地应力对煤层气勘探与开发的影响

逄思宇，贺小黑

（中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京100013）

煤层气俗称煤矿瓦斯，是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气，因呈吸附状态与煤共生伴生而有别于常规天然气。我国煤层气资源丰富，资源量与陆上常规天然气资源量相当，并与其在区域分布上形成良好的互补。中国的常规石油、天然气资源相对缺乏，而我国的煤层气藏开发还处于初级阶段，还有很多方面需要从理论上进行深入的研究，加速发展这一产业不仅是我国新能源开发利用的必然趋势，也是大气环境保护、煤炭安全开采、缓解能源供需矛盾、改善能源供给结构的客观需要。煤层气资源合理、有效的开发利用的工作是十分紧迫的［1－5］。

地应力是指岩土体内一点固有的应力状态，地应力是引起矿山、水利水电、土木建筑、铁路、公路和各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本力源；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析、岩土工程开挖设计和确定支护形式和支护强度所必须的原始材料；此外，地应力对煤层气勘探与开发也有着重要的影响，地应力影响煤层气解吸、吸附和运移、煤储层裂缝的分布、渗透率和储层压力的大小以及水力压裂裂缝的扩展。本文系统全面地总结了地应力对煤层气勘探与开发的影响，这对更加清楚地认识地应力对煤层气勘探开发的影响来说是十分有必要的。

1 地应力对煤储层渗透性的影响

目前，国内外学者在应力对煤岩体渗透性影响方面进行过实验测试和分析。他们发现，煤样的渗透率对地应力极为敏感，且煤样的渗透率随着地应力的变化而大多呈指数变化。

国外有：J.R.E.Enever等［6］通过对澳大利亚煤层渗透率与地应力的相关性研究发现，煤层渗透率值变化与有效地应力的变化呈指数关系。C.R.Mckee等［7］通过对美国皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现，随着煤层埋藏深度和有效应力增加，煤层割理缝的宽度减小，渗透率呈指数降低。W.J.Sommerton［8］等研究应力对煤体渗透性的影响；W.F.Brace［9］进行了应力作用下岩体渗透率变化规律研究。

国内有：张广洋等通过对四川南桐煤田的煤样实验，发现煤样的渗透率与平均有效应力呈指数关系。何伟钢等对阳泉、韩城、峰峰、平顶山、沁源等矿区的煤层实测渗透率与原地最小主应力进行相关分析发现，煤层渗透率与原地最小主应力为指数关系。巫修平对沁水盆地潘庄地区煤储层压裂井的闭合压力和地球物理测井资料分析得出：地应力直接影响了裂隙的开合程度，主应力差越大，渗透率也越大。剪应力最大方向，即裂隙张开度最大方向，也就是渗透率最大方向，主煤层渗透率与主应力差呈二次多项式关系，主煤储层的渗透率与最小水平应力呈幂函数关系。傅雪海通过对山西沁水盆地中、南部地应力和渗透率的资料分析得出渗透率随最小水平应力增大呈指数关系减小的趋势十分明显。唐书恒对阳泉、韩城、峰峰等矿区煤层气井的试井实测渗透率与原地最小主应力进行了相关研究，发现煤层渗透率与原地最小主应力呈幂指数关系［10］。此外，张建博、秦勇、张虹、周世宁、林柏泉、赵阳升、胡耀青、孙培德和赵文等学者在此方面也取得大量研究成果。

总之，煤储层的渗透性对地应力的变化非常敏感，随着有效应力上升，煤层渗透率下降。地应力对渗透率的影响，既反映上覆地层对煤层的垂向作用力，也反映水平构造应力的作用。地应力对煤储层渗透性的影响，其实质是通过对煤储层的孔隙结构产生变形，而使其渗透性发生变化。区域构造应力对煤层渗透率的作用十分显著。构造挤压区、逆冲推覆作用强烈地区、不同走向断裂的结合部位，是构造应力集中的地区，往往也是低渗透率分布地区。构造应力松弛、与断层有关的次生裂隙、破碎断层面，是地应力的分布地区，往往也是煤层高渗透率分布地区。不同应力状态下渗透率与深度的变化趋势不同。应力松驰地区，渗透率高，随深度增加，变化幅度不大；正常应力地区，渗透率中等，随深度增加而减少；在高应力地区，渗透率较低，而且随深度增加渗透率急剧减小。此外，当构造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育方向一致时，裂隙受到张应力的作用，裂隙宽度增大，渗透率增高；当构造应力场最大主应力方向与煤储层的优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙受到压应力的作用，裂隙宽度减小，渗透率降低［10］。含煤盆地构造应力场的分布和演化情况不仅直接导致盆地内不同构造样式的形成和演化、决定含煤盆地内高渗区的分布，而且构造应力也是驱动地下流体运移的重要动力。此外，现代构造应力场特征更是决定煤储层压力大小的直接原因，从而影响着煤层气的可采性。通过对不同时期含煤盆地形成和演化的构造应力场、局部煤系地层的构造应力场变化特征的分析，可以进行煤层气高渗区预测。构造应力场对煤层气成藏的影响主要体现在其对煤层高渗区分布的控制作用。构造应力场分析包括两方面的研究：一是研究古应力场，目的是预测割理发育区；二是研究现今应力场，目的是预测现今构造产生的外生裂隙发育区［11］。

2 地应力对煤储层压力的影响

地应力对煤储层压力有重要的影响。煤储层孔隙内流体所承受的压力在储层开发前，一般处于平衡状态，此时储层流体所承受的压力称为原始储层压力。储层压力是地层中气体和水从裂隙流向井筒的能量大小的反映，代表了储层中流体的流动潜势，它可以用试井方法获取。

国内很多学者在地应力对储层压力影响方面进行过研究和探讨。张培河通过分析沁水煤田煤储层压力的分布特征及其影响因素，认为地应力是储层压力的敏感参数，随地应力增大，煤储层压力增高，地应力较低是该区储层压力低的原因［12］。张延庆通过对华北部分矿区煤储层压力研究，认为构造应力的存在直接影响到作用在煤层孔隙空间内流体上的压力大小，韩城矿区处于2条不同方向断裂带的结合部位，地应力梯度高，从而造成煤储层具有较高的原始储层压力［13］。秦勇、傅雪海等通过研究沁水盆地中、南部下二叠统山西组煤储层物性与现代构造应力场特征的关系，得出：主应力差增大，煤储层渗透率梯度呈指数形式增长，煤储层压力梯度显示出对数增长的趋势，渗透率大于1md和储层压力接近于正常压力状态的煤储层展布于主应力差大于80MPa的地区［14］。

地应力是储层压力敏感性参数，不同地区地应力的大小是不同的，当地应力增大、孔隙裂隙被压缩、体积变小时，储层压力变大；当地应力变小、孔裂隙体积变大，储层压力则变小。构造应力直接影响到作用在煤层孔隙空间内流体上的压力大小。一般认为，处于挤压构造应力场中的煤储层，储层压力值往往偏大，压力梯度偏高；而处于拉张型构造应力场中的煤储层，压力值偏低，压力梯度也较低。因此，可以根据构造应力场拉张情况来研究储层压力和压力梯度的高低。

3 地应力对煤层气产出的影响

煤层气的开采经历了解吸、扩散、渗流3个连续阶段，首先煤体微孔隙内表面吸附煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离态煤层气，然后由于裂隙和钻井井孔之间的压力梯度和煤层气的浓度梯度而产生煤层气渗流，从而游离态气体向井孔移动，最后由井孔抽出。

自然地应力场作用于煤层孔隙，构成为煤层孔隙的围压，对煤层孔隙产生影响，从而对孔隙中的流体产生影响。地应力影响到煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，进而影响到煤层气井的产出。

3.1 地应力影响煤层气吸附和储层含气量

一般来说随地应力增大，煤体受到的挤压力越大，孔隙裂隙被压缩、体积变小，导致煤储层压力变大。根据朗缪尔等温吸附方程可知，当温度和其他因素相同时，煤储层甲烷吸附量随压力增大而增多，因此，压力变大时，煤层甲烷吸附量增大，导致含气量也增大。含气量对生产能力的影响是显而易见的，据国内外研究，认为含气量大于15m3/t的预测区具有高产条件，8～15m3/t具有中产条件，小于8m3/t低产甚至无产。因此，无论是为了煤矿生产安全，还是为了准确地评价和预测煤层气开发前景和制定开发方案，都需要掌握煤层含气量的分布特征［15］。

3.2 地应力影响煤层气的解吸

地应力对煤层气解吸的影响主要是通过对储层压力的影响体现出来的。储层压力的高低与分布直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附与解吸能力，进而影响到煤层气开发气井的产出。在排水降压进行煤层气开发时，当煤储层含气饱和度一定，煤储层压力越高，越容易排采，越有利于煤层气产出。在此过程中，当煤储层压力降至解吸临界压力以下时，解吸量随煤储层压力继续下降而不断增多，从而提高解吸速度。临界解吸压力越接近于储层压力，气体越容易解吸，煤层气井越容易产气；较高的有效压差可以保证煤层中甲烷流动的驱动能量，所以具有异常高压的煤层解吸量大，产气量高。可以通过提高储层压力、减小井底压力来获得高产气量。一般储层压力降至大气压，气体才可能全部解吸。对于气过饱和煤层，只要煤储层压力下降，就有吸附气从煤层中解吸；对于气欠饱和煤层，需要降到临界解吸压力下，才能有吸附气解吸。如果临界解吸压力比原始储层压力低得多，势必要经过长期的排水降压才能产气，因此可根据临界解吸压力和原始储层压力及其两者的比值，来了解煤层气早期排采动态。

地应力对储层压力、含气量有着重要的影响，而储层压力与含气量控制着含气饱和度，因而地应力影响着含气饱和度。含气饱和度对产能的影响主要体现在解吸条件对产能的影响，他制约着煤层气产出的难易和气体产出速率的大小。含气饱和度低，地解压差大，很难或无法获得产能。含气饱和度大于80%的预测区具有高产条件［16］

3.3 地应力影响煤层气的扩散和渗流

煤层气在温度、压力作用下发生扩散、渗流的动力源主要为温度、构造应力、储层压力、扩散作用力、渗透作用力。构造应力和储层压力控制着煤层的渗透率和气含量，影响煤层中气体扩散作用和渗透作用，在有效应力集中地区，裂隙闭合，储层压力高，渗透性低且煤层吸附量大，煤的储集能力强，从而使得气体的质量交换、扩散速度和迁移过程缓慢、复杂，同时气体吸附量大导致气体压力大，使气体浓度增大，从而增加气体的扩散能力；有效应力轻微地区，裂隙开启，储层压力低，渗透性好，气体质量交换和迁移流畅。自然界，各种条件的影响往往是叠加的，反映的是综合效应［17－18］。另一方面，对于高收缩率煤储层，在煤层气的运移过程中，随着煤储层压力降低使得煤体结构发生收缩变形，促进煤体孔隙和裂隙的扩展和延伸，煤层渗透系数增大，进而提高渗流作用效果；而对于低收缩率或不收缩煤层，则主要受有效应力的压缩影响，随着有效应力增加渗透率下降，进而降低渗流作用效果［19］。

地应力增加，有利于煤储层压力保持和含气量的增大，但往往导致渗透率降低并给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，渗透率过低，煤层气解吸速率低，抽排范围有限，在高地应力区尤为如此，优化的方法是采取逐步降压的措施，以使煤层渗透率保持在改排水期的最佳状态。渗透性高的煤层，井筒的排水降压能有效地传播到更大的范围，从而控制更大面积煤层，使更多的煤层气解吸，获得更高的产量。但地应力太低时，导致渗透率过大，引起产水量太大，也不利于煤层气生产。根据Loggy等研究煤层渗透率以中等较好。从我国煤层气井生产状况看，气产量高的井，渗透率高。但渗透率高的井，产量不一定高。渗透率低的井产量亦低。渗透率高而气产量不高的原因表现在几个方面，一是，这种渗透率与井筒周围存在裂隙有关，导致产水量很高。二是原始渗透率较高，但压力增产不成功。一般来说，煤层气井不经过压裂是不会产气的。从总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气富集。因此地应力要适当，不能太大，也不能太小，地应力也是选区综合评价的内容之一。我们选择最有利的开发区带，就要考虑地应力、渗透率、煤储层压力、含气量等因素，但这些因素往往存在矛盾。

总之，煤层中的天然气能否以经济速度排出，决定于能否有效地降低煤储层压力和煤储层渗透性的好坏，而储层压力和渗透性都与地应力紧密相关。因此地应力是影响煤层气解吸、扩散、渗流和产量高低的重要因素。

4 地应力对裂缝的影响

地应力对储层天然裂缝和水力压裂裂缝扩展也有着重要的影响。地应力可分为古构造应力和现今地应力，地层中的裂缝可分为天然裂缝利人工裂缝。目前，我国投入开发的煤层气盆地中，大部分为低渗透性盆地，低渗透性盆地的开发成功与否，关系到我国煤层气产业的发展。低渗透煤层气盆地普遍发育天然裂缝，且经过压裂方具产能。地应力是控制储集层天然裂缝分布及水力压裂裂缝形态的重要因素。古构造应力场往往决定着天然裂缝的形成、分布和发育程度［20］，例如，对沁水盆地而言，第一期和第二期构造应力场属古构造应力场，它们决定着沁水盆地天然裂缝（隙）、断层的发育和分布，而天然裂缝、断层的存在又会影响人工压裂，天然裂缝发育区域属于地应力薄弱区，实践的结果表明水力压裂裂缝会首先向天然裂缝存在的地应力薄弱区延伸，因此，古构造应力场间接影响着现今人工压裂裂缝的扩展；而现今地应力场会对人工压裂产生直接的影响，现今应力场不仅影响天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性，而且控制了人工压裂裂缝的形态和延伸方向。在煤层气井水力压裂施工设计中，地应力的大小和方向是其考虑的重要参数，其不仅控制着裂缝的方位、倾角、高度、传导性，而且影响施工过程中压力的大小［21］。目前的水力压裂是利用超过地层破裂压力的高压液流，对目的层压开一条具有一定方向和儿何形状的裂缝，并注入支撑颗粒，形成具有高导流能力的填砂裂缝，极大地改善油气层液体流向井筒的能力，从而提高油气产能的一种低渗透油气藏油层改造的有效方法。裂缝的扩展方向往往决定着压裂的成败与效果，长期的理论研究与实践认为：对于各向同性介质，水力压裂的形态取决于地应力的大小，压裂产生的人工垂直裂缝方位总是平行于最大水平主应力方向，垂直于最小主应力方向；对于非均质各向异性介质，水力压裂的形态由地应力和煤岩体的抗张强度共同组成的挤聚力大小决定［22］。煤层压裂裂缝除受大地主构造应力影响外，还受局部构造应力和割理的影响。裂缝方位在同一层位没有明显的方向性，但存在着同一盆地同一层位在某一方向出现概率较大的现象。因此，现今地应力是影响人工压裂的主要因素，对沁水盆地而言，目前的水力压裂主要受第三期构造应力场的影响。

地应力对煤储层水力压裂的影响还表现在多煤层压裂方面，多煤层开采是提高经济效益的有效方法，而要进行多煤层压裂，必须具备一定的地应力条件。一个井中，各个煤层的破裂压力梯度如果变化很大，而要对各煤层同时进行压裂的话，可能只有其中的一个层受到压裂而不能达到一次压开多煤层的目的。在对一个煤层压裂时，随着裂缝中压力超过临层的地应力，往往不能获得预期的裂缝长度，从而导致较低的或令人失望的产量。因此，压裂设计时必须掌握煤层顶底板的应力条件，避免裂缝在垂向上的增长。而要一次对多煤层同时压裂，各煤层间不能有较高的应力屏障。故此，掌握地应力在纵向上的变化情况，是使压裂达到预期效果的必要前提［23］。

5 存在的问题

1）目前对地应力分布规律的研究还很不够，不能满足煤层气实际开采、压裂和井位确定的需要。

2）渗透率对地应力的变化非常敏感，要获得较好的产量，弄清研究区煤储层地应力的分布规律及其对渗透性的影响是要解决的重要问题。

3）地应力的大小和方向不仅控制着裂缝的方位、倾角、高度、传导性，而且影响到水力压裂施工过程中压力的大小。因此，在煤层气开发时，有必要研究和考虑地应力对天然裂缝和人工压裂裂缝的影响，以期对压裂施工设计提供理论指导。

4）地应力对煤储层压力、含气性、理论采收率有着怎样的影响？地应力与储层压力、含气量、临界解吸压力、含气饱和度、理论采收率有着怎样的定量关系？都是需要解决的问题。

5）煤层气渗流时煤储层渗透率主要受到有效应力负效应影响还是主要受到煤基质收缩正效应影响就需要通过试验分析来解决。

6）国内外关于煤层甲烷运移理论方面共同存在的问题是不考虑两相流体与骨架的耦合作用，缺少对吸附、解吸、扩散和渗流过程的相互制约机制研究，不能完全反映我国低渗透储层的非线性渗流特点和吸附解吸扩散渗流相互制约的客观现实。地应力多大时，既能够满足煤的储集能力较强、煤层吸附量较大，又能满足储层渗透性不差，气体迁移流畅呢？这就需要通过试验来分析解决［24］。

6 结论

综上所述，地应力对煤层气开发的很多方面都有着重要的影响。全面地弄清地应力分布规律，掌握地应力对煤层气勘探与开发各方面的影响有助于我们认识煤储层中压力、渗透性、含气性、天然裂缝分布情况以及水力压裂裂缝扩展方位，从而有效地进行高渗透性区预测和煤层气高产富集区预测，这对有利开发区的选取、合理地部署井网、科学有效地开发煤层气至关重要。

［1］ 王宏，杨丽丽，李红.我国煤层气资源开发意义探究［J］.辽宁大学学报，2008，35（1）：85－88.

［2］ 张艳玉，魏晓霞.煤层气开采技术与发展趋势［J］.河南石油，2001，15（2）：24－27.

［3］ 陈德民.红菱矿区煤层气藏开发方法研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2008.

［4］ 张亚蒲.煤层气数值模拟技术应用研究［D］.北京：中国科学院渗流流体力学研究所，2006.

［5］ 王宏，杨丽丽，李红.我国煤层气资源开发意义探究［J］.辽宁大学学报，2008，35（1）：85－88.

［6］ Enever J R E，Henning A.The relationship between permeability and effective stress for Australian coal and its implications with respect to coalbed methane exploration and reservoir model［A］.In Proceedings of the 1997International Coalbed Methane Symposium［C］.Tuscaloosa AL，USA：University of Alabama，1997.

［7］ McKee C RBumb A CKoenig R A.Stress－dependent permeability and porosity of coal［A］.InFassett J E ed.Geology and Coal－bed Methane Resources of the Northern San Juan Basin［C］.Colorado，USA：Rocky Mountain Association of Geologists Guidebook，1988.

［8］ Sommerton W J，Soylemezoglu I M，Dudley R C.Effect of stress on permeability of coal［J］.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.andGeomech.Abstr.，1975，12（2）：129－145.

［9］ Brace W F.A note on permeability changes in geologic material due to stress［J］.Pageoph，1978，116（4/5）：627－632.

［10］ 唐书恒.煤储层渗透性影响因素探讨［J］.中国煤田地质，2001，13（1）：28－30.

［11］ 宋岩，张新民.煤层气成藏机制及经济开采理论基础［M］.北京：科学出版社，2005：145－148.

［12］ 张培河.沁水煤田煤储层压力分布特征及影响因素分析［J］.煤田地质与勘探，2002，30（6）：31－32.

［13］ 张延庆，唐书恒.华北部分矿区煤储层压力研究［J］.地球学报，2001，22（2）：165－168.

［14］ 秦勇，傅雪海，张德民，等.山西沁水盆地中、南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨［J］.地质论评，1999（6）：576－582.

［15］ 连承波，赵永军，渠芳，等.影响煤层含气量地质因素的定量分析［J］.特种油气藏，2008，15（3）：33－36.

［16］ 中联煤层气有限责任公司.中国煤层气勘探开发技术研究［M］.北京：石油工业出版社，2007：263－265.

［17］ 李前贵，康毅力，罗平亚.煤层甲烷解吸－扩散－渗流过程的影响因素分析［J］.煤田地质与勘探，2003，31（4）：26－29.

［18］ 司胜利.影响煤层气解吸扩散运移的地质因素［J］.云南地质，2004，23（2）：212－216.

［19］ 唐巨鹏，潘一山，李成全，等.有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（6）：1563－1568.

［20］ 张莉，岳乐平，杨亚娟.鄯善油田地应力、裂缝系统与油田开发［J］.石油与天然气地质，1999，20（4）：330－332.

［21］ 倪小明，王延斌，接铭训，等.不同构造部位地应力对压裂裂缝形态的控制［J］.煤炭学报，2008，33（5）：505－508.

［22］ 傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：117－158.

［23］ 黄景诚，段春节，王伟.煤层气井地应力评价图的编制方法［J］.天然气工业，1998，18（4）：9－12.

［24］ 连承波，李汉林.地应力对煤储层渗透性影响的机理研究［J］.煤田地质与勘探，2005，33（2）：30－31.