻合，同時也印證了該區域為構造復雜區。

3.2 主應力隨深度的關系變化

平頂山東北部礦區深度527～842m范圍內各測點應力隨深度的變化關系如圖2所示，最大、最小水平主應力總體上均呈現增大的變化趨勢。

圖2 平頂山東北部礦區地應力與埋深的關系

使用最小二乘法對數據進行分析，顯著性效果檢驗則使用R檢驗法進行檢驗，即分別檢驗目的煤層埋深與最小水平主應力、垂直應力、最大水平主應力的相關性。分析得到平頂山東北部十三礦—首山一礦地應力與埋深的關系為。

1)最大水平主應力：

σH=0.0696Z-29.065

(4)

對回歸曲線進行顯著性效果檢驗：樣本數量n=18，擬合的相關系數R=0.7222>Rα=0.561，α=0.01。表明最大水平主應力隨埋藏深度的增加而增大。

2)最小水平主應力：

σh=0.0427Z-15.041

(5)

相關系數R=0.6943>Rα=0.561，α=0.01。說明試驗點最小水平主應力隨埋藏深度的增加而增大。

3.3 側壓系數隨埋深的變化規律

最大水平主應力與垂向應力的比值即為側壓系數λ，其隨著煤層埋藏深度的變化關系如圖3所示。

λ=0.0022Z-0.5579

(6)

圖3 側壓系數λ與埋深的關系

相關系數R=0.5756>Rα=0.561，α=0.01。說明λ隨深度的變化有呈現一定的線性相關性，顯然，隨深度的增加λ呈現增大趨勢。

平頂山東北部礦區18個測點的λ為0.70～1.55。其中λ≤1.0的測點數有3個，占測點總數的16.7%；λ>1.0的測點數有15個，占總數的83.3%，分布約730m以深；由此可見，研究區應力場以構造應力場為主，同時說明該區域構造運動強烈。在λ>1.0的測點數中，1.0<λ≤1.3的測點有10個，占測點總數的55.6%，且大部分測點分布在埋深800m左右，可見，隨深度的增加側壓系數有接近1.0的發展趨勢。因此，可以發現研究區約730m以深，地應力場為大地動應力場型，但隨著埋深的增加，有向大地靜應力場型過渡的趨勢。

3.4 側壓比隨埋深的變化規律

平均水平主應力與垂直主應力的比值即是側壓比k。即：

k=σh，av/2σv=(σH+σh)/2σv

(7)

其隨深度的變化關系(圖4)為：

k=0.0017Z-0.2897

(8)

圖4 側壓比k與埋深的關系

回歸相關系數R=0.5666>Rα=0.561，α=0.01。故側壓比k隨深度變化具有一定的線性關系。

3.5 地應力類型轉換

不同的盆地或同一盆地內的不同區塊，地應力類型會發生變化。根據地應力與埋深關系，可計算出在埋深約在682m地應力類型發生轉換：在682m以淺垂向應力大于最大水平主應力，即：σv>σH，以大地靜力場為主，有利于深部地下工程的穩定；在682m以深最大水平主應力大于垂向應力，即：σH>σv，以大地動力場為主，對深部地下工程的穩定不利，易產生沖擊地壓。地應力類型在垂向的轉變現象，不但與構造應力的強弱有關，而且與平頂山礦區復雜的構造演化息息相關。在地質史上，平頂山礦區主要經歷了3次大的構造運動，依次為三疊紀晚期的印支運動、中生代的燕山運動和新生代的喜山運動，每次構造運動應力場在大小和方向都發生重大變化，因此，現今地應力類型形成和轉換是多期構造運動所引起的地應力疊加的結果，同時理清地應力類型轉換深度對深部工程建設和防治礦井煤與瓦斯突出有著重要意義。

4 地應力對儲層壓力、滲透率的控制

煤儲層壓力、滲透率是影響煤層氣開發的重要特性參數，不但與煤儲層本身特性有關，而且還受地應力的控制作用。

4.1 應力與儲層壓力的關系

煤儲層壓力與垂直應力、最小水平主應力的線性關系明顯，煤儲層壓力隨著垂直應力、最小水平主應力增大而增大，如圖5所示。這表明構造應力的增大致使煤儲層裂隙空間被壓縮，裂隙空間體積變小，儲層壓力變大。

圖5 儲層壓力與地應力關系

4.2 有效應力與滲透率的關系

煤儲層的原始地應力減去原始儲層壓力即為煤層的有效應力，如圖6所示，平頂山東北部區塊煤儲層滲透率隨著主應力差、最大水平有效主應力和最小水平有效主應力關系以負指數形式呈現降低趨勢，其中，滲透率與主應力差、最大水平有效主應力相關性較好，說明主應力差越小、滲透率越高；最大水平有效主應力越小，滲透率值越高。

圖6 滲透率與地應力關系

平頂山東北部礦區煤儲層滲透率數值級別相差從幾倍到幾十倍，差別很大，而且分布不均勻，究其原因該區域滲透率受區域構造應力影響較大，平頂山礦區受多期構造運動影響，受逆沖推覆強烈作用，構造擠壓區普遍發育，形成了構造應力集中區域，這些區域也是煤儲層低滲透分布區域；斷層、裂隙、次生斷層發育區域以及破碎構造帶往往是低構造應力區域，這些區域也是滲透率比較高的區域。構造應力集中區域、低滲透率分布區域是煤層氣壓裂等儲層改造和井下煤層增透卸壓工程重點布置區域。因此，理清平頂山礦區地應力發育特征以及對煤儲層壓力、滲透率控制機理，對地面煤層氣壓裂和井下煤層增透卸壓治理瓦斯提供了重要的參考依據。

5 結 論

1)平頂山東北部礦區現今地應力場總體上以水平應力為主，屬于典型的構造應力場類型，且總體應力場特征為高傾角斷層或裂隙發育。

2)最大水平主應力、最小水平主應力、側壓系數和側壓比均隨埋深的增加而線性增加，其中最大水平主應力與埋深的正線性關系最好；隨著深度的增加側壓系數有接近1.0的發展趨勢。

3)埋深約在682m地應力類型發生轉換：在682m以淺垂向應力大于最大水平主應力，即：σv>σH，以大地靜力場為主；在682m以深最大水平主應力大于垂向應力，即：σH>σv，以大地動力場為主。地應力類型在垂向的轉變原因主要受平頂山礦區多期構造運動所引起的地應力疊加的結果。

4)煤儲層壓力與垂直應力、最小水平主應力的線性關系明顯，煤儲層壓力隨著垂直應力、最小水平主應力增大而增大。滲透率隨著主應力差、最大水平有效主應力和最小水平有效主應力關系以負指數形式呈現，其中，滲透率與主應力差、最大水平有效主應力相關性較好，說明主應力差越大、滲透率越高；最大水平有效主應力越小，滲透率值越高。研究認為構造應力集中區域、低滲透率分布區域是煤層氣壓裂等儲層改造和井下煤層增透卸壓工程重點布置區域。