滇东地应力场深度分带及其对煤储层渗透率控制

张争光，徐 强

（1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008）

0 引言

地应力对煤层气井前期的地质选区和后期的工程开发都具有重要的影响，是贯穿于煤层气生产全生命周期的关键参数。首先通过控制煤储层的渗透率［1-3］、含气量［4-5］和煤体结构［6］，影响煤层气的选区结果以及后期煤层气井产出效果。其次，通过控制煤层气井的井眼轨迹、井壁稳定性［7-9］和裂缝延伸方向［10］，影响煤层气井的工程质量，进而影响煤层气井的产能。因此，准确预测地应力的大小、机制和方向，对煤层气开发工程的实施具有重要的现实意义。

煤层原始渗透率主要由两部分组成，分别是基质渗透率和裂隙渗透。基质渗透率远小于裂隙渗透率，煤储层渗透率主要来自于裂隙渗透率的贡献［5，11］。煤储层中天然裂缝系统是影响裂隙渗透率的直接原因，天然裂隙发育特征是构造应力场和煤化作用综合作用的结果。古构造应力场控制着天然裂缝的发育程度及分布情况，而现代地应力场主要控制煤储层的受力状态和裂缝的开合程度，从而影响煤储层的渗透率［5，12］。同时，地应力机制也是影响煤层含气量和煤体结构的重要因素。秦勇等研究发现沁水盆地中、南部煤层顶板的天然优势裂隙发育方向与现代构造应力场最大挤压应力方向垂直，增强了盖层对煤储层的封盖能力，有利于煤层气的富集和保存［13］。其次，不同的地应力机制导致煤体结构受到不同程度的破坏，产生井壁坍塌和煤粉，从而影响煤层气的钻井工程和排采工程［14-15］。刘向君等研究发现当垂直地应力为最大主应力时，垂直井眼最稳定，不易发生剪切破坏；当垂直地应力为中间主应力时，垂直井眼最不稳定，容易发生剪切破坏；当垂直地应力为最小主应力时，平行于最大水平主应力方向的井眼最稳定，平行于最小水平主应力方向的井眼最易发生剪切破坏［7］。此外，地应力机制也控制着压裂过程中人工裂缝的发育特征。当两个水平主应力差值较大时，人工裂缝以平直的主裂缝为主；当两个水平主应力差值较小时，人工裂缝以缝网为主［10］。

因此，基于滇东地区15 口井（35 层煤）注入/压降试井数据，查明滇东地区煤层地应力垂向分布特征，并讨论地应力场分布格局及其对煤储层渗透率的影响，为研究区煤层气勘探选区和井位部署提供重要的地质依据。

1 研究区地质概况

滇东地区以罗平—弥勒一线为界，北部位于扬子准地台，云南省内煤炭资源大部分集中赋存于这一地区；南部属于华南褶皱系，煤炭资源贫乏（图1）。晚二叠世以来，滇东地区聚煤盆地先后经历多期构造运动。第一，在三叠纪早—中期，滇东地区地壳持续下沉，形成滨海-浅海环境。随后，印支运动及燕山运动发生，全区转为内陆环境。但是，自晚二叠世到白垩纪末，地壳运动以反复升降为特点，沉积时断时续。第二，喜马拉雅运动第一幕使滇东地区上古生界及中生界全面褶皱隆起，盖层构造褶皱与断裂同等发育，构造线以NE向为主，少数为SN向。本次构造活动为滇东地区现代构造轮廓及含煤地层赋存格局奠定了基础。第三，渐新世末，受运动第二幕的影响，滇东地区除有轻度褶皱外，主要为上升剥蚀作用及较强烈的断裂活动。第四，上新世末发生喜马拉雅第三幕活动，其性质与第二幕基本相同，滇东地区仍表现为上升剥蚀作用为主，褶皱作用轻微，断裂活动持续，形成现代地貌轮廓，各期含煤地层（除少数新近纪盆地外）出露地表，多在向斜构造部位残存保留，基本上形成赋煤构造的现代展布格局［16］。

图1 云南构造分区略图［16］Figure 1 Outline of structural divisions in Yunnan［16］

滇东地区沉积类型丰富，含煤地层的变化较大，宣威组、长兴组、龙潭组、吴家坪组均有发育。宣威组分布于康滇古陆东缘与盐津、镇雄、田坝、富源及曲靖恩洪以西之间的滇东及滇东北地区。岩性由砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层组成，夹薄层菱铁岩，底部有凝灰质残积铝土质泥岩，局部地带有辫状河底砾岩、砂砾岩，碎屑岩粒度从陆缘向海的方向逐渐变细，边缘相沉积明显。地层厚度27.19～279.69m，一般厚100～270m，东厚西薄，至康滇古陆边缘尖灭［16］。

滇东地区是中国南方重要的煤层气富集区域，主要包括恩洪矿区和老厂矿区，目前滇东地区的煤层气开发也主要集中在这两个区域。截至2019 年底，恩洪矿区布置煤层气井9 口（5 口参数井和4 口生产井），产气峰值介于29.3～314.568m3/d。老厂矿区布置17 口煤层气井（参数井6 口，生产井11 口），产气峰值介于120.68～1 864m3/d［17］。整体而言，滇东地区煤层气井产气效果较差，不过老厂矿区开发效果优于恩洪矿区。

2 测试方法及数据处理

试井技术是获得煤储层原位地应力、初始煤储层压力和渗透率的有效方法。注入/压降测试严格按照GB/T24504—2009［18］进行操作，以此获取初始煤储层压力和渗透率。注入/压降试井结束以后，按照DB/T14—2018［19］中的水压致裂法进行原位地应力测量，获取闭合压力和破裂压力数据。

在水压致裂过程中，随着注入压力的持续增加，井壁岩石破裂的最大切向应力逐渐转变为拉应力，最终超过岩石极限抗拉承受点时，孔壁岩石发生拉伸破坏，裂缝开始扩展。根据弹性理论，最大水平主应力可由式（1）计算得到［20-21］。

式中：SH为最大水平主应力，MPa；pc为闭合压力，MPa；pf为破裂压力，MPa；p0为储层压力，MPa；St为煤的抗拉强度，MPa。

在地应力测试过程中，至少包括3 个重张循环过程。由于煤层在第一个重张循环中已经发生破裂，在后面的重张循环过程中，煤层的抗拉强度为0。因此最大水平主应力又可由式（2）计算得到。

HAIMSON 和CORNET 发现闭合压力等于最小水平主应力［22］：

式中：Sh为最小水平主应力，MPa。

垂直主应力主要受上覆岩石重力影响，可由上覆岩石的密度和深度预测煤层的垂向主应力。BROWN 和HOEK 通过整理全球地应力测试结果，建立了垂直主应力与深度的关系（式4）［23］，且被广泛应用到不同区域的垂向地应力预测［1，14，24-26］，本文也采用该预测公式。

式中：SV为垂直主应力，MPa；H为煤层埋深，m。

3 结果与讨论

3.1 注入/压降试井结果

统计滇东地区15 口井（35 层煤）注入/压降试井数据（表1，图2），发现滇东煤层埋深介于497.12～1 234.31m（平均780.44m），破裂压裂介于10.26～22.31MPa（平均16.55MPa），闭合压力介于9.75～21.44MPa（平均15.52MPa）。随着埋深的增加，煤层的破裂压力表现为线性增加的趋势（图3a）。较高的破裂压力对煤层的压裂技术和压裂设备提出了严格的要求，表明滇东地区煤储层的改造难度大。研究发现破裂压力与闭合压力具有良好的正相关性，且拟合优度较高（图3b）。虽然通过压裂设备可以压开地层，但是较高的闭合压力极易导致人工裂缝闭合。因此，需要强度高且不同粒度的支撑剂在前期储层改造以及后期排采过程中发挥不同的关键作用，才能有效支撑人工裂缝。滇东地区煤储层渗透率为0.004 5～1.86mD（平均0.187 9MD），远低于中国的鄂尔多斯盆地东缘和准噶尔盆地南缘［5，25］，属于典型的低渗储层。

表1 滇东试井数据统计Table 1 Statistics of well test data in eastern Yunnan

图2 滇东地区注入/压降试井和地应力测试得到的储层参数Figure 2 Reservoir parameters obtained from injection/falloff well test and in-situ stress test in eastern Yunnan

图3 破裂压力与埋深（a）、闭合压力（b）的关系Figure 3 Relationship between fracture pressure and burial depth（a），closure pressure（b）

3.2 垂向地应力机制变化特征

三个主应力的相对大小关系是判断地应力场的重要依据。Anderson 根据三个主应力的关系，将地应力场划分为逆断层应力场（SH＞Sh＞Sv）、走滑断层应力场（SH＞Sv＞Sh）和正断层应力场（Sv＞SH＞Sh）［27］。本文采用该标准，对滇东垂向地应力场进行了划分。

滇东地区共收集35个地应力测试数据，其中17个数据显示Sv＞SH＞Sh，15 个数据显示SH＞Sv＞Sh，3 个数据显示SH＞Sh＞Sv。地应力测试结果表明滇东地区垂向上主要发育正断层应力场，其次是走滑断层应力场和逆断层应力场。在垂向上，SH＞Sv＞Sh和SH＞Sh＞Sv主要出现在1 000m 以浅，而Sv＞SH＞Sh主要出现在700m 以深。据此，可将滇东地应力场划分为三部分（图4）。

图4 滇东地区垂向地应力场分布特征Figure 4 Distribution characteristics of vertical in-situ stress field in eastern Yunnan

1）在700m 以浅，共有16 个数据点。10 个数据是SH＞Sv＞Sh，占比为62.5%。4 个数据是S＞SH＞Sh，占比为25%。2 个数据是SH＞Sh＞Sv，占比为12.5%。由此可知，在700m 以浅，主要以水平应力为主，走滑断层应力场起主导作用。

2）埋深介于700～1 000m 时，共有11 个数据点。5 个数据是SH＞Sv＞Sh，占比为45.45%。5 个数据是Sv＞SH＞Sh，占比为45.45%。1 个数据是SH＞Sh＞Sv，占比为9.1%。当埋深介于700～1 000m，处于应力带过渡区，应力场由走滑断层应力场逐渐转变为正断层应力场。

3）在1 000m 以深，共有8 个数据点。8 个数据全部显示为Sv＞SH＞Sh。可见，在1 000m 以深，以垂直应力为主，正断层应力场起主导作用。

整体而言，滇东地区垂向地应力主要为走滑断层应力场和正断层应力场。在正断层应力场中，垂直井眼最稳定。因此，在正断层应力场中应优先考虑部署垂直井。在走滑断层应力场中，沿着最大水平主应力方向钻进的水平井眼最稳定［7］。因此，在走滑断层应力场中应优先考虑部署沿着最大水平主应力方向的水平井。

3.3 地应力对渗透率的影响

渗透率表征流体通过煤储层的难易程度，也是煤层气勘探开发过程中重要的评估参数。煤储层渗透率随有效应力增加表现为指数衰减的趋势［1，13-14，24］。在地层中，煤储层渗透率并非仅受单一方向有效主应力的影响，而是三个有效主应力的共同作用。为了更准确地表征煤储层受力特征，本文引入了CHEN et al.提出的有效原位地应力（ESI）（式5）［1］。

式中：ESI为有效原位地应力，MPa。

本文拟合了滇东地区煤储层有效地应力与渗透率的关系（图5），发现有效地应力与渗透率的相关性极低（R2＜0.3），甚至出现垂直有效地应力与渗透率表现为正相关关系（图5d）。结果表明影响滇东地区煤储层渗透率的因素极为复杂，有效地应力的数值并非是主控因素。秦勇等认为岩层优势裂隙方向和最大主应力方向决定了岩层的渗透率，二者方向一致时，主应力差越大，渗透率越大；二者方向垂直时，主应力差越大，渗透率越小［13］。换言之，影响煤储层渗透率的主控因素首先是构造地应力施加在煤储层天然裂隙的作用类型（拉张和挤压），其次才是构造地应力的数值大小。

图5 滇东地区有效地应力ESI（a）、SH-p0（b）、Sh-p0（c）、Sv-p0（d）与渗透率的关系Figure 5 Relationship between effective in situ stress ESI（a），SH-p0（b），Sh-p0（c），Sv-p0（d）and permeability in eastern Yunnan

滇东地区煤储层渗透率随着埋深的增加，呈现“先降低后增加”的趋势（图6）。在700m 以浅，煤储层渗透率介于0.004 5～0.87mD（平均0.151 1mD）。当埋深介于700～1 000m时，煤储层渗透率为0.005 8～0.54mD（平均0.111 8mD）。在1 000m 以深，煤储层渗透率为0.00 3～1.86mD（平均0.366 3mD）。在滇东地区井下煤层天然裂缝倾角测量中，发现煤储层天然裂缝的倾角呈现垂直或亚垂直，大部分倾角大于80°，走向为NW-SE 向和NE-SW 向［26，28-29］。滇东地区地应力类型主要表现为走滑断层应力场和正断层应力场。在走滑断层应力场中，水平应力成为主导应力，天然裂缝受到挤压作用，主应力差越大，挤压效应越强，导致裂缝闭合，渗透率急剧衰减。而在正断层应力场中，垂直应力转变为主导应力，天然裂缝受到拉张作用，主应力差越大，拉张效应越强，渗透率明显增高。滇东地区垂向渗透率变化特征与地应力场转化位置基本一致（图4、图6），表明煤储层天然裂缝的发育规律与现代地应力场垂直分布特征共同控制滇东地区煤储层的渗透率，也解释了滇东地区有效地应力与煤储层渗透率相关性较差的原因（图5）。

图6 滇东地区垂向渗透率变化规律Figure 6 Variation of vertical permeability in eastern Yunnan

4 结论

1）基于滇东地区15 口井（35 层煤）注入/压降试井数据，发现滇东煤层埋深介于497.12～1 234.31m（平均780.44m），破裂压裂介于10.26～22.31MPa（平均16.55MPa），闭合压力介于9.75～21.44MPa（平均15.52MPa）。随着埋深的增加，煤层的破裂压力呈现为线性增加的趋势。同时，发现破裂压力与闭合压力具有良好的正相关性。

2）滇东垂向地应力场划分为三部分，在700m以浅，地应力以水平应力为主，走滑断层应力场（SH＞Sv＞Sh）起主导作用。当埋深介于700～1 000m，处于应力带过渡区，应力场由走滑断层应力场逐渐转变为正断层应力场（SH≈Sv＞Sh）。在1 000m 以深，以垂直应力为主，正断层应力场（Sv＞SH＞Sh）起主导作用。

3）滇东地区煤储层渗透率为0.004 5～1.86mD（平均0.187 9mD），煤储层渗透率随着埋深的增加，呈现“先降低后增加”的趋势，与地应力场转化位置基本一致。煤储层天然裂缝的发育规律与现代地应力场垂直分布特征共同控制滇东地区煤储层的渗透率，同时也解释了滇东地区有效地应力与煤储层渗透率相关性较差的原因。