地应力场特征及其对煤储层压力和渗透率的影响研究

孟贵希

（华东油气分公司勘探开发研究院，南京 210011）

地应力场特征及其对煤储层压力和渗透率的影响研究

孟贵希

（华东油气分公司勘探开发研究院，南京 210011）

通过对鄂尔多斯盆地延川南区块和沁水盆地和顺区块31口煤层气井试井资料分析，将含煤区块分为伸张型应力场和挤压型应力场，针对两种应力场背景下储层压力和渗透率与地应力的关系，以及最小水平主应力对渗透率的控制作用机理，提出地应力研究在煤层气选区评价的指导作用：继承型原型盆地稳定抬升，多以拉伸应力场为主，应力场较有利；残留型盆地构造运动较剧烈，多以挤压应力场为主，应力场相对较不利。通过将贵州省织纳煤田织金区块、安徽省淮南矿区、贵州省亦资孔盆地红果区块、华北盆地平顶山区块的地应力资料分别与开发试验区块的地应力资料进行对比，提出建议，即：贵州省织纳煤田织金区块和安徽省两淮煤田的淮南矿区部分最小水平主应力较小区值得进一步勘探；贵州省亦资孔盆地红果区块和华北盆地平顶山区块以挤压型应力场为主，最小水平主应力高，勘探风险高，不建议投入勘探工作量。

煤层；地应力特征；挤压型；伸张型；渗透率；储层压力

0 引言

国外学者对于煤层气勘探开发中的地应力研究较早，澳大利亚学者Enever JR与Horner DM在1989年撰文论证了原地应力是影响澳大利亚含煤盆地水力压裂效果的关键因素[1]。Enever（1994）进一步指出:澳大利亚寻求煤层气商业开发要应用原地应力研究寻找渗透相对较高地段[2]。

美国黑勇士盆地煤层气高产区与煤储层原地最小主应力有着较好的相关关系，其中Oak Grove气田迪姆地区煤层气产量≥2265 m3/d的井的原地主应力＜6.2 MPa，Cedar Cove气田克林地区产量≥2832 m3/d的井也分布在原地主应力＜15.5 MPa的相对低值区[3]。

中国石化华东油气分公司在煤层气勘探开发的过程中，逐步发现煤层气勘探开发重点高阶煤区块鄂尔多斯盆地延川南、沁水盆地和顺（图1）等煤层气资源较丰富，有利目标区基本明确，但区块内煤储层所承受的原地主应力相对国外含煤盆地整体比较大（10～40 MPa）。美国黑勇士盆地水平最小应力值一般为1～16 MPa，少数达15.5 MPa；澳大利亚东部悉尼盆地、鲍恩盆地为1～10 MPa，少数达14 MPa[3]。为充分利用煤层气井试井和压裂数据，本文结合构造特征、产量数据等资料，探索不同地应力场类型下主应力对储层压力和渗透性的影响、及其在选区和目标评价的应用。

图1 研究区位置图Figure 1 Study area location

1 煤层地应力场特征

1.1 现今地应力测量及计算方法

在煤层气勘探与开发中，针对煤储层试井测试或水力压裂中采用水压致裂法测量获取了煤层的破裂压力、闭合压力及储层压力等参数，结合实验室煤岩力学测试结果，可以由以下公式可获得三个方向的应力值。

在竖直钻孔中测量原地应力时，设最大、最小水平主应力分别为 σhmax和 σhmin（即 σ1=σhmax，σ2=σhmin），钻孔周围岩石的抗张强度为T，岩石孔隙压力为P0，封隔孔段，注水增压到破裂压裂Pf使孔壁破裂，此时存在下述关系：

孔壁破裂后，若继续注液且增大压力，则裂缝将向纵深扩展，若停止注液增压，并保持压裂回路密闭，则裂缝立即停止延伸，趋于闭合。当达到刚刚保持裂缝张开时的平衡压力叫做瞬时关闭压力Pc，它等于垂直于裂缝面的最小水平主应力，即：

如果再次对封隔段注液增压，使破裂重新张开，则可得到破裂重新张开时的压力Pr。由于这时岩石已经破裂，所以抗张强度T=0，由Pf变为：

由（1）、（2）和（3）可得：

最大水平主应力σH为：

垂向应力可据上覆岩石的重力计算。

式中γ为岩石容重（kN/m3），H为上覆岩体的厚度或埋深（m）。

1.2 现今地应力场特征

在钻井水力压裂法和力学模型计算获得煤层地应力值后，一般采用系数λ（λ=σH/συ）对地应力场进行分类，λ＜1表明，最大水平主应力小于垂向应力，煤层总体以垂向上压应力为主，水平方向则以拉伸应力为主，具有大地静力场特征；若λ＞1，最大水平主应力大于垂向应力，煤层总体以水平向上压应力为主，具挤压型应力场特征；若λ≈1，则地应力场接近静水压力场。

图2 延川南区块地应力与埋深分布关系图Figure 2 Relationship between ground stress and buried depth distribution in Yanchuan south block

延川南区块二叠系山西组2号煤层20口井地应力计算结果：2号煤层最大水平主应力9.96～37.63 MPa，平均为21.93 MPa；垂直应力24.1～40.5 MPa，平均为30.6 MPa（图2）；其中17口井垂直应力大于水平主应力，其余3口井因局部构造应力集中且地震解释井附近逆断层发育，水平最大主应力大于垂直应力。最大水平主应力与垂直应力比值λ系数0.41～1.19，平均为0.72（图3），表明延川南区块2号煤层垂直应力总体上大于最大水平主应力，现今地应力状态为伸张带，具有大地静力场型特征，这种应力状态有利于正断层活动和裂缝保持开启状态。

和顺区块石炭系太原组15号煤层11口井地应力计算结果：太原组15号煤层最大水平主应力17.42～36.69 MPa，平均为24.92 MPa；垂直应力13.55～34.31 MPa，平均为23.04 MPa（图4）；最大水平主应力与垂直应力比值λ系数0.53～1.64，平均为1.15（图5），其中9口井水平最大应力大于垂直应力，表明和顺区块15号煤层总体上最大水平主应力大于垂直应力，现今地应力场以水平应力为主，现今地应力状态为压缩带，具有挤压型应力场特征，这种应力状态有利于逆断层或平移断层活动和裂缝闭合。

图3 延川南区块系数λ与埋藏深度关系图Figure 3 Relationship between coefficient λ and buried depth in Yanchuan south block

图4 和顺区块地应力与埋深分布关系图Figure 4 Relationship between ground stress and buried depth distribution in Heshun block

图5 和顺区块系数λ与埋藏深度关系图Figure 5 Relationship between coefficient λ and buried depth in Heshun block

2 储层压力及渗透率与地应力的关系

2.1 煤储层压力与地应力关系

煤储层压力与地应力密切相关，一般情况下，随着地应力的增加，煤储层孔隙-裂隙被压缩，体积变小，煤储层压力增大；反之，则减小。现今煤层埋藏深度和温度基本不变的情况下，煤的成岩作用基本停止，煤变质作用停止，则煤储层孔裂隙基本不变；在煤层中流体饱和状态下，煤储层压力、煤层骨架承受的应力（有效应力）与上覆地层压力（垂向应力）三者之间的关系为：

式（7）中σ为有效应力，即煤层骨架承受的应力，P0为储层压力，三者之间的作用关系见图6，从关系式和示意图中可以得知，一般情况下煤储层压力应与垂向应力呈正相关关系，但笔者对鄂尔多斯盆地延川南区块和沁水盆地和顺区块等地应力与储层压力等相关数据统计分析后，发现不同类型的地应力场环境中，储层压力与地应力的关系有两种关系类型，下面分伸张型地应力场和挤压型地应力场分别分析。

2.1.1 伸张型地应力场

伸张型应力场以延川南区块二叠系山西组2号煤层为例，统计分析发现2号煤储层压力与垂向应力正相关关系明显，两者为幂函数关系，相关系数R2=0.77（图7a）；随垂直主应力增大，即煤层埋深加深，储层压力增大（图7b）；与两个水平主应力相关程度较低（图7c，图7d）。

2.1.2 挤压型地应力场

挤压型应力场以和顺区块石炭系太原组15号煤层为例，统计分析发现15号煤储层压力与垂向应力具有正相关趋势，但二者线性关系不明显，相关性系数R2=0.53（图8a）。储层压力受煤层埋深影响较小，埋深400～1000 m二者相关性较差且储层压力值相差不大，深部1000～1 400 m二者正相关趋势相对明显（图8b），这说明和顺区块浅部水平应力作用强，体现在最大水平主应力与垂直应力比值λ系数1.0～1.64，反映构造作用强，不利于煤储层压力的保存。储层压力与两个水平主应力相关程度均较低（图8c，图8d）。

图7 延川南区块2号煤储层压力与地应力及埋深相关关系图Figure 7 Correlation between reservoir pressure and ground stress,buried depth of coal No.2 in Yanchuan south block

图8 和顺区块2号煤储层压力与地应力及埋深相关关系图Figure 8 Correlation between reservoir pressure and ground stress,buried depth of coal No.2 in Heshun block

2.2 渗透率与地应力关系

2.2.1 伸张型地应力场

煤储层渗透率与煤层孔裂隙的开启程度密切相关，最小水平主应力垂直于裂缝面，等于刚刚保持裂缝张开时的平衡压力（闭合压力），统计分析发现伸张型应力场下，延川南2号煤层渗透率与水平最小主应力呈负相关趋势（图9a），且水平最小主应力超过20 MPa，渗透率降低0.01 mD以下；水平最小主应力梯度大于1.5 MPa/100 m，渗透率小于0.1 mD（图9b）。水平最小主应力较大（超过20 MPa）或者应力集中时（水平最小主应力梯度大于1.5 MPa/100 m），煤储层渗透性较差，煤层气不易向井筒运移，煤层气井产气量较低，延2、7、20、26井4口井水平最小主应力梯度均大于1.5 MPa/100 m，其中20、26井水平最小主应力超过20 MPa；4口井最高产气量215～625 m3/d，稳产气50～400 m3/d，累产气3.8～9万方，产气效果较差。

图9 延川南区块2号煤层渗透率与最小水平主应力关系图Figure 9 Relationship between permeability and minimum horizontal main stress of coal No.2 in Yanchuan south block

2.2.2 挤压型地应力场

挤压型应力场下，和顺区块及周边17口煤层气探井太原组15号煤层试井渗透率普遍较低，一般为0.002～0.04 mD平均为0.014 mD，与最小水平主应力呈负相关关系（图10a）。对和顺区块生产2年以上的和6煤层气井组进行生产数据历史拟合，据拟合渗透率小于0.05 mD，与水平最小主应力呈负幂数关系，随最小水平主应力增大，渗透率迅速递减（图10b）。

日产气量与最小水平主应力呈负相关关系，最小水平主应力增大，煤层气井平均产气量也随之减小；水平最小主应力＜10 MPa，煤层气井产量较高（图11）。

图10 (和顺区块2号煤?)渗透率与水平最小主应力关系图Figure 11 Relationship between permeability and minimum horizontal main stress of coal No.2 in Heshunblock

图11 平均日产气量与最小水平主应力与关系图Figure 11 Relationship between average daily gas production rate and minimum horizontal main stress

3 最小水平主应力对渗透率的控制作用机理

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。煤储层的孔隙结构是由基质孔隙和裂缝孔隙组成的双重孔隙系统。基质孔隙是植物遗体残片之间及其同矿物质堆积物之间的一种粒间孔隙，割理的发育程度、面割理的走向、割理的宽度是控制煤储层渗透率的主要因素。虽然基质孔隙也有一定的渗透性，但因其孔径较小，渗透率可视为零。因此，煤层的渗透率取决于割理系统的渗透率。由于煤层基质渗透率远远小于煤层割理渗透率，测试所反映的渗透率为以割理渗透率为主的综合渗透率。

地应力对煤储层渗透性的影响，主要指的是最小水平主应力对渗透性的影响，最小水平主应力与裂缝走向呈垂直关系，控制天然裂缝的开启程度，进而影响煤储层渗透性。

3.1 煤储层割理面的压缩变形

当割理面法向力σn为压应力时，割理产生法向压缩变形，开始先为点或线接触，经过挤压，局部破碎或劈裂，接触面增加，割理面压缩量呈指数曲线特征，其指数函数为：

式中：x为割理面压缩量（cm）；b0为割理初始张开度（cm）；σn法向压应力（MPa）；kn为割理法向刚度（MPa/cm），实际上为法向变形曲线的斜率

此时，割理面的实际开度为b：

3.2 煤储层裂隙渗流模型

由于地质历史时期构造运动作用，煤储层被大量的节理裂隙所切割，这些裂隙虽杂乱无章，但有一定的规律可循。地质调查发现，煤储层往往由几组平行的裂隙所切割，所以，可以将煤储层裂隙假设为平行、等间距、等隙宽的裂隙组进行理论研究。煤储层的渗透率包括基质渗透率和裂缝渗透率。由于煤层的基质孔隙太小，其表面的吸附作用很大，基质渗透率可忽略不计。这样煤层气在煤体中的渗流，其本质是煤层气在割理及其相互交错形成的网络中的渗流。采用这些假设后可得到一组平行裂隙的渗透率K表达式为：

式中：K为裂隙的渗透率（×10-3μm2）；b为裂隙等效隙宽（cm）；D为裂隙平均间距（cm）；α为裂隙面与压力梯度轴的夹角（°）；c为与单位有关的系数；β为裂隙网络的连通系数。

从（10）式不难看出，裂缝储层渗透率的大小与裂缝张开度的三次方成正比例关系。

当应力发生变化后的渗透率Kf为：

式中：Kf为煤储层在受地应力作用后的渗透率；K0为煤储层原始渗透率[4]。

由（11）式可以看出，煤储层渗透率随着割理面正应力的增加呈指数关系降低，这与国内外学者所分析的结果一致。

4 扩展应用研究

当前我国煤层气勘探开发投资有呈下滑的趋势，2011年～2014年我国煤层气的年新钻井数分别约为3100口、4000口、1900口和1200口[5]，主要原因是现阶段煤层气勘探开发的风险是单井产量普遍不高，增产稳产技术更新较慢[6]，加上2014年下半年以来，国际油价暴跌，油气公司收入大幅度下滑，影响了油气公司对煤层气勘探开发投入的积极性。因此在国际油价长期低迷的新常态下，油气公司利用有限投资，寻找煤层气商业产建目标区是现阶段的主要方向，上述煤层气勘探程度高、排采时间长区块的研究表明影响产量主要参数储层压力和渗透率的有利区段与地应力密切相关，因此作者对勘探程度低，资源潜力大的区块内地应力测试资料收集整理，进行了地应力分析研究，以期对煤层气勘探投入排序和矿权取舍的决策提供依据，依据资料收集现状，依次对南华北盆地平顶山区块、两淮煤田的淮南合作区、贵州红果区块、织金区块等进行地应力评价。

4.1 南华北盆地及两淮煤田

表1 中国石化重点煤层气区块地应力参数统计表Table 1 Statistics of ground stress parameters in SINOPEC key CBM blocks

南华北盆地平顶山区块内煤田勘探程度较高，煤矿巷道开拓中，地应力测试资料较多，叶明亮，孙猛等[7-10]先后应用地应力声波检测、应力解除法获得平顶山矿区48处地应力数据（表1），统计分析发现平顶山矿区原岩地应力以水平应力为主，λ系数0.60～2.69，平均为1.53，具挤压型应力场特征。

安徽省两淮煤田淮南矿区新集、潘集、新庄孜矿等矿在研究煤层顶板稳定性中进行地应力测试研究，师修昌等[11]应用水压致裂法测得新集煤矿1煤层围岩最小水平主应力12.16～21.17 MPa，λ系数0.98～1.30，平均1.07；孟召平[12]淮南潘集二号井和新庄孜矿采用应力解除法实测原岩应力结果，侧压力系数λ值一般为0.49～1.49，平均为0.92（表1）；二者采用两种方法测得淮南矿区地应力状态基本一致，表明淮南矿区主力煤层应力系数λ≈1，地应力场接近静水压力场，部分区域（λ系数＜1）地应力以垂直应力为主。

4.2 贵州省织纳煤田及亦资孔盆地

贵州省织纳煤田织金区块8口井水力压裂地应力测试结果表明龙潭组主力煤层λ系数0.59～1.6，平均0.91（表1），煤层地应力以垂直应力为主，水平方向则以拉伸应力为主，具有大地静力场特征，煤储层裂缝易于保持开启状态，有利于煤层气渗流，该地区煤层气井排采后5口产量超过1 000 m3/d，其中织4、织5井稳产量超过2400 m3/d，显示出拉伸应力背景下煤层气勘探潜力较大。

贵州省亦资孔盆地红果区块5口井水力压裂地应力测试结果表明该区块龙潭组主力煤层λ系数0.97～1.73，平均为1.26，反映该区水平主应力为主，具挤压型应力场特征；且最小水平主应力较高，最小水平主应力10.52～28.33 MPa最小水平主应力梯度2.07～2.94 MPa/100 m（表1），裂缝不易保持开启状态，不利于煤层气渗流，5口井产量较低，单井最高产量70～362 m3/d。

4.3 对比分析

通过总结延川南及和顺区块地应力场特征及最小水平主应力与渗透率、产量的相关性规律，初步提出煤层气勘探优选拉伸性应力场背景下（λ系数＜1），且最小水平主应力小于20 MPa的区域，贵州省织纳煤田织金区块和安徽省两淮煤田的淮南矿区部分最小水平主应力较小区值得进一步勘探。沁水盆地14口探井及1个试验井组（30口井）2年多的排采结果表明挤压型应力场背景下，最小水平主应力梯度高且应力值高，渗透率小，煤层气产量低；仅部分正向构造区地应力较小，但分布范围有限，煤层气勘探风险较高，贵州省亦资孔盆地红果区块5口井的排采结果进一步证实高闭合压力分布区煤层气井产量低，勘探风险大，因此不建议在南华北盆地平顶山区块进行勘探工作量投入。

5 主要结论

通过对鄂尔多斯盆地延川南区块和沁水盆地和顺区块31口煤层气井试井资料分析，利用经典岩石力学模型计算出三个主应力值，比较水平主应力与垂直主应力比值，即利用系数λ（λ=σH/συ）划分应力场类型及其深度分布范围，分两种应力场背景下分析储层压力和渗透率与地应力的相关关系，分析地应力对煤储层渗透性影响的机理.取得如下结论和认识：

1）依据试井和压裂实测资料计算分析，现今鄂尔多斯盆地延川南2号煤层、贵州省织纳煤田织金区块以伸张型应力场为主，沁水盆地和顺区块15号煤层、亦资孔盆地红果区块龙潭组煤层以挤压型应力场为主。根据煤矿收集地应力测试资料计算分析，安徽省淮南矿区地应力场以接近静水压力场为主，南华北盆地平顶山区块以挤压型应力场为主。

2）依据试井资料较多的延川南及和顺区块总结出两种应力场背景下储层压力与地应力关系：伸张型应力场内储层压力与垂直主应力幂函数正相关，即深部储层压力较高；挤压型应力场内浅部煤储层压力与地应力关系不明显，由于水平主应力较大，储层压力受构造等保存条件影响较大。

3）根据试井渗透率和生产数据历史拟合渗透率总结出种应力场背景下渗透率与地应力关系：伸张型应力场下，渗透率与水平最小主应力呈负相关趋势，水平最小主应力梯度大于1.5 MPa/100 m，渗透率小于0.1 mD；水平最小主应力超过20 MPa，渗透率降低0.01 mD以下。挤压型应力场下，生产数据拟合渗透率与水平最小主应力呈负幂数关系，水平最小主应力＜10 MPa，产量较高。

4）依据延川南区块及和顺区块60余口井排采2年以上的产量数据与地应力场进行相关性分析，初步归纳出地应力研究在煤层气选区评价的指导作用：继承型原型盆地（鄂尔多斯盆地）稳定抬升，多以拉伸应力场为主，应力场较有利；残留型盆地（沁水盆地）构造运动较剧烈，多以挤压应力场为主，应力场相对较不利。

5）通过收集重点煤层气区块内煤矿地应力资料，建立地应力类型评价方法，并与开发试验区块进行对比，建议在贵州省织纳煤田织金区块和安徽省淮南矿区进行煤层气勘探工作；贵州省亦资孔盆地红果区块和华北盆地平顶山区块以挤压型应力场为主，最小水平主应力高，勘探风险高，不建议投入勘探工作量。

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Study on Ground Stress Field Features and Its Impact on Coal Reservoir Pressure and Permeability

Meng Guixi
(Exploration and Exploitation Research Institute,East China Branch,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210011)

Through analysis of 31 CBM wells testing data from the Yanchuan south block in Ordos Basin and the Heshun block in Qins⁃hui Basin has partitioned coal-bearing block stress field into stretching stress field and compressive stress field;analyzed relationship between ground stress and reservoir pressure,permeability under two different stress field backgrounds,as well as minimum main stress control mechanism on permeability.Preliminary induced guiding function of ground stress study on CBM exploration and exploi⁃tation target selection:the inherited prototype basins stably uplift,mostly stretching stress field,thus more favorable;the residual ba⁃sins have experienced stronger tectonic movement,mostly compressive stress field,relatively adverse.Through ground stress data from the Zhijin block of Zhina coalfield in Guizhou,Huainan mining area in Anhui,Hongguo block of Yizikong Basin in Guizhou,Pingding⁃shan block in North China Basin carried out comparison with ground stress data from the exploitation experiment blocks respectively, have put forward corresponding suggestions.Namely:Zhijin block of Zhina coalfield in Guizhou and Huainan mining area in Anhui have minor minimum horizontal main stress thus are worth further exploration;while Hongguo block of Yizikong Basin in Guizhou and Pingdingshan block in North China Basin have mainly compressive stress field with higher minimum horizontal main stress,thus higher exploration risks,further workload is not suggested.

coal seam;ground stress features;compressive type;stretching type;permeability;reservoir pressure

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.05

1674-1803(2017)03-0021-07

国家科技重大专项，“物探技术在煤层气勘探开发中的应用”（2011ZX05035006）

孟贵希（1983—），男，工程师，主要研究方向为煤层气勘探评价、川东南寒武系天然气地质评价等工作。

2016-11-28

责任编辑：宋博辇