0 引言
水力压裂裂缝扩展形态受控于现今地应力场分布及其应力状态。煤层气井水力压裂施工设计中, 地应力的大小和方向是压裂设计的重要参数, 其不仅控制着裂缝的方位、倾角、高度、传导性, 而且影响施工过程中破裂压力的大小。研究煤储层水力压裂裂缝分布特征及地应力方向对于煤储层压裂改造施工设计具有理论和实际意义。国内外学者对煤储层压裂裂缝的研究主要集中在水力压裂裂缝扩展规律及其成因机制研究方面。一方面运用大地电位法、井温测试法、微震监测法等，对裂缝监测数据进行分析，研究裂缝展布规律与形态特征；利用放射性示踪剂/伽玛射线测井方法确定压裂裂缝高度和通过测斜仪确定压裂裂缝是垂直裂缝还是水平裂缝；另一方面是通过理论研究、数值模拟计算和物理模拟试验研究煤储层压裂裂缝扩展的力学机制[1-2]。煤储层压裂裂缝的展布主要受煤体结构、煤的力学性质以及地应力三大方面的影响[3-5]。煤体结构主要控制着压裂裂缝的复杂程度以及主裂缝的长度，煤中天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展及导致裂缝扩展规律复杂多样化的重要因素[6-9]；煤的力学性质能够决定压裂施工的难度，较低的煤岩泊松比会降低煤岩的破裂压力，但煤岩的杨氏模量与破裂压力关系不明显[10-12]；地应力控制着煤储层压裂裂缝的开启、走向和长度，随着地应力的增加，水力压裂的起裂压力难度将会增加[13]。水平主应力差越大，压裂裂缝的形态越单一，主裂缝延伸范围更大且方向性更显著[14],并且随着水平应力比的逐渐增大，煤体破坏形式从以拉伸破坏为主逐渐出现一些压剪破坏，形成的裂缝由发散状向条带状转变[15]。这些认识为煤层气井水力压裂提供了理论依据。但从目前的研究状况看，由于煤层气井水力压裂监测资料相对有限，有必要针对我国煤层气开发程度最高的沁水盆地南部煤层气开发实际，开展这方面研究，因此笔者通过对煤层气井水力压裂裂缝监测数据的统计分析，揭示了研究区煤储层水力压裂裂缝分布特征，建立了水力压裂裂缝扩展与地应力之间关系，确定了研究区地应力的展布方向,为沁水盆地南部煤层气井水力压裂改造提供了理论依据。
1 煤储层水力压裂裂缝分布特征
沁水盆地南部经历了多期次构造运动，现今应力状态是以往多期构造应力综合作用的结果，不同时期的主应力场作用方向不同，主要包括：印支期SN向挤压应力、燕山期NW—SE向挤压应力、喜马拉雅早期NE—SW向挤压应力和喜马拉雅晚期至现代NEE—SWW向挤压应力作用[16-17]。
通过对沁水盆地南部不同区块施工的51口煤层气井87条煤层气井水力压裂裂缝微震监测数据和大地电位探测数据进行统计，具有如下特征：
1)综合微震监测和大地电位法测试结果，沁水盆地南部压裂裂缝展布方向主要有5组，包括近SN向(0°～10°或者170°～180°)、NE向(30°～50°)、NEE向(50°～80°)、近EW向(80°～100°)和SEE向(100°～130°)，其次为SE向(130°～150°)、SSE向(150°～170°)和NNE向(10°～30°)。图1统计结果显示研究区压裂裂缝延伸的主要方向为NEE、NE和近EW向，这3个方向所占比例在55.12%；其次是近SN和NWW—SEE向。
图1 沁水盆地南部水力压裂裂缝方位分布直方图
Fig. 1 Histogram of orientation distribution of hydraulic fractures in Southern Qinshui Basin
2)微震监测结果显示(图2)，煤层压裂裂缝长度变化范围为108～452 m，均值224.76 m，裂缝方位主要分布于NE8°—NE85.3°，平均NE52.64°和NW27°—NW81°，平均NW51.88°。大地电位法测试结果统计表明(图3)，煤层压裂裂缝长度变化范围为40～131 m，主要集中于51～90 m，均值73.94 m，裂缝方位主要分布于NE2°—NE90°，平均NE61.95°。
图2 微震监测水力压裂裂缝长度和方位分布直方图
Fig.2 Histogram of fracture length and orientation distribution for micro-seismic monitoring
3)根据压裂裂缝监测结果，微震监测和大地电位法测试获取的压裂裂缝延伸长度差异性较大(图2、图3)。微震监测人工压裂裂缝长度主要分布于151～250 m，占压裂裂缝总数量的70%。大地电位法测试结果显示压裂裂缝长度分布于51～90 m，占压裂裂缝总数量的79%。微震监测裂缝长度明显大于大地电位法监测长度的2～3倍，说明微震监测裂缝长度偏大。导致其差异性的原因主要是测试方法的基本原理不同。微震监测是通过传感器收集和采集由煤或岩石(体)破裂所发射出的地震波信号，通过对地震波信号进行处理分析，得到压裂裂缝方向与位置。由于煤岩破裂产生的地震波信号不一定反映煤岩宏观裂缝扩展状况，导致微震监测裂缝长度偏大；而大地电位监测是利用压裂液与地层之间的电性差异性所产生的电位差，采集高精度电场数据，通过处理和对比压裂前后电位变化，推断和解释压裂裂缝的方向和长度。由于压裂液通常随着煤层压裂裂缝扩展运移，能够真实地反映裂缝的形态分布。
图3 大地电位测试水力压裂裂缝长度和方位分布直方图
Fig.3 Histogram of fracture length and orientation distribution for geopotential test
4)2种监测方法压裂裂缝的方位虽然也存在一定差异性(图4)，但整体压裂裂缝方向一致。
图4 水力压裂裂缝走向玫瑰花图
Fig.4 Rosette chart of fracture trend in hydraulic fracturing
微震监测裂缝延伸的分布区间集中于NE30°—NE65°，部分分布于NW30°—NW60°。大地电位法测试结果显示，压裂裂缝分布方位主要在NE30°—NE90°之间，少量分布于NW60°—NW90°，反映本区现今地应力作用主要以NEE—SWW主压应力方向为特征，局部存在NW—SE方向主压应力方向。
2 煤储层水力压裂裂缝扩展与地应力之间关系
煤储层处于垂向应力和2个水平主应力的三向应力状态下，作用于煤岩石单元体的垂向应力主要来自上覆岩层重力，水平应力一部分是由垂向应力诱导产生，同时受构造运动产生的构造应力，2个水平应力一般不相等。在构造稳定的地区，水平应力一般小于垂向应力，地应力表现为大地静力场型；在构造活动较强烈的地区和盆地的周边地区，水平应力一般大于垂向应力，地应力表现为大地动力场型。
水力压裂时，在煤储层中形成何种裂缝，取决于煤层中垂直应力(σv)，最大水平主应力(σh，max)和最小水平主应力(σh，min)三向主应力的相对大小。根据三向应力的相对大小可划分出3种地应力状态及其相应的压裂裂缝[18-19](图5)。
图5 裂缝形态与地应力状态关系
Fig.5 Relationship between fracture pattern and in-situ stress state
1)σv>σh，max>σh，min时，为正断层应力机制，水力压裂可能产生垂直于最小水平主应力方向而平行于最大水平主应力方向的垂直裂缝(Ⅰa)或者一组共轭的高角度倾斜剪切裂缝(Ⅰb)，其方向与垂直裂缝方向相一致。
2)σh，max>σh，min>σv时，为逆断层应力机制，水力压裂可能产生平行于2个水平主应力方向的水平裂缝(Ⅱa)或者一组共轭的低角度倾斜剪切裂缝(Ⅱb)。
3)σh，max>σv>σh，min时，为走滑断层应力机制，水力压裂可能产生垂直于最小水平主应力方向而平行于最大水平主应力方向的垂直裂缝(Ⅲa)或者一组共轭的垂直剪切裂缝(Ⅲb)，其方向与垂直裂缝方向之间的夹角为
为煤的内摩擦角。
根据沁水盆地南部3号煤储层地应力及其侧压力系数平面分布情况，研究区地应力状态主要有2类：一类是正断层应力机制，即:σv>σh，max>σh，min；另一类是走滑断层应力机制，即:σh，max>σv>σh，min。前者水力压裂时易于产生垂直于最小水平主应力方向而平行于最大水平主应力方向的垂直裂缝或者一组共轭的高角度倾斜剪切裂缝。后者水力压裂可能产生垂直于最小水平主应力方向而平行于最大水平主应力方向的垂直裂缝或者一组共轭的垂直剪切裂缝。
数值模拟结果表明，在相同条件下，煤储层越深、应力越大，形成的裂缝越长，应力对压裂裂缝高度的影响较小(图6)。
图6 煤储层应力对裂缝形态的影响对比
Fig.6 Comparison of the effect of coal reservoir stress on fracture pattern
煤储层地应力高或者埋藏深度较大的煤储层更容易造长缝，因此针对深部高应力煤储层进行压裂设计时，采用较少的液量就能得到和较浅储层一样长的裂缝，从而减低施工成本。支撑裂缝内的导流能力随着深度的增大而变小，因此，在深部高应力煤储层压裂中，为了得到较好的支撑剂剖面，需要提高支撑剂用量。
3 沁水盆地南部地应力方向
根据煤储层水力压裂裂缝扩展与地应力之间关系，经统计可知，研究区煤储层水力压裂裂缝优势方位为NEE向(图1)，反映本区现今地应力作用方向主要以NEE—SWW方向为特征。虽然煤层裂缝优势方位为NEE向，但煤层裂缝延伸方向存在一定的差异性。究其原因可能是由于压裂裂缝利用煤层中构造断裂和现今地应力方向在局部地区发生了偏转所致；另外，很可能是研究区现代地应力作用较弱，主要表现如下：
1)根据国家地震局对中国主要煤田现代地应力的研究，沁水盆地是中国煤田现代地应力作用最弱的地区。对晋中地区现代地震活动范围分析发现，该区地震次数较少，地震活动强度较弱，由此分析，研究区现代地应力作用强度是极其微弱的。
2)根据裂缝监测结果表明，研究区压裂裂缝延伸的主要方向为NEE、NE和近EW向，这3个方向所占比例在55.12%；大地电位法测试结果(图3)统计表明，煤层压裂裂缝长度变化范围为40～131 m，主要集中于51～90 m，均值73.94 m，煤层压裂产生的不同方向的裂缝的延伸长度差别不大。说明由现代地应力控制下的压裂缝的延伸方向无明显的优势，说明现代地应力强度较弱，不足以控制裂缝的延伸方向。
根据区域上较大地震震源机制解和分布广泛的小震综合断面解分析，研究区现代地壳构造应力场的主压应力轴方位为NEE向，仰角为10°，近水平；主张应力轴方位为NNW，仰角为30°～50°。其基本表现是以NEE—SWW方向的近水平挤压和NNW—SSE向的拉张应力为特征，同整个华北地区的应力场是一致的。
对山西南部构造应力场的研究发现：山西东南部现代应力场继承了喜马拉雅末期NEE—SWW向挤压构造应力场，在局部地区由于构造形态差异主压应力轴偏转，应力方向发生改变。NNW—SSE向的张应力方向垂直于煤田内已经形成的NEE向断层带，随着张引作用的持续发展，NEE向断裂发生正断层运动，局部地段最大主压应力方向可同最小主压应力方向发生转换。因此，研究区现代应力场是在喜马拉雅期构造应力场基础上演化而来的，应力分布特征与喜马拉雅期构造应力场具一致性，且研究区构造变形强度是由边缘向内部减弱的。
如沁水盆地西南部的安泽-马必-郑庄区块，整体为向斜构造，内部断裂较为发育。3号煤层埋深变化范围较大，整体由研究区中部向东北部逐渐加深，最深可达1 500 m。根据研究区煤层气井水力压裂裂缝微震监测数据统计结果表明，3号煤层压裂裂缝长度变化范围为113～452 m，均值231 m，压裂裂缝方位分布于NE 8°—NE85.3°和NW27°—NW81°，压裂裂缝长度与方向在平面上分布如图7所示，具有如下特征：
1)沁水盆地西南部裂缝展布方向主要有3组，分别为NE向(30°～50°)、NEE向(50°～80°)和SEE向(100°～130°)；其次为近EW向(80°～100°)、SE向(130°～150°)、近SN向(0°～10°或者170°～180°)和SSE向(150°～170°)。研究区压裂裂缝延伸的主要方向为NE和NEE向，这2个方向占裂缝总数量的50%以上；其次是近EW、SEE和SE向，占压裂裂缝总数量的40%。
2)压裂裂缝的延伸方向集中于NE30°—NE60°和NW25°—NW65°，展布方向在平面上存在一定的差异性。在郑庄区块水力压裂裂缝展布方向，除东北部郑试54井为NW—SE向外，主要为NE—NEE方向；在安泽区块的西北部水力压裂裂缝展布方向主要为NE—NNE方向；而安泽区块的中南部水力压裂裂缝展布方向主要为NW—SE方向，其南部仍为NE—SW方向。整体反映出研究区煤储层水力压裂裂缝扩展方向为NE—NNE方向，局部受向斜构造和断层的影响，煤储层水力压裂裂缝扩展方向转为北西向。压裂裂缝长度集中分布于151～250 m，占总体压裂裂缝数量的70%。研究区压裂裂缝延伸长度由南向北随着埋深的增加，存在增大的趋势(图7)。
3)沁水盆地南部煤层气井普遍采用水力压裂作为煤层气开发增产措施。压裂结果表明，压裂裂缝发展方向应垂直于最小主应力方向。根据上述分析，沁水盆地南部煤层气井煤储层最大主应力方向应为NEE—SWW向(图7)，由于局部受构造变形和断层的影响，最大主应力方向可能发生偏转。
图7 沁水盆地西南部主应力迹线
Fig.7 Principal stress trace map in Southwestern Qinshui Basin
4 结论
1)沁水盆地南部压裂裂缝展布方向主要有5组，包括近SN向(0°～10°或者170°～180°)、NE向(30°～50°)、NEE向(50°～80°)、近EW向(80°～100°)和SEE向(100°～130°)，其次为SE向(130°～150°)、SSE向(150°～170°)和NNE向(10°～30°)，其中优势方位为NEE向。
2)微震监测煤层压裂裂缝长度变化范围为108～452 m，均值224.76 m。大地电位法测试煤层压裂裂缝长度变化范围为40～131 m，主要集中于51～90 m，均值73.94 m。微震监测和大地电位法测试获取的压裂裂缝延伸长度差异性较大，微震监测裂缝长度明显大于大地电位法监测长度的2～3倍，说明微震监测的裂缝长度偏大。
3)煤储层压裂裂缝几何形态概括起来有：水平裂缝、垂直裂缝和倾斜裂缝3类。压裂时，在煤储层中形成何种裂缝，取决于煤层中的垂直应力，最大水平主应力和最小水平主应力的相对大小，即应力状态。沁水盆地南部煤储层现今地应力状态主要有2类：一类是正断层应力机制；另一类是走滑断层应力机制。水力压裂裂缝主要为垂直裂缝。
4)沁水盆地南部水力压裂裂缝优势方位为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，研究区现今地应力继承了喜马拉雅末期NEE—SWW向挤压构造应力场，在局部地区由于构造形态差异导致主压应力轴偏转，主应力方向发生改变。
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