煤层气与地应力1

成绩

中国矿业大学

2015级硕士研究生课程考试试卷

考试科目煤层气与页岩气地质学地

专业矿产普查与勘探

学生姓名亓宁

学号TS15010054A3

所在院系资源学院

任课教师吴财芳教授

地应力对煤层气开发影响研究

亓宁

中国矿业大学，资源与地球科学学院

摘要：地应力是指岩土体内一点固有的应力态，而煤层气是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气。我国煤层气勘探与开发还处于初级阶段，而地应力对煤层气的开发有十分显著的影响，其影响主要包括以下四个个方面：①地应力影响煤层中天然裂缝附存状态及有效性，从而影响煤层气的富集与开采；②地应力对煤储层渗透性、储层压力的影响；③地应力影响煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，从而影响煤层气的产出；④地应力影响煤层气开发的井位位置的设计。

关键词：地应力原理、煤层气、开发

地应力是指地壳岩石介质内部单位面积上的作用力，其中重力应力和构造应力是地应力的主要来源[1]。地应力按照作用时代可以划分为古地应力和现今地应力；在常规油气勘探开发中，古地应力影响着油气的运移与聚集，控制着天然裂缝的形成与分布，而现今地应力场，尤其是现今构造应力场则决定了天然裂缝的赋存状态，水压裂缝的扩展方位和开发井网的部署[2]。在煤层气开发过程中，地应力影响其开发的多个方面，类比常规油气的开发，本文在系统整理前人的研究的基础上，总结了地应力对煤层气开发的影响。

1地应力对煤层中裂隙的影响

地应力是控制储集层天然裂缝分布及水力压裂裂缝形态的重要因素。古构造应力场往往决定着天然裂缝的形成、分布和发育程度[3]，古构造应力场决定着岩层天然裂缝（隙）、断层的发育和分布，而天然裂缝、断层的存在又会影响人工压裂[4]。古构造应力场间接影响着现今人工压裂裂缝的扩展；而现今地应力场会对人工压裂产生直接的影响，现今应力场不仅影响天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性，而且控制了人工压裂裂缝的形态和延伸方向。

煤层气田属于低渗透率、低压力、低饱和度的“三低”煤储层气藏[5]，水力压裂改造措施是国内外煤层气井获得商业性产量的有效途径。在煤层气井水力压裂施工设计中，地应力的大小和方向是其考虑的重要参数，其不仅控制着裂缝的方位、倾角、高度、传导性，而且影响施工过程中压力的大小[6]。

水力压裂时，裂缝总是趋于弱面形成并延伸。在其他条件相同的前提下，当三轴压力差别不大时，在平面和剖面上都容易形成近似圆形的裂缝；三轴压力差别越大，形成的裂缝长轴与短轴差别越大；在其他条件相同的前提下，三轴应力椭球体的形态大致反映出裂缝延伸

形态[7,8]。煤层水力压裂缝的形态主要受地层应力及岩石性质等的控制。通过损伤力学的方法研究水力裂缝在煤层中的扩展规律，研究结果表明[7-9]：水力裂缝与天然裂缝相遇后，水力裂缝会发生迂折转向。部分水力载荷将消耗在非主裂缝的路径上，但迂曲一段距离之后，主裂缝仍会沿着平行于最大水平主应力的方向延伸；当天然裂缝的数量、天然裂缝与最大水平主应力方向的夹角以及天然裂缝的长度增加时，水压裂缝发生迂曲转向所需的水平主应力差也增加，但增加幅度逐渐变小，水压裂缝的延伸长度逐渐减小，但减小幅度逐渐变大。尤其是在断层、褶皱和天然裂缝相对较发育的地区，地质构造及其构造应力对水压裂缝的形态及压裂效果，都将产生大的影响。对煤储层压裂改造设计时，必须对地应力状态加以研究和考虑。

2地应力对煤储层渗透率的影响

渗透率即多孔介质允许流体通过的能力，煤储层渗透率是制约煤层气资源开发的关键因素之一[10]。首先，煤储层基质本身的渗透率极低[11]，其渗透率的大小，主要依赖其中的裂隙发育程度及连通性，而裂隙的发育程度、空间展布规律以及后期演化主要受地应力控制。通常情况下，与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂隙呈拉张状态，开度大，连通性较好，渗透率高，是主渗透裂隙方向；其次，现今应力场的方向和大小及其活动情况，为煤层气在裂隙中渗流提供了一个重要的驱动力；再者，煤层气因在煤储层中储集与天然气在常规储层中的储集不同，主要依赖于煤储层的吸附作用，煤层气从储层中运移产出经历“解析→扩散→渗流”三个阶段，其生产过程设计排水、降压、采气三个环节，随着开采的进行，煤储层的应力状态影响多孔介质的有效应力，从而影响介质中的渗流场[12]。

煤储层的渗透性对地应力的变化非常敏感，随着有效应力上升，煤层渗透率下降。地应力对渗透率的影响，既反映上覆地层对煤层的垂向作用力，也反映水平构造应力的作用。地应力对煤储层渗透性的影响，其实质是通过对煤储层的孔隙结构产生变形，而使其渗透性发生变化。区域构造应力对煤层渗透率的作用十分显著。构造挤压区、逆冲推覆作用强烈地区、不同走向断裂的结合部位，是构造应力集中的地区，往往也是低渗透率分布地区。构造应力松弛、与断层有关的次生裂隙、破碎断层面，是地应力的分布地区，往往也是煤层高渗透率分布地区。不同应力状态下渗透率与深度的变化趋势不同。应力松驰地区，渗透率高，随深度增加，变化幅度不大；正常应力地区，渗透率中等，随深度增加而减少；在高应力地区，渗透率较低，而且随深度增加渗透率急剧减小。此外，当构造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育方向一致时，裂隙受到张应力的作用，裂隙宽度增大，渗透率增高；当构造应力场最大主应力方向与煤储层的优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙受到压应力的作用，

裂隙宽度减小，渗透率降低[13]。

3地应力对煤层气产出的影响

煤层气的开采经历了解吸、扩散、渗流3个连续阶段，首先煤体微孔隙内表面吸附煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离态煤层气，然后由于裂隙和钻井井孔之间的压力梯度和煤层气的浓度梯度而产生煤层气渗流，从而游离态气体向井孔移动，最后由井孔抽出。

自然地应力场作用于煤层孔隙，构成为煤层孔隙的围压，对煤层孔隙产生影响，从而对孔隙中的流体产生影响。地应力影响到煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，进而影响到煤层气井的产出。

（1）地应力影响煤层气吸附和储层含气量。一般来说随地应力增大，煤体受到的挤压力越大，孔隙裂隙被压缩、体积变小，导致煤储层压力变大。根据朗缪尔等温吸附方程可知，当温度和其他因素相同时，煤储层甲烷吸附量随压力增大而增多，因此，压力变大时，煤层甲烷吸附量增大，导致含气量也增大。

（2）地应力影响煤层气的解吸。地应力对煤层气解吸的影响主要是通过对储层压力的影响体现出来的。储层压力的高低与分布直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附与解吸能力，进而影响到煤层气开发气井的产出。在排水降压进行煤层气开发时，当煤储层含气饱和度一定，煤储层压力越高，越容易排采，越有利于煤层气产出。一般储层压力降至大气压，气体才可能全部解吸。对于气过饱和煤层，只要煤储层压力下降，就有吸附气从煤层中解吸；对于气欠饱和煤层，需要降到临界解吸压力下，才能有吸附气解吸。

（3）地应力影响煤层气的扩散和渗流。煤层气在温度、压力作用下发生扩散、渗流的动力源主要为温度、构造应力、储层压力、扩散作用力、渗透作用力[4]。构造应力和储层压力是主要动力源，它们控制着煤层的渗透率和气含量，影响煤层中气体扩散作用和渗透作用。地应力增加，有利于煤储层压力保持和含气量的增大，但往往导致渗透率降低并给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，渗透率过低，煤层气解吸速率低，抽排范围有限，但过低又不利于煤层气的富集。因此地应力要适当，不能太大，也不能太小，地应力也是选区综合评价的内容之一[4]。

4地应力影响的煤层气开发方案

煤层气开发方案井网部署，又称井位布置，其目的是达到控制面积内的煤层气储量在规划的开采年限内，既满足煤矿安全生产的需要，同时又要满足经济开采的需要，另外，还要兼顾工程施行的可行性，受勘探及开发各参数等多个方面的影响。