0 引 言
我国煤层气资源丰富，但大多数煤层经历多期次、不同性质、强度构造应力的叠加和改造作用，煤储层表现出“四低”(含气饱和度低、低渗透率、低储层压力、低资源丰度)、“一高”(原地应力高)以及强烈非均质性的总体特征，严重制约着我国煤层气产业的高速发展[1]。因此，加强地应力研究对我国煤层气高效开发显得尤为重要。
我国煤层气大规模开发区域目前集中在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘，其他地区虽有突破，但开发效果较差，特别是滇东黔西地区，该区域煤层气资源丰富，但多煤层发育，且地应力偏高，其开发难度大幅提升。地应力是指存在于地壳中的内应力，主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成，重力应力和构造应力是地应力的主要来源[2-3]。地应力影响着煤层气吸附/解吸和运移、煤储层裂缝的分布、渗透率、储层压力以及水力压裂裂缝的扩展等方面，对煤层气勘探开发具有重要的控制作用。煤层气开发往往是多个煤层的联合开采，而现阶段地应力的研究主要集中于鄂尔多斯盆地和沁水盆地及其周边等地区单煤层地区[4-7]。对于多煤层发育区，目前的研究多集中于孔隙特征[8-9]、吸附性[10]、异常高压[11]、多层叠置独立含气系统[12-14]等方面，而在地应力对多煤层合层共采的影响、特征等方面，研究存在明显不足[15]。同时，高地应力严重制约煤层气开发[16]。基于此，笔者以多煤层发育和具有高地应力特征的滇东老厂矿区为研究对象，通过对大量水力压裂试井数据的系统分析，探讨地应力对储层压力、渗透率以及超压现象的影响作用，为后期煤层气的勘探开发提供理论依据。
1 地质概况
1.1 地层及含煤情况
老厂矿区含煤地层为上二叠统龙潭组和长兴组，上覆下三叠统卡以头组，下伏下二叠统茅口组，缺失下二叠统底部的峨嵋山玄武岩组，厚415.00～475.41 m，平均460.13 m，含煤20～53层，一般27～42层，较稳定煤层约26层；煤层总厚40.75 m，可采煤层11～15层，可采总厚6.47～33.34 m，平均20 m。2、3、7、8、9、13、14、16、17、18、19号煤层全区可采，其中4号煤层为薄煤层，19号煤层为厚煤层，其余煤层均为中厚煤层，层位一般较稳定，结构较简单。但13～19号煤层的结构相对复杂，稳定性相对较差，煤级以无烟煤为主，并含焦煤、瘦煤[15]。
1.2 构造
老厂矿区构造位置属于扬子准地台滇东台褶带曲靖台褶束与华南褶皱系滇东褶皱带罗平—师宗褶断束的接触过渡区，以弥勒—师宗断裂为界，在师宗以北向东弯曲拐向NE，经罗平向NE延至黄泥河。因基底上隆，以老厂背斜为中心，形成一个长轴NE向的椭圆形基本格架，区内断褶构造发育，构造线以NE向为主，局部出现NW向和近EW向的次级断裂和褶皱，褶皱组合多为背斜窄、向斜宽。隆起的基底四周形成小规模环状次级断裂，这些断裂对原NE向主断裂进行改造，使之被破坏、切割，所有构造线和地层线均为椭圆形，整体形成一个较完整的椭圆形旋扭构造(图1)[15]。
图1 老厂矿区构造纲要图
Fig.1 Structure outline map of Laochang Mining Area
2 地应力特征及其影响作用
2.1 老厂矿区地应力特征
通过注入/压降试井资料的分析和计算，获取了破裂压力、闭合压力和煤储层压力及渗透率等储层参数。煤层的破裂压力可由注入曲线求取，煤层裂缝的闭合压力可由压降曲线求取[2]。并据此获得老厂矿区7口煤层气井(LC1—LC7)相关破裂压力10.26～22.31 MPa，平均17.11 MPa；破裂压力梯度1.76～2.86 MPa/hm，平均2.38 MPa/hm(图2)。其中，4个层次破裂压力大于20 MPa，占总层次的27%；7个层次破裂压力大于15 MPa，占总层次的47%；最小的破裂压力也在10 MPa以上。
图2 老厂矿区煤储层试井破裂压力及破裂压力梯度分布
Fig.2 Fracture pressure and fracture pressure gradient distribution of well testing in Laochang Mining Area
老厂矿区闭合压力(最小水平主应力)9.75～21.44 MPa，平均16.32 MPa；闭合压力梯度1.68～2.82 MPa/hm，平均2.27 MPa/hm(图3)。其中，2个层次闭合压力在20 MPa以上，占总层次的13%；9个层次的闭合压力为15～20 MPa，占总层次的60%；闭合压力几乎都在10 MPa以上。
图3 老厂矿区煤储层试井闭合压力及闭合压力梯度分布
Fig.3 Closure pressure and closure pressure gradient distribution of well testing in Laochang Mining Area
从图2和图3综合分析可以看出，老厂矿区不仅发育多煤层，而且具有高地应力的特征。
2.2 地应力对储层压力的影响
储层压力是指作用到煤岩孔隙空间内流体的压力(包括气压和水压)，其大小通常用储层压力梯度[17]和储层压力系数表示。老厂矿区煤储层试井压力为3.71～11.27 MPa，平均7.95 MPa；煤储层压力梯度为0.64～1.44 MPa/hm，平均1.17 MPa/hm；储层压力系数为0.65～1.47，平均1.20，处于超压状态(图4)。
图4 老厂矿区煤储层试井压力状态区域分布
Fig.4 Regional distribution of well testing pressure state in Laochang Mining Area
煤储层能量除了来自于地层和流体重力能之外，与构造应力场能量也密切相关，老厂矿区煤储层试井压力状态与地应力状态之间的关系不同，折射出构造应力场能量对煤储层能量贡献的相对大小(图5)。
图5 老厂矿区煤储层试井压力状态与闭合压力之间关系
Fig.5 Relationship between well testing pressure state and closure pressure in Laochang Mining Area
无论是试井压力还是压力系数，都随闭合压力状态增强呈对数增长形式，表明最小地应力对煤储层压力有所贡献，但贡献程度有所不一。这意味着老厂矿区煤储层压力对地应力的变化更为敏感，对地应力的依赖性更大。同时，基于文献[18]中提到的分类，老厂矿区煤层气应属于压力主导型应力气，其较高的储层压力状态中相当一部分来自于地应力贡献(图5)，并有应力气和应力主导型压力气赋存，使地面原位开采条件受到地应力的制约。
2.3 地应力对超压现象的影响
从图4可以看出，老厂矿区煤储层普遍处于超压状态。前人对超压现象的影响因素进行了很多分析，认为构造作用、煤储层生烃作用和顶底板的封闭作用是超压现象形成的主要机制，在地应力对超压现象的影响方面也进行了相关探讨[11]。
根据老厂矿区数据统计结果，最小水平主应力梯度与压力系数具有很好的线性关系，最小水平主应力梯度越大，压力系数越大，越容易出现超压现象，具有较好的正相关关系(图6)。这种超压现象是高地应力封闭作用所导致的，高的地应力导致煤储层物性变差，流体局部被封存，形成超压现象，与低地应力条件下地下水封堵所导致的超压现象截然不同。这也是导致老厂矿区内部分低渗储层压力系数较高，容易出现超压的根本地质原因[18]。
图6 最小水平主应力梯度与压力系数的关系
Fig.6 Relationship between minimum horizontal principal stress gradient and pressure coefficient
进一步分析，老厂矿区各煤层最小水平主应力梯度与地应力梯度大致一致，且呈现波动分布。这与部分钻孔压力系数波动分布相互吻合的。前己分析，最小水平主应力梯度与压力系数具有较好的正相关关系。尽管单个钻孔各煤层所处的构造环境大致相同，但各煤层力学性质的差异也会影响水平主应力的大小，使得地应力在层域分布上有所不同甚至差别较大[19]。
总体来看，老厂矿区煤储层压力随埋深增大呈对数形式增高，表明深部煤储层能量明显高于浅部煤层(图7)。然而，从煤储层压力状态来看，矿区虽然浅部煤层均处于超压状态，但试井压力梯度和压力系数均随埋深增大而呈减小的趋势，指示煤储层能量递增幅度随埋深增大而趋于降低，深部煤层向欠压方向演变，或相对“欠压”状态趋于明显(图8)。进一步分析，矿区煤储层压力状态随埋深的衰减幅度差异明显。在老厂矿区，试井压力梯度和压力系数随煤层埋深增大的衰减幅度较小，埋深500 m左右煤储层表现出典型超压状态的特征(压力系数达1.4左右)，至1 000 m左右压力系数尽管有所降低，但仍在1.1左右，处于超压状态。结合对图5的分析，老厂矿区地应力对维持深部煤层的压力状态起到了重要作用，但也给煤储层改造带来较大困难。
图7 煤储层试井压力与煤层埋深之间关系
Fig.7 Relationship between well testing pressure and buried depth of coal seam
图8 煤储层试井压力状态与煤层埋深之间关系
Fig.8 Relationship between well testing pressure and burial depth of coal reservoirs
2.4 地应力对渗透率的影响
老厂矿区7口井15层次煤层试井渗透率为(0.005 6～0.243 3)×10-3 μm2，平均0.0512×10-3 μm2。其中：2个层次试井渗透率大于0.10×10-3 μm2，占总层次的13%；10个层次为(0.01～0.10)×10-3 μm2，占67%；3个层次低于0.01×10-3 μm2，占20%(图9)。煤储层属于低渗～超低渗储层。
图9 老厂矿区煤层试井渗透率分布特征
Fig.9 Permeability distribution characteristics of coal seam in Laochang Mining Area
煤层渗透率影响因素十分复杂，包括煤储层物理力学性质、孔隙-裂隙发育特征、煤层埋深、应力状态等[6]。地应力场受控于区域构造背景，与煤储层物性关系密切，其中煤体结构，渗透性受地应力影响最大，而煤储层渗透性又影响着流体状态，因此地应力是煤储层流体状态的主要控制因素之一。地应力梯度的高低，是造成煤层试井渗透率区域差异性的重要地质原因。
根据老厂矿区数据统计结果，最小水平主应力梯度与煤储层渗透性关系具有很好的对数关系，最小水平主应力梯度越大，渗透率越低，两者之间呈负相关关系(图10)。老厂矿区煤层渗透率的地质影响因素是多方面的，试井渗透率还分别与煤层埋深和地应力呈单对数幂指数负相关(图11)。考察煤层埋深与地应力因素，试井渗透率随煤层埋深增大而降低的地质原因，实际在于地应力随埋深增大而增大，这与传统认识高度一致。
图10 最小水平主应力梯度与渗透率的关系
Fig.10 Relationship between the minimum horizontal principal stress gradient and permeability
图11 渗透率与埋深和闭合压力的关系
Fig.11 Relationship between permeability and burial depth and closure pressure
3 讨 论
煤层埋深增大，试井压力增高，但试井压力梯度和压力系数却随之降低(图8)，指示深部煤层流体能量尽管高于浅部煤层，然而能量递增幅度却趋于降低。地应力对老厂矿区煤层流体能量的贡献相对较大。试井成果也显示，煤层试井压力随闭合压力的增大而显著增高，与此认识一致(图5)。进一步分析，煤层试井压力与试井渗透率之间呈显著负相关的幂指数关系(图12)，指示煤层流体系统的开放程度极大地决定着流体能量状态的高低。显然，试井渗透率越高，井筒周围裂隙系统的渗流能力就越好，与系统之外的连通性能就越强，系统开发程度就越高，致使煤层试井压力或流体能量状态降低。
图12 试井压力与渗透率的关系
Fig.12 Relationship between well testing pressure and permeability
老厂矿区煤储层处于较高应力状态，煤层气资源具有应力主导型的特征，排水降压难度较大，存在约束煤层气地面井开发的高地应力条件。这一特征，在一定程度上有利于煤层气井的初期排采，但可能给长期的排采降压带来较大困难。
文献[15]从沉积、构造等方面论证了老厂矿区多层叠置独立含气系统的成因，结合本文以上分析结果认为，地应力对老厂矿区多层叠置独立含气系统形成的控制作用主要表现在2个方面：①尽管单个钻孔各煤层所处的构造环境大致相同，但各煤层力学性质的差异也会影响水平主应力的大小，使得地应力在层域分布上有所不同甚至差异较大，这是造成独立含煤层气系统形成的原因之一；②超压的出现，使得相邻煤层储层压力状态发生突变，形成独立的含气系统[19]。
4 结 论
1)老厂矿区煤储层压力对地应力的变化敏感，煤层气属于压力主导型应力气，其较高的储层压力状态中相当一部分来自于地应力贡献，并有应力气和应力主导型压力气赋存。
2)根据压力系数、地应力梯度分析结果，老厂矿区各煤层压力系数、地应力梯度在垂向呈现波动变化，且部分煤层普遍超压，超压具有广泛性。
3)随最小主应力梯度增大，煤层渗透率降低，压力系数增大，其本质原因在于增大的地应力的影响作用。各煤层最小主应力梯度表现出波动性，表明各煤层地应力特征有所区别，这与压力系数所表现出的波动性具有一致性。
4)地应力对老厂矿区煤层流体能量的贡献相对较大，对维持深部煤层的压力状态起到了重要作用，但也给煤储层改造带来较大困难。这一特征，在一定程度上有利于煤层气井的初期排采，但可能会给长期的排水降压带来较大困难。
5)综合分析认为，地应力通过控制老厂矿区的煤储层压力和渗透率，致使超压普遍出现，从而造成了多层叠置独立含气系统这一特殊的成藏条件。
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