0 引 言
煤层气是一种清洁、高效的非常规天然气资源。全国油气资源评价结果显示我国煤层气资源亦较为丰富[1-2]，据中国矿产资源报告(2017)，我国煤层气埋深2 000 m 以浅地质资源量30×1012 m3，可采资源量为 12.5×1012 m3。 截至 2014 年，已初步在华北地区建成沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘2 个千亿方探明储量的煤层气产业基地[3-4]。 近年来，中国煤层气勘探开发逐渐向西北和西南扩展，其中滇东地区煤层气资源丰富，是今后煤层气勘探开发的重点区之一[3，5]。
地应力场对煤层气勘探开发影响巨大，其可通过控制压裂缝形态和扩展方向影响储层改造效果，亦能在排采过程中影响煤储层渗透率的动态变化。高产煤层气区在地质方面表现为高渗透特征，而煤储层渗透率的大小受到地应力、煤变质程度以及裂缝发育程度、裂缝方位等多因素控制[6-9]。 对于深部煤层气的定义，秦勇等[10]认为处于地应力状态和(或)含气量临界深度之下的煤层气资源及其赋存和开发地质条件，属于深部煤层气范畴。 深部煤层气储层存在特殊性，其起源于深部较高的地应力和储层温度，受地应力状态转换等因素影响[10-11]。
滇东恩洪区块2 000 m 以浅煤层气资源量约61.3×109 m3，具有可观的开发前景[12]。 然而，该区煤层数众多且较薄，地应力差异分布，煤层后期改造强烈，多层叠置含气系统普遍发育，深部煤层气的临界深度亦不明确，导致煤层气开发总体缓慢，迫切需要从地应力角度合理制定煤层气开发方案。 另外，目前恩洪区块的煤储层地应力实测数据零散，不能连续反映其在垂向上的变化规律。 为此，笔者基于常规测井资料，在实测数据约束下对恩洪区块地应力分布进行预测，以查明地应力在垂向上的变化规律，并揭示该区深部煤层气临界深度，期望对该区煤层气的勘探开发提供新的地质参考。
1 地质背景
恩洪区块位于我国云南东部的富源-弥勒断裂与平关-阿岗断裂之间，总体属于滇东-黔西-川南晚二叠世上扬子聚煤沉积盆地经后期构造变动解体后的残留盆地，构造形态整体表现为轴向近N-S 向带状展布的复向斜[12-14](图1)，两翼地层倾角一般在 10°～30°，被断层切割[15]。 该区的含煤地层为上二叠统宣威组，总厚度约205 ～335 m，平均250 m，埋深500 ～1 500 m，岩性主要包括粉-细砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩以及煤，形成于陆相-海陆交互相沉积环境[13，15]。 宣威组含煤 18～73 层，煤层总厚度为15.99～67.68 m，平均厚度32 m，可采煤层有8～20 层，可采煤层总厚度 10 ～31 m，平均厚度 18 m。 恩洪区块全区大面积可采的煤层有 7、9、11、13b、14、15b、16、17、19b、21b、23 和 24b号共计 12 层，其中，9、16 和23 号为主力煤层，厚度较为稳定且分布范围广[12，15-16]。
图1 滇东恩洪亚块及邻区构造纲要图[14]
Fig.1 Tectonic framework in Enhong and adjacent Blocks of eastern Yunnan region[14]
恩洪区块的煤层以薄-中厚层煤为主，单层煤厚一般在5 m 以内，具有煤层多而薄的发育特点，但煤层间距不大，形成一个煤组，累加厚度较大[12]。总体而言，滇东恩洪区块煤层气勘探开发程度较低，但具备广阔的开发前景。
2 地应力估算方法
2.1 注入/压降试井方法地应力估算
注入/压降试井方法已经在煤层气井中获得广泛应用[17-18]。 该方法可获取破裂压力、闭合压力、孔隙压力以及渗透率等储层参数，在此基础上根据其与地应力之间的关系可进行地应力大小的估算[8，17-19]见式(1)和式(2)。
式中:SH，max与 Sh，min分别为水平最大和最小主应力，MPa；Pc、Pf和 Po分别为闭合压力、破裂压力和孔隙压力，MPa；T 为煤岩的抗张强度，MPa。
2.2 测井资料地应力计算
垂向主应力较容易计算，其一般等于地表到目标深度段的岩石总质量，可用式(3)进行估算，即
式中:Sv为垂向主应力，MPa；ρ 为岩石密度，kg/m3；h为目的层埋藏深度，m；g 为重力加速度，m/s2。
在利用式(3)计算垂向主应力时，密度测井数据通常并不是从地表开始记录，因此，为获取连续的地应力剖面，研究中设定地表至第1 个有效密度数据深度段内的垂向主应力梯度为23 kPa/m。
对水平主应力的估算，主要借助于地应力测井计算模型，如Anderson 模型、组合弹簧模型、双轴应变模型、多孔弹性水平应变模型等[20-24]。 研究中为了避免受单一地质背景的限制，选择带有构造应力的Anderson 模型进行地应力估算见式(4)和式(5)为
式中:Sv、SH，max与 Sh，min分别表示垂向、水平最大和最小主应力，MPa；μ 为岩石泊松比；α 为 Biot 系数；Po为孔隙压力，MPa；ST和 St为附加应力，MPa。
2.3 地应力机制
一般而言，为分析方便，用于表征地应力状态的参数常简化为垂向主应力(Sv)大小、水平最大主应力 SH，max大小、水平最小主应力 Sh，min 大小以及水平主应力方向[20-21，25]。 根据 Sv、SH，max 和 Sh，min 相互之间的大小关系，地层中的应力状态存在以下3 种应力机制类型(图2)[26]，即:① 正断型应力机制，Sv ＞SH，max＞Sh，min；② 走滑型应力机制，SH，max ＞Sv ＞Sh，min；③ 逆断型应力机制，SH，max＞Sh，min＞Sv。
图2 Anderson 模式下的地应力机制类型
Fig.2 Types of in-situ stress regime based on Anderson’s classification
3 恩洪区块宣威组地应力剖面
目前，恩洪区块在注入/压降法基础上获取的煤储层地应力数据零散(表1)，不能揭示其在垂向上的连续变化规律。 为此，利用带有构造应力的Anderson 地应力计算模型(式(4)和式(5))，估算恩洪区块煤层水平最大和最小主应力(表2)，并以此为约束反推模型中附加应力的大小，取其平均值分别为 ST=11.645 7 MPa 和 St=5.122 3 MPa。 由此可计算获取滇东恩洪区块宣威组地应力剖面(图3)。
表1 滇东恩洪区块地应力实测数据
Table 1 Measurement in-situ stress data in Enhong Block of eastern Yunnan region
井号 煤层 平均埋深/m Po/MPa Pf/MPa Pc/MPa Sh，min/MPa SH，max/MPa EH-01 9 512.55 5.09 15.50 13.52 13.52 19.97 16 565.83 5.46 20.19 18.36 18.36 29.43 9 497.12 3.13 13.63 10.98 10.98 16.18 EH-0216 557.94 3.91 12.33 11.33 11.33 17.75 21 604.47 4.06 14.14 11.46 11.46 16.18 EH-C6 9 1078.10 9.78 16.25 15.22 15.22 19.63 16 1142.25 8.84 18.57 17.51 17.51 25.12 EH-C7 16 1017.45 9.63 20.36 18.77 18.77 26.32
表2 滇东恩洪区块地应力注入/压降法与测井计算结果对比
Table 2 Comparison of in-situ stress between measurements and calculations and well logging in Enhong Block of eastern Yunnan region
井号 深度/m SH，max/MPa Sh，min/MPa实测值 计算值 误差/%实测值 计算值 误差/%EH-C6 1 075.80～1 080.40 19.63 24.35 24.04 15.22 17.82 17.08 EH-C6 1 141.40～1 143.10 25.12 23.79 5.29 17.51 17.27 1.37 EH-C7 1 016.40～1 018.50 26.32 22.93 16.41 18.77 16.41 12.57
图3 滇东恩洪区块2 口井宣威组地应力剖面
Fig.3 Vertical distribution of in-situ stress magnitudes in Xuanwei Formation of two wells，Enhong Block of eastern Yunnan region
通过测井计算表明，滇东恩洪区块地应力随埋藏深度的增加而逐渐增大，应力机制在不同深度段呈现不同类型:500 m 以浅主要为 SH，max ＞Sh，min ＞Sv，呈现逆断型应力机制，500 ～ 1 000 m 范围为 SH，max ＞Sv＞Sh，min，呈现走滑型应力机制，1 000 ～ 1 200 m 范围为 SH，max≈Sv ＞Sh，min，表现为正断型-走滑型应力机制(图3)。
恩洪区块二叠系宣威组地应力呈现SH，max≥Sv＞Sh，min的特征，总体为正断型-走滑型应力机制(图3)。 宣威组煤层发育层段的地应力数值较其顶底板要小，表现为正断型应力机制，主要煤层地应力大小统计见表3。
4 地应力分布影响因素
不同类型岩石其岩石力学性质差异明显，而岩石力学性质与岩体赋存的地应力存在着密切关系。岩性组合的差异导致岩石力学性质存在非均质性，进而影响着岩石变形行为与应力分布[20，23，27]。 统计滇东地区恩洪区块宣威组9、16 和23 号主采煤层及其顶底板水平地应力的大小，可见滇东地区恩洪区块宣威组煤岩水平地应力数值较其顶底板碳质泥岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩均要小(图4)。前人大多研究表明，在其他参数不变的情况下，岩石的弹性模量越大，水平地应力一般也越大[27-28]，因此，通常该区块煤岩具有较小杨氏模量的煤岩水平地应力值较低。
表3 滇东恩洪区块二叠系宣威组主采煤层地应力统计
Table 3 Statistical results of in-situ stress in main coal-bearing seams of Permian Xuanwei Formation in Enhong Block of eastern Yunnan region
注:数据格式为最小值～最大值/平均值。
EH-C6 井EH-C7 井煤层Sv/MPa SH，max/MPa Sh，min/MPa Sv/MPa SH，max/MPa Sh，min/MPa 9 号 25.755～25.814 25.784 22.964～22.995 24.348 16.440～19.471 17.824 23.467～23.516 23.490 21.798～23.186 22.519 15.274～16.662 15.996 16 号 27.088～27.114 27.100 23.119～24.385 23.950 16.595～17.862 17.427 25.242～25.268 25.254 22.353～23.328 22.931 15.829～16.805 16.408 23 号 28.618～28.733 28.670 24.013～29.802 25.516 17.490～23.278 18.992 26.873～26.896 26.883 23.671～25.408 24.414 17.147～18.885 17.891
图4 滇东恩洪区块EH-C6 井不同岩石类型及其平均地应力大小关系
Fig.4 Relationship between rock types and average in-situ stress in Enhong Block of eastern Yunnan region(Well EH-C6 as an example)
埋藏深度对地应力分布具有重要的控制作用。选取煤层为研究对象，统计不同埋藏深度煤层的水平主应力大小，发现水平主应力与埋藏深度之间关系明显，水平主应力随着埋藏深度的增加而线性增大(图5)。
图5 滇东恩洪区块煤层地应力大小与埋藏深度关系
Fig.5 Relationship between in-situ stress and burial depth in Enhong Block of eastern Yunnan
5 恩洪区块深部煤层气临界深度探讨
在研究地应力变化规律时，通常可以采用侧压系数(式(6))定量表征地应力状态及其在深度上的转换[8，11，18]，进而可界定地应力的临界转换深度。在恩洪区块地应力分布预测基础上，侧压系数为0.7～1.1，以埋深700 m 为界，该深度以浅侧压系数大于1、以深侧压系数小于1(图6)。
式中:λ 为侧压系数；SH，max、Sh，min和 Sv分别为水平最大、水平最小和垂向主应力，MPa。
图6 滇东恩洪区块煤层地应力侧压系数与埋藏深度关系
Fig.6 Relationship between lateral coefficient and burial depth in Enhong Block of eastern Yunnan region
在深部，地温对煤层吸附能力的负效应远远大于地层压力的正效应，由此，煤层埋藏由浅至深，必然存在一个煤层含气性的临界深度，造成煤层含气量变化，临界深度以深的煤层气含量比浅部要低[10-11，29]。 在滇东恩洪区块，煤层含气量的临界深度约为600 m(图7)。
图7 滇东恩洪区块煤层气含量与埋藏深度关系
Fig.7 Relationship between gas content and burial depth in Enhong Block of eastern Yunnan region
通过上述分析，滇东恩洪区块地应力临界深度大于含气量临界深度，表明该区在浅部和深部之间存在一个过渡带(600 ～700 m)，埋深700 m 以深为深部煤层气，即滇东恩洪区块深部煤层气的临界深度约为700 m。
6 结 论
在注入/压降法实测地应力数据的约束下，基于测井资料预测并分析了滇东恩洪区块地应力特征，查明了埋藏深度与岩石类型对地应力分布的影响，揭示了该区深部煤层气“临界深度”，获取了以下主结论。
1)滇东恩洪区块地应力随埋藏深度的增加而逐渐增大，应力机制在不同的深度呈现不同类型，由浅至深依次表现为逆断型应力机制、走滑型应力机制和正断-走滑型应力机制；
2)恩洪区块宣威组地应力呈现为 SH，max ≥Sv ＞Sh，min的特征，总体为正断-走滑型应力机制，其内煤层段的地应力数值较其顶底板要小，表现为正断型应力机制；
3)岩石类型与埋藏深度影响地应力分布，水平主应力随埋藏深度的增加呈线性增大，杨氏模量小的煤岩，其水平地应力值最低；
4)恩洪区块地应力“临界深度”约为700 m，大于煤层气含量临界深度(约600 m)，表明浅部和深部之间存在过渡带，滇东恩洪区块深部煤层气的临界深度约为700 m。
致谢：感谢中联煤层气有限责任公司提供的相关数据支持。
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