王丹 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100008

中石油煤层气有限责任公司临汾分公司，山西 临汾041000

赵峰华 （中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100008）

孙俊义，武晓磊，姚晓莉 （中石油煤层气有限责任公司临汾分公司，山西 临汾041000）

宋治霞 （中石化中原油田分公司石油勘探开发科学研究院，河南 濮阳457001）

区域构造应力场是控制构造发育、展布、组合及其演化的重要因素之一。不同的构造类型决定了煤层气的赋存状态、煤储层的裂隙发育程度、煤层气藏类型和保存条件等［1］。笔者以临汾区块为例，从构造应力场演化的角度，探讨了其与煤层气富集的关系。

1 临汾区块构造及应力特征

1.1 临汾区块构造特征

研究区位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南部。晋西挠褶带为一由东向西倾伏的巨大单斜构造［1］，发育一系列北东向展布的断层，将斜坡复杂化，形成了坳隆相间的构造格局。贯穿全区的北东向古驿－窑渠逆冲断层将区块划分为东、西2个大构造单元。在古驿－窑渠逆冲断层的牵引作用下，在上盘形成了一个北东－南西向展布的长轴背斜构造，构造幅度达到80～120m。背斜构造的北西翼地层倾角相对较缓，约2～4°，南东翼较陡。断层上盘为一个宽缓的背斜构造，整体倾向北西；下盘由于逆冲和上盘的载荷作用而形成了一个同样倾向北西的缓斜坡，整体由西向东抬升，倾角3～6°。

1.2 临汾区块现今地应力特征

通过对研究区内33口煤层气探井的煤层水力压裂施工参数和测井获得的地应力资料进行分析，主力煤层储层压力梯度为0.49～0.93MPa／100m，破裂压力梯度为0.95～2.93MPa／100m，闭合压力梯度为0.89～2.09MPa／100m。煤层储层压力、破裂压力和闭合压力与煤层埋深呈线性关系，随埋深增大而升高。

通过对水力压裂法测定，研究区743～1293m范围内33个煤层应力资料统计显示：最大水平主应力（σh，max）梯度为0.98～2.94MPa／100m，平均2.19MPa／100m，方向主要为 NEE方向；最小水平主应力（σh，min）梯度为0.89～2.09MPa／100m，平均1.68MPa／100m；垂直主应力（σv）梯度为2.02～2.48MPa／100m，平均2.31MPa／100m。煤层主应力与埋深呈线性关系，随埋深的增大而升高。研究区煤层埋深在1070m以上，现代地应力较弱，σv＞水平主应力（σh），主力煤层处于拉张状态；煤层埋深在1070～1200m，地应力状态转化为σh，max≈σv≈σh，min，煤层由伸张状态向挤压状态过渡；煤层埋深大于1200m，地应力状态转化为σh，max≈σv＞σh，min，σh，min＞20MPa，煤层处于挤压状态。

2 煤层气富集特征

2.1 煤储层厚度变化

临汾区块主力煤层空间展布连续、分布稳定、厚度大，煤层气富集，为煤层气开发提供了坚实的物质基础［2］。其中，上主力煤层单层厚度介于2.2～7.1m，平均厚度大于4m，分布面积广，全区发育，午城－小回宫－窑渠间的厚度超过5m，向东北变薄；下主力煤层厚度介于3～9m，午城－小回宫－窑渠间的厚度超过6m，向东北变薄。

2.2 煤岩含气特征

研究区主力煤层按演化程度可以分为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤等，成分以甲烷为主，体积分数在98%以上［3］。研究区上主力煤层平均含气量13m3／t，下主力煤层平均含气量10m3／t。区内主力煤层含气量分布有很大的相似性，均有3个主要的煤层气富集带，工区北部午城－窑渠、东部蒲县－明珠和南部曹井－车城乡。

3 构造应力场演化对临汾区块煤层气产量的影响

3.1 构造演化对临汾区块的影响

鄂尔多斯盆地的演化主要经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等3次古构造运动［4］。石炭－二叠纪巨厚地层的稳定沉降对该区的煤层和煤层气的形成具有重要意义；三叠纪中后期的印支运动，造成地壳抬升和挤压变形，主要表现为挤压作用，煤层气的逸散程度较小；燕山运动早期，煤的变质作用和生气作用终止，盖层变薄，同时北西－南东向挤压应力产生了大量北北东向的断裂构造，导致煤层气保存条件变差；喜马拉雅期构造应力场由压扭性变为张扭性，断裂呈不同程度开放，导致煤层气逸散［5］。但临汾区块整体上构造简单，区域盖层发育，煤层气保存条件有利［6］。

3.2 构造应力对煤层气富集的影响

对研究区构造应力与上主力煤层含气量进行分析（见图1），每吨煤含气量与σh，min在一定的应力范围内呈负相关，即在应力大于12MPa范围内，每吨煤含气量随σh，min的增大而减小。经分析，图中明显偏离趋势线的数据点均分布于断层附近，由于应力释放而造成σh，min较小，煤层气在断层附近保存条件较差，造成含气量较低。

3.3 实例

A井位于研究区内古驿－窑渠背斜带上，上主力煤层1101～1105m，厚4m，σh，min为15.26MPa，含气量12.36m3／t，历史最高产量1780m3／d，产气量1200m3／d，产水量1.19m3／d，井底压力1.91MPa，套压0.28MPa。

B井位于研究区内古驿－窑渠背斜东部的凹陷，上主力煤层1287～1290.5m，厚3.5m，σh，min为23.50MPa，含气量9.26m3／t，目前产气量520m3／d，产水量3.31m3／d，井底压力3.39MPa，套压1.60MPa。C井位于研究区内古驿－窑渠背斜带上，紧邻断层。上主力煤层1059～1063m，厚4m，σh，min为14.53MPa，含气量6.27m3／t。该井生产26个月，日产水量较大，未产气，目前已关井停止生产。

图1 上主力煤层吨煤含气量与σh，min关系

通过以上分析认为，构造应力对煤层气的富集和产气量影响较大，构造应力通过控制煤储层的渗透率来影响煤层气井的产量［7］。在一定范围内，构造应力越小，煤层含气量越高，煤层渗透性越好，往往产气量也越高；而断层附近由于应力释放，构造应力也比较小，但煤层顶底板发育裂缝，煤层气不易保存，产水量大，不利于煤层气井排采，产气效果往往不好。

4 结论

1）研究区上主力煤层平均吨煤含气量13m3，下主力煤层平均吨煤含气量10m3。区内上、下2主力煤层含气量分布有很大的相似性，均有3个主要的煤层气富集带。断层发育地区，煤层气保存条件不好，是含气量较低区域。

2）最小水平主应力影响煤层气的富集和渗透性，煤层含气量和单井产气量随最小水平主应力的增大而减小；断层发育地区，应力释放，煤层含气量受保存条件变差，含气量较低。

3）煤层气开发寻找最小主应力相对较低的地区，但必须避开断层发育区。

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