老厂矿区雨汪区块地温-地压系统及其展布特征

蒋秀明，吴财芳，张二超，张莎莎

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116;2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤系地层的温度-压力场是其内部能量的综合体现，是区域地层构造活动长期耦合的结果，也是影响煤层气勘探开发的重要因素[1-2]，对煤炭资源开发以及煤矿安全生产具有重要的影响[3]。地层温度和地温梯度的影响因素是多方面的：地层埋深是主要因素，地层深度越大，温度越高，地温梯度越小，并且趋于一个稳定值；构造也是影响地层温度与地温梯度的重要因素，在一些构造较为发育地区，褶皱控制了地层温度和地温梯度，背斜核部的地层温度会明显高于相同深度的翼部[4-5]。地温-地压系统抽象模型化也是地温-地压系统研究的热点，刘震[6]通过数学推导了地层温度-压力关系的数学模型，划分出高压型和低压型复式温压系统。

老厂雨汪区块富含煤炭及煤层气资源，区块内部的构造相对简单。但地应力较为复杂，主要以中等—高等地应力为主，局部发育超高等地应力[7]。较高的地应力条件造成了雨汪区块储层压力的局部异常[8-9]。然而地温的研究还相对薄弱，相比于滇东整个区域的地温特征[10]，雨汪区块构造控温未见学者进行深入研究[11]。地层温度异常升高的原因也尚不清楚。为此，本文通过分析老厂雨汪区块的地温-地压系统的分布特征和规律，探讨地温-地压系统的展布特征以及影响因素，以期为该区煤层气勘探开发提供依据。

1 研究区地质背景

雨汪区块位于滇东地区老厂向斜南东翼，主体构造为一较平缓的单斜。边缘部分发育有数条压性和压扭性断层，倾角较陡。内部主要发育有B1背斜、S1向斜、F1断层、F3断层等较大的构造形迹[8]。自北向南，构造形迹由北东-南西向逐渐转为东西向。区内断层除F1为正断层外，其余均为逆断层，且自北向南呈现阶梯状展布，倾向均为北西或北向(图1)。

研究区出露的主要地层由下至上分别为中二叠统茅口组(P2m)、上二叠统龙潭组(P3l)、上二叠统长兴组(P3c)、下三叠统卡以头组(T1k)、下三叠统飞仙关组(T1f)、下三叠统永宁组(T1yn)以及外围分布的中三叠统个旧组(T2g)和火把冲组(T2h)。龙潭组是区内主要含煤岩系，部分区域含煤层数可达45层。煤层分布不均匀，易尖灭。其中3号、7+8号、9号、13号、16号、19号煤层是雨汪区块煤及煤层气开发的主力层段。

图1 雨汪区块构造纲要图Fig.1 Outline diagram of the Yuwang block structure

雨汪区块位于南盘江水文地质单元，地下水补给主要来自大气降水。区内含煤地层的水文地质状况较为简单，主要由富水性较强的石灰岩岩溶含水层以及砂页岩弱裂隙含水层组成，中间以透水性较弱的黏土层隔开。其中，底部的茅口组灰岩岩性为浅灰色厚层状石灰岩，厚度>200 m，隐伏于含煤地层以下，但在老厂背斜核部出露，岩溶发育并接受大气降水的补给形成地下径流，作为研究区断层裂隙水的主要补给来源。

2 地温-地压系统

地温-地压系统是地底内部能量场的具体表现形式，包含了地层温度和储层压力。在系统内部，地层温度和储层压力互相耦合，构成一个独特的独立封闭系统。其中，热能和机械能互相转换达到一个稳态平衡。在相邻系统之间存在着能量的互相转换和传递而并没有物质交换[12]。

前人通过大量的研究和数据拟合分析发现：在每一个这样的封闭系统内部，地层温度和储层压力存在一定的线性关系[6]，其数学表达式为

T=Kp+L，

式中：T为地层温度，℃；p为储层压力，MPa；K，L为常数。

对于不同的地温-地压系统，温度和压力直线关系的斜率也不一样。刘震等[6]依据不同的K、p值将中国的含油气盆地系统分为高压型复式温压系统模式等三大类五亚类。

2.1 地层温度

地层温度的获取主要依赖煤田及其他钻孔的井温测井，主要有近似稳态测温和简易测温2种方式[13]。近似稳态测温是指当井底扰动基本停止后对钻井进行的平衡测温。这种方式测得的井温数据由于是在长时间的井液循环停止后进行的，因而地层有较长的岩温恢复时间，井温数据可以直接用来求取地温梯度。但由于这种测温方式耗费大量的时间和精力，因此，进行近似稳态测温的井较少，大量的煤田钻孔都只进行了简易测温。简易测温是在钻井完成后进行的测温，由于井液循环时间较短，所以测温数据存在一定的误差，必须利用近似稳态测温数据进行校正。本文选取了研究区2口近似稳态测温井数据和23口简易测温井数据，进行地层温度特征分析。其中，11号和15号井为近似稳态测温井，其余井为简易测温井。

简易测温数据都经过三点法进行校正[14]，用来求取地温和地温梯度。研究发现，区内地层温度随着深度增加而逐渐增加，地温和地层埋藏深度之间表现出良好的线性关系(图2)，表明研究区地温传递主要为热传导型[15]。但地层温度与地温梯度的区域分布特征差异较为明显。研究区局部地温可达到35.5～40 ℃,而部分区域较低，仅为10 ℃左右,大部分地区地层温度主要集中在15～25 ℃间。地温较低区域主要集中在东北部，此处构造较为简单，仅有2条较大的褶皱，同时褶皱的倾角较缓，构造挤压不强烈。其中B1背斜两翼地层倾角均小于15°，平均10°左右；S1向斜两翼倾角15°左右，略微向西南端以2°扬起。南部的地层温度普遍较高，局部可超过35 ℃，甚至达到40 ℃。这主要是因为南部区域发育有2条较大的断层F2和F3，导通深部二叠系茅口组灰岩强含水层，使该区域深部地层内部热量随地下热水循环至上部并加热地层，形成异常高温区(图3)。

图2 研究区地温与深度的关系Fig.2 Relationship between geotemperature and depth in the study area

图3 研究区3号煤层温度等值线Fig.3 Study area No.3 coal seam temperature contour map

2.2 地温梯度的求取

本文收集了研究区煤田地质勘探钻孔和煤层气井(共25口)的地温测井数据，利用最小二乘法线性回归求取地温梯度。

地温梯度的计算公式为

式中：G为地温梯度，℃/100 m；T为计算点井温，℃；T0为区域恒温带温度，℃；H为计算点深度，m；H0为区域恒温带深度，m。

依据前人研究成果可知，老厂矿区恒温带深度约为130 m，恒温带温度约为17.1 ℃[16-18]。

雨汪区块现今地温梯度随地层深度的增加逐渐减小，在一定深度后趋于稳定(图4)。深度在440 m内，地温梯度分布较为离散，均小于6 ℃/100 m；在深度大于440 m之后，地温梯度趋于稳定，变化较小，且明显小于地层浅部地温梯度。

综合分析认为：雨汪南部区域断层沟通二叠系茅口组灰岩含水层，造成南部区域地温热异常以及地温梯度异常分布，与北部区域具有较大的差异。同时与滇东区域整体地温分布趋势和地温值域分布差异较大。由图4可以看出，雨汪南部地温梯度值基本大于4 ℃/100 m，且南部地温梯度稳定深度范围明显大于北部区域，表明断层F3切割深度可能超过800 m，造成底部地温异常升高(图5)。

图4 研究区地温梯度与深度的关系Fig.4 Relations of geothermal gradient and depth in the study area

图5 研究区地温梯度等值线Fig.5 Geotemperature gradient contour map

3 地应力与储层压力特征

对雨汪区块煤层气井采用注入/压降试井方法，求取主要可采煤层的破裂压力、闭合压力和煤储层压力等相关参数。通过分析注入曲线可求取煤层的破裂压力，分析压降曲线可求取煤层裂缝的闭合压力等储层压力数据。雨汪区块整体地应力较高，属于高等地应力发育区。同时，由于雨汪区块发育多煤层叠置含气系统[19-20]，地层内部发育多层渗透性较低的泥岩作为分界，造成地层内部压力系数随着深度的增加呈现波动趋势，超压与欠压地层均有发育。研究结果显示，区内煤储层压力系数平均值为1.032，总体为超压储层(图6～7)。地层浅部区域的最大-最小应力差较小，地应力集中在10～20 MPa间；当深度大于750 m时，最大-最小应力差出现较大差异，最小水平主应力依旧维持在20 MPa以下，而最大水平主应力出现较大幅度的增长，达到30 MPa以上(图6)。这是由于区域周边的褶皱和断层在地层深部应力没有完全释放，造成较大的最大-最小水平应力差。

图6 煤储层地应力与深度的关系Fig.6 Relations formation pressure and depth

图7 煤储层压力系数与深度的关系Fig.7 Relations pressure coefficient and depth

研究区浅层储层压力约为6 MPa，随着深度增加，储层压力逐渐增加。在大约750 m的深处出现转折点，表现为深度大于750 m时储层压力激增，超过8 MPa。这由于地层深部发育泥岩地层作为分隔层，形成封闭系统，造成储层压力出现突然性增大(图8)。

图8 储层压力与深度的关系Fig.8 Relations reservoir pressure versus depth

4 储层地温-地压系统

前人研究认为，随着埋藏深度不断增加，上覆地层的保温效果越来越好，加之不同地区的构造形迹、岩浆岩的发育情况和地下水的发育存在差异，造成不同地区不同深度的地温-地压系统也不相同。一般包括一个浅层地温-地压系统和多个深层地温-地压系统。各地温-地压系统的斜率随着深度不断加大，形成一种“折线”[6]。

结合前文分析，可以将雨汪区块地底能量场划分为2个部分，即北部低温高压系统和南部高温低压系统。雨汪北部地区地层温度和地温梯度明显低于南部的。雨汪南部地层温度基本高于30 ℃，北部区域地层温度维持在15～25 ℃间；雨汪区块南部储层压力基本在8 MPa以下，北部储层压力较高，最高可达11.27 MPa(图9)。这种南北分异特征与研究区地应力随着深度的增加而出现的分异特征具有较好的相关性。

图9 储层温度与压力的关系Fig.9 Reservoir temperature and pressure

研究区储层地温-地压系统的区域分布特征是地层、构造、水文等多种因素的耦合结果：深部发育泥岩地层作为分隔形成封闭系统，造成内部的储层压力突然性增大；研究区北部主要发育褶皱、南部以断层为主的构造形迹特征形成了地应力随深度的展布状况；研究区的水文地质特征则是地层温度和地温梯度分异的主要原因。

5 结 论

(1)雨汪区块地温场分布呈现明显的南北分异特征。南部由于存在2条大型断层，沟通底部茅口组灰岩含水层，热水循环至上部并加热地层，形成异常高温区。

(2)研究区储层压力系数随着深度的增加呈现波动趋势，超压与欠压均有发育。随着深度的增加，最大、最小水平主应力在大约750 m处出现转折，推测是由于地层深部发育泥岩层作为分隔层，形成封闭系统，造成储层压力出现突然性增大。

(3)雨汪区块储层地温-地压系统的区域分布特征是地层、构造、水文等多种因素耦合的结果。