潞安矿区3号煤储层现代地应力特征及地质意义

曹腾飞，杨兆彪，崔宝库，郝少伟

(1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008; 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 3.潞安矿业集团公司，山西 长治 046204; 4.潞安金源煤层气公司，山西 长治 046000)

煤层气是重要的非常规天然气藏，已经成为清洁能源的重要来源，是传统天然气的战略补充，受到高度重视[1-2]。中国拥有世界第三大煤层气资源，仅次于俄罗斯和加拿大[3]。中国2 000 m埋深范围内的煤层气面积为41.5万km2，资源量约为36.8×1012m3[4]。而沁水盆地是中国煤层气勘探开发程度最高的盆地之一，潞安矿区位于山西省东南部的沁水煤田东部边缘中段，属华北地层区山西地层分区宁武—临汾小区，是大型国家煤炭规划矿区，同时其煤层气资源较为丰富，煤层气地质资源量为3 746.51亿m3，资源丰度为1.45亿m3/km2[5]。

地应力是煤层气勘探开发的重要考虑因素[6-7]，地应力估算已广泛应用于美国、中国、澳大利亚和加拿大的煤层气勘探开发[8-9]。从本质上讲，地应力是地壳中呈现的内部应力，受两个因素的影响很大:相对简单的重力和复杂的构造力[10-11]。通常，重力可由覆盖层的具体质量确定，而构造力极不规则，几乎不可能通过精确的分析解来描述，因为它随时间而不断变化[12]。构造运动和岩石地质构造对构造力有很大的控制作用。地应力的增加对煤的变形和破坏有着明显的影响,现代地应力影响含煤岩系的孔渗性，进而控制着储层的流体状态，对多煤层发育区含气系统的空间展布具有重要的意义，对于煤层气储层评价至关重要[13-15]。现代地应力的大小和方向是控制煤层气井水力压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态的重要参数[16]。研究现代地应力对于更好地了解油气勘探与开发、井壁稳定性、二氧化碳封存、储层管理等现象也至关重要[11]。

煤储层渗透性是煤层气储层产能的关键决定因素之一，主要受地应力、埋藏深度、煤阶、煤结构、天然裂缝等控制[3,17]。人们普遍认为，随着有效应力的增加，煤储层渗透性呈指数级下降。潞安矿区煤储层渗透率普遍较低，是制约其煤层气开发的关键地质因素，但其地质控制因素研究相对较少，同时煤储层渗透率与现代地应力之间的关系缺乏深入的研究。

笔者基于潞安矿区3号煤层的19组注入/压降试井数据，系统分析了研究区现代地应力类型垂向转换机理及其对渗透率的控制作用，并发现潞安矿区800 m以浅划分为2个应力场类型。结合潞安矿区井下煤层裂隙发育方向，首次阐述了潞安矿区二岗山、文王山断层附近煤储层渗透率差异的地质原因。研究成果对于煤层气选区、井位部署和钻井工程具有重要的现实指导意义。

1 研究区地质概况

沁水盆地现代构造应力场最大挤压应力呈NNE—SSW向近水平展布，与燕山期NNE—SSW向正断层走向近于平行。在此构造应力场作用下，燕山期形成的具有压剪性质的断层再次活动，致使盆地内部及边缘断裂构造进一步复杂化，盆地中部文王山地垒、二岗山地垒的发育与此有关。现今构造应力场总体上继承了第三纪至第四纪以来的构造应力场特征。沁水盆地东部和顺—长治一带表现为NEE—SWW向水平挤压应力场，西部地区为NNW—SSE向水平挤压应力场;北部、中部和南部地区则均表现为近水平伸展应力场，主应力总体呈NW—SE向展布，仰角较小且较稳定，一般小于20°;主压应力轴总体呈NE—SW向展布，仰角变化较大，一般为40°～60°。由此，形成了沁水盆地现代构造格局，其总体趋势是南北分区、东西分带，主要表现为南部和北部的构造端区、榆社—沁源和屯留—安泽构造区[18]。

潞安矿区位于沁水块坳东部次级构造单元沾尚—武乡—阳城NNE向凹褶带中段，晋获断裂带西侧。研究区总体构造形态为走向北北东—南北向，向西缓倾的单斜。在此基础上发育了方向比较单一的宽缓褶曲(两翼倾角一般<10°)，沿倾向及走向伴有少量断距大于20 m的断层和一定数量断距小于20 m的断层及陷落柱。矿区内较大的断裂有西川断层、文王山断层、二岗山断层、长治断层、中华断层、安昌断层、安城断层和苏店断层(图1)，断裂构造特点为走向平行、倾向相同或相背的剖面共轭组合关系，高角度正断层两两组合，构成地堑或地垒。

潞安区3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩19.80～37.41 m，平均31.85 m，下距9号煤50.48～73.12 m，平均61.83 m。从矿区整体赋存程度来看，3号煤层为全区可采煤层，全区稳定厚度在5.5～6.0 m，矿区中部常村煤矿及其附近为煤层最厚处，厚度超过6 m，向四周煤厚逐渐减薄，矿区北端为煤层最薄处，3号煤层埋深由东向西逐渐增加，主要煤矿集中于800 m以浅地带，属结构简单至较简单煤层，3号煤属于半亮-光亮型煤，镜质组反射率(Ro,max)在1.91%～2.97%，阶以贫煤和无烟煤为主，平均矿物含量为9.3%，煤质为低灰—中灰、低磷、特低硫、高发热量煤。是现今煤层气开发和煤矿开采的主力煤层之一。

图1 潞安矿区构造纲要及井位分布(引自文献[19]，有改动)Fig.1 Structural outline and well location distribution map of Luan mining area (cited from Reference[19],with modification)

2 注入-压降测试分析

采用注入/压降试井及原地应力测试方法，获取煤层的储层压力、闭合压力、破裂压力和渗透率等储层参数数据。其中，水力压裂测试直接测得闭合压力Pc为最小水平主应力σh。依据破裂压力Pf、闭合压力Pc和煤储层压力P0等试井参数计算最大水平主应力σH[20]，即

σh=Pc

(1)

σH=3Pc-Pf-P0+T

(2)

T=Pf-Pr

(3)

式中，σH为最大水平主应力，MPa;σh为最小水平主应力，MPa;Pc为闭合压力，MPa;Pf为破裂压力，MPa;Pr为重张压力，MPa;T为抗拉强度，MPa。

垂直应力σv由BROWN和HOEK[21]给出的关系式估算得出

σv=0.027H

(4)

式中，H为埋深，m。

侧压系数K由最大水平主应力σH，最小水平主应力σh和垂直应力σv求出

(5)

潞安矿区进行了多次试井(图1)，获得了研究区3号煤层19组试井数据，其结果见表1。

表1 试井成果
Table 1 Well test results

煤矿钻井编号埋深/m储层压力/MPa渗透率/10-15m2闭合压力/MPa破裂压力/MPa梯度/(MPa·hm-1)储层压力闭合压力破裂压力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阳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

图2 应力场类型(引自文献[25]，有改动)Fig.2 Type of stress field (cited from Reference[25], with modification)

3 讨 论

3.1 三向地应力特征及其垂向分带性

对潞安矿区的19组压降注入试井数据统计，发现研究区二叠系山西组3号煤层的埋藏深度主要在400～800 m范围内，最大水平主应力在7.392～22.74 MPa范围内，平均应力为14.788 MPa，最大水平主压力梯度为1.342～4.32 MPa/hm，平均最大水平主应力梯度为2.724 MPa/hm。最小水平主应力在5.448～14.430 MPa内，平均应力为9.481 MPa，最小水平主压力梯度为1.092～2.420 MPa/hm，平均最小水平主应力梯度为1.719 MPa/hm。垂直应力在11.639～20.712 MPa范围内。根据应力量级判定标准(σh>30 MPa为超高应力区，18～30 MPa为高应力区，10～18 MPa为中应力区，0～10 MPa为低应力区)[22]。统计结果表明:潞安矿区整体为中-低应力区，其中低应力区占63.2%，埋深主要分布在430～600 m内，平均埋深为504 m;中应力区占36.8%，埋深主要分布在520～770 m内，平均埋深为635 m。

根据断层类型，ANDERSON将应力场类型[23]划分为逆断层应力场型(σH>σh>σv)、走滑断层应力场型(σH>σv>σh)和正断层应力场型(σv>σH>σh)。同一盆地内的不同区域，地应力类型会发生变化，在构造应力强的区域，由于强构造应力在水平方向上与重力应力水平分量的叠加效应，导致水平主应力高于垂向主应力，形成逆断层应力场型(图2(a));在构造活动中等的区域，中等构造应力在水平方向上与重力应力水平分量的叠加效应，导致最大水平主应力高于垂向主应力，而最小水平主应力依然小于垂向主应力，形成走滑断层应力场型(图2(b));在构造应力弱的区域，弱构造应力在水平方向上与重力应力水平分量的叠加效应，未改变三向主应力之间的相对大小关系，形成正断层应力场型[24](图2(c))。

在平面区域，在19组数据中，走滑断层应力场型有11组数据，占57.9%，主要分布于高河矿、五阳矿和余吾矿;正断层应力场型有8组数据，占42.1%，主要分布于常村矿和漳村矿;无反映逆断层应力场型的数据，反映出高河矿、五阳矿和余吾矿的构造应力普遍大于常村矿和漳村矿(图3)。

图3 应力场型分布比例Fig.3 Stress field distribution ratio

在垂向，发现研究区煤储层压力、垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力随埋深的增加而增大(图4(a))。

图4 主应力和侧压系数与埋深的关系Fig.4 Relationship between principal stress，lateral pressure coefficient and buried depth

应力场类型在垂向上呈非均匀分布，在埋深400～610 m区域，正断层应力场和走滑断层应力场同时存在，走滑断层应力场型(σH>σv>σh)起主导作用;在埋深610～800 m区域，正断层应力场和走滑断层应力场同时存在，正断层应力场型(σv>σH>σh)起主导作用，这应该是该地区浅部复杂的地质构造引起的;在埋深800 m以下的地带，由于缺少数据，不作讨论(图4)。因此，潞安地区地应力垂直转换深度约610 m。当煤储层处于正断层应力状态和走滑断层应力状态下，水力压裂产生的裂缝沿垂直方向与最大水平主应力方向扩展，有利于高效建产;当煤储层处于逆断层应力状态下，水力压裂产生的裂缝沿两个水平主应力方向扩展，使压裂效果不佳[26]。随着煤层埋深的增加，地应力随之增大，煤层中的孔隙、裂隙受力压缩，使煤储层渗透率快速降低。

进一步根据式(5)计算了侧压系数(图4(b)，下角i表示内包络线，下角o表示外包络线)，结果表明:常村矿和漳村矿侧压系数都<1，在0.45～0.89内，平均值为0.667 3;高河矿、五阳矿和余吾矿的侧压系数在0.55～1.30内，平均值为0.938 5。说明常村矿和漳村矿煤储层承受的构造应力较弱，高河矿、五阳矿和余吾矿煤储层承受的构造应力较强。

研究区侧压系数在0.449 1～1.229 5内，平均值为0.821 3。当埋深<600 m，侧压系数最大为1.229 5，平均为0.842 8，极差为0.780 4;埋深大于600 m，侧压系数最大为0.948 8，平均为0.720 4，极差为0.352 7。随埋藏深度的增加，侧压系数的离散程度趋向于收敛。

BROWN和HOEK依据全球不同地区现代地应力测量结果[21]，拟合出了平均水平应力与垂直应力的比值与埋深的关系为

(6)

依据Brown-Hoek世界范围内地应力分布规律的研究成果及分析方法，拟合出了潞安矿区平均水平应力与垂直应力的比值与埋深关系表达式为

(7)

潞安矿区内外包络线为

(8)

根据统计结果，潞安地区现代地应力场K值随埋深增加而下降，根据式(6),(8)和图4(b)，潞安矿区内外包络线整体符合Hoek-Brown规律，但数值上存在较大差异，与中国大陆内外包络线更为接近，整体表现为“浅部离散，深部收敛”的特征。

3.2 现代地应力与渗透率的关系

3.2.1水平主应力与渗透率的关系

根据对研究区渗透率资料的统计分析，研究区二叠系山西组3号煤储层渗透率在0.008 4×10-15～0.870 7×10-15m2内，煤储层渗透率平均为0.165 4×10-15m2。通过数据分析、拟合，发现最大水平主应力、最小水平主应力及其应力梯度与煤储层渗透率存有较好的幂函数关系(图5)。

图5 主应力、主应力梯度与渗透率的关系Fig.5 Relationship between principal stress,principal stress gradient and permeability

煤储层渗透率与最大水平主应力拟合式为

(9)

煤储层渗透率与最小水平主应力拟合式为

(10)

煤储层渗透率与最大水平主应力梯度拟合式为

k=10.693x-4.908

(11)

煤储层渗透率与最小水平主应力梯度拟合式为

k=8.173 9x-6.85

(12)

煤储层渗透率随主应力(主应力梯度)的增加快速降低。当主应力(主应力梯度)增加时，煤储层中裂隙、孔隙受到挤压，裂隙和孔隙空间减小甚至闭合，导致渗透率急剧降低。由此可见，水平主应力是渗透率的主要地质控制因素。

3.2.2水平应力差与渗透率的关系

煤储层属于一种由裂隙和基质组成的双孔隙介质,其渗透率与裂隙性质密切相关，煤储层中的天然裂隙是影响煤储层渗透率的重要因素之一[27-28]。根据井下揭露处煤层观察，该矿区外生裂隙发育数量较少，主要有两组NW—NNW和NE—NEE向，大部分无充填。内生裂隙主要发育有两组，面割理走向为305°～359°，端割理走向在0°～44°，这两组裂隙一般以高角度斜交或正交，且大体垂直于层理面。而潞安矿区构造应力场中，文王山大断层以北区域，最大水平主应力方向在N11.8°W—N34.5°W;文王山南大断层至二岗山北正断层，最大水平主应力方向集中在N19.1°W—N72.9°W;二岗山大断层以南的区域，最大水平主应力集中在N22°E—N51.2°E[29]。因此，潞安矿区构造应力场以二岗山断层和文王山断层为界，在二岗山断层以南的区域，最大主应力方向为NE，与煤储层优势裂隙方向是垂直关系，裂隙面受到挤压作用;在二岗山断层和文王山断层之间区域，最大主应力方向为NW，与煤储层优势裂隙方向是一致的;在文王山断层以北的区域，最大主应力方向与煤储层优势裂隙方向斜交，裂隙面受挤压力的作用。

研究表明，煤储层渗透率受煤储层埋深的影响[3,17]，为了减少埋深对煤储层渗透率的干扰，分别从埋深在430～470 m(表2)和500～530 m(表3)，探究水平应力差与煤储层渗透率的关系(图6)。

表2 430～470 m埋深，水平应力差与煤储层渗透率对比
Table 2 Comparing of 430-470 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤矿钻井编号埋深/m水平应力差/MPa渗透率/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，水平应力差与煤储层渗透率对比
Table 3 Comparing of 500-530 m burial depth,horizontal stress difference and coal reservoir permeability

煤矿钻井编号埋深/m水平应力差/MPa渗透率/10-15m2高河5512.075.1500.008 43常村4503.554.4160.135 6五阳8521.857.7100.010 3五阳10528.819.1700.015 0漳村16519.551.7390.652 4漳村17510.535.5840.050 0

图6 不同埋深水平压力差与渗透率的关系Fig.6 Relationship between horizontal pressure difference and permeability at different depth

结果表明:① 在430～470 m和500～530 m埋深范围内，相同的水平应力差作用下，二岗山断层和文王山断层之间区域的煤储层渗透率普遍高于二岗山断层和文王山断层之外区域的煤储层渗透率(图6(a),(b))，这是应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙发育方向的相对关系决定的。二岗山断层和文王山断层之间的区域，水平主应力差的方向与煤储层优势裂隙组发育方向一致时，煤储层中的裂隙受拉张作用，煤储层渗透率提高，有利于煤层气的开采;二岗山断层以南和文王山断层以北的区域，水平主应力差的方向与煤储层优势裂隙组发育方向不一致时，煤储层中的裂隙受到挤压，渗透率降低，对煤层气的开采产生不利影响。因此，研究区煤储层的渗透率受文王山、二岗山两断层的控制。② 煤储层渗透率与水平应力差呈指数关系，煤储层渗透率随着水平应力差的增加呈指数性降低(图6(c))，即σH-σh值较大时会造成岩体内剪应力较大，当超过岩体抗剪强度时，岩体将发生破裂，容易形成断层、节理等构造[30]。

3.2.3有效应力与渗透率关系

在煤层气开采过程中，煤储层渗透率是动态变化的，在煤储层中随着水和气体不断排出，煤储层压力逐渐下降，煤储层有效应力逐渐增加，使煤储层中的孔隙和裂隙逐渐被压缩，甚至闭合，煤体发生显著的弹塑性形变，使煤储层渗透率明显下降，并使得气井产能降低。目前，普遍认为，随着有效应力的增加，煤的渗透率呈指数下降。

研究表明，煤储层渗透率不仅仅受单向地应力的影响，而是受多种地应力(σH,σh和σv)的综合影响[3,6]。因此，将有效地应力(σeff)定义[31]为

(13)

统计结果显示:煤储层渗透率随有效应力的增加呈指数降低(图7(a))，煤储层渗透率与有效应力的关系表达式为

k=9.958 4e-0.465σeff

(14)

图7 煤储层渗透率与有效应力、埋深的关系Fig.7 Relationship between permeability and effective stress，buried depth of coal reservoirs

根据式(13)可知，煤储层压力是影响有效应力的关键指标，进而对煤储层渗透率产生影响。随储层压力的增加，有效应力减小，煤储层渗透率增加，煤储层压力与煤储层渗透率存在正相关关系。在其他相同条件下，煤储层压力高的地区，渗透率一般较高，有利于煤层气的开发生产;煤储层压力低的地区，渗透率一般较低，不利于煤层气的开发生产。因此，潞安矿区储层压力梯度平均为0.35 MPa/hm，为严重欠压，该特点可能是该区渗透率低，产气量不高的主要影响因素之一。

当有效应力<12 MPa时，随应力值减小，煤储层渗透率趋于逐渐增大;当有效应力>12 MPa时，高应力使煤体发生明显的弹塑性形变，煤体挤压破碎使孔裂隙压缩甚至闭合，阻断裂隙通道，致使煤储层渗透率趋近于0，而这一深度范围大致在610 m以深。即610 m以深，由于储层压力低，相应的有效应力高，造成了煤储层渗透率较低(图7(b))。

4 结 论

(1)潞安矿区3号煤储层整体为中-低应力区，应力场类型在垂向上呈非均匀分布，在埋深400～610 m区域内，以走滑断层应力场型(σH>σv>σh)起主导作用;在埋深610～800 m区域内，正断层应力场型(σv>σH>σh)起主导作用。潞安地区现代地应力场侧压系数K值随埋深增加而下降，其随埋深关系的关系式为:131.67/H+0.165 9≤K≤544.72/H+0.238 0，整体表现为“浅部离散，深部收敛”的特征。

(2)煤储层渗透率与最大、最小水平主应力及其应力梯度存有较好的幂函数关系;煤储层渗透率都随最大、最小水平主应力及其应力梯度的增加而快速减小。

(3)水平应力差实质上是通过控制煤储层裂隙开合程度对煤储层原始渗透率施加影响。当矿区应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙组发育方向一致时，煤储层中的裂隙受拉张作用，煤储层渗透率提高;当矿区应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙组发育方向不一致时，煤储层中的裂隙受到挤压，煤储层渗透率降低。这也是二岗山、文王山断层之间区域渗透率普遍高于二岗山、文王山断层之外区域渗透率的地质原因。

(4)煤储层渗透率随有效应力的增加呈指数降低。在同等条件下，煤储层压力高的地区，有效应力低，渗透率一般较高;煤储层压力低的地区，有效应力高，渗透率一般较低。潞安矿区3号煤储层压力梯度平均为0.35 MPa/hm，为严重欠压，该特点可能是该区渗透率低，产气量不高的重要影响因素之一。