臨汾區(qū)塊煤儲層地應(yīng)力對煤層氣產(chǎn)量的影響

王丹 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100008

中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 臨汾041000

趙峰華 （中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100008）

孫俊義，武曉磊，姚曉莉 （中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 臨汾041000）

宋治霞 （中石化中原油田分公司石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽457001）

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場是控制構(gòu)造發(fā)育、展布、組合及其演化的重要因素之一。不同的構(gòu)造類型決定了煤層氣的賦存狀態(tài)、煤儲層的裂隙發(fā)育程度、煤層氣藏類型和保存條件等［1］。筆者以臨汾區(qū)塊為例，從構(gòu)造應(yīng)力場演化的角度，探討了其與煤層氣富集的關(guān)系。

1 臨汾區(qū)塊構(gòu)造及應(yīng)力特征

1.1 臨汾區(qū)塊構(gòu)造特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南部。晉西撓褶帶為一由東向西傾伏的巨大單斜構(gòu)造［1］，發(fā)育一系列北東向展布的斷層，將斜坡復(fù)雜化，形成了坳隆相間的構(gòu)造格局。貫穿全區(qū)的北東向古驛－窯渠逆沖斷層將區(qū)塊劃分為東、西2個大構(gòu)造單元。在古驛－窯渠逆沖斷層的牽引作用下，在上盤形成了一個北東－南西向展布的長軸背斜構(gòu)造，構(gòu)造幅度達(dá)到80～120m。背斜構(gòu)造的北西翼地層傾角相對較緩，約2～4°，南東翼較陡。斷層上盤為一個寬緩的背斜構(gòu)造，整體傾向北西；下盤由于逆沖和上盤的載荷作用而形成了一個同樣傾向北西的緩斜坡，整體由西向東抬升，傾角3～6°。

1.2 臨汾區(qū)塊現(xiàn)今地應(yīng)力特征

通過對研究區(qū)內(nèi)33口煤層氣探井的煤層水力壓裂施工參數(shù)和測井獲得的地應(yīng)力資料進行分析，主力煤層儲層壓力梯度為0.49～0.93MPa／100m，破裂壓力梯度為0.95～2.93MPa／100m，閉合壓力梯度為0.89～2.09MPa／100m。煤層儲層壓力、破裂壓力和閉合壓力與煤層埋深呈線性關(guān)系，隨埋深增大而升高。

通過對水力壓裂法測定，研究區(qū)743～1293m范圍內(nèi)33個煤層應(yīng)力資料統(tǒng)計顯示：最大水平主應(yīng)力（σh，max）梯度為0.98～2.94MPa／100m，平均2.19MPa／100m，方向主要為 NEE方向；最小水平主應(yīng)力（σh，min）梯度為0.89～2.09MPa／100m，平均1.68MPa／100m；垂直主應(yīng)力（σv）梯度為2.02～2.48MPa／100m，平均2.31MPa／100m。煤層主應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系，隨埋深的增大而升高。研究區(qū)煤層埋深在1070m以上，現(xiàn)代地應(yīng)力較弱，σv＞水平主應(yīng)力（σh），主力煤層處于拉張狀態(tài)；煤層埋深在1070～1200m，地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為σh，max≈σv≈σh，min，煤層由伸張狀態(tài)向擠壓狀態(tài)過渡；煤層埋深大于1200m，地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為σh，max≈σv＞σh，min，σh，min＞20MPa，煤層處于擠壓狀態(tài)。

2 煤層氣富集特征

2.1 煤儲層厚度變化

臨汾區(qū)塊主力煤層空間展布連續(xù)、分布穩(wěn)定、厚度大，煤層氣富集，為煤層氣開發(fā)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)［2］。其中，上主力煤層單層厚度介于2.2～7.1m，平均厚度大于4m，分布面積廣，全區(qū)發(fā)育，午城－小回宮－窯渠間的厚度超過5m，向東北變薄；下主力煤層厚度介于3～9m，午城－小回宮－窯渠間的厚度超過6m，向東北變薄。

2.2 煤巖含氣特征

研究區(qū)主力煤層按演化程度可以分為焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤等，成分以甲烷為主，體積分?jǐn)?shù)在98%以上［3］。研究區(qū)上主力煤層平均含氣量13m3／t，下主力煤層平均含氣量10m3／t。區(qū)內(nèi)主力煤層含氣量分布有很大的相似性，均有3個主要的煤層氣富集帶，工區(qū)北部午城－窯渠、東部蒲縣－明珠和南部曹井－車城鄉(xiāng)。

3 構(gòu)造應(yīng)力場演化對臨汾區(qū)塊煤層氣產(chǎn)量的影響

3.1 構(gòu)造演化對臨汾區(qū)塊的影響

鄂爾多斯盆地的演化主要經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等3次古構(gòu)造運動［4］。石炭－二疊紀(jì)巨厚地層的穩(wěn)定沉降對該區(qū)的煤層和煤層氣的形成具有重要意義；三疊紀(jì)中后期的印支運動，造成地殼抬升和擠壓變形，主要表現(xiàn)為擠壓作用，煤層氣的逸散程度較??；燕山運動早期，煤的變質(zhì)作用和生氣作用終止，蓋層變薄，同時北西－南東向擠壓應(yīng)力產(chǎn)生了大量北北東向的斷裂構(gòu)造，導(dǎo)致煤層氣保存條件變差；喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力場由壓扭性變?yōu)閺埮ば裕瑪嗔殉什煌潭乳_放，導(dǎo)致煤層氣逸散［5］。但臨汾區(qū)塊整體上構(gòu)造簡單，區(qū)域蓋層發(fā)育，煤層氣保存條件有利［6］。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力對煤層氣富集的影響

對研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力與上主力煤層含氣量進行分析（見圖1），每噸煤含氣量與σh，min在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，即在應(yīng)力大于12MPa范圍內(nèi)，每噸煤含氣量隨σh，min的增大而減小。經(jīng)分析，圖中明顯偏離趨勢線的數(shù)據(jù)點均分布于斷層附近，由于應(yīng)力釋放而造成σh，min較小，煤層氣在斷層附近保存條件較差，造成含氣量較低。

3.3 實例

A井位于研究區(qū)內(nèi)古驛－窯渠背斜帶上，上主力煤層1101～1105m，厚4m，σh，min為15.26MPa，含氣量12.36m3／t，歷史最高產(chǎn)量1780m3／d，產(chǎn)氣量1200m3／d，產(chǎn)水量1.19m3／d，井底壓力1.91MPa，套壓0.28MPa。

B井位于研究區(qū)內(nèi)古驛－窯渠背斜東部的凹陷，上主力煤層1287～1290.5m，厚3.5m，σh，min為23.50MPa，含氣量9.26m3／t，目前產(chǎn)氣量520m3／d，產(chǎn)水量3.31m3／d，井底壓力3.39MPa，套壓1.60MPa。C井位于研究區(qū)內(nèi)古驛－窯渠背斜帶上，緊鄰斷層。上主力煤層1059～1063m，厚4m，σh，min為14.53MPa，含氣量6.27m3／t。該井生產(chǎn)26個月，日產(chǎn)水量較大，未產(chǎn)氣，目前已關(guān)井停止生產(chǎn)。

圖1 上主力煤層噸煤含氣量與σh，min關(guān)系

通過以上分析認(rèn)為，構(gòu)造應(yīng)力對煤層氣的富集和產(chǎn)氣量影響較大，構(gòu)造應(yīng)力通過控制煤儲層的滲透率來影響煤層氣井的產(chǎn)量［7］。在一定范圍內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力越小，煤層含氣量越高，煤層滲透性越好，往往產(chǎn)氣量也越高；而斷層附近由于應(yīng)力釋放，構(gòu)造應(yīng)力也比較小，但煤層頂?shù)装灏l(fā)育裂縫，煤層氣不易保存，產(chǎn)水量大，不利于煤層氣井排采，產(chǎn)氣效果往往不好。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)上主力煤層平均噸煤含氣量13m3，下主力煤層平均噸煤含氣量10m3。區(qū)內(nèi)上、下2主力煤層含氣量分布有很大的相似性，均有3個主要的煤層氣富集帶。斷層發(fā)育地區(qū)，煤層氣保存條件不好，是含氣量較低區(qū)域。

2）最小水平主應(yīng)力影響煤層氣的富集和滲透性，煤層含氣量和單井產(chǎn)氣量隨最小水平主應(yīng)力的增大而減小；斷層發(fā)育地區(qū)，應(yīng)力釋放，煤層含氣量受保存條件變差，含氣量較低。

3）煤層氣開發(fā)尋找最小主應(yīng)力相對較低的地區(qū)，但必須避開斷層發(fā)育區(qū)。

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