臨汾區塊煤儲層地應力對煤層氣產量的影響

王丹 中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100008

中石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司，山西 臨汾041000

趙峰華 （中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100008）

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

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

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

1 臨汾區塊構造及應力特征

1.1 臨汾區塊構造特征

研究區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造［1］，發育一系列北東向展布的斷層，將斜坡復雜化，形成了坳隆相間的構造格局。貫穿全區的北東向古驛－窯渠逆沖斷層將區塊劃分為東、西2個大構造單元。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造，構造幅度達到80～120m。背斜構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 臨汾區塊現今地應力特征

通過對研究區內33口煤層氣探井的煤層水力壓裂施工參數和測井獲得的地應力資料進行分析，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系，隨埋深增大而升高。

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

2 煤層氣富集特征

2.1 煤儲層厚度變化

臨汾區塊主力煤層空間展布連續、分布穩定、厚度大，煤層氣富集，為煤層氣開發提供了堅實的物質基礎［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，全區發育，午城－小回宮－窯渠間的厚度超過5m，向東北變??；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，體積分數在98%以上［3］。研究區上主力煤層平均含氣量13m3／t，下主力煤層平均含氣量10m3／t。區內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，工區北部午城－窯渠、東部蒲縣－明珠和南部曹井－車城鄉。

3 構造應力場演化對臨汾區塊煤層氣產量的影響

3.1 構造演化對臨汾區塊的影響

鄂爾多斯盆地的演化主要經歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等3次古構造運動［4］。石炭－二疊紀巨厚地層的穩定沉降對該區的煤層和煤層氣的形成具有重要意義；三疊紀中后期的印支運動，造成地殼抬升和擠壓變形，主要表現為擠壓作用，煤層氣的逸散程度較??；燕山運動早期，煤的變質作用和生氣作用終止，蓋層變薄，同時北西－南東向擠壓應力產生了大量北北東向的斷裂構造，導致煤層氣保存條件變差；喜馬拉雅期構造應力場由壓扭性變為張扭性，斷裂呈不同程度開放，導致煤層氣逸散［5］。但臨汾區塊整體上構造簡單，區域蓋層發育，煤層氣保存條件有利［6］。

3.2 構造應力對煤層氣富集的影響

對研究區構造應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在一定的應力范圍內呈負相關，即在應力大于12MPa范圍內，每噸煤含氣量隨σh，min的增大而減小。經分析，圖中明顯偏離趨勢線的數據點均分布于斷層附近，由于應力釋放而造成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井位于研究區內古驛－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，歷史最高產量1780m3／d，產氣量1200m3／d，產水量1.19m3／d，井底壓力1.91MPa，套壓0.28MPa。

B井位于研究區內古驛－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，目前產氣量520m3／d，產水量3.31m3／d，井底壓力3.39MPa，套壓1.60MPa。C井位于研究區內古驛－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26個月，日產水量較大，未產氣，目前已關井停止生產。

圖1 上主力煤層噸煤含氣量與σh，min關系

通過以上分析認為，構造應力對煤層氣的富集和產氣量影響較大，構造應力通過控制煤儲層的滲透率來影響煤層氣井的產量［7］。在一定范圍內，構造應力越小，煤層含氣量越高，煤層滲透性越好，往往產氣量也越高；而斷層附近由于應力釋放，構造應力也比較小，但煤層頂底板發育裂縫，煤層氣不易保存，產水量大，不利于煤層氣井排采，產氣效果往往不好。

4 結論

1）研究區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。區內上、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。斷層發育地區，煤層氣保存條件不好，是含氣量較低區域。

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

3）煤層氣開發尋找最小主應力相對較低的地區，但必須避開斷層發育區。

［1］楊興科，楊永恒，季麗丹，等 .鄂爾多斯盆地東部熱力作用的期次和特點 ［J］.地質學報，2006，80（5）：709～710.

［2］吳國代，桑樹勛，楊志剛，等 .地應力影響煤層氣勘探開發的研究現狀與展望 ［J］.中國煤炭地質，2009，21（4）：31～33.

［3］葉建平，秦勇，林大揚，等 .中國煤層氣資源 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998：13～15.

［4］劉池洋 .盆地構造動力學研究的弱點、難點及重點 ［J］.地學前緣，2005，12（3）：113～124.

［5］王永，馮富城，毛耀保，等 .沁水盆地南端煤層氣賦存的構造條件分析 ［J］.西北地質，1998，19（3）：28～13.

［6］孫斌，王憲花，陳彩虹，等 .鄂爾多斯盆地大寧－吉縣地區煤層氣分布特征 ［J］.天然氣工業，2004，24（5）：17～20.

［7］倪小明，蘇現波，張小東 .煤層氣開發地質學 ［M］.北京：化學工業出版社，2009.