深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理

The control mechanism of deep coal rock microstructure on in situ stress

摘要

深部煤层气的勘探开发不能简单套用浅部煤层气的勘探开发理论,原因之一在于深煤层地应力制约了煤层气的吸附/解析、渗流等过程,决定了煤层裂隙的有效性,并影响着水平井轨迹设计。因此,开展深部地应力变化规律研究对煤层气的勘探开发具有重要意义。本文以鄂尔多斯盆地大吉区块为例,利用阵列声波测井、微地震监测数据和岩心测试等资料,综合考虑深层煤岩微构造类型与产状、边界应力条件和顶底板岩石力学性质组合等因素,利用ANSYS有限元软件,建立微构造三维地质力学模型,全面分析了微构造的类型、产状和对煤层应力的控制机理。研究结果表明:煤层微构造越平缓,应力分布越均匀,反之应力越容易集中;煤层微构造产状对煤层应力的影响主要为:随着煤层微构造曲率的增大,挠曲处水平应力差会随之增大,且挠曲处周缘水平最小主应力也会越集中。由微构造类型与煤层力学性质、顶底板岩性、边界应力条件等因素交叉模拟得到,正向微构造下的煤层应力与泊松比呈正相关,与杨氏模量呈负相关,而负向微构造则相反。当顶板为灰岩时,煤层应力大小受微构造类型变化影响比顶板为砂岩时更显著。区域应力大小对深部煤层应力的影响相对较小。论文研究成果可为深部煤层地应力成因机制分析、煤层气高效开发和地质工程一体化实践提供有益的参考。

关键词

微构造 / 地应力 / 深层煤岩 / 大吉区块 / 有限元模拟

Key words

microstructure / in situ stress / deep coal rock / Daji Block / finite element simulation

0 引言

我国煤层气资源丰富,大部分聚集在深部,占资源总量的61.2%。对深部煤层气的合理利用能有效改善我国能源的分布格局,目前深层煤层气在我国多个盆地取得突破,有望成为天然气增储上产的新领域。中国石油在鄂尔多斯盆地大吉区块实现了2.0~2.5 km深度范围的“储产”重大突破,部署的8号煤层水平钻探井自喷生产,最高日产气100 000 m³,2020—2021年累计探明2 km以下的深部煤层气储量超过千亿m³,打破了煤层气2 km的深度禁区^[1]。但直到今日,我国的煤层气勘探开发活动仍主要集中在中浅部煤层,对深部煤层的探索较少,勘探开发方面也缺乏强有力的理论支持,使得深部煤层气资源得不到有效的开发利用。随着我国能源需求量越来越大,煤层气的开采范围也越来越广,如何提高深部煤层气的产量和利用率逐渐成为地质学家们关注的焦点。此前,研究人员对于深部煤层气的成藏效应、可解吸性、储层渗透率和开发机理等方面进行了深入的研究^[2⇓-4]。然而,对深煤层地应力场的控制机理却了解尚浅,未能清晰解译地应力与深煤层气产气率的关联性,进而影响了深部煤层气的勘探开发进程。已有研究表明:煤层构造应力作用的性质、方式和强度,以及变形环境不同,会造成煤的宏观、微观和分子结构存在显著差异^[5],是影响深部煤层渗透性和储层可改造性的关键因素^[6-7],其对煤层渗透率的影响制约着煤层气的产出效率,其中,又以最小主应力对煤层渗透率的影响最为显著^[8]。因此,探究深部煤层地应力变化的控制机理对指导深部煤层气的勘探开发起着不可或缺的作用。此前,工程人员大都关注地温、埋深和大尺度构造等因素对煤层地应力的影响,但在深部煤层中,其环境复杂,各种因素相互耦合,彼此影响,不能仅从单一角度分析深部煤层地应力的变化规律。实际上,除上述因素外,微构造在深部煤层所处的地质环境中对煤层地应力也有着“改善”的效果,因此分析微构造对深部煤层地应力的影响,不仅能更好地分析深部煤层地应力的变化规律,更有利于煤层气的改造增产^[9-10]。总体而言,深部煤层气所处地层具有高温、高压、高地应力的“三高”物理特征,与中浅部煤层气所处的地质环境有明显差异。故对深部煤层气的勘探开发不能简单照搬浅部煤层气开发的技术工艺^[11]。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是我国中生代形成的大型陆内盆地。受印支运动影响开始独立演化,燕山运动后呈现向斜雏形,经过喜马拉雅运动后形成了鄂尔多斯盆地东缘井区^[12]。

此前,前人通过诸如锆石铀铅定年、裂变径迹分析和流体包裹体研究等方法,对鄂尔多斯盆地进行过构造-热事件方面的研究,研究表明鄂尔多斯盆地曾发生过5次主要的构造-热事件,发生时期依次为晚三叠世至早侏罗世(215 Ma)、中侏罗世至晚侏罗世(161 Ma)、晚侏罗世至早白垩世(158~125 Ma)、晚白垩世至古近纪(72~60 Ma)和古近纪至新近纪(23~20 Ma)^[13⇓-15]。这5次热事件和热异常是鄂尔多斯盆地油气富集的重要原因之一。

鄂尔多斯盆地地处我国沉积盆地的中西部区域,北起大青山,南抵桥山,西至六盘山,东达吕梁山,总面积37万km²,构造上隶属于华北克拉通的一部分。本文主要研究区域为鄂东缘的大宁-吉县区块,地处晋西挠褶带与延川南区块之间^[16-17]。研究区煤层平均埋深为2 100 m,呈东高西低特征,主要含煤地层为二叠系山西组和太原组地层,又以山西组5号煤层和本溪组顶部8号煤层,厚度平均为6~8 m,初步估算8号煤层的天然气资源量为17.43×10¹² m³,5号煤层的天然气资源量为6.04×10¹² m³。8号煤层厚度大、分布稳定连续,是目前深部煤层气勘探开发的主要目的层^[18]。此处的地质构造相对简单,断层不发育,地层整体倾角1°~3°。煤层顶底板岩性主要为砂岩和灰岩,沉积相以三角洲相-滨海相为主^[19]。其中山西组发育典型的海陆过渡相沉积体系,在纵向上岩性变化频繁,不同岩性储层差异较明显,即纵向上煤岩、页岩和砂岩等不同岩性叠置关系复杂,且横向上构造变化也较为复杂^{[20⇓⇓-23]}。具体情况如图1^[24]所示。

2 数值模拟方案

2.1 微观构造类型

构造是地壳或岩石圈中各个组成部分的形态及其相互结合方式和面貌特征的总称,包括断裂、断层和背斜向斜等宏观构造,其规模一般达几十或上百米,甚至更大。相较于常规构造,本文所指的微构造特指煤层及其围岩在构造运动过程中形成的落差小于5.0 m的断层或细微的构造起伏,例如层间滑动、微幅褶皱和小断层等^[25]。其规模更小,存在也更加普遍。这些局部的构造单元往往会影响井位部署、钻井施工、煤层压裂改造和煤层气稳产等。

本文依据研究区地质资料和测井数据等,对研究区所处的地质环境进行了精细解译。总的来说,工区地形平缓,存在大量次生褶皱起伏和构造高低点。为探明这些褶皱起伏与构造高低点对深部煤层地应力的影响,依据研究区褶皱变形程度和形态的差异,采用精细至1 m的构造线将其划分为正向微构造区、平缓构造区、负向微构造区和构造陡变区4类(图2)。这4种微构造区均为水平挤压成因,并在“垂向上”造成了煤层的褶曲变形。通过分析研究区煤层气井的产能可知,高产气井多集中分布在正向微构造区和平缓微构造区,对于这种现象,推测在正向微构造区和平缓微构造区的煤层渗透率更高,而煤层渗透率的好坏又与其水平最小主应力密切相关。为了探明不同微构造区煤层最小水平主应力的控制机理,本文从多个方面入手深入研究了微构造对深部煤层应力的影响,开展了不同类型微构造的地质力学建模,并进行交叉实验,深入探究了微构造对深部煤层地应力的影响机制。

2.2 不同类型微观构造地质力学建模

相较于常规构造三维应力场建模,在微构造三维地应力场预测过程中,对煤层微构造和不同岩性的顶底板刻画提出了更高的要求,建模过程中主要存在以下3个方面的难点:(1)正向微构造与负向微构造建模误差大;(2)难以准确评估地应力场几何模型的建模误差;(3)地应力网格划分过程中的高效与灵活性较低。

为了克服以上问题,此次煤层微构造地质力学建模的具体步骤如下:(1)首先通过对地震资料的精细解释,建立三维深煤层微构造几何模型,在建模过程中主要考虑目的层起伏、构造陡变区和保护层岩性3个部分。(2)在建立研究区构造几何模型的基础上,对层面点云数据进行处理,利用三维绘图软件Sufur,对模型进行三维测量,并依据测量数据重构三维有限元几何模型,使所建的模型满足有限元建模需求。在此之后,通过对层面点云数据进行扫描,建立有限元几何模型,再通过调整局部的构造起伏,使构造几何模型与有限元几何模型的误差在允许范围内。(3)将可识别格式(.iges和.igs)的有限元几何模型导入主流有限元应力分析软件ANSYS,采用层面干预-有限元定向网格剖分的方法,通过编制程序在有限元几何模型中设置内置虚拟层面,实现对地应力模型网格的细化和粗化,使有限元网格沿着特定方向划分,从而提高地应力网格的划分质量,最终达到对所需目的层的三维建模并附加力学参数的目的。在ANSYS有限元模拟软件中可将整个岩体分为有限的单元,每个单元的位移、应力和应变都可通过准确计算确定,综合所有单元模拟的结果进而可以得出模型整体的应力分布规律^[26]。如图3所示,本文主要研究图中5类微构造,正向微构造(类型1)、正向偏缓微构造(类型2)、平缓微构造(类型3)、单斜微构造(类型4)和负向微构造(类型5)的应力主控因素。其中正向微构造(类型1)、正向偏缓微构造(类型2)、平缓微构造(类型3)和负向微构造(类型5)的变化主要体现在突起处的鼻状构造逐渐变为向斜构造,而平缓微构造(类型3)和单斜微构造(类型4)的差异则主要表现为埋深不同。

2.3 地质力学模型边界条件设置

不同煤体结构煤储层受到后期构造应力的影响,其物化性质发生了不同程度的改变,这也决定了其在测井曲线上的响应差异^[27]。首先,利用成像测井诱导裂缝和井壁崩落等信息,结合区域地应力信息,确定研究区现今水平最大主应力方向为NEE70°。其次,通过阵列声波测井进行研究区地应力解释,确定单井地应力的大小和分布(图4a,b), 统计相关地应力数据区间后,将其所受的水平最小主应力划分为38、40、42、50和52 MPa,平均46 MPa,水平最大主应力划分为55、58、60、65和70 MPa,平均63 MPa(图4c)。此外,依据研究区实际情况,对地质力学模型进行了北东向、北西向线性位移约束,以防止其在模拟过程中的旋转和刚性位移,并将外部嵌套模型的顶部设置为自由移动面,底部设置Z方向的位移约束,以防止其自由落体下落,从而求解最趋于真实的应力场和应变场(图5)。最后,采用交叉实验原则,依次改变单一因素开展数值模拟。

2.4 岩石力学参数调整方案

目前,国内外学者主要侧重于对地应力分布规律的预测研究,而研究岩石力学性质对地应力的影响则鲜有报道^[28];部分学者通过室内试验发现地应力的大小会受体积模量、弹性模量等力学参数影响^[29]。在本文中,首先,基于Xu-White模型建立岩石横波预测模型,开展岩石力学参数测井解释^[30],进而建立单井岩石力学参数解释模型(图6a)。其次,通过对原位赋存物性参数进行频率分布分析,选取相应数据进行实验模拟,研究其相关性及影响关系,再次,确定煤层岩石力学参数调整方案,主要包含泊松比和杨氏模量两方面。最终,根据泊松比与杨氏模量的频率分布分别设置5个区间值(图6b),其中,煤层泊松比设计为0.27、0.300、0.330、0.350和0.365,杨氏模量设计为10、20、25、30和35 GPa(图6c),同样按照交叉实验的原则进行赋值。

3 结果与讨论

3.1 微观构造类型对应力的影响机制

基于大吉区块不同类型煤层微构造的三维应力场模拟。统计分析可知,在煤层正向微构造中(图7a),其构造起伏处存在应力集中,表现为应力低值;而平缓微构造(图7c)对应区域应力分布较均匀,应力值增大;当转变为负向微构造时(图7d),对应区域应力分布又趋于集中,表现为应力高值。

结合地质构造特征与应力分布规律,分析认为造成上述应力变化的原因主要与起伏处的埋深相关,当构造起伏处由正向隆起逐渐变缓时,其埋深也随之增大,故平缓微构造“构造起伏处”的最小水平应力要大于正向微构造对应处的最小水平应力。且由于平缓微构造埋深无明显突变,故其最小水平应力分布较为均匀。当煤层因两侧挤压产生一个负向凹陷,即负向微构造时,构造起伏处的埋深继续增大,应力也进一步增大,并且呈现出明显高于周围煤层的应力集中区。

基于图7f-i煤层应力差模拟结果可知,不同类型微构造煤层应力差的分布趋势与最小水平应力的分布趋势大致相同,构造起伏越平缓,应力差分布越均匀;应力差值的变化则与水平最小主应力的变化大致相反,其大小与埋深成负相关关系,在正向微构造起伏处,往往表现为应力差高值,而在负向微构造起伏处为应力差低值。

综上所述,煤层构造起伏处最小水平应力的分布由正向隆起-平缓-负向凹陷(图7a-d)呈现出集中-均匀-再集中的变化趋势,应力值也随之增大,应力差分布的变化与最小水平应力分布的变化一致,应力差值的变化则与最小水平应力值变化相反(图7f-i)。对于单斜微构造(图7e,j),由于其整体埋深变化较小,最小水平应力与应力差分布较为均匀,应力差值较小,与研究区煤层气产量分布变化基本一致。

3.2 微构造产状对应力的影响机制

在微构造形成过程中,不同部位所受的应力大小和方向不同,会导致微构造的产状发生差异。这种差异主要体现在煤层的倾斜程度不同,且随着地层两侧的挤压应力逐渐增大,煤层微构造中心的挠曲也逐渐增大。

由不同产状的微构造应力模拟结果(图8)可以看出,微构造产状变化主要体现在中部弯曲程度不同。随着挠曲程度不断增大,煤层上下两侧最小水平应力趋于集中,上侧应力逐渐减小,下侧应力逐渐增大,中部应力分布均匀,变化较小,推测导致应力集中的原因主要与地层挤压有关,应力值的大小则受埋深控制;由图8e-h可以看出,微构造产状变化对应力差的影响主要集中在中部,随着弯曲程度增大,中部应力差不断集中且逐渐增大,两侧应力差分布则较为均匀且变化较小。

3.3 深层煤岩力学参数对应力的影响

岩石力学参数的变化,会导致煤层应力发生改变,但不同类型微构造下的煤层,力学性质对其应力的影响机制有所差异。因此,研究煤层微构造类型对煤层应力与力学参数的相关性及变化程度的影响,是研究微构造对深部煤层应力控制机理的重要环节。本文利用岩石横波预测模型和SPSS软件,对研究区单井岩石力学参数进行了统计分析,并根据频率分布得出上文划分出的5个区间值。将不同类型微构造煤层下的力学参数与煤层应力进行拟合得出 (图9):在相同部位(构造起伏处),类型1,类型2和类型4(正向、正向偏缓和单斜微构造)下的煤层最小水平应力与泊松比呈正相关,与杨氏模量呈负相关;类型3(平缓微构造)下煤层最小水平应力与泊松比和杨氏模量皆呈正相关,但相关性较弱;而在类型5(负向微构造)中,煤层最小水平应力表现为与泊松比成负相关关系,而与杨氏模量成正相关关系;具体拟合公式如表1、表2所示。综上所述,随微构造类型变化(正向隆起转变为负向凹陷),泊松比与煤层最小水平应力的相关性由正相关转变为负相关,而杨氏模量与煤层最小水平应力的相关性则由负相关转变为正相关。

此外,本文还探讨了力学性质的变化对微构造类型对煤岩应力的控制机理的影响,由相同力学参数下不同类型微构造煤层的应力拟合曲线(图10)分析可知,无论改变煤层的泊松比还是杨氏模量,在由正向微构造向负向微构造转变过程中,不同类型的煤层最小水平应力均表现为先减小、后增大的过程,且随着泊松比的增大,这种趋势越发明显。而随着杨氏模量增大,这种趋势则趋于平缓。具体拟合公式如表3、表4所示。

3.4 顶底板组合对应力的影响

依据三维地震资料解译结果,得知大吉地区煤层厚度平均为6~8 m,顶底板主要为灰岩或砂岩,不同的顶底板组合会对煤层应力产生影响,其影响效果由微构造类型不同而存在差异。为了研究不同微构造类型下顶底板组合对煤层应力的影响,分别设计顶灰底砂、顶灰底灰、顶砂底灰和顶砂底砂4种顶底板组合与前文5种煤层微构造类型进行交叉实验,共建立20个模型进行数值模拟。由图11a可知,随着构造起伏逐渐变缓(类型1~类型3),顶底板组合对起伏处最小水平应力的影响逐渐减小,转变为负向凹陷时(类型5),起伏处最小水平应力几乎不受顶底板组合影响;类型4(单斜微构造)最小水平应力受顶底板组合影响变化幅度也较小,变化量在2 MPa以内。具体拟合公式如表5所示。

此外,在探究顶底板的变化是否同时会影响微构造类型对煤岩应力的控制机理时发现,无论是何种顶底板组合,随着煤层微构造类型由正向隆起向负向凹陷转变,构造起伏处最小水平应力的变化趋势均是先增大后减小(图11b),当处于正向平缓微构造(类型2)时,应力达到峰值;对不同顶底版组合下类型4(单斜微构造)煤层应力分析可知,当顶板为砂岩时(红色和蓝色),煤层最小水平应力大小较顶板为灰岩时(橙色和黄色)更高;同种岩性顶底板组合(红色和黄色)煤层最小水平应力比不同岩性顶底板组合(蓝色和橙色)更大。具体拟合公式如表6所示。

3.5 边界条件对应力的影响

此前有研究者建立了含层理岩石的地应力计算模型,认为煤层最小水平应力大小与其上覆岩层压力有关。处于不同深度的煤层,围岩对其施加的压力存在很大差异,故在进行模拟实验时,边界应力条件变化对煤层应力的影响不可忽视。通过对上文得出的研究区煤层边界应力条件与煤层微构造类型进行交叉实验可知,微构造类型4(单斜微构造)和类型5(负向微构造)构造起伏处的煤层最小水平应力与边界条件的相关性明显,但边界条件不同,其相关程度存在差异,类型5(负向微构造)构造起伏处的最小水平应力与边界最大水平应力表现为负相关关系,与边界最小水平应力的相关性较弱;类型4(单斜微构造)对应处最小水平应力与边界最小水平应力呈正相关关系,与边界最大水平应力的相关性较弱;其余类型微构造的煤层最小水平应力则受边界条件变化的影响较小。具体拟合公式如表7所示。

综上表明,当构造起伏为向上的隆起或平缓时(正向微构造-平缓微构造),煤层最小水平应力对边界条件的变化不敏感,当构造起伏为向下的凹陷(负向微构造)时,应力与边界最大水平应力响应较强,而深度变化(单斜微构造)则对边界最小水平应力更敏感(图12)。具体拟合公式如表8所示。

4 结论

(1)基于微构造类型与产状对煤层应力影响的模拟实验可知:①构造起伏越缓,挠曲程度越小,最小水平应力分布越均匀,反之则会在构造起伏处或挠曲两侧出现应力集中现象,且正向隆起与挠曲上侧表现为应力低值,负向凹陷与挠曲下侧表现为应力高值;②应力差值的变化与最小水平应力的变化相反,在正向隆起和挠曲两侧表现为低值,在负向凹陷和挠曲中部表现为高值。

(2)通过对微构造类型和储层力学参数交叉模拟得知:①微构造类型变化会影响力学参数与构造起伏处最小水平应力的相关性,在构造起伏由正向隆起转变为负向凹陷后,泊松比与起伏处应力的相关性由正相关转变为负相关,而杨氏模量与其应力的相关性则由负相关转变为正相关;②无论是改变煤层的泊松比还是杨氏模量,不同类型微构造煤层最小水平应力的变化趋势均为先减小后增大,随泊松比的增大,这种趋势越明显,随杨氏模量增大,这种趋势表现越平缓。

(3)在探究顶底板组合对微构造煤层最小水平应力的影响中发现:①微构造类型变化会削弱顶底板组合对构造起伏处最小水平应力的影响,随着构造起伏逐渐变缓,顶底板组合对起伏处应力的影响逐渐减小,转变为负向凹陷时,起伏处应力几乎不受顶底板组合影响;②由对单斜微构造最小水平应力的分析可知,灰岩顶板下煤层应力高,顶底板岩性相同煤层应力高。

(4)边界应力条件对不同类型微构造下煤层最小水平应力的影响结果表明:①正向-平缓微构造的煤层应力几乎不受边界应力条件变化影响;②负向微构造的煤层应力与边界最大水平应力呈负相关,单斜微构造的煤层应力与边界最小水平应力呈正相关。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42102156)

山东省自然科学基金项目(ZR2020QD035)

中国地质大学(武汉)“地大学者”人才岗位科研启动项目(2022046)