原位地應(yīng)力約束下煤儲層自封閉作用及其成藏效應(yīng)

陳世達(dá)，湯達(dá)禎，陶 樹

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083; 2.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心 煤儲層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

黔西—滇東煤層群發(fā)育區(qū)煤層氣資源豐富，但單層資源量較低[1-2]?，F(xiàn)行技術(shù)條件下，多煤層共采是實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤層氣資源高效開發(fā)的必要手段之一。然而，煤系地層內(nèi)“隔水阻氣關(guān)鍵層”的存在使得流體垂向聯(lián)通性受限，煤層群甚至單一煤層的流體壓力系統(tǒng)相互封閉和獨(dú)立，儲層壓力、壓力系數(shù)及含氣量等儲層物性參數(shù)呈非單調(diào)性變化，即“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”普遍存在[3-4]。這種現(xiàn)象致使產(chǎn)層組合設(shè)計難度增加，排采過程中可能由于合采層位不兼容觸發(fā)層間矛盾，最終導(dǎo)致合采效果差[5-7]。

關(guān)于其成藏機(jī)制，目前更多的研究在于關(guān)注層序地層格架控制下的低滲透性巖層對含氣單元間流體的封閉能力。楊兆彪等[8]、沈玉林等[9]先后針對黔西煤層群發(fā)育區(qū)，進(jìn)一步闡明了層序地層格架的控藏效應(yīng)，但關(guān)于隔水層的發(fā)育位置及其形成機(jī)理的結(jié)論差異較大。近年來，國內(nèi)學(xué)者以地應(yīng)力為切入點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的垂向轉(zhuǎn)化與含氣系統(tǒng)、資源類型存在一定的關(guān)聯(lián)性[10-12]。澳大利亞悉尼盆地也曾報道過水平主應(yīng)力各向異性在含氣性分帶中的指示作用[13]。原位埋深條件下，煤系地層特別是煤儲層中的割理-裂隙系統(tǒng)必然受到地應(yīng)力的壓縮而變形，從而影響其封隔性，進(jìn)而使得含煤層氣系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。此前，徐宏杰等[14-15],XU等[16-17],JU等[18]先后對黔西煤儲層地應(yīng)力場的垂向展布及對滲透率的控制作用進(jìn)行了研究。楊兆彪等[10]、郭晨和盧玲玲[11]進(jìn)一步揭示了黔西地區(qū)原位應(yīng)力場條件下煤層氣的成藏特性和含氣系統(tǒng)疊置特征，并認(rèn)為臨界轉(zhuǎn)換深度界面以淺有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。然而，上述研究均未考慮地應(yīng)力的非線性和滲透率的非指數(shù)性變化規(guī)律及其所承載的重要成藏(或煤層氣富集)信息。

據(jù)此，筆者基于煤層氣試井和原位地應(yīng)力測量資料，系統(tǒng)分析了黔西地區(qū)含煤向斜構(gòu)造內(nèi)地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律，揭示了應(yīng)力場制約下煤儲層滲透率、儲層壓力、壓力系數(shù)及含氣性的垂向差異性變化規(guī)律及其匹配關(guān)系，探討了地層條件下煤儲層的自封閉作用及其成藏效應(yīng)，以期拓展煤層氣富集機(jī)理和成藏理論認(rèn)識。

1 地質(zhì)背景與數(shù)據(jù)處理

黔西地區(qū)屬于二疊世上揚(yáng)子聚煤沉積盆地的一部分，含煤地層為上二疊統(tǒng)長興組和龍?zhí)督M，受高頻振蕩海平面變化影響，泥炭沼澤穩(wěn)定期短，造成煤層數(shù)量多但單層厚度薄的現(xiàn)狀[8-9]。多期構(gòu)造活動的改造使得原型含煤盆地肢解為眾多北東向、北西向的構(gòu)造盆地，煤系地層在這些規(guī)模大小不一的向斜內(nèi)得以保存，外圍則被剝蝕殆盡[19]。

本次研究共搜集到黔西地區(qū)不同含煤構(gòu)造32口井共計77層次的試井?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)地面垂直鉆孔水力壓裂測量地應(yīng)力方法,閉合壓力pc為最小水平主應(yīng)力σh[20]，即

σh=pc

(1)

最大水平主應(yīng)力σH[20]為

σH=3pc-pf-p0+T

(2)

式中,pf為破裂壓力，MPa;p0為儲層壓力，MPa;T為煤或巖石的抗拉強(qiáng)度,可由破裂壓力和重張壓力的差值求取，MPa。

在任意深度，地層垂直主應(yīng)力σv等于上覆巖石壓力，可以通過上覆巖層的密度與埋深進(jìn)行估算。本文中垂直主應(yīng)力σv由經(jīng)驗(yàn)公式[21]計算獲得,即

σv≈0.027H

(3)

其中,H為垂直深度,m。水平主應(yīng)力梯度(G，MPa/hm)可以根據(jù)計算得到的水平應(yīng)力大小(σ)和對應(yīng)埋深(H)求取，即

(4)

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本次研究剔除了部分最大水平主應(yīng)力<最小水平主應(yīng)力的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)(如普定縣打磨沖煤礦503孔16號煤層、赫章縣野馬川507孔1號煤層、大方縣對江南2602鉆孔M18煤層、龍場煤礦檢3孔18號煤層等);200 m以淺僅一口井2組數(shù)據(jù)，且位于破頭山背斜，故也未作針對性分析。因此，共計保留了200～1 300 m埋深范圍內(nèi)的68組數(shù)據(jù)用以開展統(tǒng)計分析(表1)。

表1 注入/壓降試井及原位地應(yīng)力測量結(jié)果Table 1 Results of injection/fall-off test and in-situ stress measurement

續(xù) 表

2 原位地應(yīng)力場垂向分布規(guī)律

2.1 含煤向斜構(gòu)造水平主應(yīng)力變化

為查明含煤向斜構(gòu)造對水平主應(yīng)力的影響，筆者對盤關(guān)向斜8井次24層次的試井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了剖析(圖1)。其中，黔紅1,2，3井位于向斜軸部的亮山區(qū)塊;JV-1,GC-1,YV-1和貴煤1,2井位于向斜翼部。實(shí)測結(jié)果表明，向斜兩翼最大、最小水平主應(yīng)力梯度隨埋深增大逐漸降低，在埋深中段應(yīng)力梯度大小達(dá)到最小值，應(yīng)力場逐漸過渡為正斷層應(yīng)力場類型(σv>σH>σh)。位于向斜軸部的黔紅1,2，3井的水平主應(yīng)力大小及梯度較之埋深中段明顯增高，屬于高應(yīng)力區(qū)(σh>18 MPa)的范疇，三向應(yīng)力相對大小關(guān)系表現(xiàn)為σH>σv>σh，即走滑斷層應(yīng)力場類型。從統(tǒng)計結(jié)果來看，應(yīng)力梯度隨埋深變化整體上表現(xiàn)為“弧形”，淺部和靠近向斜軸部煤層構(gòu)造應(yīng)力占絕對優(yōu)勢，是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域，埋深中段構(gòu)造應(yīng)力集中現(xiàn)象相對不明顯，以垂直主應(yīng)力為主。

圖1 盤關(guān)向斜最大、最小水平主應(yīng)力及應(yīng)力梯度垂向變化Fig.1 Vertical variation of horizontal stresses and horizontal stresses gradient in the Panguan syncline

地應(yīng)力是存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，包括自重應(yīng)力與水平應(yīng)力。自重應(yīng)力場比較簡單，可用上覆巖層的容重與埋藏深度估算。水平應(yīng)力場則相對較為復(fù)雜，一方面是在重力作用下煤巖層水平方向移動受限而產(chǎn)生;另一方面與構(gòu)造運(yùn)動及巖層地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，尤以水平方向構(gòu)造應(yīng)力影響最大[22]。因此，水平主應(yīng)力大小是自重應(yīng)力產(chǎn)生的泊松效應(yīng)和構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力疊加的結(jié)果。在向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用下，自重應(yīng)力形成的水平應(yīng)力基礎(chǔ)上附加了較大構(gòu)造應(yīng)力，煤巖層內(nèi)水平應(yīng)變增大，導(dǎo)致水平應(yīng)力迅速增加。HAN 等[23]也發(fā)現(xiàn)在距離平頂山向斜軸部的一定范圍內(nèi)，水平主應(yīng)力的梯度將顯著增高。圖2給出了盤關(guān)向斜同一煤層(18號,24號)或鄰近煤層(1+3號,3號，6號,7號，9號,10號，12號,13號，15號,16號)水平主應(yīng)力梯度隨埋深的變化趨勢，其客觀上反映了煤層水平主應(yīng)力自淺部至深部、自向斜翼部至軸部的變化過程?？梢姡诳拷蛐陛S部過程中煤層應(yīng)力梯度先降后增，約750 m埋深處向斜軸部應(yīng)力集中作用開始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力梯度隨埋深增大而遞增且逐漸大于垂直主應(yīng)力梯度。

圖2 相同或鄰近煤層應(yīng)力梯度隨埋深變化Fig.2 Changes in horizontal stress gradient of the same or the adjacent seams with increasing depth

2.2 原位地應(yīng)力狀態(tài)垂向轉(zhuǎn)換規(guī)律

從實(shí)測結(jié)果來看，黔西地區(qū)平均最小水平主應(yīng)力梯度(2.1 MPa/hm)較之我國其他含煤盆地略高，但由于不同含煤盆地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)在不同埋深區(qū)間出現(xiàn)的頻率不同，應(yīng)力大小或梯度的平均值難以反映煤巖所承受的現(xiàn)今地應(yīng)力強(qiáng)度(表2)。從應(yīng)力值大小及梯度與埋深的關(guān)系的角度，在給定埋深范圍內(nèi)，黔西地區(qū)最小水平主應(yīng)力變化區(qū)間范圍與我國其他含煤盆地基本相當(dāng)，并非傳統(tǒng)認(rèn)識中典型的“高應(yīng)力區(qū)”(圖3)。依據(jù)地應(yīng)力量級判定標(biāo)準(zhǔn)(σh>30 MPa為超高應(yīng)力區(qū);18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū);10～18 MPa為中應(yīng)力區(qū);0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū))[22]，400 m以淺表現(xiàn)為為低應(yīng)力區(qū)，400～1 000 m為中應(yīng)力區(qū)，1 000～1 300 m才進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)的范疇。從擬合趨勢來看，1 400 m以深的煤層將承受超高地應(yīng)力的影響。

表2 我國不同含煤盆地煤儲層地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果對比Table 2 Comparison of in-situ stress measurements results of coals in different coal-bearing basins

圖3 不同含煤盆地煤儲層最小水平主應(yīng)力大小及梯度垂向變化Fig.3 Vertical variation in minimum horizontal stress magnitude and gradient

在統(tǒng)計的68個測點(diǎn)中，逆斷層應(yīng)力場類型(σH>σh>σv)有9個，埋深介于215～560 m;正斷層應(yīng)力場類型(σv>σH>σh)有37個，埋深介于210～1 027 m;走滑斷層應(yīng)力場類型(σH>σv>σh)有22個，埋深介于221～1 244 m。水平主地應(yīng)力梯度隨埋深的變化規(guī)律與盤關(guān)向斜實(shí)測結(jié)果基本一致。500 m以淺和1 000 m以深共計進(jìn)行了34層次的試井，逆斷層和走滑斷層應(yīng)力場類型占76%，以水平主應(yīng)力為主導(dǎo)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場類型;500～1 000 m埋深范圍內(nèi)進(jìn)行了34層次的試井，正斷層應(yīng)力場類型占85%，以垂直主應(yīng)力為主導(dǎo)，屬于大地靜力場類型。

考慮應(yīng)力梯度變化、應(yīng)力的相對大小關(guān)系及向斜構(gòu)造的影響，可以將煤儲層地應(yīng)力狀態(tài)劃分為4個深度區(qū)間(圖4，表3):① 200～500 m埋深內(nèi)煤儲層呈應(yīng)力擠壓狀態(tài)，表現(xiàn)為水平應(yīng)力隨埋深增大而增大，且增加幅度(或應(yīng)力梯度)大于垂直應(yīng)力，400 m附近正斷層應(yīng)力場類型消失，水平構(gòu)造應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位;② 500～750 m煤儲層位于應(yīng)力釋放區(qū)，水平主應(yīng)力梯度較之淺部有所收斂且明顯降低，應(yīng)力值變化趨于平緩，走滑、逆斷層應(yīng)力場類型基本不可見，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯;③ 750～1 000 m地應(yīng)力場仍以垂直主應(yīng)力為主，但向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力集中作用開始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力梯度變化趨勢發(fā)生反轉(zhuǎn)，最大水平主應(yīng)力逐步接近垂直應(yīng)力，屬于應(yīng)力過渡區(qū);④ 1 000 m以深進(jìn)入向斜軸部的構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，水平主應(yīng)力增加幅度遠(yuǎn)大于垂直主應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力增高至所測量數(shù)據(jù)的最大值，屬于高應(yīng)力區(qū)的范疇。

表3 黔西地區(qū)煤儲層地應(yīng)力場垂向分帶及其地質(zhì)意義Table 3 Vertical variation of in situ stress field in western Guizhou and its geology significance

圖4 地應(yīng)力狀態(tài)劃分Fig.4 Division of in-situ stress regimes

3 原位地應(yīng)力控滲、控藏效應(yīng)

黔西地區(qū)煤儲層滲透率在0.000 1×10-15～0.573×10-15m2，平均僅0.09×10-15m2。滲透率的垂向分布具有明顯的階段性，200～500,500～750,750～1 000 m以及1 000～1 300 m埋深范圍分別對應(yīng)低(平均0.05×10-15m2)、高(平均0.2×10-15m2)、低(平均0.03×10-15m2)、極低(平均0.003×10-15m2)滲透率(圖5)。滲透率的這種垂向階段分布特點(diǎn)并非個例，在盤關(guān)—土城向斜以及比德—三塘向斜均較為明顯(圖6)。在500～750 m埋深內(nèi)，2者均存在一個滲透率相對高值區(qū)(> 0.1×10-15m2)，如盤關(guān)—土城向斜金佳1井(3號，10號，22號)、松參1井(1+3號，9號，16號)、月亮田1井(6號，12號)以及貴煤1井(7號)，比德-三塘向斜的織4井(27號)、化樂一礦1602孔(2號，5號，6號)以及化樂一礦3603孔(2號，6號);該埋深區(qū)間上下煤層滲透率則普遍較低。

圖5 黔西地區(qū)煤層試井滲透率、水平主應(yīng)力差及側(cè)壓系數(shù)垂向變化Fig.5 Vertical variation of permeability,horizontal stress difference and lateral pressure coefficient

圖6 盤關(guān)—土城向斜、比德-三塘向斜滲透率垂向變化Fig.6 Vertical variation of permeability in Panguan-Tucheng and Bide-Santang synclines

從應(yīng)力場類型來看，正斷層應(yīng)力場類型相對有利于形成較高滲透的儲層，其次為走滑應(yīng)力場類型，逆斷層應(yīng)力場類型的煤層滲透率均較低。垂向上，儲層裂隙的開合程度(即煤儲層的滲流能力)不單純與某一方向地應(yīng)力絕對值相關(guān)，也與應(yīng)力梯度變化趨勢所反映出來的儲層受力“狀態(tài)”相關(guān)(圖5):當(dāng)應(yīng)力梯度趨于降低時，應(yīng)力狀態(tài)相對拉張，滲透率則有所恢復(fù);當(dāng)應(yīng)力梯度趨于增高時，則處于相對擠壓的狀態(tài)，滲透率普遍較低。水平主應(yīng)力差也是控制裂縫開合程度和滲透率大小的一個關(guān)鍵參數(shù)，在較高的水平主應(yīng)力差條件下，絕大多數(shù)天然裂縫通常處于閉合狀態(tài)，導(dǎo)致其導(dǎo)流能力明顯下降。就黔西地區(qū)而言，200～500 m埋深內(nèi)應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差明顯增大，導(dǎo)致煤巖裂縫閉合，煤儲層滲透率相應(yīng)降低;500～750 m埋深區(qū)間內(nèi)應(yīng)力集中程度較低，水平主應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差均有所下降，相對有利于煤巖裂縫保持張開的狀態(tài);750～1 000 m埋深段內(nèi)，向斜軸部構(gòu)造擠壓作用開始顯現(xiàn)，水平主應(yīng)力大小、梯度及水平主應(yīng)力差值再次升高，導(dǎo)致煤巖滲透率顯著降低;1 000 m以深進(jìn)入高地應(yīng)力區(qū)的范疇，應(yīng)力高度集中，滲透率極低(<0.01×10-15m2)。原位地應(yīng)力制約下煤儲層滲透率的垂向差異性分帶與儲層壓力、含氣性之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。黔西地區(qū)煤層的儲層壓力為0.72～12.89 MPa，儲層壓力梯度介于0.28～1.70 MPa/hm。圖7表明，儲層壓力與埋深的線性關(guān)系并不明顯，特別是在200～500 m及>750 m埋深范圍內(nèi)存在極強(qiáng)的離散型，這種離散性反映在儲層壓力梯度上則更為顯著。200～500 m和>750 m埋深范圍內(nèi)，儲層壓力梯度分布離散，常壓、欠壓以及超壓儲層均有分布且不存在明顯的變化規(guī)律;500～750 m埋深范圍內(nèi)，儲層壓力與埋深相關(guān)性較好，壓力系統(tǒng)統(tǒng)一程度高，平均儲層壓力梯度約為1 MPa/hm，與靜水壓力梯度大小相當(dāng)。

同一鉆孔內(nèi)，不同煤層的儲層壓力隨埋深增加(或?qū)游唤档?的變化也基本符合上述規(guī)律(圖8)。例如，盤關(guān)向斜金佳1井3號～22號煤層位于550～750 m埋深范圍內(nèi)，儲層壓力隨埋深增加單調(diào)遞增，壓力梯度無明顯波動，說明其屬于統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng);松參1井1+3號～27號埋深在550～950 m，儲層壓力梯度在約750 m附近發(fā)生突變，由常壓儲層變?yōu)槌瑝簝?，類似的變化也發(fā)生在月亮田1井的6號～24號煤;黔紅1井12號～24號煤層埋深大于1 100 m，滲透率極低，儲層壓力大小及梯度不增反降，說明層間壓力系統(tǒng)疊置發(fā)育;比德向斜化樂1礦1602鉆孔在460～540 m埋深段內(nèi)，儲層壓力單調(diào)遞增且至5號煤(約500 m)壓力梯度開始趨于穩(wěn)定;中寨煤礦503鉆孔6號～27號煤的埋深介于200～450 m，隨著埋深增大或?qū)游坏慕档停瑑訅毫Υ笮〖疤荻瘸什▌幼兓?，超?16號煤)、欠壓(6號,27號煤)儲層均有發(fā)育地應(yīng)力、滲透率、儲層壓力的垂向差異性變化與煤巖含氣量分布存在較高的一致性。土城向斜松河礦區(qū)的松參1井進(jìn)行了600～960 m埋深內(nèi)共計30層次的現(xiàn)場含氣量測試，其中部分煤層僅完成了解吸氣量和損失氣量的分析，未對殘余氣量進(jìn)行進(jìn)一步分析。盡管這部分樣品的含氣量較總含氣量略低，但2者整體的變化趨勢完全一致。由圖9可知，600～750 m埋深內(nèi)的煤層屬于相對統(tǒng)一的含氣系統(tǒng)(1+3號煤→12號煤)，含氣量隨埋深的變化基本符合單調(diào)遞增的一般性規(guī)律，含氣量由5.93 m3/t增高至18.83 m3/t;當(dāng)埋深>750 m，煤層含氣量與埋深失去相關(guān)性，呈無明顯規(guī)律的波動變化，說明該埋深段內(nèi)含氣系統(tǒng)疊置發(fā)育，相關(guān)成藏參數(shù)難以有效預(yù)測。含氣量的這種垂向分帶式變化規(guī)律在盤關(guān)向斜月亮田1井(YV-1井)及金佳1井(JV-1井)中也較為明顯。

圖8 同一井筒內(nèi)不同煤層儲層壓力及壓力梯度變化特征Fig.8 Variation of reservoir pressure and pressure gradient of different coal seams in the same borehole

圖9 GC-1井、YV-1井、JV-1井含氣量(解吸氣+殘余氣)垂向變化規(guī)律Fig.9 Variation of coal seam gas content(desorbed gas remined gas) in Well GC-1，Well YV-1 and Well JV-1

4 地應(yīng)力控藏機(jī)制探討及研究展望

原位地應(yīng)力場、儲層滲透率、流體壓力系統(tǒng)及含氣性分帶之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系，其對于煤層氣資源可采性的評價和甜點(diǎn)區(qū)段的優(yōu)選具有重要的意義。黔西地區(qū)500～750 m埋深內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，垂直應(yīng)力占主導(dǎo)地位，滲透率相對較高(>0.1×10-15m2)，儲層壓力與埋深存在良好的線性正相關(guān)性，壓力梯度(或壓力系數(shù))波動幅度不大，含氣量隨埋深的增大而增高，流體壓力系統(tǒng)統(tǒng)一程度較高。相反，在200～500 m和>750 m埋深內(nèi)，水平主應(yīng)力大小、梯度及水平主應(yīng)力差均隨埋深增加而增大，導(dǎo)致形成低滲-極低滲煤儲層，儲層壓力、壓力系數(shù)及含氣量與埋深的相關(guān)性較差，欠壓、常壓、超壓儲層均有分布，流體壓力系統(tǒng)普遍疊置發(fā)育。從這一點(diǎn)來看，500～750 m埋深區(qū)間多煤層合采的甜點(diǎn)層段，這與現(xiàn)階段的高產(chǎn)煤層氣井的產(chǎn)層埋深分布具有較高的一致性，如楊梅樹向斜楊煤參1井的13-2號(657.07～659.00 m)、7號(635.87～637.7 m)、5-2號(596.35～599.01 m)[24]，三塘向斜織3井14號(697.7～700.3 m)、16號(735.4～737.5 m)煤層，珠藏向斜小試驗(yàn)井組10口合采煤層氣井的20號,23號,27號,30號煤層(埋深450～650 m)[25]。

具體而言，原位地應(yīng)力場控藏效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是以控制儲層滲透率為橋梁，進(jìn)而決定儲層自封閉能力的一種地質(zhì)作用。自封閉(Self-sealing)最早由FACCA和TONANI[26-27]提出，常規(guī)油氣地質(zhì)領(lǐng)域多概指地層溫壓變化及地下流體共同作用下巖體發(fā)生重結(jié)晶和再膠結(jié)，最終封閉或封堵蓋層之下儲集巖體內(nèi)流體的地質(zhì)作用，它使地下流體與蓋層之外失去聯(lián)系后構(gòu)成相對獨(dú)立的流體單元或成藏單元。這類“自封閉”作用是目標(biāo)巖體外圍產(chǎn)生了相對致密部分，并對其高孔滲部分形成類似蓋層的封堵能力。秦勇等[28]提出了高煤級煤層氣成藏“彈性自封閉效應(yīng)”的觀點(diǎn)，認(rèn)為這種效應(yīng)是我國高煤級煤地區(qū)煤層氣普遍富集的重要地質(zhì)原因。賈承造等[27]將這一概念引入了非常規(guī)油氣領(lǐng)域，并將其定義為非常規(guī)油氣在沉積盆地內(nèi)由于自身特殊的物理化學(xué)特性或在特殊儲集層介質(zhì)條件和特殊溫壓環(huán)境共同作用下，依賴油氣自身內(nèi)部或油氣與儲集層介質(zhì)界面之間的分子間作用力，不依賴儲集體之外的圈閉等上傾封堵條件，與外界隔離并獨(dú)立成藏富集保存的地質(zhì)作用。

不同于常規(guī)油氣藏，非常規(guī)油氣的自封閉是在一定的邊界條件或地質(zhì)門限條件下，發(fā)生在非常規(guī)油氣藏內(nèi)部而不是在其外部或邊緣的一種成藏作用。對于煤層氣而言，自封閉成藏作用需要致密儲集條件。例如，黔西地區(qū)200～500 m埋深區(qū)間內(nèi)煤層試井滲透率小于0.1×10-15m2，750 m以深煤層滲透率<0.01×10-15m2，這種低孔隙度、低滲透率條件使得煤層氣藏不依賴于外部“封隔層”即可阻斷儲集層內(nèi)流體的自由流出和外部流體的自由進(jìn)入，形成獨(dú)立流體壓力系統(tǒng)垂向多層疊置的現(xiàn)象。這與楊兆彪等[29]的研究結(jié)論基本一致，即原位滲透率0.1×10-15m2可以作為劃分煤層是否具有統(tǒng)一含氣系統(tǒng)的標(biāo)志。對于500～750 m埋深范圍內(nèi)的相對高滲儲層(>0.1×10-15m2)，需外圍形成相對致密的封堵蓋層(即考慮層序地層格架特點(diǎn))阻斷層間的流體聯(lián)系才能構(gòu)成獨(dú)立的流體單元或成藏單元，因此相對于其他埋深區(qū)間更有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

除黔西地區(qū)煤層群發(fā)育區(qū)外，地應(yīng)力的非線性和滲透率的非指數(shù)型垂向變化在其他含煤盆地也并不鮮見，如滇東(600～800 m)、沁水盆地南部(650～800 m)、鄂爾多斯盆地東緣(800～950 m)及準(zhǔn)噶爾盆地南緣(600～800 m)等地區(qū)埋深中段均存在水平主應(yīng)力梯度低值區(qū)和滲透率相對高值區(qū)，且水平應(yīng)力梯度隨埋深的階段式增減與滲透率變化均存在較好的對應(yīng)關(guān)系(圖10)。地應(yīng)力在垂向上的這種復(fù)雜變化與盆地類型有關(guān)，我國含煤盆地多屬于擠壓型盆地，擠壓構(gòu)造力的傳播伴隨著壓縮吸收能量和斷層釋放能量的過程，在區(qū)域應(yīng)力背景下通常疊加了局部構(gòu)造應(yīng)力作用，因此地應(yīng)力類型和構(gòu)造特征具有極強(qiáng)的分帶性[30-31]。從實(shí)測結(jié)果來看，我國幾個主要含煤盆地應(yīng)力梯度變化多表現(xiàn)為數(shù)字“3”形態(tài):近地表靠近背斜軸部或近軸翼部等區(qū)域?qū)儆跒槔瓘垜?yīng)力區(qū)，滲透率普遍較高;隨著埋深增大，構(gòu)造應(yīng)力附加值逐步增大，過渡為走滑或逆斷層應(yīng)力場類型，煤體發(fā)生塑性變形，滲透率快速降低;隨著埋深進(jìn)一步增大，地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，水平應(yīng)力梯度和水平主應(yīng)力差減小，滲透率恢復(fù)至相對較高的水平;局部(如向斜軸部)擠壓應(yīng)力的疊加會使深部煤層應(yīng)力梯度將再次升高，同時伴隨滲透率的驟降。

圖10 滇東[32]、沁南、鄂東、準(zhǔn)南地區(qū)應(yīng)力梯度、滲透率隨埋深變化Fig.10 Vertical variation of permeability and horizontal stress gradient in the eastern Yunnan[32],the southern Qinshui basin,the eastern margin of Ordos basin,and the southern Junggar basin

地應(yīng)力-滲透率的這種垂向非單調(diào)函數(shù)變化模式明顯不同于埋深增大→地應(yīng)力增高→滲透率負(fù)指數(shù)降低的傳統(tǒng)認(rèn)識，而不同埋深段儲層的致密情況對束縛流體動力場、調(diào)控油氣聚集成藏的作用不可忽視。對于我國西南地區(qū)的煤層群發(fā)育區(qū)，低滲儲層的自封閉成藏效應(yīng)勢必會導(dǎo)致流體壓力系統(tǒng)層間疊置發(fā)育的更加復(fù)雜化。同一儲層在不同埋深或不同構(gòu)造位置處所承受的現(xiàn)今地應(yīng)力也顯著不同，儲集層內(nèi)部的致密情況分布必然也有所差異，相對致密部分也可能會封堵高孔滲部分的流體，導(dǎo)致同一氣藏內(nèi)流體壓力系統(tǒng)在橫向上多段疊置，這對以單煤層單采為主的沁南、鄂東等含煤盆地內(nèi)煤層氣的富集機(jī)理、資源類型也具有重要意義，在煤層氣勘探開發(fā)過程中應(yīng)予以足夠重視。

5 結(jié) 論

(1)黔西地區(qū)地應(yīng)力量級與我國其他含煤沉積盆地基本相當(dāng)，并非典型的“高應(yīng)力區(qū)”，1 000 m以深才進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)的范疇，向斜軸部是水平主應(yīng)力最為集中的區(qū)域。

(2)根據(jù)應(yīng)力梯度變化可將黔西地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)劃分應(yīng)力擠壓區(qū)、應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力過渡區(qū)和構(gòu)造集中區(qū)。應(yīng)力釋放區(qū)有利于相對高滲儲層的形成，在此深度區(qū)間上下滲透率普遍較低(<0.1×10-15m2)。

(3)地應(yīng)力控藏效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是一定滲透率門限條件下的煤儲層自封閉成藏作用。低滲儲層(<0.1×10-15m2)可阻斷內(nèi)部流體的流出和外部流體的進(jìn)入,促使流體壓力系統(tǒng)疊置發(fā)育。相對高滲儲層(>0.1×10-15m2)則需外圍形成致密的封堵蓋層才能構(gòu)成獨(dú)立的流體單元或成藏單元,相對有利于形成統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

(4)地應(yīng)力的非線性和滲透率的非指數(shù)型垂向變化在沁水、鄂東、準(zhǔn)南、滇東等含煤盆地也較為普遍，其所承載的重要成藏信息在煤層氣勘探過程中應(yīng)予以足夠重視。