泌水盆地南部地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制

泌水盆地南部地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制

0煤儲(chǔ)層最小主應(yīng)力層的最小正應(yīng)力與煤層的滲透密切相關(guān)，與煤層的產(chǎn)量密切相關(guān)。應(yīng)力小的地區(qū),滲透率高,但隨深度增加變化幅度不大,儲(chǔ)層產(chǎn)氣量也較高;在高應(yīng)力地區(qū),滲透率較低,而且隨深度增加滲透率急劇減小,導(dǎo)致煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣困難。從圖1可以看出,美國黑勇士盆地OakGrove氣田迪姆地區(qū)和CedarCove氣田克林地區(qū)的煤層氣高產(chǎn)區(qū)與煤儲(chǔ)層原地最小主應(yīng)力有著較好的相關(guān)關(guān)系,前者煤層氣產(chǎn)量≥2.26×106m3/d的井的原地主應(yīng)力<6.2MPa,后者產(chǎn)量≥2.83×106m3/d的井也分布在原地主應(yīng)力<15.5MPa的相對(duì)低值區(qū)。與美國、澳大利亞相比,中國的煤儲(chǔ)層所承受的原地主應(yīng)力往往較大。美國黑勇士盆地地應(yīng)力值一般為1~6MPa,澳大利亞東部悉尼盆地、鮑恩盆地為1~10MPa,少數(shù)達(dá)14MPa。中國含煤盆地的地應(yīng)力低限值相當(dāng)于美國黑勇士盆地的地應(yīng)力高限值,因此我國煤巖儲(chǔ)層的原地應(yīng)力對(duì)煤層氣高產(chǎn)與否有著更大的作用。1煤儲(chǔ)層滲透率與儲(chǔ)層壓力關(guān)系分析若不存在構(gòu)造應(yīng)力場,則自然狀態(tài)下煤儲(chǔ)層某點(diǎn)所受垂向應(yīng)力σv僅由上覆巖體重量造成,等于巖體的自重應(yīng)力σz,可用金尼克公式表示:σv=σz=γH(1)σv=σz=γΗ(1)式中:γ為巖石密度,t/m3;H為井底深度,m。秦勇等根據(jù)彈性力學(xué)中物理方程組所揭示的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系,進(jìn)一步推得:lnKa=lnKai?3Cf{γH+[kΔσ/(1?k)]?βPR}(2)lnΚa=lnΚai-3Cf{γΗ+[kΔσ/(1-k)]-βΡR}(2)式中:Ka為絕對(duì)滲透率;Kai為無應(yīng)力絕對(duì)滲透率;Cf為孔隙體積壓縮系數(shù);k為側(cè)壓系數(shù);Δσ為主應(yīng)力差;β為畢奧特(Biot)常數(shù)。煤儲(chǔ)層屬于一種由裂隙和基質(zhì)組成的雙孔隙介質(zhì),其滲透率與裂隙性質(zhì)密切相關(guān)。根據(jù)休伊特等的研究,理想的裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)中水平滲透率(KH)與裂隙的各種要素之間存在如下關(guān)系:KH=KM+8.44×107W3cos(2α)/L(3)ΚΗ=ΚΜ+8.44×107W3cos(2α)/L(3)式中:KM為基質(zhì)滲透率;W為裂隙壁距;L為裂隙間距;α為裂隙面與水平面的夾角。煤儲(chǔ)層滲透率的增加主要來自天然裂隙的貢獻(xiàn),KM可以忽略不計(jì)。在沁水盆地,煤儲(chǔ)層中天然裂隙多與地層面近于垂直,地層傾角一般小于5°~10°,即cos2α≈1。因此,式(3)可簡化為:KH=8.44×107W3/L(4)ΚΗ=8.44×107W3/L(4)可以看出,煤儲(chǔ)層中天然裂隙的壁距對(duì)原始滲透率起著關(guān)鍵性的控制作用。從式(3)和式(4)可知,天然裂隙壁距是地應(yīng)力大小和方向的函數(shù),構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力差對(duì)巖層裂隙壁距和滲透率的影響存在2種效果截然相反的情況(圖2)。一種是當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向與巖層優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向一致時(shí),裂隙面實(shí)質(zhì)上受到相對(duì)拉張作用,主應(yīng)力差越大,相對(duì)拉張效應(yīng)越強(qiáng),越有利于裂隙壁距的增大和滲透率的增高。而在最大主應(yīng)力方向與巖層優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向垂直時(shí),裂隙面受到擠壓作用,主應(yīng)力差越大,擠壓效應(yīng)越強(qiáng),裂隙壁距則減小甚至密閉,滲透率降低。也就是說,構(gòu)造應(yīng)力實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)天然裂隙開合程度的控制而對(duì)儲(chǔ)層原始滲透率施加影響?；谏鲜鲆蚬P(guān)系,結(jié)合式(2)可知,對(duì)煤儲(chǔ)層優(yōu)勢方向裂隙組起擠壓作用的主應(yīng)力差應(yīng)為正值,反之為負(fù)值。前人得出煤儲(chǔ)層滲透率隨地應(yīng)力增大而增高的結(jié)論,正是沒有全面考察最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向之間關(guān)系以及主應(yīng)力差大小的結(jié)果,故應(yīng)予以修正。式(2)也表明,煤儲(chǔ)層滲透率與儲(chǔ)層壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與本區(qū)主煤層實(shí)際試井?dāng)?shù)據(jù)吻合。進(jìn)一步考察發(fā)現(xiàn),煤儲(chǔ)層與其蓋層(頂板巖石)中天然裂隙優(yōu)勢發(fā)育方向基本上是正交的,即在同一構(gòu)造應(yīng)力場作用下,主應(yīng)力差對(duì)煤儲(chǔ)層表現(xiàn)為拉張作用的負(fù)值,而在蓋層巖石卻表現(xiàn)為起擠壓作用的正值。在這種受力狀況下:頂板節(jié)理密閉性隨主應(yīng)力差的增大而增強(qiáng),有效地提高了煤儲(chǔ)層的封蓋能力,有利于煤層氣的富集;而煤儲(chǔ)層裂隙的張開度隨主應(yīng)力差的增大而加大,增強(qiáng)了煤儲(chǔ)層的滲透能力,為煤層氣高產(chǎn)創(chuàng)造了極其有利的條件。研究區(qū)石炭—二疊系中優(yōu)勢天然裂隙組發(fā)育方向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大擠壓應(yīng)力方向之間存在2種組合關(guān)系,對(duì)于頂板來說2組方向近于垂直,對(duì)于上主煤層而言卻是2組方向近于平行。前者有利于增強(qiáng)蓋層對(duì)煤儲(chǔ)層的封蓋能力,后者有利于煤儲(chǔ)層滲透率的增加。這種相互關(guān)系,正是導(dǎo)致該區(qū)主煤儲(chǔ)層滲透率隨主應(yīng)力差加大而增高的根本原因。2注入/壓降試井測試地應(yīng)力特征作為地質(zhì)體的煤儲(chǔ)層不僅受上覆巖層的壓力作用,而且還受水平地應(yīng)力的作用。煤儲(chǔ)層孔隙中的流體同樣會(huì)承受上覆巖層的壓力及水平地應(yīng)力的影響。上覆巖層厚度越大,儲(chǔ)層流體承受的壓力也就越大,儲(chǔ)層壓力就越高。實(shí)質(zhì)上,垂向地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層壓力的影響主要是由煤層上覆巖層厚度的增加引起的。而在水平方向上,煤儲(chǔ)層處在區(qū)域性的構(gòu)造應(yīng)力場中,受水平構(gòu)造應(yīng)力的作用,因此,水平主壓應(yīng)力越大,儲(chǔ)層壓力也就越高。筆者對(duì)沁水盆地南部地區(qū)的注入/壓降試井測試地應(yīng)力資料作了統(tǒng)計(jì),具體是:3號(hào)煤層地應(yīng)力為2.90~10.60MPa,平均6.89MPa,地應(yīng)力梯度為0.98~2.04MPa/100m,平均1.46MPa/100m;15號(hào)煤層地應(yīng)力為2.93~13.61MPa,平均10.13MPa,地應(yīng)力梯度為0.95~2.25MPa/100m,平均1.76MPa/100m。不同區(qū)塊地應(yīng)力差別較大,柿莊區(qū)塊測試的地應(yīng)力梯度較大,平均為1.69MPa/100m,鄭莊區(qū)塊最小,為1.15MPa/100m(表1)。煤層地應(yīng)力自研究區(qū)四周向內(nèi)部增大,其變化趨勢與煤層埋深等值線一致(圖3)。在研究區(qū)東南部煤層埋藏較淺的地區(qū),地應(yīng)力也普遍較低,多在10MPa以下,在西部及北部,煤層埋藏深,地應(yīng)力高,多超過10MPa,地應(yīng)力高值區(qū)位于西部的晉試6井區(qū)東側(cè),最大超過19MPa(圖3)。大量的研究及地應(yīng)力實(shí)測資料表明,地應(yīng)力的大小與埋深、地質(zhì)構(gòu)造等有關(guān)。研究區(qū)注入/壓降試井實(shí)測數(shù)據(jù)表明,隨著煤層埋藏深度的增大,地應(yīng)力增高(圖4)。地應(yīng)力方向可通過煤層氣勘探開發(fā)目標(biāo)煤層的壓裂縫延伸方向判斷。沁水盆地南部煤儲(chǔ)層壓裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,壓裂縫延伸方向差別較大,不同煤層氣井煤層壓裂縫延伸方向差別較大,即使在同一口井的不同目標(biāo)煤層壓裂縫延伸方向也不一致,但同一煤層對(duì)稱壓裂縫延伸方向多為近東西向(表2)。3主應(yīng)力差與煤儲(chǔ)層壓力有限元法數(shù)值模擬結(jié)果表明:研究區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力,方向?yàn)镹NE—SSW,軸向近于水平;高主應(yīng)力差由南向北展布于3個(gè)地段,一是陽城地區(qū),二為潞城與沁源地區(qū)之間地帶,三是武鄉(xiāng)與左權(quán)地區(qū)之間地帶(圖5)。對(duì)比鉆孔試井得到的煤儲(chǔ)層物性資料,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)煤儲(chǔ)層物性與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征之間具有良好的耦合關(guān)系。首先,主應(yīng)力差增大,煤儲(chǔ)層滲透率呈指數(shù)形式急劇增高(圖6a)。主應(yīng)力差(Δσ)小于62MPa,滲透率(K)小于0.5×10-3μm2;Δσ為62~101MPa時(shí),K介于(0.5~1.0)×10-3μm2之間;Δσ為110MPa,K急劇增至1.5×10-3μm2;Δσ大于110MPa,K甚至可達(dá)2.0×10-3μm2以上。兩者之間關(guān)系可用下式表示:lnK=0.042Δσ?4.25(5)lnΚ=0.042Δσ-4.25(5)第二,主應(yīng)力差對(duì)煤儲(chǔ)層壓力也有顯著影響,與煤儲(chǔ)層壓力梯度(PR)之間相關(guān)性為較顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(圖6b)。當(dāng)Δσ<56MPa時(shí),PR<0.69MPa/m,煤儲(chǔ)層處于嚴(yán)重欠壓狀態(tài),但后者隨前者的增大而明顯增高。當(dāng)Δσ>56MPa時(shí),PR增勢顯著減緩,隨Δσ的增大,PR最終未能超過0.98MPa/m,僅是接近于正常壓力狀態(tài)。兩者之間關(guān)系如下式:PR=1.6556ln(Δσ)+0.1821(6)ΡR=1.6556ln(Δσ)+0.1821(6)第三,試井地應(yīng)力梯度盡管與煤儲(chǔ)層滲透率之間具有指數(shù)負(fù)相關(guān)的趨勢,與儲(chǔ)層壓力之間有指數(shù)正相關(guān)的趨勢,但離散性均非常大(圖7)。試井地應(yīng)力是煤儲(chǔ)層注水壓降測試中取得的閉合壓力,相當(dāng)于現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中最小主應(yīng)力。因此,這種關(guān)系表明,與涵蓋了最大和最小主應(yīng)力在內(nèi)的主應(yīng)力差相比,單純的最小主應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制相對(duì)較弱。4成藏類型分布對(duì)比本區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力差、地下水動(dòng)力學(xué)以及煤儲(chǔ)層埋深的具體情況,本區(qū)存在3種煤層氣成藏類型,即:①高主應(yīng)力差—滯流封閉—淺埋型;②中主應(yīng)力差—緩流封閉—中埋型;③具有開發(fā)試驗(yàn)價(jià)值的中主應(yīng)力差—緩流封閉—深埋型的煤層氣藏(表3)。表中所列的區(qū)段面積為水平投影面積,因所有區(qū)段的地層平均傾角不超過5°,與實(shí)際產(chǎn)出面積的差別不大,故不再進(jìn)行換算。本區(qū)煤層氣有利區(qū)分布如圖8所示。高主應(yīng)力差—滯流封閉—淺埋成藏類型僅分布在研究區(qū)南部,位于大寧—潘莊—樊莊地區(qū),其極為有利的煤層氣富集高產(chǎn)條件已被前期開發(fā)試驗(yàn)所揭示。中主應(yīng)力差—緩流封閉—中埋成藏類型具有有利的煤層氣富集高產(chǎn)條件,分布相對(duì)較廣,在南部的沁水—鄭莊—樊莊北以及西北部的沁源—安澤之間均有發(fā)育,其中沁水—鄭莊—樊莊北的煤層氣高產(chǎn)前景已經(jīng)在前期開發(fā)試驗(yàn)中得到了證實(shí)。從沁水盆地最小主應(yīng)力與單井日平均穩(wěn)產(chǎn)氣量的關(guān)系來看(圖9),產(chǎn)氣量隨最小主應(yīng)力值的增大而減小,總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但關(guān)系點(diǎn)較離散。高產(chǎn)井主要分布在最小主應(yīng)力小于8.2MPa的區(qū)域,在值大于8.2MPa的區(qū)域,高產(chǎn)井僅占25%左右。從最小主應(yīng)力的梯度值與產(chǎn)氣量大小關(guān)系來看,高產(chǎn)井主要分布在主應(yīng)力梯度小于1.6MPa/100m的地區(qū),在大于該值的區(qū)域高產(chǎn)井僅占22%左右。在南部的鄭莊北和西北部的沁源東—安澤東2個(gè)地區(qū),主煤層的埋深雖然大于1000m,但具有對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率發(fā)育有利的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中應(yīng)力差條件,并且處于地下水三面匯聚地帶,故不僅含氣量可能較高,而且滲透性可能相對(duì)較好。煤層氣成藏類型屬于中應(yīng)力差—緩流封閉—深埋類型,主煤層的埋深雖然過大,但煤層氣成藏的主控條件總體上較為有利,存在煤層氣開發(fā)試驗(yàn)的重要價(jià)值。5主應(yīng)力差對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響(1)地層最小主應(yīng)力與煤層滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,并影響煤層產(chǎn)氣量,高產(chǎn)井主要分布在最小主應(yīng)力相對(duì)較小的區(qū)域。(2)構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力差對(duì)滲透率的影響存在2類效果截然相反的情況。沁水盆地南部煤層氣蓋層與儲(chǔ)層中優(yōu)勢天然裂隙組與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大擠壓應(yīng)力方向之間存在的2種不同組合關(guān)系,導(dǎo)致該區(qū)主煤儲(chǔ)層滲透率隨主應(yīng)力差加大而增高。(3)沁水盆地南部煤儲(chǔ)層物性與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)