总第１７６期 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１４．０４．００２ 高河３号煤储层压力分布规律及影响因素研究 高万兴．张军胜 （河南理工大学安全科学与Ｘ－程学院，河南焦作４５４０００） 摘要：储层压力决定着煤层气在煤层中的赋存状态，是煤层气开发中的能量因子。根据获得的高河井田 ３号煤储层压力，归纳出储层压力的分布规律：北高南低，西高东低。通过对影响储层压力因素的分析，得 出控制高河井田储层压力分布的主要因素是煤层埋深，部分区域受地质构造或水文地质条件的影响显著。 提出了分析影响矿井储层压力大小的主要因素要从区域地质上人手，并分析出导致该井田储层压力低的 主要原因是生烃作用停止、地层整体抬升，上覆岩层大量剥蚀，应力释放，煤层气大量逸散。 关键词：煤储层压力；煤层气开发；地质构造；地应力 中图分类号：ＴＰ６１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２７９８（２０１４）ｏ４—０ｏ０３—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｌａｗ ａｎｄ Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｎｏ．３ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｓｅａｍ ｏｆ Ｇａｏｈｅ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＧＡＯ Ｗａｎ－ｘｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｆ ｏＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ，ｉｔ，ｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒａｗｎ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｉｔ ｗａｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ａｒｅａ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ Ｇａｏｈｅ Ｍｉｎｅ．Ｉｔ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｚｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｇｅｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｕｓｅ ｉｓ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｔｏｐｓ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｐＩｉｆｔｉｎｇ，ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｄｅｎｕｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｒｅａｔ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｅａｓｅ，ＣＢＭ ｏｆ ｄｉｓｓｉｐａ— ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｗ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｓｅａｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｇｅｏｓｔｒｅｓｓ 煤储层压力是指作用于煤的孔隙一裂隙空间上 层压力低且分布复杂．致使该井田的煤层气开发不 的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体 理想。为提高该井田煤层气开发效率，正确高效地 压力＿１］。储层压力决定着煤层对瓦斯的吸附能力， 对该井田进行煤层气开发地质评价与有利区块划 直接影响排采过程中排水降压的难易程度，是决定 分，必须明确该井田煤储层压力的分布特征，理清该 煤层气井产能及采收率的关键因素。 高河井田所处的大地构造位置为华北断块区吕 梁一太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚一武 乡一阳城的ＮＮＥ向凹褶带中段。晋获断裂带西 区域煤储层压力影响因素。 ｌ高河井田３号煤储层压力分布规律 高河井田内所做的８口试井均是采用注人压降 小为０．３３４ ＭＰａ，最大为２．５ ＭＰａ，储层压力梯度最 大为０．４５ ＭＰａ／ＩＯ０ ｉｎ，属欠压储层，见图１和表１。 侧＿２］。井田内地层总体走向近ｓＮ—ＮＮＥ向，东高西 法测试。根据测试结果显示，高河井田储层压力最 低，构造简单，发育有近ＳＮ、ＮＮＥ向两组宽缓褶曲， 沿走向及倾向发育有断层。井田西部发育有大量陷 落柱。 井田内主采３号煤层属二叠纪下统山西组 井田内储层压力具有一定的分区分带规律：井 田北部３口试井的储层压力平均为１．９５ ＭＰａ，并且 （Ｐ ），煤层赋存稳定，平均厚６．７１ Ｉｎ，属瘦煤和贫 在该区域储层压力从西向东依次降低；井田中部 煤，气含量较高，煤层气资源丰富，但由于该井田储 ５口试井储层压力平均为０．７４ ＭＰａ。总体上，该井 收稿日期：２０１４－０３—１１ 作者简介：高万兴（１９８７一），男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向为煤层气开发地质评价。 ３ ２０１４年４月 高万兴等：高河３号煤储层压力分布规律及影响因素研究 第２３卷第４期 田的储层压力呈现出北高南低，西高东低的趋势。 图１高河井田构造纲要及试井分布 表１试井数据统计 项目 １—１ １—２ １—３ １—７ ４７ ２４ １１８ １３２ ０．３３４ １．３３ ０．５１ ｏ．９９ ２．０５ ２．５ １．３ ｏ．５４ ８．３７８ １３．１２ ７．７９ ｌｏ．５６ ８ ９．８ ８．９１ 粤深４４５．５ ４３９．４ ４３３．１ ４４０ ４４７．６５ ５１８．６ ４５９．６ ４７７．９ ２高河井田３号煤储层压力影响因素研究 储层压力受地质构造演化、水文地质条件、埋 深、含气量、大地构造、地应力等诸多因素的影 响＿３ Ｊ，归纳起来主要有： ２．１地质构造 构造不仅能够影响煤层气的生成、储存、运移， 同时由构造运动形成的构造挤压应力直接作用于煤 储层孔隙上使其体积收缩变小，使作用于煤基质孔 隙内流体上的压力增大，从而使储层压力增大；而对 于拉张应力作用的区域，则可能形成低压储 层¨－３’４ Ｊ 因此，区域储层压力的分布状态是由区域 构造及所处的大地构造位置决定的。根据获得的储 层参数可知：该区域储层压力整体较低，属欠压储 层。沁水盆地在燕山晚期生烃作用停止、地层整体 抬升ｌ５］，上覆岩层大量剥蚀，在这一时期煤层应力得 到充分释放致使气体大量逸散，导致孔隙中流体压 力降低．这是该区域储层压力低的主要原因。局部 构造会导致储层压力的不均衡分布，例如：构造应力 集中带储层压力往往偏高＿１，５］，高河井田在燕山运动 中后期隆升剥蚀明显，应力得以释放，因此该区域的 储层压力相比沁水盆地南部偏低。在井田内部储层 ４ 压力的不均衡分布则主要是受井田内的构造影响． 例如从图１可知１—７位于西堡背斜附近储层压力 为０．９９ ＭＰａ，而与其埋深相当的１１８位于小关向斜 附近储层压力为１．３０ ＭＰａ，而１３２虽然也位于向斜 附近但由于受到采动的影响储层压力出现异常 因 此。在其他条件类似的情况下．地质构造是影响储层 压力变化的主要原因。 ２．２埋深 埋深对储层压力的影响其实质表现为：埋深增 大。煤层承受的垂向应力随之增大，煤层裂隙趋于闭 合，煤层渗透性降低，使煤层气富集，进而使煤储层 孔隙内的气体压力增大，最终导致储层压力增 大＿６’ ］。高河井田３号煤层的试井数据统计见表 １，埋深与储层压力关系如图２所示 ３ ｓ －ｑ １．５ １ ４２０ ４４ｏ ４６０ ４８０ ５０ｏ ５２０ ５４０ 煤层埋深，ｍ 图２储层压力与埋深的关系 从图２可以看出，高河井田储层压力随煤层埋 深的增加而明显增大。由于储层的特殊性及复杂 性．图中所示关系式并不能够精确地反映储层压力 的大小，可用此公式结合其他因素预测高河井田其 他未知区域的储层压力。 ２．３地应力 煤层承受着上覆盖层的压力作用，同时也受着 水平地应力的作用，煤层在这三个应力作用下处于 平衡状态。煤储层孔隙中的流体同样受这三个力的 作用。地应力增大，煤储层中的孔隙一裂隙系统则 容易被压缩，体积变小，导致渗透率降低，甚至可能 会使储层中的孔隙一裂隙闭合，从而使作用于孔隙 内流体上的压力增大，储层压力随之增大：反之，储 层压力则减小 ］。因此，地应力与储层压力有一 定的相关性。煤层水平方向上所受的应力通常情况 下为最大主应力和最小主应力。其大小一般通过水 力致裂法测试。运用水力致裂法测量原地应力时， 设垂直于钻孑Ｌ轴线的横截面内最大、最小水平主应 力为 、０－ ，钻；ｆＬ；ｆＬ隙压力为Ｐ。，煤岩抗张强度５ 。 测试过程不断对封隔段注水，当液压增大到一定程 度时将在最小切向应力的位置首先发生破裂．破裂 沿着垂直于最小压应力的方向传播，使孔壁产生破 裂的外加液压称为破裂压力ｌ８ｊ，记为ｐ ，可以表示为： ｐｆ：３０－ｈ一０－Ｈ－ｐ０十Ｓｔ 式中：０－ 为最大水平主应力，ＭＰａ；０－ 为最小水 平主应力，ＭＰａ；ｐ 为破裂压力，ＭＰａ；ｐｎ为地层孔隙 高万兴等：高河３号煤储层压力分布规律及影响因素研究 第２３卷第４期 压力，近似等于静液柱压力，ＭＰａ；Ｓ．为煤岩抗张强 度，潞安矿区一般为０．８ ＭＰａ。 响。沁水盆地煤系含水层静水压力梯度较小，且含 水层间水力联系微弱．近似于独立，导致该区域储层 高河井田３号煤层直接充水层为山西组含水 孔壁破裂后，若停止注压，裂缝将停止延伸，趋 压力偏低 Ｊ。 于闭合．在裂缝处于临界闭合状态时钻孔中的平衡 压力称为瞬时关闭压力，记为Ｐ ，等于最小水平主应 层．补给条件差，且与上覆风化带、第四系含水层、下 伏奥陶系含水层有一定厚度的隔水层相隔，含水层 力，即：Ｐ ＝ｏｒｈ。 综合以上可得：最大主应力： ｏｒＨ＝３ｐ 一Ｐｆ—Ｐｏ＋Ｓｔ［ 一 ］ 组中夹有数层隔水层形成平行复合结构＿９］，其中二 叠系砂岩含水层层间隔水层主要由具塑性的泥岩、 由此可得出测试地点最大主应力和最小主应 砂质泥岩等组成，透水性差。呈层状分布于各砂岩含 力．见表２。其分别与储层压力的关系见图３和图４。 表２应力计算数据统计 项目 １—１ １—２ １—３ １—７ ２４ １１８ １３２ 储层压力／ＭＰａ ０．３３４ １．３３ ０．５１ ０．９９ ２．５ １．３ ０．５４ 最小主应力／ＭＰａ ８．３７８ １３．１２ ７．７９ １０．５６ ８．９１ 破裂压力／ＭＰａ １０．１２７ １５．９８ １０．１３ １０．９６ １２．４ ９．９１ 最大主应力／ＭＰａ １５．２７３ ２２．６５ １３．３３ ２０．３３ １６．１２ 啮 理 ３ Ｐａ 网 图 储层压力与最大水平主应力关系 性巳 士互 啮 迎 最小水平主应力／ＭＰａ 图４储层压力与最小水平主应力关系 从图３和图４可以看出，在高河井田内储层压 力与水平主应力有一定的相关性，随着应力的增大 储层压力增大，其中最小主应力的相关性要好于最 大水平主应力的相关性。 地应力与储层压力之间存在的这种规律对于煤 层气开发来说是相互矛盾的…：储层压力大则煤层 含气能力也越大，排水降压越容易．易达到临界解吸 压力。气体易解吸且可解吸量大，这对煤层气开发来 说是有利的；不利的一面在于，地应力越大煤层中孔 隙一裂隙系统所承受的压力就越大，孔隙一裂隙趋 于收缩进而闭合，使储层渗透率降低，导致煤层气扩 散、渗流困难，影响产气量ｌ９］，另外地应力大不利于 煤层气开发过程中进行压裂等储层改造措施，裂缝 不易延伸并且压裂后裂缝容易闭合．致使煤层气开 发的难度加大。地应力的大小对压裂造缝的形态产 生重要影响。 ２．４水文地质条件 水文地质条件对储层压力的大小有重要的影 水层之间，形成平行复合结构，起层间隔水作用。井 田北部断层、陷落柱发育．该区域３号煤层顶板富水 性较南部强。且由于断层、陷落柱的存在煤层与含水 层导通明显。这是导致该区域３号煤层储层压力偏 高的一个主要原因。例如２４井的储层压力为 ２．５ ＭＰａ，而１１８井仅为１．３ ＭＰａ。 地下水矿化度也是影响储层压力大小的一个重 要因素。矿化度越高，其比重越大，储层压力越大。 通过分析山西组含水层的抽水试验资料显示，井田 内的矿化度基本相同。所以，水文地质条件在该区 域对储层压力的影响有限。 ３ 高河井田３号煤储层压力预测１日Ｊ’一Ｊ／ｌ Ｉ Ｌｌ ７研：ｌ ，五 ／ＪＪ 根据以上论述．控制高河井田３号煤储层压力 的因素有埋深、地质构造、水文地质条件、地应力等， 经分析得出影响高河井田３号煤储层压力的主要因 素是煤层埋深，部分区域受地质构造等因素的影响 比较显著。井田的南部和东北部构造简单储层压力 主要受埋深的影响．井田的北部受构造、埋深和水文 共同的影响，井田中部地质构造复杂区域。主要受此 因素控制。根据试井结果结合影响储层压力的主要 因素，预测高河井田储层压力的分布情况。如图５。 图５高河井田３号煤储层压力等值线（ＭＰａ） ４结语 １） 高河井田３号煤储层 （下转第６７页） ５ 秦文中：申家庄煤矿水文地质条件研究 第２３卷第４期 位于３号煤层导水裂隙带范围之内的含水层主 要为二叠系下统山西组、下石盒子组砂岩裂隙含水层 ３．４突水量 本井田奥灰岩溶水位标高为６２５～６４５ ｍ。据煤 层底板等高线图．井田内９号煤底板标高７６０～ ９００ ｍ，１５号煤层底板标高７２０～８６０ ｍ，均高于奥灰 水位。不存在奥灰水底板突水问题。 本分项矿井水文地质类型确定为简单。 ３．５开采受水害影响程度 组．在井田浅埋区导水裂隙带可达第四系松散层孔隙 含水层和基岩风化带裂隙含水层。二叠系下统山西 组、下石盒子组砂岩裂隙含水层组单位涌水量为 ０．０００ ２～０．００２ １ Ｌ／（Ｓ・ｍ），属弱富水性含水层；第 四系松散岩类孔隙含水层富水性因地而异。靠近河谷 地段接受大气降水及河水的补给水性，受大气降水影 响明显，属中等一弱富水性含水层。从目前开采情况 看，地表水及大气降水未对矿床开采形成大的影响。 太原组含水层富水性变化大，相对单位涌水量 ０．００１ ３～０．０２ Ｌ／（Ｓ・ｍ）（ｑ≤０．１），渗透系数 ０．０５１～０．０９６ ｍ／ｄ，对煤层的开采影响不大。 以往开采过程中未受明显水害影响，矿井充水水 源主要为顶板砂岩裂隙含水层水和采空区积水，在井 田煤层浅埋区第四系松散层孔隙含水层和基岩风化 带裂隙含水层对矿井充水也有一定影响，雨季大气降 水和沟谷河流、水库渗水，对矿井充水也有一定影响。 本分项矿井水文地质类型确定为中等。 ３．６防治水工作难易程度 本分项矿井水文地质类型确定为中等。 ３．２矿井及周边老空水分布状况 该矿井防治水工作主要有：防止采空积水、顶板 经过详细调查，查明了３、９号煤层采（古）空区、 小窑破坏区积水范围及其积水、积气、火区情况，积水 量共１ ４６２ ４８２ ｍ 。 井田内小窑开采历史悠久，数量众多，据调查统 计．有迹可查的达５６处，近几年关闭的井筒６２座，均 砂岩裂隙含水层对生产造成水害，在煤层浅埋区防止 １ 地表水、大气降水通过导水裂隙带或废弃井巷灌人井 下造成水害故。防治水工作易于进行。本分项矿井 水文地质类型确定为中等。 开采３号煤层，大多集中在本井田东部和南部，井型 多为立井，由于无法排水或排水不便而停采。 ４结语 对申家庄矿的矿井充水条件进行了研究，根据 本分项矿井水文地质类型确定为中等。 ３．３矿井涌水量 《煤矿防治水规定》矿井水文地质类型分类依据，结合 该矿水文地质条件，将该矿的水文地质类型划分为中 等。 ［责任编辑：常丽芳］ 预测了３号煤层矿井涌水量１ ７２７～２ ４００ ｍ ／ｄ， ９号煤层矿井涌水量均为１ ９２０～２ ８８０ Ｈ１ ／ｄ，１５号煤 层矿井涌水量均为２ ８８０～４ ５００ ｍ ／ｄ。 本分项矿井水文地质类型确定为中等。 （上接第５页）压力的分布呈现出北高南低、西高东低 的趋势。影响高河井田３号煤储层压力分布的主要因 素是埋深： 钟玲文．中国煤储层压力特征［Ｊ］．天然气工业，２００３，２３ （５）：１３２—１３４． 张培河．沁水煤田煤储层压力分布特征及影响因素分析 『Ｊ］．煤田地质与勘探，２００２，３０（６）：３１—３２． 曾联波，漆家福．构造应力对裂缝形成与流体流动的影 响［Ｊ］．地学前缘，２００８，１５（３）：２９２—２９８． 李国富，雷崇利．潞安矿区煤储层压力低的原因分析 ２） 高河井田储层压力整体较低，受区域地质作 用控制，分析控制井田范围内的储层压力大小的主要 因素必须从区域地质因素着手。主要原因为：燕山晚 期生烃作用停止同时地层整体抬升，上覆岩层大量剥 ［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００２，３０（４）：３０—３２． 傅雪海，秦勇，韦重韬．煤层气地质学［Ｍ］．徐州：中国 矿业大学出版社．２００７：３４—７３． 蚀，煤层气大量逸散；含水层富水性较弱，稳定隔水层 的存在使含水层之间相对独立，水力联系微弱。 参考文献： ［１］ 孟召平，田永东．煤层气开发地质学理论与方法［Ｍ］．北 京：科学出版社，２０１０：１１８—１２３． 任青山．平顶山矿区现今地应力分布特征研究『Ｄ１．焦 作：河南理工大学．２０１３． 倪小明，苏现波，张小东．煤层气开发地质学［Ｍ］．北京： 化学工业出版社．２０１０：４５—４８． ［２］冀敏俊．潞安矿区高河井田煤层气地面抽采有利区段 评价［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０１２，４０（３）：３６—３９． ［责任编辑：路方］ ６７