寺河井田采空區下伏煤層應力特征及其對煤層氣開發的影響

劉亮亮，李國慶，李國富,丁德民，王 越，吉澤宇,張怡冬

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012；2.中國地質大學 資源學院，湖北 武漢 430074；3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司,山西 晉城 048012；4.武漢綜合交通研究院有限公司，湖北 武漢 430015)

煤炭地下采掘后形成自由面，打破了原巖應力平衡，導致圍巖應力重新分布，進而引起圍巖的變形、移動甚至破壞。對于層狀的含煤地層而言，中厚硬巖層是對于礦山壓力及巖層移動破壞起控制作用的關鍵層。一般而言，采場覆巖在垂向上可劃分為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，采場在橫向上可劃分為原始應力區、增壓區、減壓區和重新壓實區。位于采空區中部的采動裂隙被重新壓實，而在采空區四周存在呈“O”形環狀采動離層裂隙帶，即采動裂隙“O”形圈。采場覆巖下部巖體的卸壓程度高，而上部瓦斯體積分數高，存在一個瓦斯高效抽采的高位環形裂隙體。與普通鉆井相比，大直徑地面鉆井在抽采效果、服務年限和鉆井穩定性等方面具有明顯的優勢。煤層滲透性與有效應力大小呈負指數關系，采動誘發的裂隙及卸壓作用，導致采動影響范圍內的煤層滲透性增強，這為采用地面井開發煤層氣創造了有利的條件。下伏被保護煤層滲透率隨上保護層開采厚度增加而呈“S”形增加，存在一個合理有效的保護層開采厚度范圍，被保護層水平滲透率高于垂直滲透率。隨著底板裂隙發育深度的增大，被保護層卸壓范圍變小。

應力是影響煤層含氣性與滲透性的關鍵因素之一，并在一定程度上決定了壓裂適宜性以及開發工程的有效性。良好的含氣性和滲透性是煤層氣井取得高產穩產的基礎地質條件。研究表明，最小主應力越小，滲透率及產氣量越高；主應力差越大，越有利于保持蓋層的封閉性以及實現煤層壓裂增透。煤層滲透率與有效應力之間存在負指數關系，而基質收縮和滑脫效應會導致滲透率升高。已有裂隙的張開壓力隨著埋深的增大以及裂隙面走向與最大主應力方位之間夾角的增大而增大。斷層損傷區滲透性增強，裂隙與最大水平主應力方向角度較小時，滲透性高，高一個數量級。在澳大利亞Bowen和Surat盆地的斷層附近及巖性變化地段，煤層應力發生很大的變化，最大水平主應力的方位隨平面位置及深度變化而發生明顯偏轉；大多數開放性裂隙的方位角與最大主應力方位角近平行或2者夾角呈小于40°，大部分高滲煤層分布在應力發生偏轉的區域，且其應力機制主要為走滑斷層、正斷層應力機制。San Juan盆地煤層氣儲層滲透率低于滲透率模型預測值，可能是由于在排采后期煤層應力變化導致煤層發生破壞，產生的煤粉降低了煤層滲透率。

巖石應力是時間和空間的函數，隨巖性、巖石力學性質及埋深等因素變化。力學強度高的巖石可以承受較高的應力。軟弱巖石(如煤層和頁巖等)通常具有比硬的圍巖(如砂巖)更高的最小主應力，而較小的剪切應力可能觸發軟弱巖石中已有斷裂的滑動；最小主應力升高可避免弱斷面發生剪切滑動，即砂巖具有較低的泊松比和較低的最小主應力，而頁巖可以具有較高的最小主應力。因為巖性的差異，含煤盆地基底通常比蓋層更硬，Surat盆地煤層水平應力差隨著埋深的增加而減小。

煤層應力機制隨深度而變化，淺部表現為擠壓型，深部表現為伸展型。在鄂爾多斯盆地東緣，700 m以淺煤層應力機制以走滑斷層為主，1 000 m以下以正斷層應力機制為主。Bowen和 Surat盆地400 m以淺煤層處于逆斷層應力機制，400 m以深主要為走滑斷層應力機制。在Powder River盆地的煤層中，3種應力機制并存，在厚度大于18 m的厚煤層中，最小水平主應力明顯低于垂直應力，高泵速洗井容易誘發垂直裂縫。寺河井田地應力以水平構造應力為主，東區最大水平主應力方位為北西西向，為中等應力礦區。

晉城礦區寺河井田通過在地面施工穿越采空區的煤層氣井抽采下伏煤層瓦斯，是實現多煤層條件下煤與煤層氣共采的創新性技術措施。應力是影響采空區下伏煤層瓦斯抽采效果的關鍵因素之一，而目前相關的研究鮮有報道。筆者介紹了寺河井田地質背景，分析了主應力確定方法以及基于摩擦平衡理論的主應力估算方法，基于研究區地應力測試數據以及煤層氣井壓裂資料，探討了研究區3號煤層采動對下伏煤層應力、滲透性及產氣效果的影響，所獲得的認識可為采空區下伏煤層甲烷氣開發提供借鑒。

1 地質背景

寺河井田位于沁水盆地東南部，主要含煤地層為下二疊統山西組(P)和太原組(P)，平均厚136.02 m；含煤14層，煤層總厚14.67 m，含煤系數10.8%，其中3號和15號為主要可采煤層，9號為大部可采煤層，其余為不可采煤層。5號煤層平均厚度為0.75 m，距離3號煤14.19 m；7號煤厚度為0.64 m，距離3號煤27.5 m，9號煤層平均厚度為1.34 m，距離3號煤48 m；15號煤層平均厚度為2.67 m，底板距離3號煤層平均約83.92 m。寺河礦采用斜井盤區式開拓方式、走向長壁綜合機械化采煤方法。南北走向長約12 km，東西傾斜寬約23 km，地質儲量為15億t，按采區布置劃分為東區、西區。

根據晉煤集團地面勘探孔的取心測試結果，寺河井田3號煤層含氣量為4.24～28.96 m/t，平均為19.51 m/t；9號煤層含氣量為2.87～31.94 m/t，平均為17.84 m/t；15號煤層含氣量為15.12～31.46 m/t，平均為24.10 m/t。寺河井田煤炭開采底板破壞深度一般為15～20 m，多重煤層卸壓開采后，下向卸壓距離最高達15～100 m。寺河井田3號煤層滲透率在1.37×10～38.83×10m，滲透性較好。3號煤儲層壓力0.70～1.04 MPa，與國內其他主要煤層氣試驗區相比，煤儲層壓力屬于低等水平。

2 儲層應力確定方法

2.1 垂直應力的估算

地應力大小主要受3方面因素的影響，包括上覆巖層的重力、構造應力和巖石力學性質。對于埋深超過幾十米的巖土體而言，正應力總是壓應力，在地質工程中，一般定義壓應力為正值，這與工程力學中正應力的正負值含義剛好相反。即地下巖土體總是處于被壓縮狀態。除了地表淺層巖土體和深部鹽腔附近之外，埋深在幾十米以上的巖土體應力主方向一般為垂直方向和水平方向，垂直應力是主應力之一。垂直應力也稱為上覆自重應力，是確定應力機制的重要參數之一。垂直應力由上覆巖體的自重引起，由式(1)估算：

(1)

其中，為埋深，m；為重力加速度，9.81 m/s；()為埋深處的密度，kg/m，可以由測井得到。然而，測井的密度是隨深度變化的，而且是一種間接的測試數據，也并非所有的井都有測井數據。因此，由試井密度計算的垂直應力仍存在一些不確定性。在常規油氣儲層應力研究中發現，沉積盆地的垂直應力隨深度而增加，上覆巖層平均表觀密度約2 300 kg/m，平均孔隙度約15%。本次研究中基于沉積巖石平均密度2 300 kg/m估算垂直應力。

==0022 56

(2)

式中，為上覆巖層平均密度。

2.2 主應力測試

由于應力本身的復雜性以及巖土體非均質各向異性特征，地應力大小的測試一直是比較困難的事。常用的地應力測試方法包括應力恢復法、應力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、聲發射凱瑟效應法(Kaiser法)等。其中，水壓致裂法是測量最小主應力最為實用、可靠的方法。

據水力壓裂原理，壓裂液總是沿著最小阻力方向流動，壓裂面為張性破裂面，壓裂面法線方向為最小主應力方位。試井中采用小型壓裂試驗可獲得地層破裂壓力、地層閉合壓力，一般地層閉合壓力近似等于最小主應力，由此估算最大水平主應力。

=

(3)

當最小主應力為水平方向時，最小水平主應力為最小主應力，即=。最大水平主應力為

=3--+

(4)

其中，為最大水平主應力；為最小水平主應力；為破裂壓力；為地層壓力；為比奧系數；為儲層抗拉強度。假設比奧系數=1.0，式(5)可簡化為

=3--

(5)

多循環壓裂試驗可以避免測試抗拉強度，可以從第1次和第2次裂隙開啟壓力之差估算巖石抗拉強度。

如果最小主應力方位不是水平方向，或者說的方位為垂直方向，即=，則只能得到最小主應力。式(3)～(5)的假設前提是儲層為連續、均質、彈性各向同性介質，且比奧系數=1.0。

2.3 基于摩擦平衡理論的主應力估算

在晉城礦區煤層氣勘探開發工程中，只有少量試驗井開展了地應力試井測試，相當一部分煤層氣井沒有做試井，這些井在采用套管完井后，進行套管射孔、壓裂增透，通過分析壓裂曲線可得到閉合壓力，作為儲層最小主應力。由于沒有破裂壓力及地層壓力數據，無法估算最大水平主應力。在沒有應力測試數據時，依據區域構造應力特征，可以應用斷層摩擦平衡理論對應力值范圍進行估算或約束。

根據摩擦平衡理論(FEQ)，最大最小主應力之間存在以下約束關系：

(6)

式中，為最大主應力；為內摩擦因數，對于絕大多數巖石，0.6≤≤1.0。

不同的應力機制下，最大、最小主應力的方向不同，摩擦平衡約束關系也不同。

(1)正斷層應力機制下，≥≥，垂直應力為最大主應力，最大水平主應力次之，最小水平主應力為最小主應力。主應力之間的摩擦約束關系為

(7)

(8)

(2)在逆斷層應力機制下，>>，最大水平主應力為最大主應力，垂直應力為最小主應力，摩擦約束關系為

(9)

(10)

(3)在平移斷層應力機制下，≥≥，最大水平主應力為最大主應力，垂直應力為中間主應力，摩擦約束關系為

(11)

最大水平主應力的上限為

(12)

對于理想的靜水壓力條件地層，地層壓力梯度為9.8 kPa/m，垂直應力梯度約23.1 kPa/m。由摩擦平衡理論，可以得到正斷層應力機制下地層的最小水平主應力≥06，逆斷層應力機制下地層的最大水平主應力≤22。在伸展型應力機制下，≈，即接近下限06，而接近其上限；而在擠壓型應力機制下，≈，最小水平主應力接近，最大水平主應力為≤22。

3 結果與討論

3.1 主應力與應力機制

天然應力側壓力系數指天然水平應力與垂直應力之比，用表示，=(+)(2)。取決于巖石物理力學性質及所經歷的構造運動歷史，反映構造擠壓程度的高低。一般隨深度增加而減小。根據寺河井田18個點的地應力測試數據(表1)，為0.78～1.81，平均值為1.22；/為0.53～1.00，平均為0.82；反映應力場為擠壓型。最大主應力與最小主應力的差值(-)的一半等于該點的最大剪應力，只有硬巖才可能承受較高的剪應力。寺河井田3號煤最大主應力與最小主應力的差(-)為3.66～9.69 MPa，平均為6.10 MPa，反映3號煤具有較高的機械強度。基于水力壓裂法的地應力測試結果表明，未采動的3號煤層主要處于走滑斷層應力機制，即≥≥(表1,2，圖1，2)。

表1 基于水力壓裂法的寺河井田地應力測試數據[23-24]

表2 寺河井田3號煤層主應力

圖1 寺河井田3號煤層主應力Fig.1 Principal stress within the No.3 coal seam in Sihe coalfield

圖2 寺河井田3號煤層主應力比Fig.2 Principal stress ratio within the No.3coal seam in Sihe coalfield

共收集了寺河井田煤炭未開采區81個煤層段(3號、9號+15號煤層)和采動區37個煤層段(采空區下伏的9號、15號煤層)的直井壓裂數據(表3)，得到了煤層的最小主應力、施工壓力(裂縫傳播壓力)及破裂壓力參數。結果表明，未采動煤層最小主應力大小與垂直應力大小相對接近，而采動煤層最小主應力普遍高于垂直應力，且明顯大于未采動煤層(圖3)。采動煤層最小主應力與垂直應力的比值(/)高于未采動煤層(圖4)。/接近1或大于1，反映應力機制為走滑斷層或逆斷層應力機制，為擠壓型構造應力場。

表3 壓裂施工數據

續表

圖3 研究區煤層最小主應力與垂直應力Fig.3 Least principal stress and vertical stress in the study area

圖4 采動區與未采動區煤層應力比Fig.4 Coal seam stress ratios in minedarea and unmined area

地應力測試結果表明，未采動3號煤層主要為走滑斷層應力機制(圖1，2)，而3號煤的開采導致采空區下伏的9號、15號煤層的上覆荷載降低，9號煤和15號煤垂直應力下降，水平應力與垂直應力比值升高。根據摩擦平衡理論，在擠壓型應力機制下，最大水平主應力的上限約為垂直主應力的2.2倍，且與巖石內摩擦因數成正比。

表4 理論卸壓垂距與開采深度、工作面長度之間的關系

3.2 施工壓力與破裂壓力

研究區采用套管射孔、清水壓裂工藝，排量為8 m/min。破裂壓力為地層不穩定破裂時的壓力。當排量小于破裂空間容量，導致壓力出現下降。破裂壓力理論值為

=3--+

(13)

破裂壓力與近井帶地層最小主應力、抗拉強度、施工排量、表皮系數等正相關。在實際壓裂工程中，并不總是會出現破裂壓力，當地層較破碎或主應力差較小時，可能不會出現明顯的破裂壓力點。

施工壓力為裂縫穩定傳播壓力。在理論上，地層漏失壓力、施工壓力、關井瞬時壓力與閉合壓力應大致相同，均等于地層最小主應力。但由于射孔導致的流線集中、地層裂隙發育、儲層污染、壓裂液黏性、注入排量高等原因，施工壓力一般高于最小主應力，但與最小主應力正相關。地層滲透性好、吸水作用強，可能導致施工壓力偏低，進而導致破裂壓力與施工壓力之差增大。因此，破裂壓力與施工壓力之差較大，推測地層滲透性相對較好。

未采動井的破裂壓力與施工壓力之差為-4.9～11.7 MPa，平均值為2.14 MPa；采動井的破裂壓力與施工壓力之差為0.5～18.0 MPa，平均值為7.1 MPa；采動煤層的破裂壓力與施工壓力之差明顯大于未采動煤層(圖5)。采動煤層的破裂壓力梯度明顯高于未采動煤層，而采動煤層的施工壓力梯度低于未采動煤層(圖6～8)。

圖5 寺河井田煤層氣井壓裂施工壓力與破裂壓力之差Fig.5 Fracture propagation pressure and fracturebreakdown pressure of CBM wells in Sihe coalfield

圖6 寺河井田煤層氣井壓裂施工壓力梯度與破裂壓力梯度Fig.6 Fracture propagation pressure gradient and fracturebreakdown pressure gradient of CBM wells in Sihe coalfield

圖7 寺河井田煤層氣井壓裂的施工壓力梯度Fig.7 Fracture propagation pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

圖8 寺河井田煤層氣井壓裂破裂壓力梯度Fig.8 Fracture breakdown pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

4 討 論

4.1 采動卸壓作用影響范圍

開采保護層是最有效的區域防突措施之一。開采保護層引起被保護煤層應力降低、滲透性增加，瓦斯解吸運移，瓦斯含量和瓦斯壓力下降，煤體強度增加。根據《防治煤與瓦斯突出規定》，上保護層開采后，底板巖層向采空區方向移動和變形，應力重新分布，同時卸壓使得被保護層的透氣性增大，在垂向上底板卸壓具有一定的范圍。對于緩傾斜、傾斜煤層而言，上保護層最大保護垂距一般不超過50 m。上保護層的最大有效垂直卸壓范圍可由式(14)計算：

=′

(14)

其中，′為理論卸壓垂距，m。′與保護層工作面的開采深度和長度有關，見表4，當>0.3且<250 m時，則取=0.3；為影響系數，當≤時，=，當>時，=1；為開采上保護層的厚度，m；為上保護層的最小有效厚度，m；為層間硬巖(砂巖、石灰巖)含量系數，以表示在層間巖石中硬巖所占的百分比，當≥50%時，=1-0.4/100，當<50%時，=1。

寺河井田3號煤層工作面長度為200～250 m，開采深度取300 m，查表得出′為90 m，=6 m，則=1，3號煤層和9號煤層間硬巖主要為5 m粗粒砂巖、6.5 m中粒砂巖、11.62 m細粒砂巖、7.3 m粉砂巖及11.1 m灰巖，所占比例約為49.48%，則=1.0。根據式(14)，可得到寺河井田3號煤層采動的最大有效垂直卸壓范圍為90 m。5號、7號、9號和15號煤與3號煤的距離分別為14.19，27.5，48.0和83.92 m。因此，推測5號、7號、9號和15號煤層均在3號煤層的開采卸壓范圍以內。

4.2 儲層應力與所處構造部位的關系

在未采動的3號煤層，A-097，A-098，A-101，A-102，A-103，A-105及A-108井位于向斜軸部，其破裂壓力與施工壓力之差較小，依次為-0.4，-4.9，1.8，1.8，0.5，-1.2和-0.3 MPa，其最小主應力及施工壓力較高(圖9)。

圖9 研究區井位與地質構造Fig.9 Well position and the geological structure in the study area

在受采動影響的9號煤層，B-106，B-111，B-112，B-122及B-123井位于背斜軸部，且位于3號煤層采空區下方，其破裂壓力與施工壓力壓差較大，表明背斜軸部煤層滲透性相對較好。

B-128井位于3號煤保護煤柱上，其9號煤破裂壓力、施工壓力值均較高，分別為，21.40 MPa和19 MPa，最小主應力值較高，為13.9 MPa，破裂壓力與施工壓力之差為2.4 MPa。反映因上部煤柱原因，該處煤層產生了應力集中效應，滲透性較差。

B-129井位于3號煤采空區下方，平面上與B-128的距離約150 m，與煤柱距離10 m，該井9號煤的破裂壓力、施工壓力分別為13.4 MPa和7 MPa，最小主應力為8.47 MPa，破裂壓力與施工壓力之差達6.4 MPa，推測該處煤層因卸壓而滲透性較好。

4.3 采動井產氣特征

統計分析采空區下伏煤層氣井產量與最小主應力的關系，發現產氣量與最小主應力大小無顯著相關性(圖10)。B-103及B-128井穿越了3號煤層采空區煤柱，測試發現在煤柱正下方的9號煤處存在應力集中效應，但經過壓裂增透后，日產氣量分別高達2 784，4 224 m。這表明保護層煤柱下方的煤層即使因上保護層煤柱的原因存在應力集中效應，經地面井壓裂增透后，也可以取得較好的產氣效果。采動井B-106，B-111，B-112，B-122及B-123位于背斜軸部，其日產氣量分別為1 800，1 800，3 360，5 280和2 784 m，產氣效果良好。

圖10 研究區日產氣量與最小主應力的關系Fig.10 Correlation between gas rate and the leastprincipal stress in the study area

5 結 論

(1)研究區未采動的3號煤層應力主要為走滑斷層應力機制；在向斜軸部存在應力集中，最小主應力及壓裂施工壓力相對較高,破裂壓力與施工壓力之差較小。

(2)受采動影響，3號煤采空區下伏的9號、15號煤層垂向應力降低，水平應力與垂向應力比值升高；采動煤層破裂壓力與施工壓力之差、破裂壓力梯度大于未采動煤層，而其施工壓力梯度低于未采動煤層。

(3)位于采空區下方背斜軸部的煤層施工壓力與破裂壓力之差較大，滲透性相對較好；處于保護煤柱下方的煤層段存在應力集中效應，破裂壓力與施工壓力之差較小，滲透性較差。

(4)位于采空區下伏9號煤背斜部位的采動井以及穿過3號煤層煤柱的采動井，在進行壓裂增透后，可以取得較好的產氣效果。研究成果可為過采空區煤層氣井布置及壓裂參數設置提供借鑒。