潞安礦區3號煤儲層現代地應力特征及地質意義

曹騰飛，楊兆彪，崔寶庫，郝少偉

(1.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116; 3.潞安礦業集團公司，山西 長治 046204; 4.潞安金源煤層氣公司，山西 長治 046000)

煤層氣是重要的非常規天然氣藏，已經成為清潔能源的重要來源，是傳統天然氣的戰略補充，受到高度重視[1-2]。中國擁有世界第三大煤層氣資源，僅次于俄羅斯和加拿大[3]。中國2 000 m埋深范圍內的煤層氣面積為41.5萬km2，資源量約為36.8×1012m3[4]。而沁水盆地是中國煤層氣勘探開發程度最高的盆地之一，潞安礦區位于山西省東南部的沁水煤田東部邊緣中段，屬華北地層區山西地層分區寧武—臨汾小區，是大型國家煤炭規劃礦區，同時其煤層氣資源較為豐富，煤層氣地質資源量為3 746.51億m3，資源豐度為1.45億m3/km2[5]。

地應力是煤層氣勘探開發的重要考慮因素[6-7]，地應力估算已廣泛應用于美國、中國、澳大利亞和加拿大的煤層氣勘探開發[8-9]。從本質上講，地應力是地殼中呈現的內部應力，受兩個因素的影響很大:相對簡單的重力和復雜的構造力[10-11]。通常，重力可由覆蓋層的具體質量確定，而構造力極不規則，幾乎不可能通過精確的分析解來描述，因為它隨時間而不斷變化[12]。構造運動和巖石地質構造對構造力有很大的控制作用。地應力的增加對煤的變形和破壞有著明顯的影響,現代地應力影響含煤巖系的孔滲性，進而控制著儲層的流體狀態，對多煤層發育區含氣系統的空間展布具有重要的意義，對于煤層氣儲層評價至關重要[13-15]。現代地應力的大小和方向是控制煤層氣井水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態的重要參數[16]。研究現代地應力對于更好地了解油氣勘探與開發、井壁穩定性、二氧化碳封存、儲層管理等現象也至關重要[11]。

煤儲層滲透性是煤層氣儲層產能的關鍵決定因素之一，主要受地應力、埋藏深度、煤階、煤結構、天然裂縫等控制[3,17]。人們普遍認為，隨著有效應力的增加，煤儲層滲透性呈指數級下降。潞安礦區煤儲層滲透率普遍較低，是制約其煤層氣開發的關鍵地質因素，但其地質控制因素研究相對較少，同時煤儲層滲透率與現代地應力之間的關系缺乏深入的研究。

筆者基于潞安礦區3號煤層的19組注入/壓降試井數據，系統分析了研究區現代地應力類型垂向轉換機理及其對滲透率的控制作用，并發現潞安礦區800 m以淺劃分為2個應力場類型。結合潞安礦區井下煤層裂隙發育方向，首次闡述了潞安礦區二崗山、文王山斷層附近煤儲層滲透率差異的地質原因。研究成果對于煤層氣選區、井位部署和鉆井工程具有重要的現實指導意義。

1 研究區地質概況

沁水盆地現代構造應力場最大擠壓應力呈NNE—SSW向近水平展布，與燕山期NNE—SSW向正斷層走向近于平行。在此構造應力場作用下，燕山期形成的具有壓剪性質的斷層再次活動，致使盆地內部及邊緣斷裂構造進一步復雜化，盆地中部文王山地壘、二崗山地壘的發育與此有關。現今構造應力場總體上繼承了第三紀至第四紀以來的構造應力場特征。沁水盆地東部和順—長治一帶表現為NEE—SWW向水平擠壓應力場，西部地區為NNW—SSE向水平擠壓應力場;北部、中部和南部地區則均表現為近水平伸展應力場，主應力總體呈NW—SE向展布，仰角較小且較穩定，一般小于20°;主壓應力軸總體呈NE—SW向展布，仰角變化較大，一般為40°～60°。由此，形成了沁水盆地現代構造格局，其總體趨勢是南北分區、東西分帶，主要表現為南部和北部的構造端區、榆社—沁源和屯留—安澤構造區[18]。

潞安礦區位于沁水塊坳東部次級構造單元沾尚—武鄉—陽城NNE向凹褶帶中段，晉獲斷裂帶西側。研究區總體構造形態為走向北北東—南北向，向西緩傾的單斜。在此基礎上發育了方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般<10°)，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20 m的斷層和一定數量斷距小于20 m的斷層及陷落柱。礦區內較大的斷裂有西川斷層、文王山斷層、二崗山斷層、長治斷層、中華斷層、安昌斷層、安城斷層和蘇店斷層(圖1)，斷裂構造特點為走向平行、傾向相同或相背的剖面共軛組合關系，高角度正斷層兩兩組合，構成地塹或地壘。

潞安區3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖19.80～37.41 m，平均31.85 m，下距9號煤50.48～73.12 m，平均61.83 m。從礦區整體賦存程度來看，3號煤層為全區可采煤層，全區穩定厚度在5.5～6.0 m，礦區中部常村煤礦及其附近為煤層最厚處，厚度超過6 m，向四周煤厚逐漸減薄，礦區北端為煤層最薄處，3號煤層埋深由東向西逐漸增加，主要煤礦集中于800 m以淺地帶，屬結構簡單至較簡單煤層，3號煤屬于半亮-光亮型煤，鏡質組反射率(Ro,max)在1.91%～2.97%，階以貧煤和無煙煤為主，平均礦物含量為9.3%，煤質為低灰—中灰、低磷、特低硫、高發熱量煤。是現今煤層氣開發和煤礦開采的主力煤層之一。

圖1 潞安礦區構造綱要及井位分布(引自文獻[19]，有改動)Fig.1 Structural outline and well location distribution map of Luan mining area (cited from Reference[19],with modification)

2 注入-壓降測試分析

采用注入/壓降試井及原地應力測試方法，獲取煤層的儲層壓力、閉合壓力、破裂壓力和滲透率等儲層參數數據。其中，水力壓裂測試直接測得閉合壓力Pc為最小水平主應力σh。依據破裂壓力Pf、閉合壓力Pc和煤儲層壓力P0等試井參數計算最大水平主應力σH[20]，即

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

T=Pf-Pr

(3)

式中，σH為最大水平主應力，MPa;σh為最小水平主應力，MPa;Pc為閉合壓力，MPa;Pf為破裂壓力，MPa;Pr為重張壓力，MPa;T為抗拉強度，MPa。

垂直應力σv由BROWN和HOEK[21]給出的關系式估算得出

σv=0.027H

(4)

式中，H為埋深，m。

側壓系數K由最大水平主應力σH，最小水平主應力σh和垂直應力σv求出

(5)

潞安礦區進行了多次試井(圖1)，獲得了研究區3號煤層19組試井數據，其結果見表1。

表1 試井成果
Table 1 Well test results

煤礦鉆井編號埋深/m儲層壓力/MPa滲透率/10-15m2閉合壓力/MPa破裂壓力/MPa梯度/(MPa·hm-1)儲層壓力閉合壓力破裂壓力1597.011.7010.217 48.61510.6830.2831.4431.789常村2466.460.7930.870 75.4486.9390.1691.1681.4883457.520.2230.294 17.5238.0840.0481.6441.7674503.551.7090.135 67.8999.6730.3371.5691.9215512.072.0500.008 49.80012.4000.4001.9102.420高河6442.572.0500.195 08.0009.7300.4501.8102.2007452.481.3000.020 28.9109.9100.2801.9202.1408521.851.1500.010 312.05015.2400.2202.2602.8609608.733.1900.014 612.56013.4400.5202.0402.17010528.812.0300.015 012.97014.7400.3802.4202.560五陽11543.432.0400.016 411.30012.8100.3802.0802.36012725.513.5200.022 014.43017.0300.4801.9802.33013747.644.4700.014 011.17015.3200.6001.5002.05014767.124.6000.021 211.32015.9900.6001.4802.080余吾15431.060.8600.038 08.5309.8400.1991.9802.28016519.551.4030.652 46.5569.9700.2681.2621.919漳村17510.531.1860.050 08.98111.1920.2311.7592.19218553.982.5970.192 96.0438.1400.4651.0921.46919601.281.9610.354 48.0379.4830.3241.3371.577

圖2 應力場類型(引自文獻[25]，有改動)Fig.2 Type of stress field (cited from Reference[25], with modification)

3 討 論

3.1 三向地應力特征及其垂向分帶性

對潞安礦區的19組壓降注入試井數據統計，發現研究區二疊系山西組3號煤層的埋藏深度主要在400～800 m范圍內，最大水平主應力在7.392～22.74 MPa范圍內，平均應力為14.788 MPa，最大水平主壓力梯度為1.342～4.32 MPa/hm，平均最大水平主應力梯度為2.724 MPa/hm。最小水平主應力在5.448～14.430 MPa內，平均應力為9.481 MPa，最小水平主壓力梯度為1.092～2.420 MPa/hm，平均最小水平主應力梯度為1.719 MPa/hm。垂直應力在11.639～20.712 MPa范圍內。根據應力量級判定標準(σh>30 MPa為超高應力區，18～30 MPa為高應力區，10～18 MPa為中應力區，0～10 MPa為低應力區)[22]。統計結果表明:潞安礦區整體為中-低應力區，其中低應力區占63.2%，埋深主要分布在430～600 m內，平均埋深為504 m;中應力區占36.8%，埋深主要分布在520～770 m內，平均埋深為635 m。

根據斷層類型，ANDERSON將應力場類型[23]劃分為逆斷層應力場型(σH>σh>σv)、走滑斷層應力場型(σH>σv>σh)和正斷層應力場型(σv>σH>σh)。同一盆地內的不同區域，地應力類型會發生變化，在構造應力強的區域，由于強構造應力在水平方向上與重力應力水平分量的疊加效應，導致水平主應力高于垂向主應力，形成逆斷層應力場型(圖2(a));在構造活動中等的區域，中等構造應力在水平方向上與重力應力水平分量的疊加效應，導致最大水平主應力高于垂向主應力，而最小水平主應力依然小于垂向主應力，形成走滑斷層應力場型(圖2(b));在構造應力弱的區域，弱構造應力在水平方向上與重力應力水平分量的疊加效應，未改變三向主應力之間的相對大小關系，形成正斷層應力場型[24](圖2(c))。

在平面區域，在19組數據中，走滑斷層應力場型有11組數據，占57.9%，主要分布于高河礦、五陽礦和余吾礦;正斷層應力場型有8組數據，占42.1%，主要分布于常村礦和漳村礦;無反映逆斷層應力場型的數據，反映出高河礦、五陽礦和余吾礦的構造應力普遍大于常村礦和漳村礦(圖3)。

圖3 應力場型分布比例Fig.3 Stress field distribution ratio

在垂向，發現研究區煤儲層壓力、垂直應力、最大水平主應力和最小水平主應力隨埋深的增加而增大(圖4(a))。

圖4 主應力和側壓系數與埋深的關系Fig.4 Relationship between principal stress，lateral pressure coefficient and buried depth

應力場類型在垂向上呈非均勻分布，在埋深400～610 m區域，正斷層應力場和走滑斷層應力場同時存在，走滑斷層應力場型(σH>σv>σh)起主導作用;在埋深610～800 m區域，正斷層應力場和走滑斷層應力場同時存在，正斷層應力場型(σv>σH>σh)起主導作用，這應該是該地區淺部復雜的地質構造引起的;在埋深800 m以下的地帶，由于缺少數據，不作討論(圖4)。因此，潞安地區地應力垂直轉換深度約610 m。當煤儲層處于正斷層應力狀態和走滑斷層應力狀態下，水力壓裂產生的裂縫沿垂直方向與最大水平主應力方向擴展，有利于高效建產;當煤儲層處于逆斷層應力狀態下，水力壓裂產生的裂縫沿兩個水平主應力方向擴展，使壓裂效果不佳[26]。隨著煤層埋深的增加，地應力隨之增大，煤層中的孔隙、裂隙受力壓縮，使煤儲層滲透率快速降低。

進一步根據式(5)計算了側壓系數(圖4(b)，下角i表示內包絡線，下角o表示外包絡線)，結果表明:常村礦和漳村礦側壓系數都<1，在0.45～0.89內，平均值為0.667 3;高河礦、五陽礦和余吾礦的側壓系數在0.55～1.30內，平均值為0.938 5。說明常村礦和漳村礦煤儲層承受的構造應力較弱，高河礦、五陽礦和余吾礦煤儲層承受的構造應力較強。

研究區側壓系數在0.449 1～1.229 5內，平均值為0.821 3。當埋深<600 m，側壓系數最大為1.229 5，平均為0.842 8，極差為0.780 4;埋深大于600 m，側壓系數最大為0.948 8，平均為0.720 4，極差為0.352 7。隨埋藏深度的增加，側壓系數的離散程度趨向于收斂。

BROWN和HOEK依據全球不同地區現代地應力測量結果[21]，擬合出了平均水平應力與垂直應力的比值與埋深的關系為

(6)

依據Brown-Hoek世界范圍內地應力分布規律的研究成果及分析方法，擬合出了潞安礦區平均水平應力與垂直應力的比值與埋深關系表達式為

(7)

潞安礦區內外包絡線為

(8)

根據統計結果，潞安地區現代地應力場K值隨埋深增加而下降，根據式(6),(8)和圖4(b)，潞安礦區內外包絡線整體符合Hoek-Brown規律，但數值上存在較大差異，與中國大陸內外包絡線更為接近，整體表現為“淺部離散，深部收斂”的特征。

3.2 現代地應力與滲透率的關系

3.2.1水平主應力與滲透率的關系

根據對研究區滲透率資料的統計分析，研究區二疊系山西組3號煤儲層滲透率在0.008 4×10-15～0.870 7×10-15m2內，煤儲層滲透率平均為0.165 4×10-15m2。通過數據分析、擬合，發現最大水平主應力、最小水平主應力及其應力梯度與煤儲層滲透率存有較好的冪函數關系(圖5)。

圖5 主應力、主應力梯度與滲透率的關系Fig.5 Relationship between principal stress,principal stress gradient and permeability

煤儲層滲透率與最大水平主應力擬合式為

(9)

煤儲層滲透率與最小水平主應力擬合式為

(10)

煤儲層滲透率與最大水平主應力梯度擬合式為

k=10.693x-4.908

(11)

煤儲層滲透率與最小水平主應力梯度擬合式為

k=8.173 9x-6.85

(12)

煤儲層滲透率隨主應力(主應力梯度)的增加快速降低。當主應力(主應力梯度)增加時，煤儲層中裂隙、孔隙受到擠壓，裂隙和孔隙空間減小甚至閉合，導致滲透率急劇降低。由此可見，水平主應力是滲透率的主要地質控制因素。

3.2.2水平應力差與滲透率的關系

煤儲層屬于一種由裂隙和基質組成的雙孔隙介質,其滲透率與裂隙性質密切相關，煤儲層中的天然裂隙是影響煤儲層滲透率的重要因素之一[27-28]。根據井下揭露處煤層觀察，該礦區外生裂隙發育數量較少，主要有兩組NW—NNW和NE—NEE向，大部分無充填。內生裂隙主要發育有兩組，面割理走向為305°～359°，端割理走向在0°～44°，這兩組裂隙一般以高角度斜交或正交，且大體垂直于層理面。而潞安礦區構造應力場中，文王山大斷層以北區域，最大水平主應力方向在N11.8°W—N34.5°W;文王山南大斷層至二崗山北正斷層，最大水平主應力方向集中在N19.1°W—N72.9°W;二崗山大斷層以南的區域，最大水平主應力集中在N22°E—N51.2°E[29]。因此，潞安礦區構造應力場以二崗山斷層和文王山斷層為界，在二崗山斷層以南的區域，最大主應力方向為NE，與煤儲層優勢裂隙方向是垂直關系，裂隙面受到擠壓作用;在二崗山斷層和文王山斷層之間區域，最大主應力方向為NW，與煤儲層優勢裂隙方向是一致的;在文王山斷層以北的區域，最大主應力方向與煤儲層優勢裂隙方向斜交，裂隙面受擠壓力的作用。

研究表明，煤儲層滲透率受煤儲層埋深的影響[3,17]，為了減少埋深對煤儲層滲透率的干擾，分別從埋深在430～470 m(表2)和500～530 m(表3)，探究水平應力差與煤儲層滲透率的關系(圖6)。

表2 430～470 m埋深，水平應力差與煤儲層滲透率對比
Table 2 Comparing of 430-470 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤礦鉆井編號埋深/m水平應力差/MPa滲透率/10-15m2高河6442.574.2200.195 0高河7452.486.6100.020 2常村2466.463.1640.870 7常村3457.526.7390.294 1余吾15431.066.3600.038 0

表3 500～530 m埋深，水平應力差與煤儲層滲透率對比
Table 3 Comparing of 500-530 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤礦鉆井編號埋深/m水平應力差/MPa滲透率/10-15m2高河5512.075.1500.008 43常村4503.554.4160.135 6五陽8521.857.7100.010 3五陽10528.819.1700.015 0漳村16519.551.7390.652 4漳村17510.535.5840.050 0

圖6 不同埋深水平壓力差與滲透率的關系Fig.6 Relationship between horizontal pressure difference and permeability at different depth

結果表明:① 在430～470 m和500～530 m埋深范圍內，相同的水平應力差作用下，二崗山斷層和文王山斷層之間區域的煤儲層滲透率普遍高于二崗山斷層和文王山斷層之外區域的煤儲層滲透率(圖6(a),(b))，這是應力場最大主應力方向與煤儲層優勢裂隙發育方向的相對關系決定的。二崗山斷層和文王山斷層之間的區域，水平主應力差的方向與煤儲層優勢裂隙組發育方向一致時，煤儲層中的裂隙受拉張作用，煤儲層滲透率提高，有利于煤層氣的開采;二崗山斷層以南和文王山斷層以北的區域，水平主應力差的方向與煤儲層優勢裂隙組發育方向不一致時，煤儲層中的裂隙受到擠壓，滲透率降低，對煤層氣的開采產生不利影響。因此，研究區煤儲層的滲透率受文王山、二崗山兩斷層的控制。② 煤儲層滲透率與水平應力差呈指數關系，煤儲層滲透率隨著水平應力差的增加呈指數性降低(圖6(c))，即σH-σh值較大時會造成巖體內剪應力較大，當超過巖體抗剪強度時，巖體將發生破裂，容易形成斷層、節理等構造[30]。

3.2.3有效應力與滲透率關系

在煤層氣開采過程中，煤儲層滲透率是動態變化的，在煤儲層中隨著水和氣體不斷排出，煤儲層壓力逐漸下降，煤儲層有效應力逐漸增加，使煤儲層中的孔隙和裂隙逐漸被壓縮，甚至閉合，煤體發生顯著的彈塑性形變，使煤儲層滲透率明顯下降，并使得氣井產能降低。目前，普遍認為，隨著有效應力的增加，煤的滲透率呈指數下降。

研究表明，煤儲層滲透率不僅僅受單向地應力的影響，而是受多種地應力(σH,σh和σv)的綜合影響[3,6]。因此，將有效地應力(σeff)定義[31]為

(13)

統計結果顯示:煤儲層滲透率隨有效應力的增加呈指數降低(圖7(a))，煤儲層滲透率與有效應力的關系表達式為

k=9.958 4e-0.465σeff

(14)

圖7 煤儲層滲透率與有效應力、埋深的關系Fig.7 Relationship between permeability and effective stress，buried depth of coal reservoirs

根據式(13)可知，煤儲層壓力是影響有效應力的關鍵指標，進而對煤儲層滲透率產生影響。隨儲層壓力的增加，有效應力減小，煤儲層滲透率增加，煤儲層壓力與煤儲層滲透率存在正相關關系。在其他相同條件下，煤儲層壓力高的地區，滲透率一般較高，有利于煤層氣的開發生產;煤儲層壓力低的地區，滲透率一般較低，不利于煤層氣的開發生產。因此，潞安礦區儲層壓力梯度平均為0.35 MPa/hm，為嚴重欠壓，該特點可能是該區滲透率低，產氣量不高的主要影響因素之一。

當有效應力<12 MPa時，隨應力值減小，煤儲層滲透率趨于逐漸增大;當有效應力>12 MPa時，高應力使煤體發生明顯的彈塑性形變，煤體擠壓破碎使孔裂隙壓縮甚至閉合，阻斷裂隙通道，致使煤儲層滲透率趨近于0，而這一深度范圍大致在610 m以深。即610 m以深，由于儲層壓力低，相應的有效應力高，造成了煤儲層滲透率較低(圖7(b))。

4 結 論

(1)潞安礦區3號煤儲層整體為中-低應力區，應力場類型在垂向上呈非均勻分布，在埋深400～610 m區域內，以走滑斷層應力場型(σH>σv>σh)起主導作用;在埋深610～800 m區域內，正斷層應力場型(σv>σH>σh)起主導作用。潞安地區現代地應力場側壓系數K值隨埋深增加而下降，其隨埋深關系的關系式為:131.67/H+0.165 9≤K≤544.72/H+0.238 0，整體表現為“淺部離散，深部收斂”的特征。

(2)煤儲層滲透率與最大、最小水平主應力及其應力梯度存有較好的冪函數關系;煤儲層滲透率都隨最大、最小水平主應力及其應力梯度的增加而快速減小。

(3)水平應力差實質上是通過控制煤儲層裂隙開合程度對煤儲層原始滲透率施加影響。當礦區應力場最大主應力方向與煤儲層優勢裂隙組發育方向一致時，煤儲層中的裂隙受拉張作用，煤儲層滲透率提高;當礦區應力場最大主應力方向與煤儲層優勢裂隙組發育方向不一致時，煤儲層中的裂隙受到擠壓，煤儲層滲透率降低。這也是二崗山、文王山斷層之間區域滲透率普遍高于二崗山、文王山斷層之外區域滲透率的地質原因。

(4)煤儲層滲透率隨有效應力的增加呈指數降低。在同等條件下，煤儲層壓力高的地區，有效應力低，滲透率一般較高;煤儲層壓力低的地區，有效應力高，滲透率一般較低。潞安礦區3號煤儲層壓力梯度平均為0.35 MPa/hm，為嚴重欠壓，該特點可能是該區滲透率低，產氣量不高的重要影響因素之一。