平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

王晓彬，赵 晶，张志荣，李海涛

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 矿山安全技术研究分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤其以水平方向的构造运动对地应力的形成及其特点影响最大[1]。目前，现场测试地应力方法是获取地应力参数的主要途径[2-4]，现场测试地应力方法主要有地面煤层气井水力压裂和应力解除方法。地质构造应力作用不仅仅影响了煤储层的形态、连续性，而且也影响煤层气储层渗透性大小[5，6]。国内外学者已经在部分煤层气开发区块通过各种手段研究分析了地质构造应力与渗透率的关系[7-11]。平顶山矿区是国内主要产煤和煤层气开发区域，关于平顶山矿区地应力方面的研究[12，13]，学者们主要通过井下空心包体应力解除法获取地应力数据资料，但通过压力致裂法获取地应力数据资料的研究较少，同时关于平顶山矿区地应力对煤储层特性(储层压裂、渗透率)的影响方面的研究鲜见文献报道，因此，本文拟从平顶山东北部矿区煤层气开发的角度，收集整理煤层气开发过程中钻井、压裂、试井等资料，通过分析地应力发育特征，建立地应力与煤储层压力、渗透率之间的相互关系，揭示平顶山东北部矿区地应力对煤储层压力、渗透率的影响，为本区煤层气勘探开发和井下瓦斯治理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区为平顶山东北部矿区主要指首山一矿和十三矿区域，主要发育二1煤层，其中首山一矿和平顶山十三矿二1煤层煤层厚度平均为6.15m，含气量为3～23.86m3/t，是该区煤层气开发的主要煤层，也是本次研究的目的煤层。矿区主体构造为一轴向NW、向北倾伏的宽缓的复式向斜—李口向斜，轴向大致NW50°，轴面近直立，向NW方向倾伏。矿区东部井田，由北向南依次为襄郏背斜、灵武山向斜、白石山背斜、郭庄背斜、牛庄向斜、诸葛庙背斜和郝堂向斜等，灵武山向斜、白石山背斜位于李口向斜的北东翼区，灵武山向斜南东向倾伏，北西向收敛仰起，从矿区东南部发育至矿区西北十三矿的东部；白石山背斜起始于首山一矿和十三矿东部，南东向倾伏，北西向收敛仰起。灵武山向斜、白石山背斜是首山一矿和十三矿东部的主体构造，首山一矿和十三矿东部构造以褶曲构造为主，该区主要受灵武山向斜、白石山背斜和李口向斜的控制，构造复杂。一些学者对平顶山矿区构造进行了等级程度划分[14]，其中平顶山东北部十三矿和首山一矿区域被划分为构造复杂区，如图1所示。

2 地应力测量

煤层气井水力压裂方法是通过压裂泵车向目的煤层注入高压水的形式，获取目的煤层储层压力、煤的抗拉强度、破裂压力、闭合压力等煤层气井压裂参数，煤岩体内水平主应力大小可根据相关文献[16]提供的主应力计算公式计算和确定。而垂直应力的大小可通过上覆岩层质量来计算。

图1 平顶山东北部矿区构造纲要图

通过平顶山东北部矿区十三矿和首山一矿布置的煤层气井所进行水力压裂测试试验，得到的闭合压力即为最小水平主应力(σh)；最大水平主应力(σH)可通过破裂压力、闭合压力和煤储层压力、煤岩抗拉强度等参数之间的相互关系计算出：

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

式中，σh为最小水平主应力，MPa；σH为最大水平主应力，MPa；Pc为闭合压力，MPa；Pf为破裂压力，MPa；P0为孔隙压力(原位条件下近似等于储层压力，MPa；T为煤的抗拉强度，MPa。

垂直主应力σv是按照E.T.Brown和Hock(1978)给出的关系估算，即：

σv=0.027Z

(3)

式中，Z为煤层垂直深度，m。

基于此方法和煤层气井试井、压裂资料，通过研究计算了18口井目的层段的地应力。计算结果及参数见表1。

表1 地应力分析计算参数

3 研究区块地应力发育特征

3.1 矿区地应力场类型

通过水力压裂法获取18个数据，18个测点数据中，属于σv>σH>σh型的测点有3个，占总测点数的16.7%；属于σH>σh>σv型的测点有2个，占总测点数的11.1%；属于σH>σv>σh型的测点有13个，占总测点数的72.2%。根据应力类型划分方案[16]。Ⅰ类(σv>σH>σh)地应力类型中，垂直主应力σv最大，高倾角断层或裂隙发育；Ⅱ类(σH>σh>σv)类型中，垂直主应力σv最小，低倾角断层或裂隙发育；Ⅲ类(σH>σv>σh)类型中，最大水平主应力σH为主，垂直主应力σv居中，走滑断裂或垂直裂隙发育。所以，从平顶山东北部矿区应力类型分析来看，矿区现今地应力场总体上以水平应力为主，属于典型的构造应力场类型，σH>σv>σh且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育，根据平顶山十三矿和首山一矿勘探资料和矿井生产揭露资料，落差较大的高角度断层比较发育，这与地应力分布规律相吻合，同时也印证了该区域为构造复杂区。

3.2 主应力随深度的关系变化

平顶山东北部矿区深度527～842m范围内各测点应力随深度的变化关系如图2所示，最大、最小水平主应力总体上均呈现增大的变化趋势。

图2 平顶山东北部矿区地应力与埋深的关系

使用最小二乘法对数据进行分析，显著性效果检验则使用R检验法进行检验，即分别检验目的煤层埋深与最小水平主应力、垂直应力、最大水平主应力的相关性。分析得到平顶山东北部十三矿—首山一矿地应力与埋深的关系为。

1)最大水平主应力：

σH=0.0696Z-29.065

(4)

对回归曲线进行显著性效果检验：样本数量n=18，拟合的相关系数R=0.7222>Rα=0.561，α=0.01。表明最大水平主应力随埋藏深度的增加而增大。

2)最小水平主应力：

σh=0.0427Z-15.041

(5)

相关系数R=0.6943>Rα=0.561，α=0.01。说明试验点最小水平主应力随埋藏深度的增加而增大。

3.3 侧压系数随埋深的变化规律

最大水平主应力与垂向应力的比值即为侧压系数λ，其随着煤层埋藏深度的变化关系如图3所示。

λ=0.0022Z-0.5579

(6)

图3 侧压系数λ与埋深的关系

相关系数R=0.5756>Rα=0.561，α=0.01。说明λ随深度的变化有呈现一定的线性相关性，显然，随深度的增加λ呈现增大趋势。

平顶山东北部矿区18个测点的λ为0.70～1.55。其中λ≤1.0的测点数有3个，占测点总数的16.7%；λ>1.0的测点数有15个，占总数的83.3%，分布约730m以深；由此可见，研究区应力场以构造应力场为主，同时说明该区域构造运动强烈。在λ>1.0的测点数中，1.0<λ≤1.3的测点有10个，占测点总数的55.6%，且大部分测点分布在埋深800m左右，可见，随深度的增加侧压系数有接近1.0的发展趋势。因此，可以发现研究区约730m以深，地应力场为大地动应力场型，但随着埋深的增加，有向大地静应力场型过渡的趋势。

3.4 侧压比随埋深的变化规律

平均水平主应力与垂直主应力的比值即是侧压比k。即：

k=σh，av/2σv=(σH+σh)/2σv

(7)

其随深度的变化关系(图4)为：

k=0.0017Z-0.2897

(8)

图4 侧压比k与埋深的关系

回归相关系数R=0.5666>Rα=0.561，α=0.01。故侧压比k随深度变化具有一定的线性关系。

3.5 地应力类型转换

不同的盆地或同一盆地内的不同区块，地应力类型会发生变化。根据地应力与埋深关系，可计算出在埋深约在682m地应力类型发生转换：在682m以浅垂向应力大于最大水平主应力，即：σv>σH，以大地静力场为主，有利于深部地下工程的稳定；在682m以深最大水平主应力大于垂向应力，即：σH>σv，以大地动力场为主，对深部地下工程的稳定不利，易产生冲击地压。地应力类型在垂向的转变现象，不但与构造应力的强弱有关，而且与平顶山矿区复杂的构造演化息息相关。在地质史上，平顶山矿区主要经历了3次大的构造运动，依次为三叠纪晚期的印支运动、中生代的燕山运动和新生代的喜山运动，每次构造运动应力场在大小和方向都发生重大变化，因此，现今地应力类型形成和转换是多期构造运动所引起的地应力叠加的结果，同时理清地应力类型转换深度对深部工程建设和防治矿井煤与瓦斯突出有着重要意义。

4 地应力对储层压力、渗透率的控制

煤储层压力、渗透率是影响煤层气开发的重要特性参数，不但与煤储层本身特性有关，而且还受地应力的控制作用。

4.1 应力与储层压力的关系

煤储层压力与垂直应力、最小水平主应力的线性关系明显，煤储层压力随着垂直应力、最小水平主应力增大而增大，如图5所示。这表明构造应力的增大致使煤储层裂隙空间被压缩，裂隙空间体积变小，储层压力变大。

图5 储层压力与地应力关系

4.2 有效应力与渗透率的关系

煤储层的原始地应力减去原始储层压力即为煤层的有效应力，如图6所示，平顶山东北部区块煤储层渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势，其中，渗透率与主应力差、最大水平有效主应力相关性较好，说明主应力差越小、渗透率越高；最大水平有效主应力越小，渗透率值越高。

图6 渗透率与地应力关系

平顶山东北部矿区煤储层渗透率数值级别相差从几倍到几十倍，差别很大，而且分布不均匀，究其原因该区域渗透率受区域构造应力影响较大，平顶山矿区受多期构造运动影响，受逆冲推覆强烈作用，构造挤压区普遍发育，形成了构造应力集中区域，这些区域也是煤储层低渗透分布区域；断层、裂隙、次生断层发育区域以及破碎构造带往往是低构造应力区域，这些区域也是渗透率比较高的区域。构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。因此，理清平顶山矿区地应力发育特征以及对煤储层压力、渗透率控制机理，对地面煤层气压裂和井下煤层增透卸压治理瓦斯提供了重要的参考依据。

5 结 论

1)平顶山东北部矿区现今地应力场总体上以水平应力为主，属于典型的构造应力场类型，且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育。

2)最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加，其中最大水平主应力与埋深的正线性关系最好；随着深度的增加侧压系数有接近1.0的发展趋势。

3)埋深约在682m地应力类型发生转换：在682m以浅垂向应力大于最大水平主应力，即：σv>σH，以大地静力场为主；在682m以深最大水平主应力大于垂向应力，即：σH>σv，以大地动力场为主。地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果。

4)煤储层压力与垂直应力、最小水平主应力的线性关系明显，煤储层压力随着垂直应力、最小水平主应力增大而增大。渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现，其中，渗透率与主应力差、最大水平有效主应力相关性较好，说明主应力差越大、渗透率越高；最大水平有效主应力越小，渗透率值越高。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。