地應(yīng)力對(duì)煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的影響

逄思宇，賀小黑

（中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京100013）

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，是一種以吸附狀態(tài)為主儲(chǔ)存于煤層及其圍巖中的非常規(guī)天然氣，因呈吸附狀態(tài)與煤共生伴生而有別于常規(guī)天然氣。我國(guó)煤層氣資源豐富，資源量與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)，并與其在區(qū)域分布上形成良好的互補(bǔ)。中國(guó)的常規(guī)石油、天然氣資源相對(duì)缺乏，而我國(guó)的煤層氣藏開(kāi)發(fā)還處于初級(jí)階段，還有很多方面需要從理論上進(jìn)行深入的研究，加速發(fā)展這一產(chǎn)業(yè)不僅是我國(guó)新能源開(kāi)發(fā)利用的必然趨勢(shì)，也是大氣環(huán)境保護(hù)、煤炭安全開(kāi)采、緩解能源供需矛盾、改善能源供給結(jié)構(gòu)的客觀需要。煤層氣資源合理、有效的開(kāi)發(fā)利用的工作是十分緊迫的［1－5］。

地應(yīng)力是指巖土體內(nèi)一點(diǎn)固有的應(yīng)力狀態(tài)，地應(yīng)力是引起礦山、水利水電、土木建筑、鐵路、公路和各種地下或露天巖土開(kāi)挖工程變形和破壞的根本力源；是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析、巖土工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和確定支護(hù)形式和支護(hù)強(qiáng)度所必須的原始材料；此外，地應(yīng)力對(duì)煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)也有著重要的影響，地應(yīng)力影響煤層氣解吸、吸附和運(yùn)移、煤儲(chǔ)層裂縫的分布、滲透率和儲(chǔ)層壓力的大小以及水力壓裂裂縫的擴(kuò)展。本文系統(tǒng)全面地總結(jié)了地應(yīng)力對(duì)煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的影響，這對(duì)更加清楚地認(rèn)識(shí)地應(yīng)力對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的影響來(lái)說(shuō)是十分有必要的。

1 地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在應(yīng)力對(duì)煤巖體滲透性影響方面進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。他們發(fā)現(xiàn)，煤樣的滲透率對(duì)地應(yīng)力極為敏感，且煤樣的滲透率隨著地應(yīng)力的變化而大多呈指數(shù)變化。

國(guó)外有：J.R.E.Enever等［6］通過(guò)對(duì)澳大利亞煤層滲透率與地應(yīng)力的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率值變化與有效地應(yīng)力的變化呈指數(shù)關(guān)系。C.R.Mckee等［7］通過(guò)對(duì)美國(guó)皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煤層埋藏深度和有效應(yīng)力增加，煤層割理縫的寬度減小，滲透率呈指數(shù)降低。W.J.Sommerton［8］等研究應(yīng)力對(duì)煤體滲透性的影響；W.F.Brace［9］進(jìn)行了應(yīng)力作用下巖體滲透率變化規(guī)律研究。

國(guó)內(nèi)有：張廣洋等通過(guò)對(duì)四川南桐煤田的煤樣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤樣的滲透率與平均有效應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系。何偉鋼等對(duì)陽(yáng)泉、韓城、峰峰、平頂山、沁源等礦區(qū)的煤層實(shí)測(cè)滲透率與原地最小主應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率與原地最小主應(yīng)力為指數(shù)關(guān)系。巫修平對(duì)沁水盆地潘莊地區(qū)煤儲(chǔ)層壓裂井的閉合壓力和地球物理測(cè)井資料分析得出：地應(yīng)力直接影響了裂隙的開(kāi)合程度，主應(yīng)力差越大，滲透率也越大。剪應(yīng)力最大方向，即裂隙張開(kāi)度最大方向，也就是滲透率最大方向，主煤層滲透率與主應(yīng)力差呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，主煤儲(chǔ)層的滲透率與最小水平應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系。傅雪海通過(guò)對(duì)山西沁水盆地中、南部地應(yīng)力和滲透率的資料分析得出滲透率隨最小水平應(yīng)力增大呈指數(shù)關(guān)系減小的趨勢(shì)十分明顯。唐書(shū)恒對(duì)陽(yáng)泉、韓城、峰峰等礦區(qū)煤層氣井的試井實(shí)測(cè)滲透率與原地最小主應(yīng)力進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)煤層滲透率與原地最小主應(yīng)力呈冪指數(shù)關(guān)系［10］。此外，張建博、秦勇、張虹、周世寧、林柏泉、趙陽(yáng)升、胡耀青、孫培德和趙文等學(xué)者在此方面也取得大量研究成果。

總之，煤儲(chǔ)層的滲透性對(duì)地應(yīng)力的變化非常敏感，隨著有效應(yīng)力上升，煤層滲透率下降。地應(yīng)力對(duì)滲透率的影響，既反映上覆地層對(duì)煤層的垂向作用力，也反映水平構(gòu)造應(yīng)力的作用。地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，而使其滲透性發(fā)生變化。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤層滲透率的作用十分顯著。構(gòu)造擠壓區(qū)、逆沖推覆作用強(qiáng)烈地區(qū)、不同走向斷裂的結(jié)合部位，是構(gòu)造應(yīng)力集中的地區(qū)，往往也是低滲透率分布地區(qū)。構(gòu)造應(yīng)力松弛、與斷層有關(guān)的次生裂隙、破碎斷層面，是地應(yīng)力的分布地區(qū)，往往也是煤層高滲透率分布地區(qū)。不同應(yīng)力狀態(tài)下滲透率與深度的變化趨勢(shì)不同。應(yīng)力松馳地區(qū)，滲透率高，隨深度增加，變化幅度不大；正常應(yīng)力地區(qū)，滲透率中等，隨深度增加而減少；在高應(yīng)力地區(qū)，滲透率較低，而且隨深度增加滲透率急劇減小。此外，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向與儲(chǔ)層的優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向一致時(shí)，裂隙受到張應(yīng)力的作用，裂隙寬度增大，滲透率增高；當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層的優(yōu)勢(shì)裂隙組發(fā)育方向垂直時(shí)，裂隙受到壓應(yīng)力的作用，裂隙寬度減小，滲透率降低［10］。含煤盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布和演化情況不僅直接導(dǎo)致盆地內(nèi)不同構(gòu)造樣式的形成和演化、決定含煤盆地內(nèi)高滲區(qū)的分布，而且構(gòu)造應(yīng)力也是驅(qū)動(dòng)地下流體運(yùn)移的重要?jiǎng)恿?。此外，現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征更是決定煤儲(chǔ)層壓力大小的直接原因，從而影響著煤層氣的可采性。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期含煤盆地形成和演化的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、局部煤系地層的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化特征的分析，可以進(jìn)行煤層氣高滲區(qū)預(yù)測(cè)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣成藏的影響主要體現(xiàn)在其對(duì)煤層高滲區(qū)分布的控制作用。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析包括兩方面的研究：一是研究古應(yīng)力場(chǎng)，目的是預(yù)測(cè)割理發(fā)育區(qū)；二是研究現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)，目的是預(yù)測(cè)現(xiàn)今構(gòu)造產(chǎn)生的外生裂隙發(fā)育區(qū)［11］。

2 地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力的影響

地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力有重要的影響。煤儲(chǔ)層孔隙內(nèi)流體所承受的壓力在儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)前，一般處于平衡狀態(tài)，此時(shí)儲(chǔ)層流體所承受的壓力稱為原始儲(chǔ)層壓力。儲(chǔ)層壓力是地層中氣體和水從裂隙流向井筒的能量大小的反映，代表了儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)潛勢(shì)，它可以用試井方法獲取。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層壓力影響方面進(jìn)行過(guò)研究和探討。張培河通過(guò)分析沁水煤田煤儲(chǔ)層壓力的分布特征及其影響因素，認(rèn)為地應(yīng)力是儲(chǔ)層壓力的敏感參數(shù)，隨地應(yīng)力增大，煤儲(chǔ)層壓力增高，地應(yīng)力較低是該區(qū)儲(chǔ)層壓力低的原因［12］。張延慶通過(guò)對(duì)華北部分礦區(qū)煤儲(chǔ)層壓力研究，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力的存在直接影響到作用在煤層孔隙空間內(nèi)流體上的壓力大小，韓城礦區(qū)處于2條不同方向斷裂帶的結(jié)合部位，地應(yīng)力梯度高，從而造成煤儲(chǔ)層具有較高的原始儲(chǔ)層壓力［13］。秦勇、傅雪海等通過(guò)研究沁水盆地中、南部下二疊統(tǒng)山西組煤儲(chǔ)層物性與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征的關(guān)系，得出：主應(yīng)力差增大，煤儲(chǔ)層滲透率梯度呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，煤儲(chǔ)層壓力梯度顯示出對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，滲透率大于1md和儲(chǔ)層壓力接近于正常壓力狀態(tài)的煤儲(chǔ)層展布于主應(yīng)力差大于80MPa的地區(qū)［14］。

地應(yīng)力是儲(chǔ)層壓力敏感性參數(shù)，不同地區(qū)地應(yīng)力的大小是不同的，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大、孔隙裂隙被壓縮、體積變小時(shí)，儲(chǔ)層壓力變大；當(dāng)?shù)貞?yīng)力變小、孔裂隙體積變大，儲(chǔ)層壓力則變小。構(gòu)造應(yīng)力直接影響到作用在煤層孔隙空間內(nèi)流體上的壓力大小。一般認(rèn)為，處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的煤儲(chǔ)層，儲(chǔ)層壓力值往往偏大，壓力梯度偏高；而處于拉張型構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的煤儲(chǔ)層，壓力值偏低，壓力梯度也較低。因此，可以根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)拉張情況來(lái)研究?jī)?chǔ)層壓力和壓力梯度的高低。

3 地應(yīng)力對(duì)煤層氣產(chǎn)出的影響

煤層氣的開(kāi)采經(jīng)歷了解吸、擴(kuò)散、滲流3個(gè)連續(xù)階段，首先煤體微孔隙內(nèi)表面吸附煤層氣因孔隙壓力降低而解吸，擴(kuò)散至裂隙中轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)煤層氣，然后由于裂隙和鉆井井孔之間的壓力梯度和煤層氣的濃度梯度而產(chǎn)生煤層氣滲流，從而游離態(tài)氣體向井孔移動(dòng)，最后由井孔抽出。

自然地應(yīng)力場(chǎng)作用于煤層孔隙，構(gòu)成為煤層孔隙的圍壓，對(duì)煤層孔隙產(chǎn)生影響，從而對(duì)孔隙中的流體產(chǎn)生影響。地應(yīng)力影響到煤層氣的吸附、解吸、擴(kuò)散和滲流，進(jìn)而影響到煤層氣井的產(chǎn)出。

3.1 地應(yīng)力影響煤層氣吸附和儲(chǔ)層含氣量

一般來(lái)說(shuō)隨地應(yīng)力增大，煤體受到的擠壓力越大，孔隙裂隙被壓縮、體積變小，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層壓力變大。根據(jù)朗繆爾等溫吸附方程可知，當(dāng)溫度和其他因素相同時(shí)，煤儲(chǔ)層甲烷吸附量隨壓力增大而增多，因此，壓力變大時(shí)，煤層甲烷吸附量增大，導(dǎo)致含氣量也增大。含氣量對(duì)生產(chǎn)能力的影響是顯而易見(jiàn)的，據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，認(rèn)為含氣量大于15m3/t的預(yù)測(cè)區(qū)具有高產(chǎn)條件，8～15m3/t具有中產(chǎn)條件，小于8m3/t低產(chǎn)甚至無(wú)產(chǎn)。因此，無(wú)論是為了煤礦生產(chǎn)安全，還是為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)煤層氣開(kāi)發(fā)前景和制定開(kāi)發(fā)方案，都需要掌握煤層含氣量的分布特征［15］。

3.2 地應(yīng)力影響煤層氣的解吸

地應(yīng)力對(duì)煤層氣解吸的影響主要是通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層壓力的影響體現(xiàn)出來(lái)的。儲(chǔ)層壓力的高低與分布直接決定著煤層對(duì)甲烷等氣體的吸附與解吸能力，進(jìn)而影響到煤層氣開(kāi)發(fā)氣井的產(chǎn)出。在排水降壓進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)，當(dāng)煤儲(chǔ)層含氣飽和度一定，煤儲(chǔ)層壓力越高，越容易排采，越有利于煤層氣產(chǎn)出。在此過(guò)程中，當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力降至解吸臨界壓力以下時(shí)，解吸量隨煤儲(chǔ)層壓力繼續(xù)下降而不斷增多，從而提高解吸速度。臨界解吸壓力越接近于儲(chǔ)層壓力，氣體越容易解吸，煤層氣井越容易產(chǎn)氣；較高的有效壓差可以保證煤層中甲烷流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量，所以具有異常高壓的煤層解吸量大，產(chǎn)氣量高?？梢酝ㄟ^(guò)提高儲(chǔ)層壓力、減小井底壓力來(lái)獲得高產(chǎn)氣量。一般儲(chǔ)層壓力降至大氣壓，氣體才可能全部解吸。對(duì)于氣過(guò)飽和煤層，只要煤儲(chǔ)層壓力下降，就有吸附氣從煤層中解吸；對(duì)于氣欠飽和煤層，需要降到臨界解吸壓力下，才能有吸附氣解吸。如果臨界解吸壓力比原始儲(chǔ)層壓力低得多，勢(shì)必要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的排水降壓才能產(chǎn)氣，因此可根據(jù)臨界解吸壓力和原始儲(chǔ)層壓力及其兩者的比值，來(lái)了解煤層氣早期排采動(dòng)態(tài)。

地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層壓力、含氣量有著重要的影響，而儲(chǔ)層壓力與含氣量控制著含氣飽和度，因而地應(yīng)力影響著含氣飽和度。含氣飽和度對(duì)產(chǎn)能的影響主要體現(xiàn)在解吸條件對(duì)產(chǎn)能的影響，他制約著煤層氣產(chǎn)出的難易和氣體產(chǎn)出速率的大小。含氣飽和度低，地解壓差大，很難或無(wú)法獲得產(chǎn)能。含氣飽和度大于80%的預(yù)測(cè)區(qū)具有高產(chǎn)條件［16］

3.3 地應(yīng)力影響煤層氣的擴(kuò)散和滲流

煤層氣在溫度、壓力作用下發(fā)生擴(kuò)散、滲流的動(dòng)力源主要為溫度、構(gòu)造應(yīng)力、儲(chǔ)層壓力、擴(kuò)散作用力、滲透作用力。構(gòu)造應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力控制著煤層的滲透率和氣含量，影響煤層中氣體擴(kuò)散作用和滲透作用，在有效應(yīng)力集中地區(qū)，裂隙閉合，儲(chǔ)層壓力高，滲透性低且煤層吸附量大，煤的儲(chǔ)集能力強(qiáng)，從而使得氣體的質(zhì)量交換、擴(kuò)散速度和遷移過(guò)程緩慢、復(fù)雜，同時(shí)氣體吸附量大導(dǎo)致氣體壓力大，使氣體濃度增大，從而增加氣體的擴(kuò)散能力；有效應(yīng)力輕微地區(qū)，裂隙開(kāi)啟，儲(chǔ)層壓力低，滲透性好，氣體質(zhì)量交換和遷移流暢。自然界，各種條件的影響往往是疊加的，反映的是綜合效應(yīng)［17－18］。另一方面，對(duì)于高收縮率煤儲(chǔ)層，在煤層氣的運(yùn)移過(guò)程中，隨著煤儲(chǔ)層壓力降低使得煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形，促進(jìn)煤體孔隙和裂隙的擴(kuò)展和延伸，煤層滲透系數(shù)增大，進(jìn)而提高滲流作用效果；而對(duì)于低收縮率或不收縮煤層，則主要受有效應(yīng)力的壓縮影響，隨著有效應(yīng)力增加滲透率下降，進(jìn)而降低滲流作用效果［19］。

地應(yīng)力增加，有利于煤儲(chǔ)層壓力保持和含氣量的增大，但往往導(dǎo)致滲透率降低并給煤儲(chǔ)層的排水、降壓及煤層氣的解吸、運(yùn)移、產(chǎn)出造成一定困難，滲透率過(guò)低，煤層氣解吸速率低，抽排范圍有限，在高地應(yīng)力區(qū)尤為如此，優(yōu)化的方法是采取逐步降壓的措施，以使煤層滲透率保持在改排水期的最佳狀態(tài)。滲透性高的煤層，井筒的排水降壓能有效地傳播到更大的范圍，從而控制更大面積煤層，使更多的煤層氣解吸，獲得更高的產(chǎn)量。但地應(yīng)力太低時(shí)，導(dǎo)致滲透率過(guò)大，引起產(chǎn)水量太大，也不利于煤層氣生產(chǎn)。根據(jù)Loggy等研究煤層滲透率以中等較好。從我國(guó)煤層氣井生產(chǎn)狀況看，氣產(chǎn)量高的井，滲透率高。但滲透率高的井，產(chǎn)量不一定高。滲透率低的井產(chǎn)量亦低。滲透率高而氣產(chǎn)量不高的原因表現(xiàn)在幾個(gè)方面，一是，這種滲透率與井筒周?chē)嬖诹严队嘘P(guān)，導(dǎo)致產(chǎn)水量很高。二是原始滲透率較高，但壓力增產(chǎn)不成功。一般來(lái)說(shuō)，煤層氣井不經(jīng)過(guò)壓裂是不會(huì)產(chǎn)氣的。從總體上來(lái)看，構(gòu)造應(yīng)力過(guò)高會(huì)對(duì)煤層氣井的高產(chǎn)帶來(lái)消極影響，過(guò)低則不利于煤層氣富集。因此地應(yīng)力要適當(dāng)，不能太大，也不能太小，地應(yīng)力也是選區(qū)綜合評(píng)價(jià)的內(nèi)容之一。我們選擇最有利的開(kāi)發(fā)區(qū)帶，就要考慮地應(yīng)力、滲透率、煤儲(chǔ)層壓力、含氣量等因素，但這些因素往往存在矛盾。

總之，煤層中的天然氣能否以經(jīng)濟(jì)速度排出，決定于能否有效地降低煤儲(chǔ)層壓力和煤儲(chǔ)層滲透性的好壞，而儲(chǔ)層壓力和滲透性都與地應(yīng)力緊密相關(guān)。因此地應(yīng)力是影響煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)量高低的重要因素。

4 地應(yīng)力對(duì)裂縫的影響

地應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層天然裂縫和水力壓裂裂縫擴(kuò)展也有著重要的影響。地應(yīng)力可分為古構(gòu)造應(yīng)力和現(xiàn)今地應(yīng)力，地層中的裂縫可分為天然裂縫利人工裂縫。目前，我國(guó)投入開(kāi)發(fā)的煤層氣盆地中，大部分為低滲透性盆地，低滲透性盆地的開(kāi)發(fā)成功與否，關(guān)系到我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。低滲透煤層氣盆地普遍發(fā)育天然裂縫，且經(jīng)過(guò)壓裂方具產(chǎn)能。地應(yīng)力是控制儲(chǔ)集層天然裂縫分布及水力壓裂裂縫形態(tài)的重要因素。古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)往往決定著天然裂縫的形成、分布和發(fā)育程度［20］，例如，對(duì)沁水盆地而言，第一期和第二期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)屬古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，它們決定著沁水盆地天然裂縫（隙）、斷層的發(fā)育和分布，而天然裂縫、斷層的存在又會(huì)影響人工壓裂，天然裂縫發(fā)育區(qū)域?qū)儆诘貞?yīng)力薄弱區(qū)，實(shí)踐的結(jié)果表明水力壓裂裂縫會(huì)首先向天然裂縫存在的地應(yīng)力薄弱區(qū)延伸，因此，古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)間接影響著現(xiàn)今人工壓裂裂縫的擴(kuò)展；而現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)人工壓裂產(chǎn)生直接的影響，現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)不僅影響天然裂縫目前在地下的附存狀態(tài)及有效性，而且控制了人工壓裂裂縫的形態(tài)和延伸方向。在煤層氣井水力壓裂施工設(shè)計(jì)中，地應(yīng)力的大小和方向是其考慮的重要參數(shù)，其不僅控制著裂縫的方位、傾角、高度、傳導(dǎo)性，而且影響施工過(guò)程中壓力的大?。?1］。目前的水力壓裂是利用超過(guò)地層破裂壓力的高壓液流，對(duì)目的層壓開(kāi)一條具有一定方向和兒何形狀的裂縫，并注入支撐顆粒，形成具有高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，極大地改善油氣層液體流向井筒的能力，從而提高油氣產(chǎn)能的一種低滲透油氣藏油層改造的有效方法。裂縫的擴(kuò)展方向往往決定著壓裂的成敗與效果，長(zhǎng)期的理論研究與實(shí)踐認(rèn)為：對(duì)于各向同性介質(zhì)，水力壓裂的形態(tài)取決于地應(yīng)力的大小，壓裂產(chǎn)生的人工垂直裂縫方位總是平行于最大水平主應(yīng)力方向，垂直于最小主應(yīng)力方向；對(duì)于非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，水力壓裂的形態(tài)由地應(yīng)力和煤巖體的抗張強(qiáng)度共同組成的擠聚力大小決定［22］。煤層壓裂裂縫除受大地主構(gòu)造應(yīng)力影響外，還受局部構(gòu)造應(yīng)力和割理的影響。裂縫方位在同一層位沒(méi)有明顯的方向性，但存在著同一盆地同一層位在某一方向出現(xiàn)概率較大的現(xiàn)象。因此，現(xiàn)今地應(yīng)力是影響人工壓裂的主要因素，對(duì)沁水盆地而言，目前的水力壓裂主要受第三期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。

地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層水力壓裂的影響還表現(xiàn)在多煤層壓裂方面，多煤層開(kāi)采是提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方法，而要進(jìn)行多煤層壓裂，必須具備一定的地應(yīng)力條件。一個(gè)井中，各個(gè)煤層的破裂壓力梯度如果變化很大，而要對(duì)各煤層同時(shí)進(jìn)行壓裂的話，可能只有其中的一個(gè)層受到壓裂而不能達(dá)到一次壓開(kāi)多煤層的目的。在對(duì)一個(gè)煤層壓裂時(shí)，隨著裂縫中壓力超過(guò)臨層的地應(yīng)力，往往不能獲得預(yù)期的裂縫長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致較低的或令人失望的產(chǎn)量。因此，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)必須掌握煤層頂?shù)装宓膽?yīng)力條件，避免裂縫在垂向上的增長(zhǎng)。而要一次對(duì)多煤層同時(shí)壓裂，各煤層間不能有較高的應(yīng)力屏障。故此，掌握地應(yīng)力在縱向上的變化情況，是使壓裂達(dá)到預(yù)期效果的必要前提［23］。

5 存在的問(wèn)題

1）目前對(duì)地應(yīng)力分布規(guī)律的研究還很不夠，不能滿足煤層氣實(shí)際開(kāi)采、壓裂和井位確定的需要。

2）滲透率對(duì)地應(yīng)力的變化非常敏感，要獲得較好的產(chǎn)量，弄清研究區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力的分布規(guī)律及其對(duì)滲透性的影響是要解決的重要問(wèn)題。

3）地應(yīng)力的大小和方向不僅控制著裂縫的方位、傾角、高度、傳導(dǎo)性，而且影響到水力壓裂施工過(guò)程中壓力的大小。因此，在煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)，有必要研究和考慮地應(yīng)力對(duì)天然裂縫和人工壓裂裂縫的影響，以期對(duì)壓裂施工設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

4）地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層壓力、含氣性、理論采收率有著怎樣的影響？地應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力、含氣量、臨界解吸壓力、含氣飽和度、理論采收率有著怎樣的定量關(guān)系？都是需要解決的問(wèn)題。

5）煤層氣滲流時(shí)煤儲(chǔ)層滲透率主要受到有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)影響還是主要受到煤基質(zhì)收縮正效應(yīng)影響就需要通過(guò)試驗(yàn)分析來(lái)解決。

6）國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤層甲烷運(yùn)移理論方面共同存在的問(wèn)題是不考慮兩相流體與骨架的耦合作用，缺少對(duì)吸附、解吸、擴(kuò)散和滲流過(guò)程的相互制約機(jī)制研究，不能完全反映我國(guó)低滲透儲(chǔ)層的非線性滲流特點(diǎn)和吸附解吸擴(kuò)散滲流相互制約的客觀現(xiàn)實(shí)。地應(yīng)力多大時(shí)，既能夠滿足煤的儲(chǔ)集能力較強(qiáng)、煤層吸附量較大，又能滿足儲(chǔ)層滲透性不差，氣體遷移流暢呢？這就需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析解決［24］。

6 結(jié)論

綜上所述，地應(yīng)力對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的很多方面都有著重要的影響。全面地弄清地應(yīng)力分布規(guī)律，掌握地應(yīng)力對(duì)煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)各方面的影響有助于我們認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層中壓力、滲透性、含氣性、天然裂縫分布情況以及水力壓裂裂縫擴(kuò)展方位，從而有效地進(jìn)行高滲透性區(qū)預(yù)測(cè)和煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)，這對(duì)有利開(kāi)發(fā)區(qū)的選取、合理地部署井網(wǎng)、科學(xué)有效地開(kāi)發(fā)煤層氣至關(guān)重要。

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