新疆库拜煤田铁列克矿区地应力分布及其对煤层气开发的影响

魏永恒，葛燕燕，王 刚，王文峰，田继军，李 鑫，吴 斌，张 晓

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆维吾尔自治区煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一地质勘探队，新疆 乌鲁木齐 830046)

0 引 言

中国拥有大量的煤层气资源，位列世界第三位，仅次于俄罗斯和美国[1]。开发煤层气可减少能源浪费，保护环境，降低煤矿瓦斯事故发生概率，对煤矿瓦斯安全具有重要意义[2]。煤的渗透性是影响煤层气开发效果最重要的因素之一，主要受地应力、埋藏深度、煤阶、煤体结构等因素影响，一般而言煤储层的渗透性变化取决于当时的地应力状态[3]，地应力越大，煤储层渗透率越低[4-6]。地应力产生于地球内部的各种动力作用过程中，主要包括自重应力、构造应力、变异及残余应力和附加应力等[7]。地应力可改变裂缝的形态特征和延伸方向，是研究煤层气勘探开发方面的基本因素[8]，而对现今地应力场现状的了解是煤层气开发的前提[9]。

前人对新疆库拜煤田煤储层地应力分布特征的研究较薄弱，铁列克矿区地应力对煤储层物性影响尚不清晰，地应力对煤层气产量的影响亦未揭示。针对上述不足，本研究基于新疆库拜煤田铁列克矿区煤储层注入/压降试井及原地应力测试结果，深入分析铁列克矿区地应力分布特征，结合铁列克矿区典型日产气量等数据，探讨铁列克矿区地应力对煤储层渗透率的控制，明晰地应力对煤储层压力、含气量的影响，最终讨论地应力对铁列克矿区煤层气开发的影响。

1 区域地质背景

库拜煤田位于天山南麓，塔里木盆地以北的库车坳陷北部[10]；铁列克矿区位于库拜煤田中西部。铁列克矿区总体上为一向南倾斜的单斜构造，倾角一般为40°～89°。铁列克矿区可分为铁西矿区和铁东矿区，区域断层主要有位于矿区北部的F1逆断层和位于矿区南部的F2及F3正断层[11](图1)。研究区含煤地层主要为中生界下侏罗统塔里奇克组、阳霞组以及中侏罗统克孜努尔组[12]。塔里奇克组含煤层2～15层，单层煤厚0.09～25.10 m；阳霞组含煤6层，单层煤厚0.05～5.61 m；克孜努尔组含煤4层，单层煤厚0.57～3.51 m[13]。研究区含煤岩系岩性主要为灰色灰白色石英砂岩、粗砂岩、砂砾岩、中细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层。

2 注入/压降试井和原地应力测试

本次研究工作采用注入/压降试井和原地应力测试的方法得到储层渗透率、储层温度、破裂压力、闭合压力、重张压力等地层参数，注入/压降试井和原地应力测试分别根据国家标准GB/T24504-2009和行业标准DB/T14-2000开展[14]。试井数据主要采用PanSystem V3.5.0试井分析专用软件进行解译，并对测试煤层采用半对数、双对数曲线拟合分析[15]。选择时间平方根法对原地应力数据闭合压力进行测试，且用双对数法进行检验。水力压裂测得的临界煤层闭合压力的数值即为最小水平主应力的数值[16]；最大水平主应力根据最小水平主应力、破裂压力、储层压力和抗拉强度之间的关系计算[17]；重张压裂循环时岩石的抗拉强度为0[14,18]；垂直主应力一般根据岩体容重和埋藏深度之间关系计算[19-20]。

图1 库拜煤田位置图(a)和铁列克矿区构造纲要图(b)Fig.1 Location map of the Kubai coalfield (a) and tectonic outline map of the Tielieke mining area (b)

3 储层压力与地应力特征

3.1 储层压力特征

表1为铁列克矿区注入/压降试井和地应力试验结果。铁列克矿区测试井位储层埋深563.38～1 157.61 m，均值为813.18 m；储层压力为4.62～11.39 MPa，均值为7.57 MPa；压力梯度为0.78～1.07 MPa/hm，均值为0.93 MPa/hm。据储层压力分类：小于0.9 MPa/hm为欠压储层，0.9～1.00MPa/hm为正常压储层，大于1.00 MPa/hm为高压储层，可知铁列克矿区总体呈常压状态，存在局部超压储层。图2为随埋深增加铁列克矿区最大、最小水平主应力梯度和储层压力梯度的变化趋势，由图可知储层压力梯度随埋深的增加趋于稳定。

表1 铁列克矿区注入/压降试验及地应力测量试验参数

图2 铁列克矿区最大水平主应力梯度(GH)、最小水平主应力梯度(Gh)、储层压力梯度(Go)和煤层埋深关系Fig.2 Relationship between maximum horizontal principal stress gradient (GH), minimum horizontal principal stress gradient (Gh), reservoir pressure gradient(Go)and burial depth in the Tielieke mining area

3.2 地应力状态随埋深的变化

由计算结果可知，铁列克矿区最大水平主应力为9.33～33.52 MPa，均值为20.22 MPa；最大水平主应力梯度为1.37～3.91 MPa/hm，均值为2.53 MPa/hm。最小水平主应力为8.05～22.30 MPa，均值为14.48 MPa；最小水平主应力梯度为1.19～2.43 MPa/hm，均值为1.80 MPa/hm。垂直主应力为15.21～31.26 MPa，均值为21.99 MPa。根据最大水平主应力对超高应力区(>30 MPa)、高应力区(18～30 MPa)、中等应力区(10～18 MPa)和低应力区(0～10 MPa)进行分类[21]。由计算结果汇总分类可知铁列克矿区71%的最大水平主应力数据处于18～30 MPa范围，铁列克矿区总体上归属于高应力水平。

将地应力状态分为正常层应力场状态(σv>σH>σh)、走滑断层应力场状态(σH>σv>σh)、逆断层应力场状态(σH>σh>σv)[22]。本研究铁列克矿区涉及σv>σH>σh、σH>σv>σh和σH≈σv>σh三种应力场，其中σv>σH>σh和σH>σv>σh应力场分别对应Anderson 1951年提出的[22]正常应力场和走滑断层应力场，而σH≈σv>σh应力场在此次工作中被定义为挤压-压缩过渡带。铁列克矿区煤层埋深处于550～650 m时，地应力类型为σH>σh>σv，煤储层处于走滑断层应力带。当煤层埋深处于650～850 m时，地应力类型逐渐转为σH≈σv>σh，煤储层处于挤压-压缩过渡带。当深度处于850～1 200 m时，地应力类型转为σv>σH>σh(图3)，垂直主应力值最大，占据主导地位，煤储层处于正常应力带。

3.3 水平应力和垂直应力的关系

侧压力系数(λ)定义为平均水平主应力和垂直主应力的比值，是表明地应力状态的重要参数[23]，λ用下式表示：

(1)

研究区λ的计算结果显示，侧压力系数(λ)随埋深的增加整体呈逐渐减小的趋势(图4)，且数值点基本都位于中国和Hoek-Brown应力内外包络线范围内。在煤层埋深处于550～650 m范围时，侧压力系数为0.57～1.15，均值为1.00；在煤层埋深处于650～850 m范围时，侧压力系数为0.47～1.17，均值为0.76；在煤层埋深处于850～1200 m范围时，侧压力系数为0.59～1.07，均值为0.75。在埋深小于650 m时，构造作用较强烈，水平主应力的影响最大；在埋深为650～850 m，垂直主应力的作用开始增大，此段λ变小。在埋深为850～1 200 m，各主应力均随埋深增加而增大，此段λ值趋于稳定。

图3 研究区储层最大水平主应力(σH)、最小水平主应力(σh)、储层压力(Po)、垂直主应力(σv)和静水压力(Ph)随煤层埋深变化图Fig.3 Relationship between the maximum horizontal principal stress (σH), minimum horizontal principal stress (σh), reservoir pressure (Po), vertical principal stress (σv) and hydrostatic pressure (Ph) and the burial depth of the reservoirs in the study area

图4 铁列克矿区侧压力系数(λ)和深度(h)的关系Fig.4 Relationship between λ and burial depth (h) in the Tielieke mining area

4 地应力对煤层气勘探开发的影响

4.1 地应力对煤储层渗透率的控制

渗透率是决定煤层气资源勘探开采成功与否的主要因素[24-25]，而影响煤储层渗透率的因素多样，地质构造、地应力、煤层埋深等因素均会在某种程度上改变煤储层渗透率[26]。其中地应力是控制渗透率的主要因素，其影响原因在于地应力可改变煤储层孔隙、裂隙结构形态，从而进一步改变煤储层渗透率[27-28]。不仅上覆岩层的垂向作用力可影响煤储层渗透率，水平方向上的构造作用力亦可影响煤储层渗透率。一般煤储层渗透率随地应力增加而减小，美国皮申斯、圣胡安和黑勇士等盆地煤储层渗透率随有效地应力增加呈指数下降[29]。铁列克矿区煤储层渗透率和地应力之间存在指数关系；铁列克矿区煤储层渗透率随最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力增大而递减(图5)；渗透率随有效地应力的增大而呈指数减小的关系(图6)。这主要是因为随着有效应力增大，孔隙闭合，裂缝宽度减小，渗透率呈指数下降趋势[30]。

图5 铁列克矿区最大水平主应力和渗透率关系(a)、最小水平主应力和渗透率关系(b)和垂直主应力和渗透率关系(c)Fig.5 Relationship between maximum horizontal principal stress and permeability (a), minimum horizontal principal stress and permeability (b), and vertical principal stress and permeability (c) in the Tielieke mining area

随着埋深的增加，主应力不断增大，但最大水平主应力的的增大速率小于垂直主应力的增大速率，存在最大水平主应力和垂直主应力的临界转换深度，由浅部到深部依次为σH>σv>σh、σH≈σv>σh、σv>σH>σh(图7)，最大水平主应力和垂直主应力的转换深度为850 m。同样，以850 m为界，渗透率随深度变化发生改变。当埋深处于550～850 m时，渗透率范围为0.02～1.46 mD(1 mD=10-3μm2)，均值为0.53 mD，渗透率随埋深增加呈快速减小趋势，渗透率相对深部较高但变化范围大。当埋深处于850～1 100 m时，渗透率范围为0.01～0.62 mD，均值为0.18 mD，此段渗透率趋于不变，变化范围小且值较低。埋深850 m处既是垂直主应力和最大水平主应力的转换点也是渗透率趋势变化点，揭示地应力对渗透率的控制。埋深处于550～850 m时，地应力类型为σH>σv>σh和σH≈σv>σh，水平应力占主导地位使煤层受横向挤压，煤层裂隙随深度增大而快速闭合，渗透率快速减小。储层埋深处于850～1 100 m时，地应力类型为σv>σH>σh，煤体结构较浅部复杂，再加上较大值地应力作用造成此段渗透率普遍较小。另外，图7中出现例外点(红虚线圆圈)可能是试井段处于天然裂隙发育带所致。

4.2 地应力对储层压力的控制

煤储层压力是指煤储层孔隙-裂隙内气体和水所承受的压力[31]。煤储层压力主要影响煤层气含量、气体赋存状态、煤储层对煤层气的吸附和解吸能力[32]。一般煤储层压力越大，越有利于排水降压，越利于煤层气的开采[16]。地应力是影响煤储层压力的重要因素，研究区最小水平主应力和煤储层压力呈正相关(图8)。随着地应力的增加，煤储层孔隙收缩、裂隙减小，煤储层中气、水压力增大，煤储层压力增大；反之，随着地应力减小，煤储层压力减小。

图6 铁列克矿区煤储层最大水平主应力-储层压力和渗透率关系(a)、最小水平主应力-储层压力和渗透率关系(b)以及垂直主应力-储层压力和渗透率关系(c)Fig.6 Relationship between maximum horizontal principal stress-reservoir pressure and permeability (a), minimum horizontal principal stress-reservoir pressure and permeability (b), and vertical principal stress-reservoir pressure and permeability (c) in the Tielieke mining area

图7 铁列克矿区煤储层渗透率和深度关系Fig.7 Relationship between coal reservoir permeability and burial depth in Tielieke mining area

图8 铁列克矿区最小水平主应力和煤储层压力关系Fig.8 Relationship between minimum horizontal principal stress and reservoir pressure in the Tielieke mining area

图9 铁西矿区不同埋深煤储层特征差异Fig.9 Feature differences of coal reservoirs with different burial depths in the west Tielieke area

图10 铁东矿区不同埋深煤储层特征差异Fig.10 Feature differences of coal reservoirs with different burial depths in the east Tielieke area

4.3 地应力对储层含气量的影响

随着埋深的增加，铁西矿区煤岩层破坏程度增大，中部煤储层(650～800 m)碎粒煤较发育(图9)，因此中部煤储层吸附孔体积随埋深增加而增大；铁东矿区在700～800 m处煤储层发生倒转，且相对于浅部和深部煤层，中部煤储层(700～950 m)构造曲率最大，受力最强烈，煤岩破碎程度最大(图10)，因此中部煤储层吸附孔体积随埋深增加而增大。铁西矿区和铁东矿区中部煤储层吸附孔体积和压力随埋深增加而增大的双重作用导致此段含气量随埋深增加而增加。中部煤储层吸附孔体积、渗透率和含气量均较大，是煤层气开发的有利区带。

铁西矿区深部煤储层(800～1 100 m)和铁东矿区深部煤储层(950～1 200 m)的垂直主应力不断增大而形成正常应力带(σv>σH>σh)，且深部煤储层孔裂隙随埋深和地应力的不断增大被压实闭合，使吸附孔体积和渗透率呈减小趋势。煤储层存在含气量临界深度，临界深度以浅的正效应作用使含气量随深度增加而增大，临界深度以深的负效应作用使含气量随埋深增加而减小[33]，因此铁西矿区和铁东矿区深部煤储层在吸附孔体积逐渐减小及温度的负效应作用下其含气量随埋深增加而下降。

4.4 地应力对产量的控制作用

地应力可不同程度地影响煤储层的渗透率和压力(图5和图8)，且储层压力和煤储层渗透率是影响煤层气开发的重要变量。地应力对煤层气的勘探开采不仅有正面效应亦有负面效应，一方面地应力越大，储层压力越大，越容易排水降压，有利于煤层气的开发；另一方面随着地应力增加，渗透率往往减小，抑制煤储层的排水降压以及煤层气的解吸、运移和产出[16]。煤层气可采性是煤层气勘探开采的先决条件，而渗透率和储层压力是衡量煤层气可采性的关键地质因素[34-35]。由上文分析可知，地应力对渗透率有负效应，对煤储层压力有正效应；铁列克矿区典型日产气量随着最小水平主应力的增加而逐渐减小(图11)，因此可知，库拜煤田铁列克矿区地应力对渗透率造成的负面效应大于地应力对煤储层压力造成的正面效应。

图11 库拜煤田铁列克矿区最小水平主应力和典型日产气量关系Fig.11 Relationship between minimum horizontal principal stress and typical daily gas production of the Tielieke mining area in the Kubai coalfield

5 结 论

通过研究新疆库拜煤田铁列克矿区地应力与煤储层物性特征相关性，分析了铁列克矿区地应力变化规律及其对煤层气产量的影响，以及铁西矿区和铁东矿区各自的地应力场特征及其对储层物性的影响，得到如下主要认识：

(1)铁列克矿区地应力状态在垂向上的变化规律为：埋深550～650 m、650～850 m和850～1 200 m时，地应力状态类型依次分别为σH>σv>σh、σH≈σv>σh和σv>σH>σh；埋深850 m处既是垂直主应力和最大水平主应力的转换点，也是渗透率趋势变化点，指示了地应力对渗透率的控制作用。

(2)渗透率和煤储层压力与地应力分别呈负相关和正相关关系；

(3)地应力对产能的负效应大于地应力对产能的正效应，使典型日产气量随着地应力的增大而减小；

(4)铁西矿区和铁东矿区中部煤储层碎粒煤较发育、吸附孔体积和含气量均较大，是煤层气开发的有利区带。