地應(yīng)力地溫場中煤層氣富集區(qū)力學(xué)分析

地應(yīng)力地溫場中煤層氣富集區(qū)力學(xué)分析

原油富集預(yù)測是目前基于油氣富集規(guī)律的研究中面臨的主要科學(xué)問題之一。這也是油氣勘探和開發(fā)中必須解決的技術(shù)問題之一。具體而言,富集區(qū)含氣性的定量空間展布形態(tài)是研究煤層氣富集規(guī)律的必要依據(jù),是尋找煤層氣富集主控地質(zhì)因素及其控氣機制的前提,富集區(qū)位置的定量準(zhǔn)確預(yù)測更是煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊選擇和井網(wǎng)布置的主要根據(jù)。目前直接預(yù)測煤層氣富集區(qū)的研究較少,從勘探開發(fā)時間進程來看,可分為找氣和探氣兩個階段。找氣階段主要是尋找開發(fā)有利區(qū)塊,在勘探早期,為尋找國內(nèi)富氣區(qū)塊,趙慶波等以選區(qū)評價為目標(biāo),提出了大區(qū)—區(qū)塊—目標(biāo)區(qū)3級找氣思路;葉建平等以資源評價為目標(biāo),將全國煤層氣大區(qū)劃分為東北、華北、西北、華南、滇藏等5類聚氣區(qū),并進一步以資源豐度為指標(biāo),劃分為大、中、小3級富氣帶;張建博等在綜合選區(qū)的基礎(chǔ)上,從儲層物性、工藝技術(shù)角度提出了直接意義上的高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)和流程,將富集區(qū)縮小到區(qū)塊級別;之后張新民等將富集區(qū)劃分進一步縮小到氣田級別;趙靖舟等將煤層氣富集單元劃分為含氣區(qū)、盆地、富氣區(qū)、富氣帶、氣藏(田)。找氣階段的研究服務(wù)于勘探評價,方法多是粗略定性的。探氣階段,隨著煤層氣開發(fā)的深入和井下瓦斯區(qū)域抽采的發(fā)展,富集區(qū)精細(xì)化探測要求被逐步提上日程,地球物理探氣方法被引入,代表性的研究有:彭蘇萍等采用AVO探測淮南煤田瓦斯富集區(qū);崔若飛、劉最亮等用地震P波等地震屬性探測瓦斯富集區(qū);南鵬等利用熱紅外遙感探測焦作煤層氣富集區(qū)。但由于缺乏含氣(尤其是吸附氣)與不含氣煤的波震信號區(qū)別的物理實驗支持,使得地球物理探氣方法的理論基礎(chǔ)不足,再加上小構(gòu)造帶、圍巖、構(gòu)造煤等雜質(zhì)信號的干擾,使得這一方法很難區(qū)分真正的富集區(qū)。盡管如此,隨著更多的實驗支持和精度的提高,地球物理探氣方法仍是具有積極意義的探測方法,這一階段的預(yù)測仍處于定性階段。與富集區(qū)預(yù)測間接有關(guān)的研究大致可分為以下3類:①煤層氣高產(chǎn)富集因素的研究,這類研究多數(shù)通過煤層氣富集要素的分布間接定性的推測富集區(qū);②煤層氣富集成藏模式的研究,這類研究從煤層氣成藏角度認(rèn)為具備一定氣藏條件的區(qū)域為煤層氣富集區(qū);③其他富集區(qū)推測方法,除以上3類研究外,還有煤巖學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等富集區(qū)間接預(yù)測方法?？偨Y(jié)前人的研究可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前煤層氣富集區(qū)預(yù)測仍存在一些不足,表現(xiàn)在:①富集區(qū)預(yù)測位置不準(zhǔn),預(yù)測范圍模糊,預(yù)測仍處于定性描述階段,定量化的非均質(zhì)含氣性空間展布形態(tài)難以展現(xiàn);②預(yù)測尺度偏重于大區(qū)研究,小尺度空間的預(yù)測研究不足,精細(xì)化刻畫程度不夠,無法為地面煤層氣井網(wǎng)布置和井下煤氣共采提供定量化依據(jù);③大多采用經(jīng)驗性的統(tǒng)計模型,反映預(yù)測模型與探測對象本質(zhì)聯(lián)系的實驗支持和理論強度不足;④統(tǒng)計模型數(shù)據(jù)由大量鉆探工程獲得,成本較高。這當(dāng)然與我國煤層氣開發(fā)進度有關(guān),前期研究積累了寶貴經(jīng)驗和數(shù)據(jù),具有積極的意義。隨著開發(fā)進程的推進,地面煤層氣井網(wǎng)布置和井下規(guī)?；簹夤膊摄@孔布置對小尺度空間富集區(qū)預(yù)測的精細(xì)化要求越來越迫切,同時反映本質(zhì)關(guān)系的定量化預(yù)測已成必然趨勢。在這一背景下,本文提出礦區(qū)內(nèi)地應(yīng)力、地溫場中煤層氣富集區(qū)定量預(yù)測的力學(xué)方法,以期能夠從礦區(qū)尺度上定量預(yù)測煤層氣富集區(qū),為地面煤層氣井網(wǎng)布置和井下煤氣共采鉆孔布置提供科學(xué)依據(jù)。1煤中甲烷壓力煤層氣的富集程度根據(jù)煤層甲烷含氣性(含量、資源豐度、富氣強度、含氣質(zhì)量)來進行評價,其中最主要的指標(biāo)為甲烷含量,一般將煤層甲烷含量相對高值區(qū)稱為煤層氣富集區(qū)。根據(jù)以上富集區(qū)預(yù)測約定,通過計算研究區(qū)內(nèi)煤層甲烷含氣量的分布規(guī)律,即可劃定煤層氣富集區(qū)。煤層中的甲烷含量由吸附、游離和水溶解甲烷3部分組成,其中,水溶解甲烷含量甚微,故此,本文只計算吸附和游離甲烷量。地質(zhì)歷史上,煤層中的甲烷壓力由煤生氣時形成的膨脹壓力和地應(yīng)力壓縮孔隙引起的壓力構(gòu)成。前蘇聯(lián)B.A.烏斯別斯基對煤的人工熱模擬實驗表明,從褐煤到無煙煤至少生成了400m3/t以上的氣量,但現(xiàn)今的煤層氣含量不足生氣量的1/10,絕大部分因構(gòu)造變動和億萬年的運移而逸散掉,因而,現(xiàn)今煤層氣含量主要由其保存條件決定。根據(jù)這一認(rèn)識,生氣時形成的壓力絕大部分因構(gòu)造變動和運移而散失,現(xiàn)今煤層氣壓力主要為構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層自重應(yīng)力壓縮孔隙所致,生氣形成的壓力甚微。根據(jù)這一理論假設(shè),在計算煤層氣壓力時作適當(dāng)力學(xué)簡化,主要考慮孔隙壓縮壓力這一主要因素,忽略生氣壓力。由于地應(yīng)力壓縮煤層孔隙引起甲烷壓力升高,進而影響吸附量和游離量,同時地溫增加引起應(yīng)力壓縮下的孔隙額外變形,進而影響甲烷壓力和游離量,溫度升高還引起吸附量的降低,因而本文計算地應(yīng)力地溫場共同影響下的甲烷含量。1.1含甲烷煤體應(yīng)力分析計算的角度游離甲烷賦存于煤中大孔及裂隙中,設(shè)地應(yīng)力、地溫場中煤的孔隙率為φ,當(dāng)煤層氣壓力為p時,單位體積煤體中游離甲烷的體積即為φ,換算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的單位質(zhì)量煤體中的游離甲烷量為Q1,可表示為Q1=φpΤaΤpaρARDΖ(1)Q1=φpTaTpaρARDZ(1)其中,φ為應(yīng)力、溫度影響下原始煤體孔隙率;p為游離甲烷壓力,MPa;Ta為標(biāo)準(zhǔn)狀況下熱力學(xué)溫標(biāo),273K;T為煤層溫度對應(yīng)的熱力學(xué)溫標(biāo),K;pa為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力,0.1MPa;ρARD為煤層視密度,g/cm3;Z為氣體壓縮系數(shù)。式(1)中孔隙率由式(2)確定,即φ=1-(1-φ0)exp(β1Δσef-β2Δt)(2)φ=1?(1?φ0)exp(β1Δσef?β2Δt)(2)式中,φ0為地面實驗室室溫下測定的無外載時煤體孔隙率;β1為含甲烷煤體體積壓縮系數(shù);β2為含甲烷煤體的熱膨脹系數(shù);Δσef為從地面算起到地下某埋深處的有效應(yīng)力改變量,MPa;Δt為從地面到地下某埋深處的煤體溫度改變量,℃。根據(jù)有效應(yīng)力的定義,σef可寫成σef=ˉσ-αp?ˉσ=σ1+σ2+σ33(3)σef=σˉ?αp?σˉ=σ1+σ2+σ33(3)其中,ˉσσˉ為平均應(yīng)力,MPa;α為有效應(yīng)力系數(shù);σ1,σ2,σ3為3個主應(yīng)力值,MPa。根據(jù)式(3),由地面算起時,Δσef可由式(4)計算獲得,即Δσef=Δˉσ-α(p-pa)(4)Δσef=Δσˉ?α(p?pa)(4)式中,ΔˉσΔσˉ為平均應(yīng)力改變量。根據(jù)地應(yīng)力梯度和地溫梯度的定義,有:Δˉσ=DΗ(5)Δt=GΗ(6)Δσˉ=DH(5)Δt=GH(6)式中,D為地應(yīng)力梯度,MPa/m;H為計算點埋深,m;G為地溫梯度,℃/m。將式(5)代入式(4),計算后,再將式(4)代入式(2),同時將式(6)也代入式(2),整理后得φ=1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η](7)φ=1?K′(1?φ0)exp[(β2G?β1D)H](7)式中,K′=eαβ1(0.1-p)。同時在實驗中觀察到,式(7)中的φ0與埋深H具有:φ0=a′exp(b′Η+c′)(8)φ0=a′exp(b′H+c′)(8)式中,a′,b′,c′為實驗擬合系數(shù)。將式(7)代入式(1)可得到地應(yīng)力、地溫場中煤體的游離甲烷含量計算式為Q1=[1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η]]pΤaΤpaρARDΖ(9)Q1=[1?K′(1?φ0)exp[(β2G?β1D)H]]pTaTpaρARDZ(9)1.2影響煤化合物吸附量的因素從力學(xué)角度分析,地應(yīng)力對煤的吸附空間影響甚微,地質(zhì)營力雖可引起煤的動力變質(zhì)作用,改變孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積,這在構(gòu)造煤中有所體現(xiàn),但這種動力變質(zhì)作用相比溫度引起的熱變質(zhì)作用是極其微小的,在外部溫壓條件相同時,煤的吸附能力主要決定于煤質(zhì),地質(zhì)營力引起的動力變質(zhì)可統(tǒng)一歸入煤質(zhì)特征中,動力變質(zhì)和原生變質(zhì)對吸附能力的影響可由吸附常數(shù)a,b值綜合反映。地應(yīng)力主要通過影響甲烷壓力間接地影響煤層氣吸附能力。溫度除通過影響煤層氣壓力進而影響吸附量以外,還通過影響吸附常數(shù)來影響吸附量。此外,吸附量還受到煤化度、灰分和水分的影響,前蘇聯(lián)學(xué)者В.В.Xодот提出了一個考慮水分影響時計算吸附甲烷量的經(jīng)驗公式,即as=ag1+kWq(10)as=ag1+kWq(10)式中,as和ag分別為濕煤和干煤的甲烷吸附量,cm3/g;k和q為實驗常數(shù),k=0.20～0.45,一般取0.31,煤質(zhì)為濕煤時,k=0.27,q=0.5～1.0,一般為1.0;W為煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。В.В.Xодот還采用式(10)和(1-A/100)來計算水分和灰分對煤層吸附量的影響,A為原煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。В.В.Xодот的實驗值與計算結(jié)果十分吻合,因而本文采用這一關(guān)系來計算灰分與水分影響下的煤層甲烷吸附量,有Q2=(1-0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(11)b(t)=A′-Bt(12)Q2=(1?0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(11)b(t)=A′?Bt(12)式中,Q2為含有灰分和水分的單位質(zhì)量自然煤的甲烷吸附量,cm3/g;b(t)為與溫度有關(guān)的吸附常數(shù),MPa-1;A′,B為實驗擬合系數(shù);t為溫度,℃。1.3g/1d2e主要表達為將式(9),(11)相加得到地應(yīng)力、地溫場中煤層氣含量,即Q=Q1+Q2=[1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η]]pΤaΤpaρARDΖ+(1-0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(13)Q=Q1+Q2=[1?K′(1?φ0)exp[(β2G?β1D)H]]pTaTpaρARDZ+(1?0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(13)1.4壓力-c當(dāng)煤層無露頭時,式(13)中的煤層氣壓力可用下式計算:pΗ=pc+D(Η-Ηc)-1β1×[2-√4-2β2G(Η-Ηc)](14)pH=pc+D(H?Hc)?1β1×[2?4?2β2G(H?Hc)???????????????√](14)式中,pH為埋深為H時溫度應(yīng)力影響下的煤層氣壓力,MPa,等價于式(9),(11)中的p(暫不考慮水壓);pc為埋深為Hc時實測煤層氣壓力,MPa;Hc為實際測壓點埋深,m。2氣運富集區(qū)預(yù)測以重慶瀝鼻峽背斜鹽井礦區(qū)為研究目標(biāo)區(qū),該礦區(qū)為一狹長不對稱梳狀背斜,走向N43°～54°E,長14km,其中,南東翼巖層傾角30°～50°,傾向SE,傾斜寬平均為738m,北西翼巖層傾角60°～88°,傾向NW。礦區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為煤系地層,龍?zhí)督M一段含煤4層(K1～K4),K2為主力煤層;龍?zhí)督M三段含煤10層(K5～K14),K7為主力煤層。背斜軸部及北西翼斷層密集,南東翼稀疏,多為逆掩斷層,封閉性好。煤層頂?shù)装鍨槟鄮r,上下均為水網(wǎng)絡(luò)狀弱含水層,煤層氣封存條件極好。研究區(qū)煤階均為貧瘦煤,主力煤層K2,K7煤層穩(wěn)定,均厚2.8m,地勘實測K2煤層最大瓦斯含量27.27m3/t,K7煤層最大瓦斯含量15.76m3/t。前期煤層氣普查表明,該區(qū)含氣量高,資源豐富,位居全國煤層氣富氣區(qū)前列。現(xiàn)以煤層(氣)賦存較好的背斜南東翼K2煤層(單斜)為研究區(qū),定量預(yù)測礦區(qū)煤層氣富集區(qū)展布。按式(1)～(14)的方法預(yù)測富集區(qū),需要進行以下實驗。2.1向反方向北西方方向在礦區(qū)地勘期間,從勘探鉆孔中分別提取埋深為149,368,417m三段巖芯,取芯時,現(xiàn)場標(biāo)定走向北東方向為x方向,傾向反方向北西方向為y方向,鉛垂方向(垂直向上)為z方向。將巖芯送實驗室,以現(xiàn)場標(biāo)定的坐標(biāo)系,分別在x,y,z,xy45°,yz45°,xz45°六個方向取樣,將每個方向的巖樣加工成30mm×30mm×60mm的試件。將加工成的試件在MTS815巖石加載系統(tǒng)上進行單軸壓縮,同時由AE21C聲發(fā)射系統(tǒng)同步采集信號。實驗獲得3個取樣段的主應(yīng)力值,見表1。2.2溫度對b值的影響將地勘鉆孔中取得的煤芯,送實驗室做不同溫度下的等溫吸附實驗(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T19560—2004)。實驗表明:a值隨溫度變化不明顯;b值隨溫度升高而降低,如圖1所示。按式(12)擬合圖1(b)中吸附常數(shù)b與溫度的關(guān)系,得到b(t)=1.23-0.01t(15)2.3實驗測定指標(biāo)從地勘鉆孔中提取不同埋深的煤樣,測定煤的真密度(ρTRD)與視密度(ρARD),計算得到不同埋深煤的實驗孔隙率,并按式(8)擬合得到式(16)。φ0=9.97exp(-0.00494Η+2.47)(16)體積壓縮系數(shù)通過煤的壓縮實驗獲得;熱膨脹系數(shù)通過煤的熱膨脹實驗測定;地應(yīng)力梯度由表1中的原巖平均應(yīng)力實驗測定;地溫t由井下測溫獲得;煤層氣初始起算壓力pc由地勘實測煤層氣壓力獲得。主要實驗計算參數(shù)見表2。3煤氣富集區(qū)及區(qū)區(qū)劃分將以上實驗參數(shù)代入式(1)～(16),按50m×50m布點,計算研究區(qū)內(nèi)不同地點、不同埋深處的煤層氣含量值,同時在地質(zhì)地形圖上標(biāo)定對應(yīng)點的大地坐標(biāo),通過插值計算可得到高精度的煤層氣含量等值線(圖2)。預(yù)測結(jié)果經(jīng)與地勘精查實測含量和煤巷接露部分實測數(shù)據(jù)對比,含氣量分布趨勢一致,數(shù)值預(yù)測準(zhǔn)確率為89%。煤層氣富集區(qū)的判斷標(biāo)準(zhǔn)目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識,按照前期大區(qū)勘探的評價標(biāo)準(zhǔn),大多數(shù)研究者認(rèn)為高階煤含氣量在8m3/t以上的區(qū)塊具備開發(fā)價值,15m3/t以上具有高產(chǎn)優(yōu)勢。因而,無論是大區(qū)還是大區(qū)內(nèi)的礦區(qū)煤層氣富集區(qū)的劃定,含氣量均在8m3/t以上進行。從圖2可看出,重慶瀝鼻峽背斜鹽井礦區(qū)含氣量在15m3/t以上,具備高產(chǎn)富集優(yōu)勢。通過計算,得到全區(qū)7層可采煤層的平均含氣量為17.5m3/t。為使后期開發(fā)能夠確定優(yōu)先抽采區(qū)塊,故將17.5m3/t作為富集區(qū)判別標(biāo)準(zhǔn),即>17.5m3/t的區(qū)域定為高富集區(qū),并將本區(qū)富集區(qū)劃分為17.5～20.0,>20.0m3/t兩個級別,相應(yīng)的埋深范圍為600～1000,>1000m。兩類煤層氣富集區(qū)如圖2陰影部分所示。井下瓦斯抽采鉆孔與地面煤層氣井網(wǎng)可優(yōu)先選擇在兩類富集區(qū)提前布置。4預(yù)測區(qū)范圍內(nèi)的精細(xì)刻畫需要指出的是,煤層氣富集的影響因素極為復(fù)雜,不僅有區(qū)域性地質(zhì)因素影響,外部溫壓條件影響,還有煤質(zhì)本身的影響。此外,評價尺度不同,采用方法及適用范圍也不同。本文是在前期煤層氣含氣區(qū)普查、富氣區(qū)帶明確、氣藏詳查的基礎(chǔ)上進行的煤礦區(qū)級別氣藏范圍內(nèi)的進一步精細(xì)刻畫。預(yù)測區(qū)范圍內(nèi)取得了較為詳細(xì)的地質(zhì)、煤巖資料,并參照了鄰近已生產(chǎn)礦井的生產(chǎn)資料。在進行力學(xué)計算和實驗測定時,僅考慮主控影響因素,忽略了次要因素,作了適當(dāng)簡化。主要為