李 鑫，魏永恒，王文峰，琚宜文，田繼軍，吳 斌，馮 爍

(1.新疆大學 新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預測自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830017；2.中國科學院 計算地球動力學重點實驗室，北京 100049；3.中國科學院大學 地球與行星科學學院，北京 100049；4.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質局一六一地質勘探隊，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

煤層氣作為一種可替代天然氣的清潔能源，可以有效緩解天然氣供能不足的局面[1?2]．我國煤層氣資源量位居世界第三位[3]，其中埋深2 000 m以淺煤層氣可采資源量為12.5×1012m3[4]．地應力是影響煤層氣開發(fā)的基本因素，可影響煤儲層滲透率、儲層壓力、儲層含氣性、壓裂裂縫形態(tài)和擴展方向等[5]．地應力主要由重力應力、構造應力、熱應力和殘余應力等耦合而成[6]；古構造應力場影響孔隙和天然裂縫的發(fā)育，進而制約儲層原始滲透率；現(xiàn)今地應力是在古構造應力場形成基礎上的疊加，其分布直接決定了煤儲層孔隙和裂縫的開閉[7]；中國淺-中深部煤儲層地應力以中-高應力區(qū)為主[8]．我國不同盆地煤儲層最大水平主應力與垂直主應力的轉換深度不同，如沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地柳林地區(qū)和黔西六盤水煤田轉換深度分別為650 m、850 m和600 m[9?11]．隨埋深增加，我國不同盆地煤儲層吸附氣含量臨界轉換深度亦存在差異，如沁水盆地南部范莊-鄭莊區(qū)塊吸附氣含量臨界轉換深度為825 m[12]，而鄂爾多斯盆地東部吸附氣含量轉換深度則在900～1 600 m范圍內波動[13]．

近年新疆南天山撓曲盆地庫車坳陷煤層氣的勘探開發(fā)進展迅速，庫拜煤田是其中重點勘探開發(fā)的地區(qū)之一．受山前強烈構造擠壓抬升的影響，庫拜煤田多套煤層氣儲層地應力特征及其影響下儲層物性特征可能與我國中東部煤田相應特征不同．前人對撓曲盆地煤儲層地應力研究較薄弱，此類地質條件下地應力分布特征及其地應力狀態(tài)對煤儲層物性的影響尚不清晰，對撓曲盆地構造背景制約下儲層地應力特征的討論較為欠缺．針對上述不足，本文分析了南天山撓曲盆地庫車坳陷阿艾礦區(qū)多套煤層氣儲層地應力分布特征及其對煤儲層滲透率的制約，揭示了地應力對煤儲層壓力和吸附氣含量的影響，并結合構造演化對煤儲層現(xiàn)今應力場的影響，探討了撓曲盆地構造演化背景下煤儲層地應力特征及其對儲層物性的制約機理，研究結果對指導庫拜煤田煤層氣乃至南疆地區(qū)煤層氣進一步勘探開采具有重要的現(xiàn)實意義．

1 區(qū)域地質背景與特征

庫拜煤田位于南天山山前撓曲盆地[14]庫車坳陷北部，阿艾礦區(qū)處于庫拜煤田東部．阿艾礦區(qū)東西走向長約39 km，南北寬約1.7 km，面積約63.53 km2；礦區(qū)總體走向為近東西向，局部地段為北東走向，形態(tài)展布不規(guī)則；礦區(qū)內褶皺較為發(fā)育，由北向南依次發(fā)育有捷斯德里克向斜、捷斯德里克背斜、夏闊坦向斜、比尤勒包谷孜背斜[15]，區(qū)內西部發(fā)育F1逆斷層（圖1）．不同褶皺構造復雜程度差異性較大，傾角介于8～80?之間；阿艾礦區(qū)內分布的地層主要有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系；含煤地層主要有侏羅系下統(tǒng)陽霞組、塔里奇克組和侏羅系中統(tǒng)克孜努爾組（圖2），其中塔里奇克組是主要含煤地層，共含煤14層，主要煤層為下5和下12煤層，可采煤層累計平均厚度在20 m左右．

圖1 （a）庫車凹陷構造單元圖；（b）阿艾礦區(qū)構造綱要圖；（c）阿艾礦區(qū)煤層氣井位分布圖

圖2 阿艾礦區(qū)煤系地層柱狀圖

2 樣品采集與測試方法

根據(jù)國家標準GB/T 24504―2009和行業(yè)標準DB/T 14―2000對阿艾礦區(qū)14口井/29個層開展注入/壓降試井和原地應力測試，以獲取儲層滲透率、儲層溫度、儲層壓力、破裂壓力、閉合壓力、重張壓力等參數(shù)．最小水平主應力、最大水平主應力和垂直應力分別根據(jù)煤儲層閉合壓力、破裂壓力、巖石抗張強度及巖體容重之間的關系進行計算[16?17]．

含氣量測定根據(jù)國家標準GB/T 19559―2008進行．將密封后煤樣（來自阿艾礦區(qū)14口煤層氣井）在恒溫裝置的儲層溫度下進行解吸，自然解吸量連續(xù)7天、平均每天小于或等于10 mL時結束解吸．將自然解吸后的樣品破碎2～4 h后放入恒溫裝置，待恢復儲層溫度后觀測氣體逸出量，連續(xù)解吸7天、平均每天小于或等于10 mL時結束殘余量測定[18]，并根據(jù)煤樣暴露時間計算采樣過程中氣體損失量．解吸氣量、殘余氣量加損失氣量即為煤樣含氣量．

3 撓曲盆地煤儲層儲層壓力和地應力特征

3.1 儲層壓力特征

表1為阿艾礦區(qū)注入/壓降試井和地應力試驗結果．阿艾礦區(qū)試井煤層埋深363.23～1 149.06 m，均值為750.64 m；煤儲層壓力為3.26～10.70 MPa，均值為6.60 MPa；儲層壓力梯度為0.72～1.27 MPa/100 m，均值為0.89 MPa/100 m．據(jù)儲層壓力分類：小于0.9 MPa/100 m為欠壓儲層，0.9～1.00 MPa/100 m為正常壓儲層，大于1.00 MPa/100 m為高壓儲層，可知阿艾礦區(qū)總體呈欠壓狀態(tài)，但也存在局部超壓儲層．阿艾礦區(qū)有效應力隨埋深的增加而增大，有效垂直主應力隨埋深增大速率>有效最小水平主應力隨埋深增大速率>有效最大水平主應力；隨埋深增大速率，有效最大水平主應力和埋深相關性大于有效最小水平主應力和埋深相關性（圖3）．儲層壓力梯度隨埋深的增加基本呈略緩慢減小趨勢（圖4(a)）．破裂壓力、閉合壓力和儲層壓力隨埋深呈線性增大趨勢，且三者與埋深的相關性均較高（圖4(b)），其中閉合壓力和破裂壓力之間的相關性可達90%（圖4(c)）．

圖3 （a）阿艾礦區(qū)煤儲層（最大水平主應力-儲層壓力）和埋深關系；（b）（最小水平主應力-儲層壓力）和埋深關系；（c）（垂直主應力-儲層壓力）和埋深關系

圖4 （a）阿艾礦區(qū)最大水平主應力梯度、最小水平主應力梯度、儲層壓力梯度和埋深關系；（b）煤儲層破裂壓力、閉合壓力、儲層壓力和埋深關系；（c）煤儲層閉合壓力和破裂壓力的關系

表1 研究區(qū)注入/壓降試驗及地應力測量試驗參數(shù)

3.2 地應力狀態(tài)隨埋深的變化

阿艾礦區(qū)最大水平主應力為5.56～28.02 MPa，均值為18.11 MPa；最大水平主應力梯度為1.44～4.29 MPa/100 m，均值為2.51 MPa/100 m；最小水平主應力為5.10～18.90 MPa，均值為12.67 MPa；最小水平主應力梯度為1.11～2.58 MPa/100 m，均值為1.76 MPa/100 m；垂直主應力為9.81～30.43 MPa，均值為19.61 MPa．Kang等[19]根據(jù)最大水平主應力對超高應力區(qū)（>30 MPa）、高應力區(qū)（18～30 MPa）、中等應力區(qū)（10～18 MPa）和低應力區(qū)（0～10 MPa）進行分類．統(tǒng)計可知阿艾礦區(qū)52%的最大水平主應力處于18～30 MPa，該礦區(qū)處于高應力水平．

根據(jù)Zhao等[6]對地應力場狀態(tài)的劃分，阿艾礦區(qū)σv>σH>σh、σH>σv>σh、σH≈σv>σh應力場分別對應正常應力場狀態(tài)、走滑斷層應力場和應力場過渡狀態(tài)．阿艾礦區(qū)煤儲層埋深處于350～500 m時，地應力類型為σH>σv>σh，煤儲層處于走滑斷層應力場，為擠壓狀態(tài)；埋深處于500～900 m時，地應力類型逐漸轉為σH≈σv>σh，煤儲層處于應力場過渡狀態(tài)；埋深大于900 m時，地應力類型逐漸轉為σv>σH>σh（圖5(a)），垂直主應力占據(jù)主導地位，煤儲層處于正常應力場狀態(tài)，為壓縮狀態(tài)．

側壓力系數(shù)（λ）定義為平均水平主應力與垂直主應力的比值、是反映地應力狀態(tài)的重要參數(shù)[20]，λ用下列公式表示：

圖5（b）為阿艾礦區(qū)λ和深度的關系．由圖5（b）可知，數(shù)值點基本都位于中國應力內外包絡線范圍內，也同時位于Hoek-Brown應力內外包絡線范圍內．煤儲層埋深350～500 m范圍，側壓力系數(shù)為0.54～1.27，均值為0.95；煤儲層埋深500～900 m范圍，側壓力系數(shù)為0.48～1.00，均值為0.77；煤儲層埋深900～1 200 m范圍，側壓力系數(shù)為0.62～0.79，均值為0.74．埋深處于350～500 m時，水平主應力占主導地位；埋深處于500～900 m時，垂直主應力的作用開始增大，此段λ變?。宦裆钐幱?00～1 200 m時，最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨深度增加而增大，此段λ值趨于收斂．

圖5 （a）阿艾礦區(qū)的儲層最大水平主應力、最小水平主應力、儲層壓力、垂直主應力和靜水壓力和儲層埋深關系；（b）側壓力系數(shù)和儲層埋深的關系

4 撓曲盆地煤儲層地應力對煤層氣可采性的制約

4.1 地應力對煤儲層滲透率的制約

滲透率反映煤儲層的滲流能力，決定煤儲層中氣液運移的難易程度，進而影響氣體的產(chǎn)量[21?22]．制約煤儲層滲透率的因素多樣，包括應力狀態(tài)、煤體結構、天然裂隙等因素[23]．中國的地質構造背景復雜，煤儲層滲透率一般低于美國、澳大利亞等，原地應力對煤儲層滲透率的影響更加顯著[24?26]．阿艾礦區(qū)滲透率隨最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力增加呈減小趨勢（圖6），阿艾礦區(qū)滲透率隨有效地應力的增大亦呈減小趨勢（圖7）．有效地應力隨埋深增加呈增大趨勢（圖3），而滲透率隨有效地應力的增加呈減小趨勢，這主要是因為隨有效應力增大，孔隙閉合，裂縫寬度減小，煤體發(fā)生彈塑性變形，煤儲層滲流空間減小，導致煤儲層滲透率減?。?/p>

圖6 （a）阿艾礦區(qū)最大水平主應力和滲透率關系；（b）最小水平主應力和滲透率關系；（c）垂直主應力和滲透率關系

圖7 （a）阿艾礦區(qū)煤儲層（最大水平主應力-儲層壓力）和滲透率關系；（b）（最小水平主應力-儲層壓力）和滲透率關系；（c）（垂直主應力-儲層壓力）和滲透率關系

圖8為阿艾礦區(qū)滲透率和儲層埋深的關系．儲層埋深350～500 m，兩個滲透率數(shù)據(jù)點分別為2.23 mD和0.23 mD，一定程度上說明此埋深范圍滲透率值較大；儲層埋深500～900 m，滲透率范圍為0.01～2.31 mD，均值為0.46 mD，數(shù)值大于0.25 mD的滲透率數(shù)據(jù)點占一半左右，此深度范圍滲透率較大但總體隨埋深增加不斷減小，主要在于此段地應力類型為σH≈σv>σh，垂直應力隨埋深增大速率逐漸大于水平應力，煤儲層裂隙隨深度增大而逐漸閉合，滲透率逐漸減??；儲層埋深900～1 200 m，滲透率范圍為0.08～0.35 mD，均值為0.19 mD，此段滲透率較低，4個數(shù)據(jù)點數(shù)值均小于0.25 mD，僅1個數(shù)據(jù)點數(shù)值大于0.25 mD，主要在于埋深大于900 m后，最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力值均較大，且垂直主應力增大速度大于水平主應力，垂直主應力為主后對水平滲透率的影響更大，致使此段滲透率均較低．埋深900 m處既是滲透率趨勢變化點，也是垂直主應力和最大水平主應力的轉換點，暗示了地應力對滲透率的制約作用．

圖8 阿艾礦區(qū)滲透率和儲層埋深關系

4.2 地應力對儲層壓力的制約

煤層氣的開發(fā)是一個排水、降壓和促進氣體解吸的過程[27?28]，儲層壓力直接決定了煤層氣的吸附、脫附和滲流能力，對煤層氣的開發(fā)具有重要制約作用．由圖9可知，煤儲層壓力隨著地應力的增加而增大，兩者呈線性正相關，相關系數(shù)達0.696 9．地應力是影響煤儲層壓力的主要因素，隨著地應力的增加，煤儲層孔隙體積被擠壓，煤儲層中氣、水介質壓力增大，促使煤儲層壓力增大[29]．

圖9 阿艾礦區(qū)最小水平主應力和煤儲層壓力關系

4.3 地應力對吸附氣含量的影響

影響吸附氣含量的因素有儲層壓力和溫度等因素[30]．其中儲層壓力對煤的吸附能力具有正效應，溫度對煤的吸附能力具有負效應，正效應和負效應之間相互作用導致存在煤層氣含氣量臨界深度[31]．由上述分析可知，埋深900 m為地應力狀態(tài)轉換點，是垂直主應力和最大水平主應力的轉換點，亦是側壓力系數(shù)1.0深度處．由圖10可知，總體上阿艾礦區(qū)下5和下10煤儲層吸附氣含量在300～900 m的范圍內隨埋深增加而趨于增大、在大于1 000 m時隨埋深增加而趨于減小，可知阿艾礦區(qū)下5和下10煤儲層吸附氣含量轉換深度在900～1 000 m附近．當側壓力系數(shù)1.0深度小于含氣量反轉深度時，埋深較深的界線為臨界深度[2]，亦證明阿艾礦區(qū)吸附氣含量臨界深度在900～1 000 m附近．當埋深小于900～1 000 m時，最大水平主應力、最小水平主應力和儲層壓力隨埋深增加速率大于相應值在埋深大于1 000 m時的增大速率（圖5(a)），因此，埋深900～1 000 m以淺地應力制約下的儲層壓力起主導作用，吸附氣含量隨埋深增加而增大；當埋深大于900～1 000 m時，儲層壓力正效應小于溫度負效應，吸附氣含量隨埋深增加轉為下降．

圖10 （a）阿艾礦區(qū)下5煤儲層吸附氣含量和埋深關系；（b）下10煤儲層吸附氣含量和埋深關系

4.4 地應力對煤層氣井產(chǎn)量的影響

地應力對煤層氣的勘探開采不僅具有正效應亦具有負效應．一方面，地應力越大，儲層壓力越大，有利于保持煤儲層壓力并形成高臨儲比儲層，容易排水降壓，有利于煤層氣的開發(fā)；另一方面，隨著地應力增加，滲透率往往減小，抑制煤儲層的排水降壓以及煤層氣的解吸、運移和產(chǎn)出[16]．煤層氣可采性是煤層氣勘探開采的先決條件，而臨儲比和滲透率是衡量煤層氣可采性的關鍵地質因素[32]．由上文分析可知，地應力對滲透率具有負效應；同時地應力通過對儲層壓力的正效應而對臨儲比產(chǎn)生正效應．目前，阿艾礦區(qū)大部分煤層氣井排采時間較短（多處于排水段尚未產(chǎn)氣），因此，分析了阿艾礦區(qū)鄰區(qū)鐵列克礦區(qū)煤儲層地應力與煤層氣井典型日產(chǎn)氣量[33]的關系，發(fā)現(xiàn)最小水平主應力和典型日產(chǎn)氣量呈負相關（圖11），典型日產(chǎn)氣量隨著最小水平主應力的增加而逐漸減?。纱丝芍?，地應力對滲透率造成的負效應大于地應力對煤儲層壓力和臨儲比造成的正效應，高地應區(qū)可能面臨煤層氣井低產(chǎn)風險．

圖11 鐵列克礦區(qū)最小水平主應力和典型日產(chǎn)氣量關系

5 撓曲盆地煤系構造演化及其對煤儲層地應力的制約作用

5.1 構造演化對現(xiàn)今煤儲層應力場的制約

阿艾礦區(qū)地層走向近EW向，發(fā)育NS向平行排列一系列寬緩短軸狀褶皺[34]．礦區(qū)地層傾角跨度大，隨褶皺不同而不同，礦區(qū)最南部比尤勒包谷孜背斜南翼地層近直立，向北地層傾角依次變緩，直至礦區(qū)北部捷斯德里克向斜傾角8～30?．南天山撓曲盆地庫車坳陷北部構造帶主要經(jīng)歷燕山期和喜馬拉雅期構造運動，燕山期和喜山期構造應力的方向分別為NW-SE向和近NS向[35]，燕山期和喜山期構造運動最大有效古應力分別為27.4～60.0 MPa和55.7～100.0 MPa，燕山期最大有效古應力小于喜山期，且北部構造帶在燕山期和喜山期各經(jīng)過一次構造抬升（圖12）．阿艾礦區(qū)主要開采煤層位于北部構造帶北部埋深小于1 500 m的位置，其所經(jīng)歷的構造歷程與北部構造帶一致．據(jù)此推測第一次擠壓構造抬升過程阿艾礦區(qū)煤儲層受燕山期構造運動影響發(fā)生輕微褶皺，形成山前寬緩褶皺雛形；第二次強烈擠壓抬升過程阿艾礦區(qū)煤儲層受喜山期新構造運動影響部分煤儲層急劇抬升形成陡傾斜緊閉背斜煤儲層，且存在不同褶皺間高角度逆沖斷層制約下斷塊間做差異性升降運動現(xiàn)象[36]．煤儲層在燕山晚期先抬升，其中淺部煤儲層（小于500 m）會伴隨應力釋放形成碎裂煤，然后煤儲層在喜山期的構造擠壓作用下發(fā)育一系列高角度逆沖推覆斷層，形成現(xiàn)今走滑斷層應力場狀態(tài)（σH>σv>σh，圖5(a)）又將裂隙壓實閉合，導致滲透率減小．受喜山期淺部煤儲層（小于500 m）逆沖推覆影響，中深部（埋深500～1 200 m）煤儲層現(xiàn)今應力場側壓力系數(shù)明顯小于淺部，同時古NS向構造擠壓應力部分釋放后滲透率回彈，該位置儲層含氣量較高，較有利于煤層氣的開發(fā)．

圖12 庫車坳陷北部構造帶煤儲層埋藏史（據(jù)文獻[35]修改）

5.2 撓曲盆地山前褶皺帶地應力場分異特征

庫車坳陷庫拜煤田主要經(jīng)歷燕山期和喜馬拉雅期構造運動后形成了基本平行于天山的東西向的山前二級褶皺單元[37]，同時受到南東東、北西西向扭應力作用，產(chǎn)生了次一級的波狀起伏，其中就包括阿艾礦區(qū)的夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜，而南北向的擠壓應力程度不同和垂向上的升降運動可導致位于礦區(qū)中部的夏闊坦向斜和礦區(qū)南部的比尤勒包谷孜背斜的地應力特征不同．由圖13可知，夏闊坦向斜中最小水平主應力和最大水平主應力隨埋深增大的速率大于比尤勒包谷孜背斜中最小水平主應力和最大水平主應力隨埋深增大的速率，即同一埋深夏闊坦向斜水平主應力大于比尤勒包谷孜背斜水平主應力．受此影響，夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜煤儲層滲透率和埋深關系亦產(chǎn)生分異（圖14），地應力較大的夏闊坦向斜滲透率值（0.01～0.61 mD，均值為0.22 mD）小于比尤勒包谷孜背斜滲透率值（0.11～2.23 mD，均值為0.60 mD）（表2），可知夏闊坦向斜垂直方向所受構造擠壓應力較大，煤儲層裂隙收縮，造成此處滲透率較小，而比尤勒包谷孜背斜所受構造擠壓應力較小，造成此處滲透率相對較大，更利于煤層氣的開發(fā)．

表2 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜地應力數(shù)據(jù)

圖13 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜中最大水平主應力（a）、最小水平主應力（b）與埋深關系

圖14 夏闊坦向斜和比尤勒包谷孜背斜中滲透率和埋深關系

由圖5可知，埋深350～1 200 m范圍內阿艾礦區(qū)σH>σv>σh類型占總地應力場類型的10.7%，無σH>σh>σv類型，σH≈σv>σh類型占總地應力場類型的53.6%，且σv>σH>σh類型隨著埋深的增加而增多．鄂爾多斯盆地東緣埋深488～1 289.5 m范圍內σH>σv>σh、σH>σh>σv、σv>σH>σh地應力場類型分別占總地應力場類型的54.7%、4%、41.3%．可知鄂爾多斯盆地東緣σH>σv>σh類型地應力場占比遠大于阿艾礦區(qū)σH>σv>σh類型占比；阿艾礦區(qū)不含σH>σh>σv，而鄂爾多斯盆地東緣含有少量σH>σh>σv類型．推測上述不同產(chǎn)生的原因是阿艾礦區(qū)煤層抬升至近地表急傾斜后水平應力釋放，導致水平應力減小，進而導致σH>σv>σh類型地應力場向σH≈σv>σh類型轉換所致．最終導致σH>σv>σh類型占比減小而σH≈σv>σh類型地應力場占比較大．

6 結論

系統(tǒng)分析了南天山撓曲盆地庫車坳陷阿艾礦區(qū)煤系多套煤層氣儲層地應力分布特征并分析了其對煤儲層物性的制約作用，主要結論如下：

（1）阿艾礦區(qū)地應力狀態(tài)在垂向上發(fā)生變化，儲層埋深處于350～500 m、500～900 m和900～1 200 m時，地應力狀態(tài)類型依次為σH>σv>σh、σH≈σv>σh和σv>σH>σh．

（2）埋深900 m處既是垂直主應力和最大水平主應力的轉換點，也是滲透率趨勢變化點，暗示了地應力對滲透率的制約作用，阿艾礦區(qū)吸附氣含量臨界深度為900～1 000 m．

（3）受淺部逆沖推覆影響，阿艾礦區(qū)中深部煤儲層古NS向構造擠壓應力部分釋放后滲透率回彈，再加上含氣性較好，總體有利于煤層氣開發(fā)．

（4）阿艾礦區(qū)南部比尤勒包谷孜背斜水平主應力小于礦區(qū)中部夏闊坦向斜水平主應力，導致比尤勒包谷孜背斜煤儲層滲透率大于夏闊坦向斜煤儲層滲透率，相對更有利于煤層氣的開發(fā)．