多煤層條件下現(xiàn)今地應力特征與煤層氣開發(fā)

鞠 瑋,姜 波,秦 勇,吳財芳,李 明,徐浩然,王勝宇

(1.中國礦業(yè)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(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

伴隨著油氣理論的發(fā)展和勘探開發(fā)的深入進行，煤層氣、頁巖油氣以及致密油氣等非常規(guī)油氣在現(xiàn)有的技術條件下顯示出巨大潛力[1]。煤層氣全球資源量約為256.3×1012m3[2]，油氣資源評價結果顯示我國煤層氣資源亦較為豐富，據(jù)中國礦產資源報告(2017)，我國煤層氣埋深2 000 m以淺地質資源量30×1012m3，可采資源量為12.5×1012m3，如何實現(xiàn)煤層氣高效開發(fā)是目前面臨的重要課題。

準確預測一個地區(qū)的現(xiàn)今地應力狀態(tài)不僅有助于非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)[3-6]，而且現(xiàn)今地應力在CO2地質封存[7]、井壁穩(wěn)定性評價[6,8-9]等方面也具有重要作用。研究表明，現(xiàn)今地應力狀態(tài)和煤層滲透率是影響煤層氣開發(fā)的重要地質因素[10-12]，在煤層氣勘探開發(fā)過程中，煤層地應力可以通過控制壓裂隙形態(tài)和擴展方向影響壓裂改造效果，并在排采過程中影響煤層滲透率的動態(tài)變化。一般高產煤層氣區(qū)在地質方面表現(xiàn)為高滲透特征，而煤層滲透率的大小受地應力、煤變質程度以及裂隙發(fā)育程度及方位等多因素控制[13-15]。

目前，常用于確定現(xiàn)今地應力狀態(tài)的方法包括天然地震震源機制解法、鉆孔崩落法、鉆井誘導縫法、巖石聲發(fā)射實驗法、水壓致裂法、測井資料估算法以及數(shù)值模擬法等[4,6,9,16-20]。前期實踐證明，基于成像測井資料解譯的鉆孔崩落法和鉆井誘導縫法是現(xiàn)今地應力定量化分析的重要手段，已在國內外諸多盆地和地區(qū)得到有效應用[6,9,16,18-20]。

滇東地區(qū)作為我國長江以南著名的煤層氣產區(qū)，其內的雨旺區(qū)塊二疊系煤層氣資源豐富，具有可觀的開發(fā)前景[17,21-22]。由于滇東雨旺區(qū)塊相對穩(wěn)定，天然地震稀少且震級較低，而巖石聲發(fā)射實驗、水壓致裂法只可獲取有限深度點的地應力信息，致使前人對雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力的研究僅限于利用注入/壓降測試數(shù)據(jù)開展的地應力大小統(tǒng)計學分析[17,22]，沒有揭示出多煤層發(fā)育區(qū)不同類型巖石內地應力分布的差異性。更為重要的是，目前尚未有針對雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力方向的研究，嚴重限制著該區(qū)煤層氣的開發(fā)。

鑒于此，筆者利用常規(guī)/成像測井資料和實測地應力參數(shù)數(shù)據(jù)對雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力場開展研究，重點量化解析該區(qū)現(xiàn)今地應力的方向特征、不同類型巖石與不同埋深煤層內地應力分布的差異性與規(guī)律，以期對該區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供新的地質參考。

1 地質背景

滇東地區(qū)是中國西南部黔西—滇東—川南晚二疊世上揚子聚煤沉積盆地的重要組成部分，由于受到燕山期、喜馬拉雅期等多期構造運動的影響，造成原型盆地解體，形成了現(xiàn)今眾多殘留盆地[21,23](圖1)，這些聚煤盆地是我國長江以南著名的煤炭工業(yè)基地，同時也是我國西南地區(qū)重要的工業(yè)煤層氣聚集場所，具有巨大的開發(fā)前景[21]。

圖1 滇東-黔西地區(qū)殘留聚煤盆地分布[21]Fig.1 Distribution of residual coal accumulating basins in the eastern Yunnan and western Guizhou regions[21]

雨旺區(qū)塊位于滇東老廠復背斜南翼，面積約為81.75 km2，整體為一單斜構造，邊緣斷層發(fā)育(圖2)。前人分析認為雨旺區(qū)塊成藏條件好，是老廠盆地內最為有利的區(qū)塊[21]。區(qū)內次級褶皺大多較為寬緩，斷層不甚發(fā)育，主要含煤地層主要包括二疊系龍?zhí)督M和長興組，均具有煤層數(shù)量多但厚度較薄的發(fā)育特點(圖3)，以層序地層格架為主的沉積背景是其重要控制因素[17,23]。龍?zhí)督M平均含煤總厚度約為39.99 m，上部含煤性較下部好，而長興組煤層相對較薄且結構單一，在研究區(qū)僅局部可采。

滇東雨旺區(qū)塊內現(xiàn)有6口正在排采的煤層氣開發(fā)試驗井，均采用“分層壓裂、合層排采”的開發(fā)方式。其中，L-3，L-5和L-7井(圖2)常規(guī)/成像測井資料齊全，試井數(shù)據(jù)豐富。

圖2 滇東老廠盆地及雨旺區(qū)塊構造綱要Fig.2 Structural framework in the Laochang Basin and associated Yuwang Block of eastern Yunnan region

2 研究方法

2.1 地應力機制

為分析方便，用于表征地應力狀態(tài)的參數(shù)常簡化為垂向主應力(Sv)大小、水平最大主應力(SHmax)大小、水平最小主應力(Shmin)大小以及水平主應力方向[6,8-9,16-17]。根據(jù)Sv,SHmax和Shmin相互之間的大小關系，前人將地層中的應力狀態(tài)區(qū)分為3種應力機制類型(圖4，深灰色為壓裂縫)[24]，即:① 逆斷型應力機制，SHmax>Shmin>Sv;② 走滑型應力機制，SHmax>Sv>Shmin;③ 正斷型應力機制，Sv>SHmax>Shmin。

圖4 地應力機制類型[26]Fig.4 Types of in-situ stress regime[26]

2.2 現(xiàn)今地應力方向確定方法

筆者主要利用成像測井解譯的鉆孔崩落和誘導縫分析現(xiàn)今地應力方向。鉆孔崩落是由于地殼內存在水平差應力，從而在鉆孔壁形成應力集中，當應力差大于地層中巖石的抗壓強度時，井眼就會產生崩落[16,25]。在鉆井過程中，鉆井液質量與井孔壓力的差異可誘導井壁破裂，形成鉆井誘導縫[9,16]。在成像測井圖上，鉆孔崩落表現(xiàn)為兩條較寬且呈180°或接近180°對稱分布的暗色或黑色垂直條帶或斑塊，暗色區(qū)域內地質特征不清楚，邊界模糊。誘導縫可表現(xiàn)為兩種形態(tài):一種接近垂直，呈兩條黑色細線條，以180°或接近180°對稱分布，延伸較長，且方位基本穩(wěn)定，線條寬窄可有微小變化;另一種為雁列式排列的兩組裂縫帶，裂縫帶呈180°或接近180°對稱分布[6,8-9,16,18-19,25-26]。基于室內實驗分析鉆孔崩落的力學原理，證實崩落橢圓長軸方向與水平最小主應力方向平行，而鉆井誘導縫的方位指示水平最大主應力的方向(圖5)[4,6,8-9,16,18-20,25-26]。

圖5 鉆孔崩落、誘導縫與現(xiàn)今地應力方向之間的關系[18]Fig.5 Relationship between borehole breakouts,driling-induced fractures and present-day in-situ stress orenttion[18]

2.3 現(xiàn)今地應力測井估算方法

在利用測井資料估算地應力大小時，垂向主應力一般可利用地表到目標深度的密度數(shù)據(jù)進行積分計算

(1)

式中,ρ為巖石密度;h為埋藏深度;g為重力加速度。

對水平主應力的估算，主要借助于地應力測井計算模型。Anderson模型基于廣義虎克定律推導獲取，適用性較廣。本次研究中，為了避免受單一地質背景的限制，選擇帶有構造應力的Anderson模型進行地應力估算

(2)

(3)

式中,μ為巖石泊松比;α為Biot系數(shù);Po為孔隙壓力;ST和St為附加應力。

地應力測井估算模型中巖石力學參數(shù)主要基于聲波測井數(shù)據(jù)按照式(4)計算獲取，但其結果為動態(tài)數(shù)據(jù)，與靜態(tài)巖石力學數(shù)據(jù)存在一定的誤差。因此，需要建立巖石力學實驗與測井計算數(shù)據(jù)之間的量化關系:

(4)

式中,μd為巖石動態(tài)泊松比;Vp和Vs分別為壓縮波波速和剪切波波速。

滇東雨旺區(qū)塊主要的巖性包括煤、泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖和細砂巖(圖3)，本次研究基于三軸巖石力學實驗，測試不同巖性巖石的彈性模量和泊松比，統(tǒng)計見表1。

表1 滇東雨旺區(qū)塊不同巖性巖石力學實驗結果Table 1 Mechanical parameters for different rock types in the Yuwang Block of eastern Yunnan region

圖3 滇東雨旺區(qū)塊二疊系長興組與龍?zhí)督M地層柱狀Fig.3 Stratigraphic column for the Permian Changxing and Longtan Formations in the Yuwang Block of eastern Yunnan region

3 雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力場特征

3.1 現(xiàn)今地應力方向特征

基于成像測井資料，在雨旺區(qū)塊3口井內共解譯出12處鉆孔崩落段和196條鉆井誘導縫(圖6)。根據(jù)鉆孔崩落和鉆井誘導縫方位與地應力之間的關系，可知:雨旺區(qū)塊水平最大主應力方向介于NNW—SSE～NNE—SSW，呈現(xiàn)近N—S向的優(yōu)勢方位(圖6,7)。

3.2 現(xiàn)今地應力剖面與煤層地應力特征

基于帶有構造應力的Anderson地應力計算模型，在實測數(shù)據(jù)(表2)的約束下，反推式(2)和式(3)中附加應力的大小，取其平均值分別為ST=10.643 2 MPa和St=4.497 2 MPa。由此，可計算獲取雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力剖面(圖8)。

地應力分析結果的可靠性依據(jù)式(5)誤差計算公式進行分析，總體上，本次研究中的誤差較小，介于0.22%～12.27%，大多數(shù)在10%以內(表2)，表明本次開展的雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力預測結果較為可信。

表2 滇東雨旺區(qū)塊現(xiàn)今地應力實測與計算結果對比Table 2 Comparison of present-day in-situ stress magnitudes between measurements and calculations from well logs in the Yuwang Block of eastern Yunnan region

(5)

式中,r為誤差;dm為實測地應力值;dp為計算地應力值。

通過測井計算表明，滇東雨旺區(qū)塊二疊系長興組和龍?zhí)督M現(xiàn)今地應力大小隨埋藏深度的增加而逐漸增大，表現(xiàn)出SHmax>Sv>Shmin的特征，總體呈現(xiàn)走滑型應力機制(圖8)。煤層發(fā)育段的地應力值較其頂?shù)装宓?圖8)，滇東雨旺區(qū)塊主要煤層的現(xiàn)今地應力大小參見表3。

表3 滇東雨旺區(qū)塊二疊系主要煤層現(xiàn)今地應力統(tǒng)計Table 3 Statistical results showing the present-day in-situ stress magnitudes in the Permian main coal-bearing seams of Yuwang Block,eastern Yunnan region MPa

4 現(xiàn)今地應力對煤層氣開發(fā)的影響

4.1 地應力對煤儲層滲透性的影響

迄今，國內外諸多含煤盆地針對煤層現(xiàn)今地應力與煤層滲透率開展了一系列卓有成效的研究[3,5,10-14]，煤儲層滲透率很大程度上受現(xiàn)今地應力場的影響。一般而言，煤層中有效應力的變化造成煤體變形，進而導致煤層滲透率發(fā)生變化，在其它影響因素基本一致的情況下，煤層滲透率隨有效地應力的增大而呈指數(shù)減小[10-14,17,22]。

對雨旺區(qū)塊開展地應力對煤儲層滲透性影響的分析，結果顯示，區(qū)內煤儲層滲透率隨有效地應力的增大亦呈現(xiàn)指數(shù)減小的趨勢(圖9,y為煤儲層滲透率;x為有效水平最小主應力;R為相關系數(shù))。有效地應力越大，煤層滲透性越差。

圖7 滇東雨旺區(qū)塊水平最大主應力方位玫瑰花圖(n=208)Fig.7 Rose diagram showing the horizontal maximum principal stress orientations in the Yuwang Block of eastern Yunnan rgion (n=208)

圖8 滇東雨旺區(qū)塊二疊系長興組和龍?zhí)督M現(xiàn)今地應力剖面Fig.8 Vertical distribution of present-day in-situ stress magnitudes in the Permian Changxing and Longtan Formations of Yuwang Block,eastern Yunnan region

圖9 雨旺區(qū)塊煤儲層滲透率與有效水平最小主應力關系Fig.9 Relationship between the permeability and effective hori-zontal minimum principal stress in coal seams of Yuwang Block

4.2 地應力對割理的影響

煤層內一般均會存在不同發(fā)育程度的割理系統(tǒng)，控制著煤儲層的滲透性[27]。煤層內割理的發(fā)育是一種相對可逆的破裂變形構造，形成于煤化作用的某一階段并受當時區(qū)域構造應力場的約束。割理開度受現(xiàn)今地應力場影響巨大，地應力場的變化可造成割理的開啟和閉合，進而影響煤層滲透率的變化[28]。滇東雨旺區(qū)塊內的煤層主要發(fā)育兩組割理，礦井實測顯示，其優(yōu)勢走向方位分別為330°～150°和46°～226°，其中走向為330°～150°的一組割理與現(xiàn)今地應力場SHmax方位夾角較小，在現(xiàn)今地應力場作用下其有效性更好，可成為煤層氣運移和產出的通道。

4.3 地應力對煤儲層壓裂的影響

煤層氣開發(fā)通常需要對煤層進行壓裂改造以擴大煤層連通性、加速煤層壓力降低，達到提升產氣量的目的[29]。壓裂縫的空間幾何形態(tài)主要受控于現(xiàn)今地應力狀態(tài)和巖石力學性質[16]。當垂向主應力為最小主應力時，壓裂產生水平裂縫;當水平最小主應力為最小主應力時，壓裂產生垂向裂縫(圖4)。

對滇東雨旺區(qū)塊而言，二疊系長興組和龍?zhí)督M現(xiàn)今地應力主要表現(xiàn)為走滑型應力機制，即SHmax>Sv>Shmin(圖8)，據(jù)此，可推測長興組和龍?zhí)督M煤層壓裂后主要形成垂向延伸的壓裂縫系統(tǒng)。

另外，高差應力通常會形成簡單的壓裂縫系統(tǒng)，而較低的差應力則產生復雜壓裂縫系統(tǒng)(圖10)[17,20]。對于雨旺區(qū)塊煤層而言，水平地應力差一般在6 MPa左右，差應力相對較小，推測可在煤層內形成復雜壓裂縫系統(tǒng)。

圖10 不同地應力條件下煤層中壓裂縫擴展模式[26]Fig.10 Different patterns showing hydraulic fracture propag-ations in coal seams due to different in-situ stress states[26]

5 結 論

(1)由成像測井解譯的鉆孔崩落和鉆井誘導縫特征反映出雨旺區(qū)塊水平最大主應力方向介于NNW—SSE～NNE—SSW，呈近N—S向的優(yōu)勢方位。

(2)現(xiàn)今地應力剖面表明，滇東雨旺區(qū)塊二疊系長興組和龍?zhí)督M的現(xiàn)今地應力大小隨埋藏深度的增加而逐漸增大，總體呈現(xiàn)走滑型應力機制，且煤層發(fā)育段的地應力值較其頂?shù)装宓汀?/p>

(3)雨旺區(qū)塊煤層滲透率隨有效地應力的增大而呈指數(shù)減小，有效地應力越大，煤儲層滲透性越差。

(4)雨旺區(qū)塊煤層中發(fā)育兩組割理系統(tǒng)，其中走向約為330°～150°的一組割理與現(xiàn)今地應力方位夾角較小，在現(xiàn)今地應力作用下其有效性更好，對煤層氣開發(fā)的貢獻更大。

(5)煤層壓裂改造后，在走滑型現(xiàn)今地應力機制的控制下，推測雨旺區(qū)塊煤層中形成的壓裂縫沿垂向擴展。另外，水平地應力差相對較小，可在煤層內產生復雜壓裂縫系統(tǒng)。