寺河井田采空区下伏煤层应力特征及其对煤层气开发的影响

2022-05-28刘亮亮李国庆李国富丁德民吉泽宇张怡冬

煤炭学报 2022年4期

刘亮亮，李国庆，李国富,丁德民，王越，吉泽宇,张怡冬

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城 048012；2.中国地质大学资源学院，湖北武汉 430074；3.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西晋城 048012；4.武汉综合交通研究院有限公司，湖北武汉 430015)

煤炭地下采掘后形成自由面，打破了原岩应力平衡，导致围岩应力重新分布，进而引起围岩的变形、移动甚至破坏。对于层状的含煤地层而言，中厚硬岩层是对于矿山压力及岩层移动破坏起控制作用的关键层。一般而言，采场覆岩在垂向上可划分为垮落带、断裂带和弯曲下沉带，采场在横向上可划分为原始应力区、增压区、减压区和重新压实区。位于采空区中部的采动裂隙被重新压实，而在采空区四周存在呈“O”形环状采动离层裂隙带，即采动裂隙“O”形圈。采场覆岩下部岩体的卸压程度高，而上部瓦斯体积分数高，存在一个瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体。与普通钻井相比，大直径地面钻井在抽采效果、服务年限和钻井稳定性等方面具有明显的优势。煤层渗透性与有效应力大小呈负指数关系，采动诱发的裂隙及卸压作用，导致采动影响范围内的煤层渗透性增强，这为采用地面井开发煤层气创造了有利的条件。下伏被保护煤层渗透率随上保护层开采厚度增加而呈“S”形增加，存在一个合理有效的保护层开采厚度范围，被保护层水平渗透率高于垂直渗透率。随着底板裂隙发育深度的增大，被保护层卸压范围变小。

应力是影响煤层含气性与渗透性的关键因素之一，并在一定程度上决定了压裂适宜性以及开发工程的有效性。良好的含气性和渗透性是煤层气井取得高产稳产的基础地质条件。研究表明，最小主应力越小，渗透率及产气量越高；主应力差越大，越有利于保持盖层的封闭性以及实现煤层压裂增透。煤层渗透率与有效应力之间存在负指数关系，而基质收缩和滑脱效应会导致渗透率升高。已有裂隙的张开压力随着埋深的增大以及裂隙面走向与最大主应力方位之间夹角的增大而增大。断层损伤区渗透性增强，裂隙与最大水平主应力方向角度较小时，渗透性高，高一个数量级。在澳大利亚Bowen和Surat盆地的断层附近及岩性变化地段，煤层应力发生很大的变化，最大水平主应力的方位随平面位置及深度变化而发生明显偏转；大多数开放性裂隙的方位角与最大主应力方位角近平行或2者夹角呈小于40°，大部分高渗煤层分布在应力发生偏转的区域，且其应力机制主要为走滑断层、正断层应力机制。San Juan盆地煤层气储层渗透率低于渗透率模型预测值，可能是由于在排采后期煤层应力变化导致煤层发生破坏，产生的煤粉降低了煤层渗透率。

岩石应力是时间和空间的函数，随岩性、岩石力学性质及埋深等因素变化。力学强度高的岩石可以承受较高的应力。软弱岩石(如煤层和页岩等)通常具有比硬的围岩(如砂岩)更高的最小主应力，而较小的剪切应力可能触发软弱岩石中已有断裂的滑动；最小主应力升高可避免弱断面发生剪切滑动，即砂岩具有较低的泊松比和较低的最小主应力，而页岩可以具有较高的最小主应力。因为岩性的差异，含煤盆地基底通常比盖层更硬，Surat盆地煤层水平应力差随着埋深的增加而减小。

煤层应力机制随深度而变化，浅部表现为挤压型，深部表现为伸展型。在鄂尔多斯盆地东缘，700 m以浅煤层应力机制以走滑断层为主，1 000 m以下以正断层应力机制为主。Bowen和 Surat盆地400 m以浅煤层处于逆断层应力机制，400 m以深主要为走滑断层应力机制。在Powder River盆地的煤层中，3种应力机制并存，在厚度大于18 m的厚煤层中，最小水平主应力明显低于垂直应力，高泵速洗井容易诱发垂直裂缝。寺河井田地应力以水平构造应力为主，东区最大水平主应力方位为北西西向，为中等应力矿区。

晋城矿区寺河井田通过在地面施工穿越采空区的煤层气井抽采下伏煤层瓦斯，是实现多煤层条件下煤与煤层气共采的创新性技术措施。应力是影响采空区下伏煤层瓦斯抽采效果的关键因素之一，而目前相关的研究鲜有报道。笔者介绍了寺河井田地质背景，分析了主应力确定方法以及基于摩擦平衡理论的主应力估算方法，基于研究区地应力测试数据以及煤层气井压裂资料，探讨了研究区3号煤层采动对下伏煤层应力、渗透性及产气效果的影响，所获得的认识可为采空区下伏煤层甲烷气开发提供借鉴。

1 地质背景

寺河井田位于沁水盆地东南部，主要含煤地层为下二叠统山西组(P)和太原组(P)，平均厚136.02 m；含煤14层，煤层总厚14.67 m，含煤系数10.8%，其中3号和15号为主要可采煤层，9号为大部可采煤层，其余为不可采煤层。5号煤层平均厚度为0.75 m，距离3号煤14.19 m；7号煤厚度为0.64 m，距离3号煤27.5 m，9号煤层平均厚度为1.34 m，距离3号煤48 m；15号煤层平均厚度为2.67 m，底板距离3号煤层平均约83.92 m。寺河矿采用斜井盘区式开拓方式、走向长壁综合机械化采煤方法。南北走向长约12 km，东西倾斜宽约23 km，地质储量为15亿t，按采区布置划分为东区、西区。

根据晋煤集团地面勘探孔的取心测试结果，寺河井田3号煤层含气量为4.24～28.96 m/t，平均为19.51 m/t；9号煤层含气量为2.87～31.94 m/t，平均为17.84 m/t；15号煤层含气量为15.12～31.46 m/t，平均为24.10 m/t。寺河井田煤炭开采底板破坏深度一般为15～20 m，多重煤层卸压开采后，下向卸压距离最高达15～100 m。寺河井田3号煤层渗透率在1.37×10～38.83×10m，渗透性较好。3号煤储层压力0.70～1.04 MPa，与国内其他主要煤层气试验区相比，煤储层压力属于低等水平。

2 储层应力确定方法

2.1 垂直应力的估算

地应力大小主要受3方面因素的影响，包括上覆岩层的重力、构造应力和岩石力学性质。对于埋深超过几十米的岩土体而言，正应力总是压应力，在地质工程中，一般定义压应力为正值，这与工程力学中正应力的正负值含义刚好相反。即地下岩土体总是处于被压缩状态。除了地表浅层岩土体和深部盐腔附近之外，埋深在几十米以上的岩土体应力主方向一般为垂直方向和水平方向，垂直应力是主应力之一。垂直应力也称为上覆自重应力，是确定应力机制的重要参数之一。垂直应力由上覆岩体的自重引起，由式(1)估算：

(1)

其中，为埋深，m；为重力加速度，9.81 m/s；()为埋深处的密度，kg/m，可以由测井得到。然而，测井的密度是随深度变化的，而且是一种间接的测试数据，也并非所有的井都有测井数据。因此，由试井密度计算的垂直应力仍存在一些不确定性。在常规油气储层应力研究中发现，沉积盆地的垂直应力随深度而增加，上覆岩层平均表观密度约2 300 kg/m，平均孔隙度约15%。本次研究中基于沉积岩石平均密度2 300 kg/m估算垂直应力。

==0022 56

(2)

式中，为上覆岩层平均密度。

2.2 主应力测试

由于应力本身的复杂性以及岩土体非均质各向异性特征，地应力大小的测试一直是比较困难的事。常用的地应力测试方法包括应力恢复法、应力解除法、水压致裂法、钻孔崩落法、声发射凯瑟效应法(Kaiser法)等。其中，水压致裂法是测量最小主应力最为实用、可靠的方法。

据水力压裂原理，压裂液总是沿着最小阻力方向流动，压裂面为张性破裂面，压裂面法线方向为最小主应力方位。试井中采用小型压裂试验可获得地层破裂压力、地层闭合压力，一般地层闭合压力近似等于最小主应力，由此估算最大水平主应力。

(3)

当最小主应力为水平方向时，最小水平主应力为最小主应力，即=。最大水平主应力为

=3--+

(4)

其中，为最大水平主应力；为最小水平主应力；为破裂压力；为地层压力；为比奥系数；为储层抗拉强度。假设比奥系数=1.0，式(5)可简化为

=3--

(5)

多循环压裂试验可以避免测试抗拉强度，可以从第1次和第2次裂隙开启压力之差估算岩石抗拉强度。

如果最小主应力方位不是水平方向，或者说的方位为垂直方向，即=，则只能得到最小主应力。式(3)～(5)的假设前提是储层为连续、均质、弹性各向同性介质，且比奥系数=1.0。

2.3 基于摩擦平衡理论的主应力估算

在晋城矿区煤层气勘探开发工程中，只有少量试验井开展了地应力试井测试，相当一部分煤层气井没有做试井，这些井在采用套管完井后，进行套管射孔、压裂增透，通过分析压裂曲线可得到闭合压力，作为储层最小主应力。由于没有破裂压力及地层压力数据，无法估算最大水平主应力。在没有应力测试数据时，依据区域构造应力特征，可以应用断层摩擦平衡理论对应力值范围进行估算或约束。

根据摩擦平衡理论(FEQ)，最大最小主应力之间存在以下约束关系：

(6)

式中，为最大主应力；为内摩擦因数，对于绝大多数岩石，0.6≤≤1.0。

不同的应力机制下，最大、最小主应力的方向不同，摩擦平衡约束关系也不同。

(1)正断层应力机制下，≥≥，垂直应力为最大主应力，最大水平主应力次之，最小水平主应力为最小主应力。主应力之间的摩擦约束关系为

(7)

(8)

(2)在逆断层应力机制下，>>，最大水平主应力为最大主应力，垂直应力为最小主应力，摩擦约束关系为

(9)

(10)

(3)在平移断层应力机制下，≥≥，最大水平主应力为最大主应力，垂直应力为中间主应力，摩擦约束关系为

(11)

最大水平主应力的上限为

(12)

对于理想的静水压力条件地层，地层压力梯度为9.8 kPa/m，垂直应力梯度约23.1 kPa/m。由摩擦平衡理论，可以得到正断层应力机制下地层的最小水平主应力≥06，逆断层应力机制下地层的最大水平主应力≤22。在伸展型应力机制下，≈，即接近下限06，而接近其上限；而在挤压型应力机制下，≈，最小水平主应力接近，最大水平主应力为≤22。

3 结果与讨论

3.1 主应力与应力机制

天然应力侧压力系数指天然水平应力与垂直应力之比，用表示，=(+)(2)。取决于岩石物理力学性质及所经历的构造运动历史，反映构造挤压程度的高低。一般随深度增加而减小。根据寺河井田18个点的地应力测试数据(表1)，为0.78～1.81，平均值为1.22；/为0.53～1.00，平均为0.82；反映应力场为挤压型。最大主应力与最小主应力的差值(-)的一半等于该点的最大剪应力，只有硬岩才可能承受较高的剪应力。寺河井田3号煤最大主应力与最小主应力的差(-)为3.66～9.69 MPa，平均为6.10 MPa，反映3号煤具有较高的机械强度。基于水力压裂法的地应力测试结果表明，未采动的3号煤层主要处于走滑断层应力机制，即≥≥(表1,2，图1，2)。

表1 基于水力压裂法的寺河井田地应力测试数据[23-24]

表2 寺河井田3号煤层主应力

图1 寺河井田3号煤层主应力Fig.1 Principal stress within the No.3 coal seam in Sihe coalfield

图2 寺河井田3号煤层主应力比Fig.2 Principal stress ratio within the No.3coal seam in Sihe coalfield

共收集了寺河井田煤炭未开采区81个煤层段(3号、9号+15号煤层)和采动区37个煤层段(采空区下伏的9号、15号煤层)的直井压裂数据(表3)，得到了煤层的最小主应力、施工压力(裂缝传播压力)及破裂压力参数。结果表明，未采动煤层最小主应力大小与垂直应力大小相对接近，而采动煤层最小主应力普遍高于垂直应力，且明显大于未采动煤层(图3)。采动煤层最小主应力与垂直应力的比值(/)高于未采动煤层(图4)。/接近1或大于1，反映应力机制为走滑断层或逆断层应力机制，为挤压型构造应力场。

表3 压裂施工数据

续表

图3 研究区煤层最小主应力与垂直应力Fig.3 Least principal stress and vertical stress in the study area

图4 采动区与未采动区煤层应力比Fig.4 Coal seam stress ratios in minedarea and unmined area

地应力测试结果表明，未采动3号煤层主要为走滑断层应力机制(图1，2)，而3号煤的开采导致采空区下伏的9号、15号煤层的上覆荷载降低，9号煤和15号煤垂直应力下降，水平应力与垂直应力比值升高。根据摩擦平衡理论，在挤压型应力机制下，最大水平主应力的上限约为垂直主应力的2.2倍，且与岩石内摩擦因数成正比。

表4 理论卸压垂距与开采深度、工作面长度之间的关系

3.2 施工压力与破裂压力

研究区采用套管射孔、清水压裂工艺，排量为8 m/min。破裂压力为地层不稳定破裂时的压力。当排量小于破裂空间容量，导致压力出现下降。破裂压力理论值为

=3--+

(13)

破裂压力与近井带地层最小主应力、抗拉强度、施工排量、表皮系数等正相关。在实际压裂工程中，并不总是会出现破裂压力，当地层较破碎或主应力差较小时，可能不会出现明显的破裂压力点。

施工压力为裂缝稳定传播压力。在理论上，地层漏失压力、施工压力、关井瞬时压力与闭合压力应大致相同，均等于地层最小主应力。但由于射孔导致的流线集中、地层裂隙发育、储层污染、压裂液黏性、注入排量高等原因，施工压力一般高于最小主应力，但与最小主应力正相关。地层渗透性好、吸水作用强，可能导致施工压力偏低，进而导致破裂压力与施工压力之差增大。因此，破裂压力与施工压力之差较大，推测地层渗透性相对较好。

未采动井的破裂压力与施工压力之差为-4.9～11.7 MPa，平均值为2.14 MPa；采动井的破裂压力与施工压力之差为0.5～18.0 MPa，平均值为7.1 MPa；采动煤层的破裂压力与施工压力之差明显大于未采动煤层(图5)。采动煤层的破裂压力梯度明显高于未采动煤层，而采动煤层的施工压力梯度低于未采动煤层(图6～8)。

图5 寺河井田煤层气井压裂施工压力与破裂压力之差Fig.5 Fracture propagation pressure and fracturebreakdown pressure of CBM wells in Sihe coalfield

图6 寺河井田煤层气井压裂施工压力梯度与破裂压力梯度Fig.6 Fracture propagation pressure gradient and fracturebreakdown pressure gradient of CBM wells in Sihe coalfield

图7 寺河井田煤层气井压裂的施工压力梯度Fig.7 Fracture propagation pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

图8 寺河井田煤层气井压裂破裂压力梯度Fig.8 Fracture breakdown pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

4 讨论

4.1 采动卸压作用影响范围

开采保护层是最有效的区域防突措施之一。开采保护层引起被保护煤层应力降低、渗透性增加，瓦斯解吸运移，瓦斯含量和瓦斯压力下降，煤体强度增加。根据《防治煤与瓦斯突出规定》，上保护层开采后，底板岩层向采空区方向移动和变形，应力重新分布，同时卸压使得被保护层的透气性增大，在垂向上底板卸压具有一定的范围。对于缓倾斜、倾斜煤层而言，上保护层最大保护垂距一般不超过50 m。上保护层的最大有效垂直卸压范围可由式(14)计算：

=′

(14)

其中，′为理论卸压垂距，m。′与保护层工作面的开采深度和长度有关，见表4，当>0.3且<250 m时，则取=0.3；为影响系数，当≤时，=，当>时，=1；为开采上保护层的厚度，m；为上保护层的最小有效厚度，m；为层间硬岩(砂岩、石灰岩)含量系数，以表示在层间岩石中硬岩所占的百分比，当≥50%时，=1-0.4/100，当<50%时，=1。

寺河井田3号煤层工作面长度为200～250 m，开采深度取300 m，查表得出′为90 m，=6 m，则=1，3号煤层和9号煤层间硬岩主要为5 m粗粒砂岩、6.5 m中粒砂岩、11.62 m细粒砂岩、7.3 m粉砂岩及11.1 m灰岩，所占比例约为49.48%，则=1.0。根据式(14)，可得到寺河井田3号煤层采动的最大有效垂直卸压范围为90 m。5号、7号、9号和15号煤与3号煤的距离分别为14.19，27.5，48.0和83.92 m。因此，推测5号、7号、9号和15号煤层均在3号煤层的开采卸压范围以内。

4.2 储层应力与所处构造部位的关系

在未采动的3号煤层，A-097，A-098，A-101，A-102，A-103，A-105及A-108井位于向斜轴部，其破裂压力与施工压力之差较小，依次为-0.4，-4.9，1.8，1.8，0.5，-1.2和-0.3 MPa，其最小主应力及施工压力较高(图9)。

图9 研究区井位与地质构造Fig.9 Well position and the geological structure in the study area

在受采动影响的9号煤层，B-106，B-111，B-112，B-122及B-123井位于背斜轴部，且位于3号煤层采空区下方，其破裂压力与施工压力压差较大，表明背斜轴部煤层渗透性相对较好。

B-128井位于3号煤保护煤柱上，其9号煤破裂压力、施工压力值均较高，分别为，21.40 MPa和19 MPa，最小主应力值较高，为13.9 MPa，破裂压力与施工压力之差为2.4 MPa。反映因上部煤柱原因，该处煤层产生了应力集中效应，渗透性较差。

B-129井位于3号煤采空区下方，平面上与B-128的距离约150 m，与煤柱距离10 m，该井9号煤的破裂压力、施工压力分别为13.4 MPa和7 MPa，最小主应力为8.47 MPa，破裂压力与施工压力之差达6.4 MPa，推测该处煤层因卸压而渗透性较好。

4.3 采动井产气特征

统计分析采空区下伏煤层气井产量与最小主应力的关系，发现产气量与最小主应力大小无显著相关性(图10)。B-103及B-128井穿越了3号煤层采空区煤柱，测试发现在煤柱正下方的9号煤处存在应力集中效应，但经过压裂增透后，日产气量分别高达2 784，4 224 m。这表明保护层煤柱下方的煤层即使因上保护层煤柱的原因存在应力集中效应，经地面井压裂增透后，也可以取得较好的产气效果。采动井B-106，B-111，B-112，B-122及B-123位于背斜轴部，其日产气量分别为1 800，1 800，3 360，5 280和2 784 m，产气效果良好。