煤层气是一种储存于煤层及其围岩中以吸附为主要状态的非常规天然气[1]。我国作为仅次于俄罗斯和加拿大的第三大煤层气资源国,煤层气资源非常丰富,埋藏深度低于2 000 m的煤层气资源量为3.68×1013m3[2]。煤层气的勘探开发一方面可以对国家能源紧缺问题起到缓解作用,另一方面还有助于减少煤矿的瓦斯事故,故在社会和经济两方面都起着极其重要的作用[3]。我国虽然在煤层气的勘探与开发方面还相对滞后,但近年来该产业发展的脚步在不断加快。我国地质条件复杂,煤储层大都遭受多期构造活动的叠加和改造,从而导致煤储层非均质性强,并且呈现出低含气饱和度、低渗透率、低储层压力、低资源丰度和高原地应力(四低一高)的特点,这些条件都制约着我国煤层气的发展[4]。因此,查明现今地应力状态有助于指导煤层气的勘探与开发。
地应力是指地壳内部的应力状态。通常认为煤储层渗透率会受到地应力的影响,其随有效应力的增加而呈指数下降[5-9]。秦勇等[10]通过对山西沁水盆地中、南部研究发现,煤储层渗透率梯度随着主应力差的增加,呈指数形式上升;孟召平等[11]分析了沁水盆地南部地应力对煤储层渗透率的影响后提出,煤储层试井渗透率与地应力呈现负相关的指数关系;吴财芳等[12]对滇东老厂矿区数据统计得出,煤储层渗透率随最小主应力梯度增加而减小,相应地,压力系数随其增加而增大。此外,地应力还对煤储层水力压裂裂缝的延伸方向和形态有所影响[1]。唐书恒等[13]通过数值模拟的方式发现,水力压裂裂缝延伸方向不仅会垂直于水平最小主应力方向,而且还会由于水平主应力差的影响形成不同的裂缝展布形态[12]。文献[12,14]研究认为,地应力还会影响储层压力,当地应力增大的同时会使得储层压力也上升。地应力可以用3个相互垂直的主应力及其应力分量的方向来表示。其中一个主应力由于来自于地球的重力场,因而方向垂直向下,该应力分量记为垂向主应力Sv;其他2个方向的应力分量方向水平,分别记为水平最小主应力Sh,min和水平最大主应力SH,max[15]。通常情况下,这三大主应力的应力大小不等,在不同区域其大小关系会发生变化,根据Anderson的分类[16],可依据其大小关系划分为3种应力状态:①正断型应力机制(Sv>SH,max>Sh,min);②走滑型应力机制(SH,max>Sv>Sh,min);③逆断型应力机制(SH,max>Sh,min>Sv)。
滇东地区是我国南方最重要的聚煤区和煤层气富集区,其中恩洪地区是煤层气勘探开发的重点区域[17],但对该地区现今地应力方面的研究依然薄弱,这限制了区内煤层气的勘探和开发。所以,目的是通过对研究区地应力实测数据资料进行综合分析,继而利用数值模拟的方式,预测恩洪地区煤层气储层现今地应力的分布状态,并讨论其对煤储层渗透率的影响,以期对该区域煤层气的勘探开发提供新的地质参考。
恩洪地区地处云南省曲靖市麒麟区与富源县境内,如图1[18]所示。
图1 滇东恩洪地区构造纲要
Fig.1 Structure outline map of the Enhong area
区内主体构造为一轴向NNE—SSW向的复向斜,北部轴向近南北向,西部以富源-弥勒断裂为界,其余边界多为上二叠统宣威组地层的底界,其中夹有边界断层作为局部边界,面积约620 km2。区内构造复杂,发育有大量的“入”字形的压扭性的断裂,其间次级褶皱密集展布,向斜一般较为完整,背斜多被断裂破坏。主要的褶皱构造包括西部的恩洪复向斜和东部的平关-大平复向斜,轴向皆向北倾,倾角10°~25°。矿区内主干断裂包括西部的富源-弥勒断裂以及中部的平关-阿岗断裂,呈NNE—SSW向或NE—SW向[18-21]。
上二叠统是滇东地区最主要的含煤地层,其在恩洪向斜内主要沉积了宣威组地层,沉积环境以陆相为主,地层特征如图2所示。煤层总厚15.99~67.68 m,含煤18~73层,可采煤层8~20层,一般11~13层,煤层由西向东、自北向南含煤性增强,可采层数逐渐增多,煤层厚度逐渐增大[18-20]。可采煤层主要位于宣威组中下段,其中C9、C16、C23号煤层为重点煤层,重点煤层特征对比见表1。
C9号煤层厚度为0.83~12.36 m,一般厚度在1.7~5.0 m,厚度较稳定,在主要可采煤层中分布最广、厚度最大。但部分地区由于分流河道的同期或后期冲刷造成了煤层缺失,导致煤层增厚或变薄。C16号煤层平均厚度1.0~4.2 m,一般厚度在1.3~2.0 m,层位稳定,除北部少数地区外,全区均为大面积可采。同C9号煤层类似,部分地区由于分流河道沉积发育,煤层增厚或变薄。南部煤层结构简单,煤层厚度较为稳定,向北延伸后,稳定性开始变差,厚度发生变化,煤厚增加,不可采点也变多。C23号煤层厚度一般在0.7~4.0 m,层位较稳定,煤层厚度变化较大,一般大部分地区可采,层间夹3~4层夹矸,夹矸结构复杂,厚度不稳定[18,22]。
由于C16号煤层层位稳定,相较于其他煤层,其煤厚变化小,且C16号煤层测量实测数据多于其他煤层,故选取C16号煤层进行二维建模处理。
前已述及,地应力可分为3个彼此垂直的应力分量SH,max、Sh,min以及Sv。其中对于垂向应力Sv,即上覆的地层压力,可利用式(1)来计算[5-6,23-24]:
Sv=γh
(1)
式中:γ为上覆地层的应力梯度,此处γ=0.027 MPa/m;h为埋藏深度,m。
地应力的测量有很多方式,经典的应力测量方法包括基于钻孔的测量方法(例如钻孔崩落、水力压裂等)以及基于岩心的测量方法(例如Kaiser效应、应变恢复法等)[15]。因为前人对恩洪地区地应力的研究较少,故本次研究通过水力压裂试验测量了恩洪部分地区应力数据,以及模拟所需的相关参数。
图2 恩洪地区上二叠统宣威组地层特征
Fig.2 Stratigraphy of the Upper Permian Xuanwei Formation in Enhong area
表1 恩洪地区C9、C16、C23号煤层主要特征[22]
Table 1 Characteristics of No.C9, No.C16, No.C23 coal reservations in Enhong Area[22]
煤层编号全层厚度/m纯煤厚度/m最小最大平均最小最大平均煤层结构层间距/m最小最大平均C9012.362.701.393.842.68简单3.018.05.0C1609.571.480.633.791.43较简单0.827.011.0C21a04.000.930.730.880.82较复杂0.58.63.0C21b05.381.200.631.601.10较复杂1.021.09.7
水力压裂法是通过在钻孔中选取一个试验段进行密闭,然后通过向其注入高压液体使钻孔孔壁开裂,当井壁压裂时,利用压力计记录的临界压力为破裂压力,当裂缝重新闭合时,记录闭合压力[15];根据排采过程中初始动液面的高度可以得到煤储层储层压力[25]。而水力压裂诱发形成的裂缝平面走向即为SH,max的方向[15]。对于Sh,min,其大小与闭合压力Pc相当[5-6,23-24],即:
Sh,min=Pc
(2)
对于SH,max,其大小可以用经验公式来推算获取[5-6,23-24]:
SH,max=3Pc-Pf-Po+T
(3)
式中:Pf为破裂压力;Po为储层压力;T为煤储层的抗张强度。通常,由于煤的拉伸强度较低,且在压裂开启时,T已经被克服了,故在此次研究中取零。
通过对恩洪地区4口井的煤储层实施注入/压降试验,共收集了8组地应力数据作为基础,恩洪地区地应力实测数据见表2。
表2 恩洪地区地应力实测数据
Table 2 Measured data of in-situ stress in Enhong Area
井号煤层编号埋深/m渗透率/10-3μm2Po/MPaPf/MPaPc/MPaSv/MPaSh,min/MPaSH,max/MPaEH-01C9 512.5500.0165.0915.5013.5213.8413.5219.97C16 565.8300.0115.4620.1918.3615.2818.3629.43EH-02C9 497.1200.0053.1313.6310.9813.4210.9816.18C16 557.9400.0203.9112.3311.3315.0611.3317.75C21 604.4700.0564.0614.1411.4616.3211.4616.18EH-C6C91 078.2200.0309.7816.2515.2229.1115.2219.63C161 142.3050.1108.8418.5717.5130.8417.5125.12EH-C7C161 017.4500.1709.6320.3618.7727.4718.7726.32
2.2.1 恩洪地区地应力参数
通过所测数据可知,埋深512.55~1 142.305 m,Po为3.13~9.78 MPa,平均值6.24 MPa;Pf为12.33~20.36 MPa,平均值16.37 MPa;Pc为10.98~18.77 MPa,平均值14.64 MPa。通过对破裂压力Pf、闭合压力Pc以及储层压力Po与埋深h的关系进行拟合发现(图3虚线),储层压力与埋深相关性较好,说明储层压力受埋深影响显著;破裂压力以及闭合压力与埋深的相关性差,但若将图中三角形的点视为异常点而舍去,重新拟合数据可以看出(图3实线),破裂压力以及闭合压力与埋深之间具有一定的相关性。
通过拟合储层压力Po与闭合压力Pc的关系发现,这二者具有相关性,储层压力随闭合压力的上升呈现单调递增的对数形式(图4虚线)。若不考虑上文提到的奇异点,然后重新拟合曲线(图4实线),发现储层压力受闭合压力的影响显著,说明恩洪地区储层压力对地应力的变化敏感。这与吴财芳等[12]对相邻的滇东老厂矿区地应力的研究结果具有一致性。
2.2.2 恩洪地区主应力分析
水平最大主应力在16.18~29.43 MPa,平均为21.32 MPa;水平最小主应力在10.98~18.77 MPa,平均14.64 MPa。水平最大主应力与水平最小主应力之间表现出了强烈的相关性(图5)。
此外,当埋深小于600 m时,地应力分布主要表现为SH,max> Sv> Sh,min,为走滑型应力机制;当埋深大于1 000 m时,地应力分布表现为Sv> SH,max> Sh,min,为正断型应力机制;在埋深600~1 000 m缺少实测应力数据,但仍可发现从600 m开始,应力机制在该深度段内由走滑型应力机制转变为正断型应力机制(图6,图中框线中的点:h=604.47 m, Sv=16.32 MPa, SH,max=16.18 MPa),表明恩洪地区现今地应力随着深度增加存在应力转换深度,为700~1 000 m。
对一个地区地应力的分布进行研究常需要大量的实测资料。但恩洪地区可用于计算现今地应力场的钻井十分有限,因此为了获得整个研究区的地应力特征,需要使用数值模拟的手段,通过已知信息对恩洪地区现今地应力场进行反演。笔者通过有限元方法对恩洪地区进行数值模拟。有限元法的基本思路是利用网格将连续复杂的地质体离散为有限个通过节点相连的不同单元,各单元被赋予实际的岩石力学参数,从而将该区域的场函数转变为每个节点的函数[26]。通过对这些单元组成的整体施加应力作用,分别求解各个单元节点值的函数,最后将所有单元结合起来获得整个区域的应力场特征[27-28](图7)。
虚线为包含异常点的拟合曲线;实线为去除异常点的拟合曲线;●为正常点;▲为异常点
图3 恩洪地区煤储层破裂压力、闭合压力、储层压力与埋深的关系
Fig.3 Relationships between fracturing pressure,closing pressure, reservoirs pressure of coal reservoirs and burial depth in Enhong area
图4 恩洪地区煤储层闭合压力与储层压力的关系
Fig.4 Relationship between closing pressure and reservoirs pressure of coal reservoirs in Enhong area
图5 恩洪地区水平最大主应力与水平最小主应力的关系
Fig.5 Relationship between SH,max and Sh,min in Enhong area
图6 恩洪地区地应力随埋深变化规律
Fig.6 In-situ stress distribution Pattern with burial depth in Enhong Area
图7 基于有限元的地应力场分析流程
Fig.7 Analysis process of in-situ stress field based on finite element method
主要方法是首先根据研究区构造图建立几何模型,对各构造区进行划分;然后对各构造区添加实际的岩石力学参数,将几何模型转化为地质模型;再对地质模型进行网格剖分,将其划分为许多个离散的单元,从而转化为力学模型;最后根据边界条件调整所加载荷的大小,使模拟结果尽可能接近约束条件,保证模拟结果的准确性[29-32]。
根据研究区地质构造图,读取了建模所需的二维坐标,通过命令流在模型中投影了1 454个坐标点,然后利用线将其连接,并由线生成了相应的面。
在模型中划分出3种介质:断层、褶皱以及C16号煤层。将断层和褶皱作为模拟中的薄弱区,之后对整个有限元进行连续的网格划分。C16号煤层通过对整个研究区进行布尔运算切割掉断层和褶皱来生成。此外,由于研究区与周围地区之间没有明确界限分隔,通常做法是将研究区嵌套进一个4倍研究区面积的矩形区域中,以便能够减少边界效应,方便之后加载载荷。
几何模型建立之后,各单元需要赋予不同岩石力学参数以实现地质模型的构建。由于此次模拟为二维模拟,故需要赋予的岩石力学参数只有弹性模量与泊松比。C16号煤层以及褶皱带的煤岩力学参数由中联煤层气公司根据C16号煤层注入/压降测试结果计算,断层内的岩石力学参数无法试验测得,根据前人经验[28,33-34],将断层区作为软弱带,弹性模量约为相应沉积层50%~70%,其泊松比稍高于C16号煤层。具体恩洪地区岩石力学参数见表3。
表3 恩洪地区岩石力学参数
Table 3 Rock mechanics parameters in Enhong Area
单元弹性模量/GPa泊松比C16号煤层3.970.47断层带2.400.49褶皱带3.200.42外部嵌套部分10.000.28
研究区地质模型构建后进行网格剖分并加载载荷,以建立力学模型。本次研究采用plane182单元类型,整个地质模型共被划分为11 515个节点与11 654个单元(图8a)。网格划分完成后,需要对上述模型施加应力。桂宝林等[35]认为滇东—黔西地区的最大主应力方向与主构造线方向近似垂直。故选取WNW—ESE方向作为SH,max的方向,取NNE—SSW作为Sh,min的方向,约定压应力为负值,拉应力为正值。
以已有的实测试井应力值作为约束条件,不断调整边界所加载荷,使模拟结果尽可能逼近实测数据,最终获得了恩洪地区地应力场的数值模拟结果。在WNW—ESE方向和NNE—SSW方向分别施加了31 MPa和25 MPa的最大主应力与最小主应力(图8b),同时对地质模型施加约束,防止其发生旋转和位移。
根据模拟所得恩洪地区的最大主应力云图(图9),表明该地区主要表现为压缩,研究区应力的分布表现出了强烈不均衡性,最大主应力值在西南部相对较高,而在北部和东南部相对较低。研究区最大主应力从11 MPa到38.9 MPa不等,大部分地区的应力集中在21.5 MPa到31.5 MPa的范围内,只有西南部较小的区域内应力大于31.5 MPa,应力低于21.5 MPa的区域主要是研究区内与水平最大主应力呈低角度相交的断层区内。
此外,地应力分布还受到了先存构造的影响,断层和褶皱发育区通常出现应力较低的异常区,这表明断层和褶皱地区由于构造活动的影响使岩体发生变形破碎,应力在此类区域不易积累而发生了释放。不同的构造活动对地应力的影响程度有着明显差异,相比较褶皱而言,地应力受断层的影响要更大,且最大主应力方向与断层走向所夹角度越小,断层对地应力值的影响越大。
图8 恩洪地区网格模型与力学模型
Fig.8 Meshing model and stress model in Enhong Area
图9 恩洪地区C16号煤层最大主应力分布
Fig.9 Maximum principal stress distribution pattern in No.16 coal seam of Enhong area
为了了解模拟结果的可靠性,可以通过对比实测应力值与预测应力值来对误差r进行分析。
r=(SS-SY)/SS
(4)
其中:r为预测和实测应力大小之间的误差;SS为实测应力值;SY为模拟的预测应力值。恩洪地区C16号煤层地应力预测误差分析见表4。
表4 恩洪地区C16号煤层地应力预测误差分析
Table 4 Error analysis of in-situ stress prediction within No.16 coal seam of Enhong Area
井号实测地应力/MPa预测地应力/MPa误差/%EH-0129.4327.17.91EH-0217.7623.532.39EH-C625.2126.34.70EH-C726.3226.92.20
目前恩洪地区共有4口井对C16号煤层通过水力压裂试验测得了实际应力值,可以看到,除EH-02之外的其他3口井误差均较小,在10%以内。EH-02井的实测应力值与预测应力值差别较大,考虑到该井周围的构造活动强烈,且根据表2数据发现,EH-02井各煤储层破裂压力与闭合压力都低于其他井。所以误差原因是EH-02井由于构造活动的影响岩石破碎过于严重,模拟时未能考虑局部地区力学参数的变化所致。综上所述,模拟结果能够提供一定的参考价值。
煤储层的渗透率是煤层气储层产能的基础,也是决定煤层气产能的关键,而现今地应力状态又影响着煤储层的渗透率[5-11]。现在的普遍观点认为,煤的渗透性受地应力影响较大,当其他因素相同时,高地应力会导致较低的煤储层渗透率;且有效主应力的增加,会造成煤储层渗透率的负指数式变化,有效应力与煤储层渗透性满足以下关系式[5-8]:
k=k0e-μσ
(5)
式中:k0为原始渗透率;k为煤储层渗透率;σ为有效应力,为地应力与储层压力之差;μ为有效应力系数。
通过拟合恩洪地区渗透率与有效应力的关系(图10)发现,本地区并没有表现出上述规律,且有效垂直应力较大的点渗透率总体上要更高,这与传统认识恰好相反。
由此可表明,研究区的煤储层渗透率除受到有效应力影响外,还受其他多种因素控制,有效应力对研究区煤储层渗透率的影响较小,不是主控因素。
图10 恩洪地区有效应力与煤储层渗透率的关系分布
Fig.10 Relationship between effective in-situ stress and coal reservoirs permeability in Enhong Area
通过对比不同深度的煤储层的渗透率,得出煤储层渗透率与埋藏深度变化的关系(图11)。
图11 恩洪地区煤储层渗透率与埋深分布
Fig.11 Distribution of coal permeability and burial depth of coal reservoirs in Enhong Area
结果表明,深部煤储层的渗透率总体上要大于浅部煤储层的渗透率,浅部煤储层中虽有一个点渗透率相对较高,但通过前文的表2以及图6可以看出,该点垂向应力已经开始超过水平最大主应力(该点Sv=16.32 MPa,SH,max=16.18 MPa),应力状态已经由走滑型应力机制开始向正断型应力机制发生转换。据上文所述,浅部煤储层为走滑型应力机制,深部煤储层则逐渐转变为正断型应力机制。说明正断型应力机制影响下的煤储层渗透性要高于走滑型应力机制。其可能的原因在于,煤储层为低孔低渗性储层,其层内裂隙系统的发育和分布对储层物性有显著影响[36]。正断层为张性断裂,更容易形成流体运移所需的天然裂缝,从而使煤储层的渗透率得到提高;而浅部的走滑型应力机制下则会形成较高的压应力,导致煤储层渗透率降低[23]。
1)我国滇东恩洪地区的地应力随埋深呈现出不同的变化规律:①Po、Pc和Pf均与埋深有一定的线性关系,Po对地应力变化敏感;②水平最大主应力与水平最小主应力具有较强的相关性;③应力状态随埋藏深度的变化也有不同的规律,浅层煤储层为走滑型的应力状态,至深层煤储层转变为正断型应力状态。
2)基于数值模拟表明,研究区C16号煤层最大主应力为11.0~38.9 MPa,大部分地区在21.5~31.5 MPa,其中高应力区分布在研究区的西南部,低应力区主要出现在研究区的北部与东南部以及构造强烈的区域。
3)现今地应力的大小受现存构造活动的影响,断层及褶皱发育区应力值多小于周围区域。相比较褶皱而言,地应力受断层的影响要更大;且最大主应力方向与断层走向所夹角度越小,断层对地应力值的影响越大。
4)现今地应力场影响着煤储层渗透率,进而影响到煤层气的产能。恩洪地区煤储层渗透率受到应力机制影响,正断型应力机制下的煤储层相较于走滑型应力机制下的煤储层有着更高的渗透率。
致谢:感谢从中联煤层气有限责任公司及刘近帮硕士处获得的部分数据支持,同时感谢审稿专家为本文提供的宝贵意见。
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