沁水盆地南部地应力三维有限元模拟

降 压
kc krg h Qg p λ g re ln rw
式中：
降 压
Q g 为煤层气产量，m ； k rg 为气相相对渗透率，μm ； p 为生产压差，MPa； kc 为绝对渗透率，μm ；
3 2 2
某区块内同一井区含气量相对变化较 小，煤层厚度、气井流体特征基本相同， 因此影响煤层气井产量的因素主要是：绝 对渗透率Kc、气水两相相对渗透率Kr及生 产压差Δp。
15
高平
TL-010 晋试1
15
晋试3
背斜轴及向斜轴 HG2
翼城 沁水 曲沃
沁试1
端氏镇
TL-006 潘1
附城 煤层气井
15
3943333
15
市Biblioteka Baidu县及乡镇
3943333
15
晋城 阳城
15
柳树口
15
578847 636897 694947
区带界线
沁南地表节理走向玫瑰花图
(2)现今地应力作用方向以NEE-SWW方向为主 统计可知，优势方位为NEE向反映本区现今地应力作用方向主 要以NEE-SWW方向为特征。然而压裂裂缝延伸方向受古应力场方 向影响，表现为裂缝延伸方向不集中在现今地应力场方向。
榆次
松塔
c. 喜马拉雅晚期：NNE— SSW向挤压 d. 新构造期：NE— SW向挤压
沁水盆地四期共轭剪节理
西山煤田
交城
清徐
昔阳
晋
文水
中
太谷 和顺 横岭
祁县
汾阳
断
15
平遥
4117016
白璧
陷
来远镇
4117016
孝义 阳泉曲 白璧关 介休 王和镇 榆社镇 沁1
15
左权
N
霍
灵石
沁 水 煤 田
霍
沁2
西 煤 田
h re rw
λ
为煤层厚度，m； 为供给半径，m； 为煤层气井半径，m； 为流体特性综合系数。
汇 报 提 纲
一、沁南煤层气田开发现状
二、地应力对高煤阶煤储层渗透率起主控作用
三、沁水盆地发育四期构造应力场 四、地应力预测高渗区理论依据 五、地应力有限元模拟 六、结论
二. 地应力对高煤阶煤层渗透率起主控作用
H (cos 2 sin 2 ) b 2 2 ( sin cos ) h H
1 p kn
Δb-垂直裂隙面的压缩位移； γ-垂向压力系数； H-埋藏深度，m； θ -裂隙面与水平面的夹角，度； α-裂隙面与最大水平主应力方向的夹角，度； p-储层压力，MPa； λ-侧压力系数；kn-法向刚度系数
v

H
L
W
H
K H K M 8.44 107 W 3 cos 2 / L
W1 v (cos 2 sin 2 ) / kn
W2 H (cos 2 k sin 2 ) / kn
( h ) / 2 KH-水平渗透率，mD； H v KM-基质渗透率，mD； W-裂隙壁距，mm； L-裂隙间距，mm； n v 1 α-裂隙面与水平面的夹角，度； ΔW-自重作用下垂直裂隙面的压缩位移； λ-侧压力系数；kn-法向刚度系数；ν-泊松比
。
。
中
马必
35。 50'
枣
2
F ZP 08 H
园 区 块
枣园 柿庄南区块
4
3 7 0 0'
断
15
寺庄
陷
沁1
高
15
37 00'
。
。
TL-003
3
35。 50'
1
晋试6
杜寨
隆
3 6 30'
霍
沁2
山
老1 湾1
15
王必
晋试10 ZHSH56 ZHSH58 ZHSH55 ZHSH57
必底
ZHSH50 ZHSH46 ZHSH47 ZHSH45 ZHSH44
寺
ZHSH49
连1
晋试2
15
。
沁参1
15
起
庙
丰1
36 30'
。
大尖山
ZHSH14
郑
ZHSH15
晋试8
庄
晋试5
ZHSH54
区
ZHSH32 ZHSH34 TL-010 ZHSH31
块
固县
FZ P
高平
15
沁水盆地钻井6200余 口，投产约4300，日 产气514×104m3，年 产能30×108m3。 中石油该区直井投产 868口，不产气及产量 ＜1000m3/d占67%； 水平井57口，不产气及 产量＜5000m3/d占 70%。单井产量差异大 。直井单井平均日产气 1160m3，低于国外2-4 倍。 单井产量低是制约煤层 气产业发展的重要因素 .
（3）沁水盆地南部煤层渗透率与地应力呈负指数关系 通过煤层试井渗透率与地应 力相关统计分析：煤层渗透率与 地应力呈负指数变化，模拟实验 结果也揭示了这一特点
10
统计数：22
1
试井渗透率/mD
0.1
0.01
0.001 0 5 10 15 20 25 30 最大水平主应力/MPa 35 40 45 50
微观裂缝，光学显微镜，单偏150×
沁水盆地煤储层不同级别孔隙的比例
宏观裂缝-节理
汇 报 提 纲
一、沁南煤层气田开发现状
二、地应力对高煤阶煤储层渗透率起主控作用
三、沁水盆地发育四期构造应力场 四、地应力预测高渗区理论依据 五、地应力有限元模拟 六、结论
三. 沁水盆地发育四期构造应力场
(1)四期共轭剪节理揭示四期构造运动
ZHSH37
ZHSH39
12 16 15
沁水
35。 40'
后 城 断
端氏 TL007
端氏煤矿
0 4-5 V FZ P04 04 -2V
0 4- 4V 0 4-3 V 01 -2V
0 1- 1H
晋试4
11
15 #煤层剥蚀线
01 -3VFZ P00 11-4 V
西大阳
TL006
TL98-100
断
地震测线
35。 40'
登记区边界
14 13
PZP0 P ZP 02 -2 V 2 PZP 02 -1 V
PZ P03 -2 V
煤田勘探区边界
PZP0 3
PZP 03 -1 V
腰
寺头
36
潘
庄
PZ P01 - 1V PZ P01 - 2V
PZP 01
开采区
潘2井
断 层
38
芹池 层
DNP 05
潘庄
37
区
TL-011
2012年煤层气学术研讨会
沁水盆地南部地应力三维有限元模拟 及高渗区预测
孔祥文
中国石油勘探开发研究院亚太研究所 2012年9月
汇 报 提 纲
一、沁南煤层气田开发现状
二、地应力对高煤阶煤储层渗透率起主控作用
三、沁水盆地发育四期构造应力场 四、地应力预测高渗区理论依据 五、地应力有限元模拟 六、结论
一. 沁南煤层气田开发现状
＞ 5000 方 4% 2000~5000 方 14%
水平井日产气
不产气 21%
＞10000m 3 /d 11%
1000~2000 方 15% ＜ 1000 方 37%
＜5000m 3 /d 49%
5000-10000m 3 /d 19%
高煤阶煤层渗透率低，是影响单井产量的重要因素
煤层气井的气产量公式可简化为：
112。 20' 112。 30' 112。 40' 112。 50' 113。 00'
沁水煤层气田勘探开发区块分布图
0 2 4 6 8 km
111 36' 。
112。 24'
1 13。 12 '
3 8 0 0'
。
15
38 00'
。
15
7
8
15 15
HG2
15
柿庄
晋
3 7 30'
HG3
色头
HG6
37 30'
汇 报 提 纲
一、沁南煤层气田开发现状
二、地应力对高煤阶煤储层渗透率起主控作用
三、沁水盆地发育四期构造应力场 四、地应力预测高渗区理论依据 五、地应力有限元模拟 六、结论
四. 地应力预测高渗区理论依据
（1）地应力控制煤储层裂隙发育程度
• 煤层由裂隙和基质组成的双孔隙 介质, 高煤阶由于中大孔少,煤层基 质渗透率极低,其渗透率主要取决 于割理裂隙发育程度。 • 裂隙壁距W受地应力状态控制。 • 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 力的作用宽度减小,渗透率降低 。
块
10
探明区
控制区
层
9
王庄
远景区
甲烷风化带
DN P0 6
张村
DN P0 7- 2
中石油登记区
31.47km 2
D NP0 7 -1
DN P0 8 D NP0 9 -1
D NP0 9- 3 DN P0 9- 2
町店
112。 30' 112。 40' 112。 50'
112。 20'
直井日产气
不产气 30%
试井渗透率/mD
K K 0e
1 0.8 0.6
K/Ki
a
10
统计数：24
1
0.1
渗透率与有效应力关系
JS5-1 JS14-2 JS17-1 G24-1 JS12-1（Sw=45.2%） JS3-1（Sw=50.5%） JS4-1（Sw=37.5%）
15
3 5 3 0'
15
图
113。 12'
例
35 30'
。
。
1 11。36'
块
晋试3
马村
山
15
11 2。 24'
晋试1
煤层气工业气流井
煤层气显示井
晋试9
胡底
樊平1-1V
FZ P05 H
JP2-3 JP2-4 JP2-2 JP2-1
樊庄
10
含气量等值线
3# 煤层剥蚀线
ZHSH19
ZHSH27
ZHSH30
渗透率
矿化 程度 割理 裂缝 压实 演化
（2）高煤阶煤储层以微孔为主，割理、裂隙是主要渗流通道
① 孔隙以微-小孔为主，吸附性强，连通性较差，孔隙度低； ② 构造作用产生大量次生裂隙，构成煤层气渗流通道。
100 90 80
各级别孔隙含量（%）
70 60 50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 样号（北部：1-17；中部：18-33；南部：34-40） 微孔-过渡孔（0-200nm） 中孔（200-1260nm） 大孔（1260-50000nm）
山
武乡
沁县
老1
15
湾1
4059122
郭道镇
4059122
汾西 五龙川
连1
古县 襄垣
隆
霍州
15
沁源
沁参1
黎城
15
起
唐城镇 北张店 屯留
a
图 例 火成岩分布区
15
4001227
b
c
d
潞城
洪洞
丰1
古罗 安泽
4001227
长治
15
长子
壶关
临汾
沁3 沁4
煤层露头及编号 浮山
马必
晋试2 晋试6
TL-003
15
正断层 陵川
（1）煤层渗透率的影响因素 煤层渗透率影响因素十分复杂，受控于煤质、构造作用、煤 压实和热演化程度，孔隙割理裂缝发育程度、割理裂缝矿化作 用、构造煤发育程度，其综合因素反映了地应力的差异性分布.
K K 0e
a
煤岩 煤质 构造 煤化 构造 作用
8.44 107 W 3 cos 2 KH KM S
0 10000 20000 30000 40000 m
a. 印支期：近SN向挤压
694947
578847
636897
河曲
沁水盆地 构造纲要图
镇城底 古洞道
4174911
孟县
15
古交
15
平头镇 太原 寿阳
15
15
b. 燕山-喜马拉雅早期：NW— SE向挤压
阳泉
4174911
15
HG2
刑家社
晋祠
HG3
HG6
（2）煤储层裂隙宽度的影响因素 煤层裂隙宽度的影响因素 主要有五个方面：
上覆地层的水平压应力造成裂隙 闭合； 原地构造应力形成张性或压性； 流体压力使裂隙开启； 煤的机械强度决定煤体抵抗应力 作用的能力； 煤层气解吸引起的基质收缩使裂 隙宽度增加。
裂隙尖端力学模型 流体压力作用下 裂隙尖端力学模型
TL008
5 6
沁3
沁4
36 00'
。
3 6 00'
。
TL-003
15
TL004
晋试2
15
晋试6
TL-010 沁试1
晋试1
15
晋试3
TL-006 潘1
15
15
晋试7
郑庄
晋试13 晋试12 晋试11
头
ZHSH38 ZHSH41
樊 庄 区
晋试1井组
0 3-3 V FZ P03 02- 1H 0 3- 2V 0 2- 2V FZ P02 0 3- 1V 0 2-3 V
330°
裂缝数/ 条 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 NE 2 NW N EE 近EW N NE NW W 近S N NN W 7 6 11 13 10 6 17
0° 30° 60°
300°
270° 0 3 7次
90°
裂缝走向
沁南压裂裂缝走向玫瑰花图
煤层气井压裂裂缝走向分组频率统计表（统计数72） 裂缝走向 裂缝数 频率（%） NE 7 9.72 NW 2 2.78 NEE 17 23.61 近EW 11 15.28 NNE 6 8.33 NWW 13 18.06 近SN 10 13.89 NNW 6 8.33
(1 2 ) H x2 W 1 2 E L
K— Δσ从初始到某一应力状态下地应力的变化值,MPa; K0和a为取决于主应力类型的系数, 其中K0为初始应力条件 下的渗透率, 10-3μm2 ； S— 裂隙间距/mm; α— 裂隙面与水平面的夹角，度。 W— 裂隙宽度/mm; L— 裂隙长度/mm; x— 裂隙端部距裂隙中心的距离/mm。 给定应力条件下渗透率/×10-3μm2;