煤層脆性與地應力耦合條件下瓦斯抽采方案探討

中圖分類號：TE37 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0235-10

Abstract： WjadiCoalMneischaracterzedbycomplexgeologicaltructures，significantheterogeneityinthspatialdistributioof coalreservoirbritlenessandcuentin-situstressfield，andanuncleargeologicalcontrol mechanismonthevariabilityof gas extractioneficiency.Inlightofthis，basedonthegeologicaldatafrom WeijiadiCoalMine，Petrel3Dmodelingsoftwarewas employedtoconduct modelingofthespatial distributionofcoalseamelasticpropertiesandsimulationofthein-situstressfield.The results ndicatethat，throughthesuperpositionof zoning basedontheelastic modulusandPoison’sratioofthecoalseam，three britleness zones were delineated. In the study area， the maximum horizontal principal stress （σ_H） significantly exceeds both the minimum horizontal principal stress （σ_h） and the vertical stress （σ_v） .Based on the relative magnitudes of σ_h and σ_v， two types of stress regime zones ereclassfed.Reseachidicatesthatcoalseambrittenessisteprimarycontrollingfactrgoveingthepropagation ofhydraulicfracuringfractureoalsmsithelatielyghritesisonduivetofacturpropagatioemostratinggood gas drainageperformance.Converselycoalsamsthatarenotintisconditionareunfvorableforfracturepropagation，sultingin poor gasdrainageeffects.Terefore，forcoalseams withlowbritleness，L-shapedwelsaremoresuitableforgas drainage toachieve the goal ofcoalbedmethane（CBM）presurereductionanddesoption.Forcoal seams withrelativelyhighbritleness，appoprate well types should be selected based on the relative magnitudes of σ_v and σ_h When σ_vgt;σ_h， fractures are less likely to extend within the coal seam， and it is recommended to adopt L-shaped wels to achieve gas drainage objectives.When σ_hgt;σ_v ，fractures are more prone to propagateintehorzontaldirectionofthecoalseamhichisbneficialforCBMpresureeductioanddesoption.Intiscase， bothverticalandL-shapedwellscanbeconsideed，andbothtypsofwellsanachieverelativelygoodasdrainageefectsBasedon engieeringcaseanalyses，itisonsideredtatduringthefracturingprocesofiterverticalororzontalels，thewaterbaring propertyoftheoof trata mustbetakenintoaccountsimultaneouslyWhentheroofisawater-bearinglayer，L-shapedwelshould selecthecoalseamasthehorzontalsectionandimplementsmal-salefracturing.Whentheoofisanon-water-bearinglayerthe horizontalsectionstratumshouldbechosenaccordingtothecoalseam'sbritleness.DrawingfromsuessfulcasesofL-shapedwels inmining-iducedstressreliefznes，itissuggestedtat\"onewellforualpurposes\"engineeingloutssouldbeconsideedinthe design of in-situ gas extraction L-shaped wells.

Key words： coal seam; gas extraction; britleness; in-situ stress; coupling; Weijiadi Coal Mine

0 引言

地質演化過程中，由于構造變形導致煤體發生破碎或流動，進而形成構造煤。構造煤發育受多重地質因素控制，主要體現為煤層一圍巖一構造“三元”耦合控制[1-2]。剪應力集中導致彈性內能和瓦斯膨脹能，增加了瓦斯突出風險[3]。煤體結構和現今地應力共同影響煤儲層裂隙的發育程度和開合程度，控制煤儲層滲透率變化[4-5]和瓦斯的擴散[6-7]，進而導致煤體結構和瓦斯賦存的非均質性，增加了煤與瓦斯突出和工作面瓦斯超限的風險。目前降低瓦斯突出風險的有效手段為地面瓦斯抽采，然而瓦斯抽采井設計需要綜合考慮裂隙方位與地應力關系、儲層彈性模量及泊松比與儲層滲透性關系、垂向應力與有效抽采區范圍關系、地應力差與水力壓裂裂縫幾何形態關系等［8-11］

準確判識煤儲層彈性模量、泊松比等參數及儲層地應力，對預測其改造效果意義重大［12-14]。密度、電阻率、井徑及聲波時差等參數可用于評價煤儲層彈性模量、泊松比等參數［15-16]。電阻率、聲波時差等參數可用于現今地應力場評價［13］。煤層氣開發及瓦斯抽采井型復雜多樣，煤礦瓦斯抽采需根據其地質條件進行適配性分析，目前常用的并型為直井或L型井[17-18]，可根據巖層脆性差異選擇煤層或相鄰巖層進行水力壓裂［19-20]。直井煤層水力壓裂技術對煤體結構完整及脆性較強的煤層適應性較好［21-22]。相比于直井煤層水力壓裂技術，L型井頂板定向射孔水力壓裂技術對構造煤及塑性較強的煤層具有明顯的適應性［23]。垂向應力相對較高區域形成的水力壓裂縫發生垂向延伸，反之壓裂縫水平方向延伸顯著。鄂爾多斯盆地大佛寺井田煤層氣開發中先后施工的垂直井、U型井和多分支水平井產氣效果差異性顯著［24-25]，研究指出該地區煤層氣井儲層改造需要同時兼顧煤層厚度、儲層應力狀態、煤層及頂板巖性特征等多重因素［25]。

本研究利用錄井、測井資料及礦井地質生產圖件，通過Petrel軟件構建地質模型并進行力學反演。基于以上模擬結果，進一步分析地應力、煤層力學性質和裂隙間的關系，探討煤層壓裂及瓦斯抽采方案，為魏家地煤礦的安全高效生產提供支撐。

1 研究區地質概況

研究區構造位置處于北祁連造山帶東端［26]。祁連造山帶位于柴達木盆地東北緣、阿拉善陸塊以南，西北部被阿爾金斷裂所切割，東部與秦嶺-大別造山帶相接，其基底主要為變質巖系。魏家地煤礦聚煤期為早中侏羅世陸內造山變形期后的伸展斷陷盆地，其在中新生代隴西旋卷構造的控制下形成復雜的地質構造［27-28]，及差異性分布的煤體結構［29]。研究區位于青藏高原東北緣，受現今NE向擠壓應力的影響，整體上構造活動強烈，表現為斷裂活動性顯著［28.30]，加之區內斷層發育程度較高，呈現復雜的現今地應力場。

魏家地煤礦發育中生代地層，由下至上分別為南營兒群 （T₃n） 、窯街組 （J₂ν） 、新河組 （J₂x） 、苦水峽組 （J₃k） 、統河口群 （K₁hx） 。其中，主要煤系為窯街組 （J₂ν） ，共含4層煤，出露于寶積山向斜兩翼。窯街組巖性整體較粗，下部巖性為灰白色含礫砂巖，且旋回性顯著，厚煤層中心可達 25m 以上，但向周緣煤層厚度逐漸降低至 5～10m 。 1^# 煤穩定發育，是魏家地礦的主力開采煤層，煤層厚度整體較大，但空間分異性明顯。

魏家地煤礦構造較為復雜，褶皺以NE向和EW向為主，依次發育1號背斜、2號向斜、3號背斜、4號向斜；斷裂構造以NW向為主，局部可見NE和NNE向斷層，斷層以逆斷層為主，僅礦井西北方向零星發育正斷層。NW向逆斷層主要包括礦井東北部F₄₆ 斷層、中部 F₃ 斷層和西南部 F_1-2 斷層（圖1）。

圖1魏家地礦煤1煤層底板構造圖 Fig.1Structural diagram of the floor of coal seam 1^? in Weijiadi Mine

2三維地質模型構建

三維地質模型包括構造模型、巖相模型和屬性模型三部分，基于鉆孔巖心、測井和煤礦生產圖件資料，解譯得到斷層、層面和煤層數據，擬合和計算得到力學參數、三維地質構造模型，為地應力場的計算和模擬提供載體。

2.1 構造模型

基于數據資料，以研究區邊界為約束，構造模型包括構造層面、三維斷層和地質網格三部分。研究區共有斷層32條，通過對目的層頂底面斷層數據的提取，得到頂底面的斷層信息，再通過兩條斷層線在軟件斷層模型中構建三維斷層面（圖2）。在建立三維斷層和構造層面時，對以上加載數據進行統一的三維模型化，確保兩盤斷裂距離的合理刻畫且各結構間的空間聯系與實際地質條件相吻合，從而獲得研究區三維結構圖。

圖2斷層形態效果圖

Fig.23D morphology effect diagramof faults

基于三維斷層與構造層面模型框架，對整個地層架構實施網格化處理。處理過程在小層級別內部執行，網格尺寸依據工作區域實際邊界確定，而網格數量在垂向上則依據各小層厚度來分配，力求確保網格劃分與地層界面保持平行，并維持不同層位在結構上的連續性。隨后，借助地質剖面數據與研究區域構造等值線圖，對網格模型進行校正與解析，以確保其既符合邏輯又貼近實際地質狀況。研究區建模平面范圍較大，考慮計算機性能局限性，將平面網格大小設為 30m×30m ，縱向上將網格劃分為97層，三維網格數量共計2525880個（圖3）。

2.2 屬性模型

本次對屬性的解析包括彈性模量和泊松比力學參數，均為連續性數據，先對數據進行變換與分析，再采用高斯隨機函數模擬的方法進行多次模擬，選取最優模型，最終建立2種屬性模型。該模型的數據支撐主要依托于測井資料及其經由計算所得，彈性模量和泊松比由式（1）～（2）計算得到[31]：

圖3三維網格模型效果圖

式中： σ_ν 為巖石泊松比; E 為彈性模量，GPa; Δt_p. （號Δt_s 分別為巖石骨架縱波時差和橫波時差， μs/m ρ 為巖石密度， g/cm³ 。

對通過測井數據計算得到的彈性模量和泊松比進行離散化、數據分析與變差函數擬合，確定彈性模量和泊松比的變差函數類型以及主方向變程、次方向變程和垂直方向變程。在Petrel三維地質建模軟件中，在離散數據變換的基礎上，利用序貫高斯方法完成彈性模量和泊松比模型。結果顯示，研究區煤層彈性模量主要介于 0～45GPa ，泊松比介于0～0.42 ，二者均在研究區中部地區發育高值（圖4）。

3煤系地層地應力計算與模擬

基于測井曲線計算巖石力學參數剖面，在此基礎上采用組合彈簧模型計算單井地應力剖面。基于Petrel構建的三維地質模型為載體，以實測的地應力結果為約束，結合巖石力學場，運用有限元模型，采用Petrel軟件模擬三維地應力場。

3.1單井地應力剖面構建

地應力計算模型為彈簧模型，在應用組合彈簧模型進行應力計算時還需獲得彈性模量、泊松比等巖石力學參數，其中相關參數通過測井數據獲取，該方法獲得的巖石力學參數具有連續性特征，適用于本次研究。在上述方法基礎上，構建研究區單井地應力剖面，見式（3）～（5）[32-33」。

式中： σ_H 為水平最大主應力， MPa σ_h 為水平最小主應力， MPa σ_v 為垂向主應力， MPa β 為Biot系數；p_p 為地層孔隙壓力， MPa ： ε_H，ε_h 分別為水平最大、最小主應變。

結果顯示（圖5）：（1）三軸應力 （水平最大主應力 （σ_H）? 、水平最小主應力 （σ_h） 和垂向主應力 （σ_v）_，^? 和儲層壓力均隨著埋藏深度的增加而增大。（2）三軸應力在垂向上存在轉換。在 400m 以淺，表現為σ_H 最大、 σ_v 最小的逆斷型地應力機制； 400～800m 主要為 σ_H 最大、 σ_h 最小的走滑型地應力機制；800m 以深，主要呈現走滑型地應力機制與正斷型地應力機制間隔發育特點。

3.2 現今地應力模擬

根據目的層 σ_H，σ_h 和 σ_v 實測信息，并在此約束下，結合所構建的巖石力學場，利用Petrel軟件開展了三維地應力場數值模擬。

圖5魏家地煤礦單井地應力剖面圖

模型加載主要采用遠場應力方式，結合目的層地應力實測數據，設置地質力學模型的邊界條件為：魏家地區最大主應力梯度 0.0302MPa/m ，最小主應力梯度 0.0186MPa/m ，最大主應力方向 49^°N 。

應力場建模結果表明，研究區三軸地應力值隨著埋深增大而升高，不同深度整體地應力分布類似。 σ_H 介于 37～52MPa ，高值出現在研究區的中部，呈團塊狀，低值出現在研究區的西南部和西北部，呈帶狀分布（圖6a）; σ_h 主要介于 9～15MPa ，高值出現在研究區中部，呈團塊狀零星分布，低值同樣出現在研究區的西南部和西北部（圖6b）； σ_v 主要介于 6～17MPa ，高值出現在研究區的東南部和東北部，低值出現在研究區的西南部和西北部（圖6c）。

4 瓦斯抽采地質控制

4.1煤層屬性空間特征

研究區內煤層彈性模量高值區主要分布于1號背斜西段、2號向斜西段、3號背斜南翼及4號向斜北翼；低值區主要位于 F_1-2 斷層北側、研究區北東部（圖7。區內煤層泊松比高值區主要分布于1號背斜東段、2號向斜西段、3號背斜東段；泊松比低值區主要分布于2號向斜北翼、4號向斜、 F_1-2 斷層以北地區。高彈性模量和低泊松比巖層的相對脆性較強，反之相對脆性較低。

參考煤層氣有利區優選多因素疊合方法［34-35]，本次研究將彈性模量分區與泊松比分區進行疊合，獲取煤層的相對脆性分區。其中，低泊松比和高彈性模量疊合區定義為“高脆性區”；高泊松比和低彈性模量疊合區定義為“低脆性區”；高泊松比和高彈性模量、低泊松比和低彈性模量疊合區定義為“中脆性區”。疊合結果顯示相對脆性較高煤層主要發育在1號背斜西段、 F₃ 斷層東南部、3號背斜西段及4號向斜北翼；煤層相對低脆性區主要發育在1號背斜東段兩翼、2號向斜南翼及3號背斜北翼地區 （圖7）。

4.2地應力特征空間關系

σ_H 除在1號背斜西段和 F_1-2 斷層附近顯示為低值，其余位置整體顯示為高值； σ_v 在傾向上呈現出由南向北逐漸減小的趨勢，在走向上呈現出由西向東逐漸增高的趨勢，與煤層埋深相一致； σ_h 除零星出現低值區外，整體和 σ_v 相似（圖6）。

圖6水平最大主應力（a）、水平最小主應力（b）和垂向應力（c）分布圖 Fig.6Maximumhorzontalprincipalstress （a），minimumhorzontalprimarystress（b）andverticalmainstress （c）distribution

圖7煤層彈性模量、泊松比和構造煤類型疊合圖 Fig.7Combination ofcoal seam elastic modulus，Poisson's ratio，and tectonic coal types

構造活動使得煤層煤體結構發生改變，并且伴隨裂隙的形成，裂隙開啟和閉合的程度受到現今地應力的控制。煤儲層裂隙的方向與斷層走向一致，整體上裂隙走向和 σ_H 方向垂直，不利于裂隙開啟，因此瓦斯抽采需要布置合適的鉆孔以達到最優抽采效果，尤其對于地面瓦斯預抽采，需要根據地應力狀態進行鉆孔設計。應力模擬結果顯示 σ_H 遠大于σ_h 和 σ_v ，因此水力壓裂過程中裂縫主要沿NE-SW方向擴展，但裂縫網絡面平行煤層亦或垂直煤層方向仍受 σ_h 和 σ_v 相對大小的控制。

對Petre1軟件導出的圖片進行二次處理，以獲取 σ_h 和 σ_v 的相對大小。首先設置 σ_h 由大至小顏色為“由紅色至白色”、 σ_v 由大至小顏色為“由白色至紅色”。將以上 σ_h 圖與 σ_v 圖疊合，并且圖片顏色均設置為 50% 透明度。基于以上操作獲取的復合圖紅色較深則代表“ σ_h 較大且 σ_v 較小”，復合圖白色較為顯著則代表“ 較小且 σ_v 較大”。

基于以上操作，分析認為研究區 σ_v 顯著大于σ_h 區域主要分布于1號背斜兩翼、2號向斜北西翼、3號背斜南翼、4號向斜北翼、 F_1-2 斷層與 F₃ 斷層之間。 σ_h 顯著大于 σ_v 區域主要分布于1號背斜東段、2號向斜西段、2號向斜東段南翼、3號背斜北翼、4號背斜東段。見圖8。

圖8水平最小主應力與垂向應力相對大小 Fig.8Relative magnitude of minimum horizontal primary stressand vertical stress

4.3 瓦斯抽采效果及機理探討

研究區前期開展了部分煤礦瓦斯地面抽采試驗，結果如表1、圖9所示，其中L型井水平段位于煤層并進行射孔壓裂，直井壓裂層位同樣為煤層段。

表1瓦斯抽采效果統計Table1 Statistics of gas extraction effect

由表1可以看出，L型井水力壓裂方法瓦斯抽采效果并不理想，表現為產水量極高，并且基本不產氣（WJD-1L、WJD-2L）。直井水力壓裂方法瓦斯抽采效果同樣較差，但略優于L型井，表現為累計產氣量低 （996-32486m³ ，平均為 16741m³ ，同時累計產水量差異性顯著。

WJD-1L井和WJD-2L井基本不產氣，并且產水量較高，毫無疑問L型井壓裂溝通了頂板含水層，地質控因體現在該位置處頂板主要為砂巖層且距離斷層較近。進一步分析發現，WJD-1L井累計產水量約為WJD-2L井的4.5倍，也就是說WJD-1L井水平段壓裂改造之后溝通頂板含水層更為顯著。然而，WJD-1L井和WJD-2L井顯著的差異性體現在：WJD-2L井煤層為低脆性，而WJD-1L井則為中脆性；WJD-2L井 σ_vlt;σ_h ，而WJD-1L井σ_vgt;σ_h（ 表1、圖10）。基于上述兩口井差異性及流體產出效果分析，認為WJD-2L井脆性較低的煤層不利于裂縫的擴展，同時 σ_vlt;σ_h 狀態時，水力壓裂裂縫向上延伸程度較弱，因此表現為累計產水量較低；相反，WJD-1L井脆性相對較高的煤層有利于裂縫的擴展，同時 σ_vgt;σ_h 狀態，水力壓裂裂縫向上延伸程度較強，因此表現為累計產水量較高（圖10）。

圖9區內煤層屬性、地應力屬性及瓦斯抽采效果 Fig.9Coal seam properties，geostress properties，and gas extraction effectwithinthearea

對比WJD-1C井、WJD-7-1X井，二者產氣量差異性顯著，其中WJD-1C井累計產氣量為32486m³ ，WJD-7-1X井累計產氣量僅為 996m³ 。進而對比兩口井地質差異性，二者煤層脆性差異同樣顯著，WJD-1C井壓裂煤層為中脆性，WJD-7-1X井壓裂煤層為低脆性；二者地應力狀態存在較明顯的差異，其中 WJD-1C井 σ_vgt;σ_h ，相反，WJD-7-1X井σ_vlt;σ_h（ 表1、圖10）。基于以上分析，認為WJD-7-1X井脆性較低的煤層同樣不利于裂縫的擴展；地應力相對大小對煤層瓦斯抽采起到控制作用，即σ_vgt;σ_h ”區，裂隙容易發生垂向延展，同時煤層與頂板巖層廣覆式接觸，煤層瓦斯可以由頂板運移至井筒，因此瓦斯抽采效果相對較好；相比較而言，“ 區，瓦斯抽采井（WJD-7-1X井）抽采效果較差，其主要原因為水力壓裂過程中煤層內裂隙垂向擴展受限，進而降低了煤層瓦斯向井筒附近運移的效率，表現為瓦斯抽采較弱。

圖10直井和 L 型井瓦斯抽采流體運移示意圖 Fig.10Schematic diagram of fluid migration in gas drainage for vertical wells and L-shaped wells

4.4瓦斯抽采地質建議

對于原位區而言，瓦斯抽采主要通過人工壓裂裂縫向井筒匯聚，而L型井無疑可以擴大人工壓裂裂隙在水平方向的影響范圍，因此原位區進行L型并抽采方式效果更為顯著。考慮到頂板含水性，當頂板為含水層時，無論煤層脆性如何，L型井均只適合選擇煤層水平段，同時壓裂規模應較小，避免裂隙裂縫溝通含水層（圖10）。當頂板為非含水層時，L型井水平段需要根據煤層脆性進行判斷，若煤層脆性較強時，L型井水平段適合選擇煤層，壓裂后裂縫閉合程度弱且裂隙對煤層壓降作用顯著；相反，若煤層塑性較強時，L型井水平段適合選擇頂板巖層，通過向煤層定向射孔壓裂，以保證壓裂裂縫穩定，同時達到構造煤中瓦斯降壓抽采效果（圖10）。

另外，在研究區西南部煤礦開采區施工了一口L型井（W-L井），累計瓦斯抽采量為 1991893m³ 且高產氣量時間較長。該井井筒位置遠離采動工作面，水平段向采煤工作面延伸。隨回采，采動裂隙范圍不斷向井筒位置擴展，當L型井水平段遠端進入裂隙帶后即可見氣，且見氣水平段長度不段增長，產氣效果增強。后期L型井水平段遠端井身雖會發生破壞，但并不影響水平段近端瓦斯抽采效果，盡管有效抽采段距離縮小，但該過程中L型井水平段近端受采動裂隙影響，瓦斯抽采效果較好。即：L型水平井高效抽采段 （卸壓影響裂隙帶）隨采煤工作面推進而發生動態遷移，同時水平段遠端發生逐級失效，但始終可保持有效抽采，提高了瓦斯抽采井服務周期。

基于研究區上述煤礦開采卸壓區瓦斯抽采較好的實際情況，因此本次建議的原位瓦斯抽采L型井在水平段方向設計時應該同時考慮后期煤礦開采井巷設計情況，以實現后期L型井原位煤層瓦斯抽采和卸壓抽采“一井兩用”的目的。

5結論

（1）煤儲層脆性分區與應力場類型的空間耦合關系是決定壓裂裂縫擴展模式的核心要素。高脆性煤層中裂縫易沿最大主應力方向延展，形成高效瓦斯滲流通道；低脆性煤層則需依賴L型井的定向卸壓作用實現解吸。該規律揭示了地質條件-工程響應的內在關聯性，為建立“脆性指數-應力類型”雙參數并型選擇矩陣提供了理論基礎，尤其適用于構造復雜礦區。

（2）頂板含水性、應力狀態與煤層脆性構成三維決策體系：當 σ_hgt;σ_v 時，水平裂縫優勢發育使直井和L型井等效；當 σ_hlt;σ_v 時，裂隙不易在煤層中延展，建議采用L型井進行瓦斯抽采；含水層存在則強制約束壓裂規模。

（3）現有研究對采動應力場演化與井筒穩定性的時空耦合機制揭示不足。建議后續研發地質-工程-經濟多目標優化算法，量化“一井兩用”協同效益；建立基于微震監測的裂縫擴展實時修正系統。重點突破采掘擾動對瓦斯抽采系統的時效性影響機制，形成可推廣的煤與瓦斯共采技術標準體系。

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（收稿日期：2024-10-20；修回日期：2024-12-05）

[編輯景暖]