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第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY geostress; hydraulic fracturing 地应力是蓄存在岩体内部未受到扰动的天然应 力，可分为原地应力和诱发应力 2 类。人们最初对 地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源 于早期的矿山工程建设。1932 年，美国劳伦斯 ChaoXing 68 煤田地质与勘探 第 45 卷 Lieurace在胡佛坝HooverDam下面的一个隧道中 采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应 力的测量[1]。在 20 世纪 50 年代，哈斯特Hast采用 应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地 应力测量[2]。20 世纪 60 年代末，美国 C Fairhurst[3] 提出了水压致裂法，成为除应力解除法外的另一地 应力测量方法，水压致裂法的突出优点是能够测量 地壳深部的地应力。我国的地应力测量技术和设备 的研制工作起步较晚， 起始于 20 世纪 50 年代末期， 而地应力实测工作从 20 世纪 60 年代初开始，到目 前为止已经取得了大量的测量数据。20 世纪 80 年 代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压 裂地应力测量的研究工作，并于 1980 年 10 月在河 北易县首次成功进行了水力压裂法地应力测量。葛 修润等[4]提出了一种钻孔局部壁面应力全解除法来 测定深部岩体地应力。胡斌等[5]在套孔应力解除的 基础上提出了一次套钻确定三维地应力的新型钻孔 变形计，提高了测量元件的分辨率。葛修润等[6]在 BWSRM钻孔局部壁面应力全解除法的基础上，成 功研制出地应力测井机器人，并在我国锦屏 II 级水 电站的科研试验洞成功地进行了首次现场原位地应 力测试试验。 笔者针对太原西山区块煤层气开发实际，基于 35口煤层气井地应力水力压裂数据， 通过统计分析， 得到了西山区块 2 号煤的闭合压力、破裂压力等数 据，从而计算得出 2 号煤 3 个主应力的数据，然后 建立了 2 煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关 关系和模型，进一步分析各个地应力之间的相关关 系，揭示现今地应力分布规律及受控机制，为研究 区煤层气勘探开发提供理论依据。 1 研究区概况及地应力预测 1.1 研究区概况 西山区块位于山西省中部吕梁山东麓，太原市 西 15 km，处在山西板块内造山带五台山吕梁山 板隆中部， 北部和西部与吕梁山五台山块隆相接， 东部和东南部与太原晋中盆地毗邻，为一个周边 被断裂所围限的近三角形含煤盆地。西山区块南北 长约 75 km，东西宽约 40 km，总面积 1 898.4 km2， 呈北、中部开阔，向南收敛的“倒梨形”。西山区块 四周受区域性构造控制，主要构造形迹有SN 向构 造、NEE 向构造、NENNE 向构造等。这些构造 多为燕山运动以来的产物，对燕山期以前的构造形 迹进行改造或被继承下来，使区块构造形态趋于复 杂化图 1。 研究区主要含煤地层为二叠系下统山西 组和石炭–二叠系下统太原组。 主要可采煤层为山西 组 2 号煤和太原组 8 号煤、9 号煤，煤层较稳定， 含气量大。 图 1 西山区块构造纲要图 Fig.1 Structure outline in Xishan block 1.2 基于水力压裂数据预测地应力的方法 1.2.1 水力压裂测试原理 传统的水压致裂法应力测量理论和方法是基于 弹性力学平面应变理论，其前提是原地应力场中的 2 个主应力方向构成一个平面，而第 3 个主应力是 与这 2 个主应力垂直的。利用一个铅直井孔进行水 压致裂应力测量得到 2 个水平主应力的大小和方 向，而垂向主应力的值是由岩石的密度按静岩压力 计算得出。水压致裂法地应力测量，一般以下列 3 个假段条件为前提①围岩是线性、均匀、各向同 性的弹性体。②围岩为多孔介质中流动符合达西渗 流定律。③岩体中地应力的一个主方向与钻孔轴向 平行。 水压致裂法最初是用来提高石油产量的，后来 被用于地应力的测量[2]。水压致裂应力测量大致分 为下列几个阶段[7]打钻孔到测试部位，并将试验 段用 2 个封隔器隔离起来图 2； 向隔离段注射高压 水流，直到孔壁出现裂隙，此时的水压力称为破裂 压力Pf，然后继续施加水压以扩展裂隙，当裂隙扩 展至 23 倍钻孔直径深度时，关闭高压水系统；停 泵后裂缝逐渐闭合，当裂缝处于临界闭合状态时， 裂缝内的流体压力与垂直于裂缝平面的最小水平主 应力相平衡，此时所对应的裂缝闭合压力称为闭合 压力Pc。解除压力后，重新注液使裂隙张开，即可 得到重张压力Pr， 最后通过印模器或井下电视即可 得到破裂缝的方向。 ChaoXing 第 3 期 何旭龙等 太原西山区块煤储层地应力分布特征及评价 69 图 2 水压致裂应力测量施工 Fig.2 Operation of measurement of the stress induced by hydraulic fracturing 水力压裂施工完成后， 可以采集到一系列压力– 时间曲线图。根据初始裂隙在切向应力最小的部位 发生，以及闭合压力必须和最小主应力相平衡的关 系，在有孔隙压力 P0的情况下，可得 2 个水平主应 力公式[8] σhminPc 1 σhmax3Pc–Pf–P0T 2 式中 Pc为闭合压力，MPa；Pf为破裂压力，MPa； P0为煤储层压力，MPa；T 为煤的抗拉强度，MPa； σhmin、σhmax分别为最小水平主应力、最大水平主应 力，MPa。 垂直应力 σv按 E Hoek 等[8]提出的公式进行 估算。 σv0.027H 3 式中 H 为煤层埋深，m；σv为垂直应力，MPa。 1.2.2 闭合压力的识别 在水力压裂法地应力测量中最小水平主应力 σhmin等于裂缝闭合压力 Pc[10]。闭合压力识别方法决 定着最小水平主应力测量结果的可靠性。而地层渗 透性产生的压裂液漏失问题，易造成水力压裂试验 曲线上闭合压力点的识别困难。为此相关研究人员 已进行了深入研究并提出了多种识别闭合压力的方 法。Guo F 等[11]在总结前人研究成果的基础上，对其 中的 8 种识别方法进行了室内实验研究；李彬刚[12] 探讨了用时间平方根法和双对数曲线法来识别闭合 压力和提高地应力测试精度；孙翠容等[13]对比分析 阶梯注入测试、回流测试、平衡试验法和压降曲线 分析法，认为压降曲线分析方法在确定闭合压力方 面，有许多优势，值得推广。通过对这些方法的分 析，并结合研究区的实际情况，选取 Pw–lgt 压降曲 线分析方法来识别闭合压力值，其中 Pw为孔底压 力，MPa，t 为停泵后起算的时间，s。该方法的原 理是 根据水力压裂数据得到停泵后的时间与压力 表 1，然后根据得到的数据绘制压降曲线图 3， 取曲线上开始偏离直线处的压力值作为 Pc值比较 合理。 表 1 X SM-167 井停泵后压降表 Table 1 Pressure drop of well XSM-167 after pump shut down 时间/s 压力/MPa 时间/s 压力/MPa 60 13.65 660 12.59 120 13.30 720 12.58 180 13.03 780 12.56 240 12.89 840 12.54 300 12.76 900 12.52 360 12.67 960 12.5 420 12.64 1 020 12.48 480 12.61 1 080 12.46 540 12.6 1 140 12.44 600 12.6 1 200 12.42 图 3 水力压裂闭合压力的识别方法 Fig.3 Identification of the closure pressure of hydraulic fracturing 2 太原西山区块地应力场特征 2.1 水力压裂测试分析 太原西山区块煤炭资源开发主要集中于区块北 部和东部的浅埋煤层地带，东部有杜儿坪矿、白家 庄矿和西铭矿等；北部有马兰矿、屯兰矿和东曲矿 等。结合研究区水力压裂资料和钻孔数据，运用上 述闭合压力识别方法，对太原西山区块马兰、屯兰 和东曲 3 个矿井 2 号煤层的 35 个水力压裂统计数据 表 2进行分析，然后根据表中的煤储层破裂压力、 闭合压力和埋深等数据，再结合式1式3可获得 煤储层最小水平主应力、最大水平主应力和垂直应 力表 3。 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 45 卷 表 2 太原西山区块 2 号煤层水力压裂统计数据 Table 2 Hydraulic testing parameters statistics of seam 2 in Xishan of Taiyuan 煤层压力/MPa 压力梯度/ MPahm-1 地区 煤层埋藏深度/m 破裂压力 闭合压力 储层压力 破裂压力 闭合压力 储层压力 煤抗拉 强度/ MPa 马兰 336.79832.05/583.12 15.1035.00/26.06 10.4522.42/15.932.024.99/3.502.856.53/4.611.734.67/2.86 0.60 0.48 屯兰 325.74670.56/549.96 12.7034.95/26.97 8.4519.34/15.491.954.02/3.302.746.43/4.893.306.51/4.89 0.60 0.48 东曲 393.56468.56/418.73 12.9727.37/20.44 9.0316.87/11.502.362.81/2.513.306.51/4.892.014.01/2.75 0.60 0.48 注表内数据 336.79832.05/583.12 表示最小值最大值/平均值，其他数据同。 表 3 太原西山区块 2 号煤层主应力特征 Table 3 The principal stress statistics of seam 2 in Xishan of Taiyuan 地应力/MPa 应力梯度/ MPahm-1 地区 最小水平主应力σhmin 最大水平主应力σhmax 垂直应力σv 最小水平主应力 最大水平主应力 马兰 10.4522.42/15.93 12.5335.14/18.70 9.0922.47/15.74 1.734.67/2.86 1.637.94/3.46 屯兰 8.4519.34/15.49 10.0328.14/16.66 8.7918.11/14.85 1.823.36/2.82 1.884.78/3.05 东曲 9.0316.87/11.50 10.3921.19/12.88 10.6312.65/11.31 2.014.01/2.75 2.345.03/3.09 注表内数据 10.4522.42/15.93 表示最小值最大值/平均值，其地数据同。 2.2 煤层破裂压力与闭合压力之间的关系 结合马兰、屯兰和东曲 3 个矿井资料，可知西 山区块二叠系山西组 2 号煤埋深为 325.74832.05 m， 煤层破裂压力为 12.735.0 MPa，平均 25.27 MPa，破 裂压力梯度为 2.746.53 MPa/hm，平均 4.77 MPa/hm； 闭合压力为 8.4522.42 MPa，平均 14.88 MPa，闭合 压力梯度为 1.734.67 MPa/hm，平均 2.82 MPa/hm。 研究区煤层破裂压力与闭合压力呈高度的线性正相 关图 4。 图 4 太原西山区块 2 号煤层破裂应力与闭合压力关系 Fig.4 Relationship between rupture stress and closure pressure of seam 2 in Xishan block, Taiyuan 2.3 煤储层主应力与埋藏深度的关系 根据太原西山区块二叠系山西组 2 号煤层资料 分析表 3，得到煤储层最大、最小水平主应力与埋 深之间呈线性正相关图 5。 2.4 垂直应力与水平应力之间的关系 侧压系数用来反映水平应力与垂直应力之间的 关系。 侧压系数 λ 表示 2 个水平应力的平均值σhmin σhmax/2 与垂直应力 σv之比。 图 5 太原西山区块 2 号煤层主应力与埋深关系 Fig.5 Relationship between the principal stress and the burial depth of seam 2 in Xishan block , Taiyuan hminhmax v /2σσ λ σ 4 研究区实测结果表明，λ 值一般为 0.621.79， 平均 1.08，并且与测点距地表深度有一定的相关 性[14]。由图 6 可以看出，研究区的平均水平主应 力与垂直应力的比值随埋深变化规律总体上与 E Hoek 等[9]统计结果相似， 即浅部侧压系数较离散， 且变化范围大，随着深度的增加侧压系数逐渐变 小，变化范围也减小，呈现向静水压力过渡的趋 势，λ ≈1。 2.5 太原西山区块现今地应力分布 2.5.1 现今地应力分布 根据马兰、屯兰和东曲 3 个矿区的地应力数据， 可以拟合出研究区煤储层地应力与埋深的关系图 5， 推广到整个区域，可得西山区块 2 号煤储层现今地 应力分布图图 7。 ChaoXing 第 3 期 何旭龙等 太原西山区块煤储层地应力分布特征及评价 71 图 6 侧压系数与煤层埋藏深度的关系 Fig.6 Relationship between lateral pressure coefficient and burial depth of coal seam 2.5.2 地应力评价 根据煤层埋藏深度以及最小水平主应力的预测 值图 7，将研究区地应力划分为 3 个区段，即低应 力分布区Ⅰ类区、中应力分布区Ⅱ类区、高应力 分布区Ⅲ类区表 4。 煤储层渗透性与地应力具有相关性，按照最小 水平主应力的大小对研究区的地应力分类，可以得 到煤储层渗透性的大致分布，对于煤层气的勘探开 发具有指导意义。 图 7 太原西山区块 2 号煤层现今地应力分布 Fig.7 Current geostress distribution of seam 2 in Xishan block of Taiyuan 表 4 西山区块区块 2 号煤地应力评价分类 Table 4 In-situ stress uation of seam 2 in Xishan block 区段 煤层埋藏深度/m 最小水平主应力/MPa 低应力区Ⅰ类区 20 3 结 论 a. 太原西山区块 2 号煤层最小水平主应力为 8.4522.42 MPa，平均 14.79 MPa，最小水平主应力 梯度为 1.734.67 MPa/hm， 平均 2.82 MPa/hm; 最大 水平主应力为 10.0335.14 MPa，平均 16.78 MPa， 最大水平主应力梯度为 1.637.94 MPa/hm，平均 3.24 MPa/hm；垂直应力为 8.7922.47 MPa，平均 14.52 MPa。 b. 太原西山区块2号煤层破裂压力与闭合压力 之间呈高度的线性相关性；；煤储层最大、最小水平 主应力与埋深之间呈线性正相关；研究区的平均水 平主应力与垂直应力的比值侧压系数随埋深存在 一定的变化规律，即浅部侧压系数变化范围大，且 较离散，随着埋深的增加侧压系数逐渐变小，且变 化范围也减小，最后 λ≈1。 c. 将太原西山区块地应力划分为 3 个区段埋 深 500 m 以浅煤储层最小水平主应力小于 12 MPa， 为低应力分布区； 在 500700 m 煤储层最小水平主 应力为 1220 MPa，为中应力分布区；700 m 以深 煤储层最小水平主应力大于 20 MPa，为高应力分 布区。 参考文献 [1] 蔡美峰，乔兰，李华斌. 地应力测量原理和技术[M]. 北京 科学出版社，19951–169. 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