地應力對煤層氣勘探與開發的影響

逄思宇，賀小黑

（中化地質礦山總局化工地質調查總院，北京100013）

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，是一種以吸附狀態為主儲存于煤層及其圍巖中的非常規天然氣，因呈吸附狀態與煤共生伴生而有別于常規天然氣。我國煤層氣資源豐富，資源量與陸上常規天然氣資源量相當，并與其在區域分布上形成良好的互補。中國的常規石油、天然氣資源相對缺乏，而我國的煤層氣藏開發還處于初級階段，還有很多方面需要從理論上進行深入的研究，加速發展這一產業不僅是我國新能源開發利用的必然趨勢，也是大氣環境保護、煤炭安全開采、緩解能源供需矛盾、改善能源供給結構的客觀需要。煤層氣資源合理、有效的開發利用的工作是十分緊迫的［1－5］。

地應力是指巖土體內一點固有的應力狀態，地應力是引起礦山、水利水電、土木建筑、鐵路、公路和各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本力源；是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定性分析、巖土工程開挖設計和確定支護形式和支護強度所必須的原始材料；此外，地應力對煤層氣勘探與開發也有著重要的影響，地應力影響煤層氣解吸、吸附和運移、煤儲層裂縫的分布、滲透率和儲層壓力的大小以及水力壓裂裂縫的擴展。本文系統全面地總結了地應力對煤層氣勘探與開發的影響，這對更加清楚地認識地應力對煤層氣勘探開發的影響來說是十分有必要的。

1 地應力對煤儲層滲透性的影響

目前，國內外學者在應力對煤巖體滲透性影響方面進行過實驗測試和分析。他們發現，煤樣的滲透率對地應力極為敏感，且煤樣的滲透率隨著地應力的變化而大多呈指數變化。

國外有：J.R.E.Enever等［6］通過對澳大利亞煤層滲透率與地應力的相關性研究發現，煤層滲透率值變化與有效地應力的變化呈指數關系。C.R.Mckee等［7］通過對美國皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關系的研究發現，隨著煤層埋藏深度和有效應力增加，煤層割理縫的寬度減小，滲透率呈指數降低。W.J.Sommerton［8］等研究應力對煤體滲透性的影響；W.F.Brace［9］進行了應力作用下巖體滲透率變化規律研究。

國內有：張廣洋等通過對四川南桐煤田的煤樣實驗，發現煤樣的滲透率與平均有效應力呈指數關系。何偉鋼等對陽泉、韓城、峰峰、平頂山、沁源等礦區的煤層實測滲透率與原地最小主應力進行相關分析發現，煤層滲透率與原地最小主應力為指數關系。巫修平對沁水盆地潘莊地區煤儲層壓裂井的閉合壓力和地球物理測井資料分析得出：地應力直接影響了裂隙的開合程度，主應力差越大，滲透率也越大。剪應力最大方向，即裂隙張開度最大方向，也就是滲透率最大方向，主煤層滲透率與主應力差呈二次多項式關系，主煤儲層的滲透率與最小水平應力呈冪函數關系。傅雪海通過對山西沁水盆地中、南部地應力和滲透率的資料分析得出滲透率隨最小水平應力增大呈指數關系減小的趨勢十分明顯。唐書恒對陽泉、韓城、峰峰等礦區煤層氣井的試井實測滲透率與原地最小主應力進行了相關研究，發現煤層滲透率與原地最小主應力呈冪指數關系［10］。此外，張建博、秦勇、張虹、周世寧、林柏泉、趙陽升、胡耀青、孫培德和趙文等學者在此方面也取得大量研究成果。

總之，煤儲層的滲透性對地應力的變化非常敏感，隨著有效應力上升，煤層滲透率下降。地應力對滲透率的影響，既反映上覆地層對煤層的垂向作用力，也反映水平構造應力的作用。地應力對煤儲層滲透性的影響，其實質是通過對煤儲層的孔隙結構產生變形，而使其滲透性發生變化。區域構造應力對煤層滲透率的作用十分顯著。構造擠壓區、逆沖推覆作用強烈地區、不同走向斷裂的結合部位，是構造應力集中的地區，往往也是低滲透率分布地區。構造應力松弛、與斷層有關的次生裂隙、破碎斷層面，是地應力的分布地區，往往也是煤層高滲透率分布地區。不同應力狀態下滲透率與深度的變化趨勢不同。應力松馳地區，滲透率高，隨深度增加，變化幅度不大；正常應力地區，滲透率中等，隨深度增加而減少；在高應力地區，滲透率較低，而且隨深度增加滲透率急劇減小。此外，當構造應力場最大主應力方向與儲層的優勢裂隙組發育方向一致時，裂隙受到張應力的作用，裂隙寬度增大，滲透率增高；當構造應力場最大主應力方向與煤儲層的優勢裂隙組發育方向垂直時，裂隙受到壓應力的作用，裂隙寬度減小，滲透率降低［10］。含煤盆地構造應力場的分布和演化情況不僅直接導致盆地內不同構造樣式的形成和演化、決定含煤盆地內高滲區的分布，而且構造應力也是驅動地下流體運移的重要動力。此外，現代構造應力場特征更是決定煤儲層壓力大小的直接原因，從而影響著煤層氣的可采性。通過對不同時期含煤盆地形成和演化的構造應力場、局部煤系地層的構造應力場變化特征的分析，可以進行煤層氣高滲區預測。構造應力場對煤層氣成藏的影響主要體現在其對煤層高滲區分布的控制作用。構造應力場分析包括兩方面的研究：一是研究古應力場，目的是預測割理發育區；二是研究現今應力場，目的是預測現今構造產生的外生裂隙發育區［11］。

2 地應力對煤儲層壓力的影響

地應力對煤儲層壓力有重要的影響。煤儲層孔隙內流體所承受的壓力在儲層開發前，一般處于平衡狀態，此時儲層流體所承受的壓力稱為原始儲層壓力。儲層壓力是地層中氣體和水從裂隙流向井筒的能量大小的反映，代表了儲層中流體的流動潛勢，它可以用試井方法獲取。

國內很多學者在地應力對儲層壓力影響方面進行過研究和探討。張培河通過分析沁水煤田煤儲層壓力的分布特征及其影響因素，認為地應力是儲層壓力的敏感參數，隨地應力增大，煤儲層壓力增高，地應力較低是該區儲層壓力低的原因［12］。張延慶通過對華北部分礦區煤儲層壓力研究，認為構造應力的存在直接影響到作用在煤層孔隙空間內流體上的壓力大小，韓城礦區處于2條不同方向斷裂帶的結合部位，地應力梯度高，從而造成煤儲層具有較高的原始儲層壓力［13］。秦勇、傅雪海等通過研究沁水盆地中、南部下二疊統山西組煤儲層物性與現代構造應力場特征的關系，得出：主應力差增大，煤儲層滲透率梯度呈指數形式增長，煤儲層壓力梯度顯示出對數增長的趨勢，滲透率大于1md和儲層壓力接近于正常壓力狀態的煤儲層展布于主應力差大于80MPa的地區［14］。

地應力是儲層壓力敏感性參數，不同地區地應力的大小是不同的，當地應力增大、孔隙裂隙被壓縮、體積變小時，儲層壓力變大；當地應力變小、孔裂隙體積變大，儲層壓力則變小。構造應力直接影響到作用在煤層孔隙空間內流體上的壓力大小。一般認為，處于擠壓構造應力場中的煤儲層，儲層壓力值往往偏大，壓力梯度偏高；而處于拉張型構造應力場中的煤儲層，壓力值偏低，壓力梯度也較低。因此，可以根據構造應力場拉張情況來研究儲層壓力和壓力梯度的高低。

3 地應力對煤層氣產出的影響

煤層氣的開采經歷了解吸、擴散、滲流3個連續階段，首先煤體微孔隙內表面吸附煤層氣因孔隙壓力降低而解吸，擴散至裂隙中轉變為游離態煤層氣，然后由于裂隙和鉆井井孔之間的壓力梯度和煤層氣的濃度梯度而產生煤層氣滲流，從而游離態氣體向井孔移動，最后由井孔抽出。

自然地應力場作用于煤層孔隙，構成為煤層孔隙的圍壓，對煤層孔隙產生影響，從而對孔隙中的流體產生影響。地應力影響到煤層氣的吸附、解吸、擴散和滲流，進而影響到煤層氣井的產出。

3.1 地應力影響煤層氣吸附和儲層含氣量

一般來說隨地應力增大，煤體受到的擠壓力越大，孔隙裂隙被壓縮、體積變小，導致煤儲層壓力變大。根據朗繆爾等溫吸附方程可知，當溫度和其他因素相同時，煤儲層甲烷吸附量隨壓力增大而增多，因此，壓力變大時，煤層甲烷吸附量增大，導致含氣量也增大。含氣量對生產能力的影響是顯而易見的，據國內外研究，認為含氣量大于15m3/t的預測區具有高產條件，8～15m3/t具有中產條件，小于8m3/t低產甚至無產。因此，無論是為了煤礦生產安全，還是為了準確地評價和預測煤層氣開發前景和制定開發方案，都需要掌握煤層含氣量的分布特征［15］。

3.2 地應力影響煤層氣的解吸

地應力對煤層氣解吸的影響主要是通過對儲層壓力的影響體現出來的。儲層壓力的高低與分布直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附與解吸能力，進而影響到煤層氣開發氣井的產出。在排水降壓進行煤層氣開發時，當煤儲層含氣飽和度一定，煤儲層壓力越高，越容易排采，越有利于煤層氣產出。在此過程中，當煤儲層壓力降至解吸臨界壓力以下時，解吸量隨煤儲層壓力繼續下降而不斷增多，從而提高解吸速度。臨界解吸壓力越接近于儲層壓力，氣體越容易解吸，煤層氣井越容易產氣；較高的有效壓差可以保證煤層中甲烷流動的驅動能量，所以具有異常高壓的煤層解吸量大，產氣量高。可以通過提高儲層壓力、減小井底壓力來獲得高產氣量。一般儲層壓力降至大氣壓，氣體才可能全部解吸。對于氣過飽和煤層，只要煤儲層壓力下降，就有吸附氣從煤層中解吸；對于氣欠飽和煤層，需要降到臨界解吸壓力下，才能有吸附氣解吸。如果臨界解吸壓力比原始儲層壓力低得多，勢必要經過長期的排水降壓才能產氣，因此可根據臨界解吸壓力和原始儲層壓力及其兩者的比值，來了解煤層氣早期排采動態。

地應力對儲層壓力、含氣量有著重要的影響，而儲層壓力與含氣量控制著含氣飽和度，因而地應力影響著含氣飽和度。含氣飽和度對產能的影響主要體現在解吸條件對產能的影響，他制約著煤層氣產出的難易和氣體產出速率的大小。含氣飽和度低，地解壓差大，很難或無法獲得產能。含氣飽和度大于80%的預測區具有高產條件［16］

3.3 地應力影響煤層氣的擴散和滲流

煤層氣在溫度、壓力作用下發生擴散、滲流的動力源主要為溫度、構造應力、儲層壓力、擴散作用力、滲透作用力。構造應力和儲層壓力控制著煤層的滲透率和氣含量，影響煤層中氣體擴散作用和滲透作用，在有效應力集中地區，裂隙閉合，儲層壓力高，滲透性低且煤層吸附量大，煤的儲集能力強，從而使得氣體的質量交換、擴散速度和遷移過程緩慢、復雜，同時氣體吸附量大導致氣體壓力大，使氣體濃度增大，從而增加氣體的擴散能力；有效應力輕微地區，裂隙開啟，儲層壓力低，滲透性好，氣體質量交換和遷移流暢。自然界，各種條件的影響往往是疊加的，反映的是綜合效應［17－18］。另一方面，對于高收縮率煤儲層，在煤層氣的運移過程中，隨著煤儲層壓力降低使得煤體結構發生收縮變形，促進煤體孔隙和裂隙的擴展和延伸，煤層滲透系數增大，進而提高滲流作用效果；而對于低收縮率或不收縮煤層，則主要受有效應力的壓縮影響，隨著有效應力增加滲透率下降，進而降低滲流作用效果［19］。

地應力增加，有利于煤儲層壓力保持和含氣量的增大，但往往導致滲透率降低并給煤儲層的排水、降壓及煤層氣的解吸、運移、產出造成一定困難，滲透率過低，煤層氣解吸速率低，抽排范圍有限，在高地應力區尤為如此，優化的方法是采取逐步降壓的措施，以使煤層滲透率保持在改排水期的最佳狀態。滲透性高的煤層，井筒的排水降壓能有效地傳播到更大的范圍，從而控制更大面積煤層，使更多的煤層氣解吸，獲得更高的產量。但地應力太低時，導致滲透率過大，引起產水量太大，也不利于煤層氣生產。根據Loggy等研究煤層滲透率以中等較好。從我國煤層氣井生產狀況看，氣產量高的井，滲透率高。但滲透率高的井，產量不一定高。滲透率低的井產量亦低。滲透率高而氣產量不高的原因表現在幾個方面，一是，這種滲透率與井筒周圍存在裂隙有關，導致產水量很高。二是原始滲透率較高，但壓力增產不成功。一般來說，煤層氣井不經過壓裂是不會產氣的。從總體上來看，構造應力過高會對煤層氣井的高產帶來消極影響，過低則不利于煤層氣富集。因此地應力要適當，不能太大，也不能太小，地應力也是選區綜合評價的內容之一。我們選擇最有利的開發區帶，就要考慮地應力、滲透率、煤儲層壓力、含氣量等因素，但這些因素往往存在矛盾。

總之，煤層中的天然氣能否以經濟速度排出，決定于能否有效地降低煤儲層壓力和煤儲層滲透性的好壞，而儲層壓力和滲透性都與地應力緊密相關。因此地應力是影響煤層氣解吸、擴散、滲流和產量高低的重要因素。

4 地應力對裂縫的影響

地應力對儲層天然裂縫和水力壓裂裂縫擴展也有著重要的影響。地應力可分為古構造應力和現今地應力，地層中的裂縫可分為天然裂縫利人工裂縫。目前，我國投入開發的煤層氣盆地中，大部分為低滲透性盆地，低滲透性盆地的開發成功與否，關系到我國煤層氣產業的發展。低滲透煤層氣盆地普遍發育天然裂縫，且經過壓裂方具產能。地應力是控制儲集層天然裂縫分布及水力壓裂裂縫形態的重要因素。古構造應力場往往決定著天然裂縫的形成、分布和發育程度［20］，例如，對沁水盆地而言，第一期和第二期構造應力場屬古構造應力場，它們決定著沁水盆地天然裂縫（隙）、斷層的發育和分布，而天然裂縫、斷層的存在又會影響人工壓裂，天然裂縫發育區域屬于地應力薄弱區，實踐的結果表明水力壓裂裂縫會首先向天然裂縫存在的地應力薄弱區延伸，因此，古構造應力場間接影響著現今人工壓裂裂縫的擴展；而現今地應力場會對人工壓裂產生直接的影響，現今應力場不僅影響天然裂縫目前在地下的附存狀態及有效性，而且控制了人工壓裂裂縫的形態和延伸方向。在煤層氣井水力壓裂施工設計中，地應力的大小和方向是其考慮的重要參數，其不僅控制著裂縫的方位、傾角、高度、傳導性，而且影響施工過程中壓力的大小［21］。目前的水力壓裂是利用超過地層破裂壓力的高壓液流，對目的層壓開一條具有一定方向和兒何形狀的裂縫，并注入支撐顆粒，形成具有高導流能力的填砂裂縫，極大地改善油氣層液體流向井筒的能力，從而提高油氣產能的一種低滲透油氣藏油層改造的有效方法。裂縫的擴展方向往往決定著壓裂的成敗與效果，長期的理論研究與實踐認為：對于各向同性介質，水力壓裂的形態取決于地應力的大小，壓裂產生的人工垂直裂縫方位總是平行于最大水平主應力方向，垂直于最小主應力方向；對于非均質各向異性介質，水力壓裂的形態由地應力和煤巖體的抗張強度共同組成的擠聚力大小決定［22］。煤層壓裂裂縫除受大地主構造應力影響外，還受局部構造應力和割理的影響。裂縫方位在同一層位沒有明顯的方向性，但存在著同一盆地同一層位在某一方向出現概率較大的現象。因此，現今地應力是影響人工壓裂的主要因素，對沁水盆地而言，目前的水力壓裂主要受第三期構造應力場的影響。

地應力對煤儲層水力壓裂的影響還表現在多煤層壓裂方面，多煤層開采是提高經濟效益的有效方法，而要進行多煤層壓裂，必須具備一定的地應力條件。一個井中，各個煤層的破裂壓力梯度如果變化很大，而要對各煤層同時進行壓裂的話，可能只有其中的一個層受到壓裂而不能達到一次壓開多煤層的目的。在對一個煤層壓裂時，隨著裂縫中壓力超過臨層的地應力，往往不能獲得預期的裂縫長度，從而導致較低的或令人失望的產量。因此，壓裂設計時必須掌握煤層頂底板的應力條件，避免裂縫在垂向上的增長。而要一次對多煤層同時壓裂，各煤層間不能有較高的應力屏障。故此，掌握地應力在縱向上的變化情況，是使壓裂達到預期效果的必要前提［23］。

5 存在的問題

1）目前對地應力分布規律的研究還很不夠，不能滿足煤層氣實際開采、壓裂和井位確定的需要。

2）滲透率對地應力的變化非常敏感，要獲得較好的產量，弄清研究區煤儲層地應力的分布規律及其對滲透性的影響是要解決的重要問題。

3）地應力的大小和方向不僅控制著裂縫的方位、傾角、高度、傳導性，而且影響到水力壓裂施工過程中壓力的大小。因此，在煤層氣開發時，有必要研究和考慮地應力對天然裂縫和人工壓裂裂縫的影響，以期對壓裂施工設計提供理論指導。

4）地應力對煤儲層壓力、含氣性、理論采收率有著怎樣的影響？地應力與儲層壓力、含氣量、臨界解吸壓力、含氣飽和度、理論采收率有著怎樣的定量關系？都是需要解決的問題。

5）煤層氣滲流時煤儲層滲透率主要受到有效應力負效應影響還是主要受到煤基質收縮正效應影響就需要通過試驗分析來解決。

6）國內外關于煤層甲烷運移理論方面共同存在的問題是不考慮兩相流體與骨架的耦合作用，缺少對吸附、解吸、擴散和滲流過程的相互制約機制研究，不能完全反映我國低滲透儲層的非線性滲流特點和吸附解吸擴散滲流相互制約的客觀現實。地應力多大時，既能夠滿足煤的儲集能力較強、煤層吸附量較大，又能滿足儲層滲透性不差，氣體遷移流暢呢？這就需要通過試驗來分析解決［24］。

6 結論

綜上所述，地應力對煤層氣開發的很多方面都有著重要的影響。全面地弄清地應力分布規律，掌握地應力對煤層氣勘探與開發各方面的影響有助于我們認識煤儲層中壓力、滲透性、含氣性、天然裂縫分布情況以及水力壓裂裂縫擴展方位，從而有效地進行高滲透性區預測和煤層氣高產富集區預測，這對有利開發區的選取、合理地部署井網、科學有效地開發煤層氣至關重要。

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