王勝宇，鞠 瑋，2*，楊兆彪，2，黃沛銘，胡浩浩，鐘 宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008)

煤層氣是主要以煤層作為儲集層，伴隨成煤過程生成的非常規(guī)天然氣，由于其主要成分為甲烷，故亦稱為煤層甲烷[1]。我國的煤層氣資源十分豐富，作為僅次于俄羅斯和加拿大的第三大煤層氣資源國，2 000m以淺的煤層氣資源量為3.68×1013m3[2]，而滇東、黔西地區(qū)主要含煤層氣盆地總資源量達(dá)(2.2～2.75)×1012m3，具有非常巨大的開發(fā)前景[3]。由于我國地質(zhì)條件較為復(fù)雜，構(gòu)造活動強(qiáng)烈，煤儲層后期容易遭到改造和疊加致使變形，從而導(dǎo)致煤儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、并且呈現(xiàn)出低含氣飽和度、低滲透率、低儲層壓力、低資源豐度和高原地應(yīng)力的特點(diǎn)，這些條件都制約著我國煤層氣的發(fā)展[4]。因此，以區(qū)域現(xiàn)今地應(yīng)力特征作為研究對象來分析儲層特性對煤層氣的勘探開發(fā)具有重大意義。

地應(yīng)力研究已有近百年歷史[5-8]。地應(yīng)力主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力等耦合所構(gòu)成，巖石受到地應(yīng)力作用下，會發(fā)生變形而使體積變化，使巖層的流體孔隙壓力增加或減小，產(chǎn)生壓力勢差推動流體流動[9-10]。地應(yīng)力通常用三個(gè)相互垂直的主應(yīng)力及其分量來表示，垂向應(yīng)力是由地球重力引起，故而方向垂直向下，該應(yīng)力分量用Sv來表示；剩余兩個(gè)應(yīng)力方向水平，故而稱為水平應(yīng)力，分別稱為最大水平主應(yīng)力SH，max和最小水平主應(yīng)力Sh，min[11]。根據(jù)三者的大小關(guān)系，Anderson提出了三種應(yīng)力狀態(tài)的分類方式：正斷型應(yīng)力狀態(tài)(Sv>SH,max>Sh,min)；走滑型應(yīng)力機(jī)制(SH,max>Sv>Sh,min)；逆斷型應(yīng)力機(jī)制(SH,max>Sh,min>Sv)[12-13]。

云南省威信地區(qū)煤層氣資源豐富，上二疊統(tǒng)長興組與龍?zhí)督M發(fā)育有較好且穩(wěn)定的可采煤層。為該區(qū)煤層氣資源高效開發(fā)，分析區(qū)域現(xiàn)今地應(yīng)力特征具有重大意義。然而，該區(qū)現(xiàn)有實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)有限且分散，無法對區(qū)內(nèi)煤層氣高效開發(fā)提供有效支持，為此，本文以研究區(qū)現(xiàn)有的實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬的方法預(yù)測新莊研究區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力分布狀態(tài)，結(jié)合該區(qū)的各項(xiàng)地質(zhì)條件綜合分析，對該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供新的地質(zhì)參考(圖1)。

圖1 滇東北區(qū)域簡圖[10]Figure 1 A sketch map of northeastern Yunnan area (after reference [10])

1 地質(zhì)背景

新莊研究區(qū)由云南省威信縣西部延伸至東北部，呈北東東向狹長的條帶狀展布。區(qū)內(nèi)地層由老到新出露的有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系及第四系，上二疊統(tǒng)含煤共7～12層，長興—龍?zhí)督M自上而下含相對穩(wěn)定的煤層C1～C6(圖2)[14]。整個(gè)研究區(qū)內(nèi)共含四個(gè)井田，由西向東分別是觀音山井田、大井溝井田、墨黑井田、玉京山—高田普查區(qū)(圖3)。

圖2 研究區(qū)長興-龍?zhí)督M沉積模式及煤層層位[14]Figure 2 The sedimentary model and coal seams in the Changxing-Longtan Formation of study area

圖3 新莊地區(qū)地質(zhì)簡圖Figure 3 Geological sketch map of Xinzhuang area

觀音山井田呈東西向條帶狀展布，長約16km，寬約2.5km。井田屬中山山地，地層與山脈走向呈東西向延展，中部地勢高，分別往南北兩側(cè)降低；南側(cè)多為反向陡坡，多懸崖，北側(cè)為順向坡，相對平滑。井田地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶、滇東北臺褶束內(nèi)的彝良—洛旺—新莊大向斜北段(新莊向斜)的南翼。該臺褶束北東段褶皺構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造線總體呈北東向延展，因受下古生代基底東西向古隆起影響，形成局部北東東向的片段。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造稀疏分布，發(fā)育不明顯，較大斷裂以東西—北北西向壓性走向斷裂及北北東—北東向壓扭性斜交斷裂為主。井田內(nèi)含煤地層為上二疊統(tǒng)長興組(P2c)與龍?zhí)督M(P2l)，可采煤層C1屬于長興組，C5屬于龍?zhí)督M，其層間距為31～48m，其中C5為主要可采煤層，C1為次要可采煤層。

大井溝井田屬中山區(qū)，與山脈走向一致呈北西-南東向展布，地勢西高東低，南高北低。區(qū)域內(nèi)溝谷縱橫交錯(cuò)，地形切割較為強(qiáng)烈。井田處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺所屬滇東臺褶帶、滇東北臺褶束的北東向褶皺構(gòu)造與古基底東西向褶皺構(gòu)造的疊加復(fù)合帶，區(qū)域各褶皺軸線皆在北東走向的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)向東西，形成近東西向的褶皺片段。該井田內(nèi)可采煤層僅為C5煤層。

墨黑井田西南起于墨黑村林口，東至煤洞灣，長約10km，寬約2.5km，呈北東至南西走向的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)無地表水體及河流，但溝谷切割較深，匯聚了巖層滲出的水形成溪流。墨黑井田為長期凹陷接受沉積的地區(qū)，燕山期以前以振蕩運(yùn)動為主，燕山期以后以強(qiáng)烈的褶皺運(yùn)動為主。區(qū)內(nèi)斷裂主要受北東構(gòu)造線總體方向控制，北東向斷裂較發(fā)育，尤其多發(fā)育于背斜軸部，破壞性較大。全區(qū)層位穩(wěn)定及較穩(wěn)定煤層或炭質(zhì)泥巖有4層，其中僅C5煤層可采，其余層位及厚度均不穩(wěn)定。

玉京山—高田普查區(qū)位于新莊向斜南翼東段，屬高原構(gòu)造侵蝕溶蝕中山地貌，山勢呈東西延綿，最高點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)西部邊緣煤硐灣北，海拔1 727.8m，最低點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)中部高田鄉(xiāng)麻地灣附近，海拔736.2m。在地層沉積過程中出現(xiàn)間斷，反應(yīng)地殼以升降活動為主，表明區(qū)域褶皺及斷裂活動應(yīng)在中生代以后的喜山期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動期形成。區(qū)內(nèi)背斜構(gòu)造南翼陡傾斜，形態(tài)相對緊密，向斜形態(tài)寬緩。普查區(qū)含可采煤層4層，分別為C5、C6、C9、C10煤層，C5為主要可采煤層。

由于全區(qū)內(nèi)C5煤層為主要開采煤層，普遍為中厚煤層，層位穩(wěn)定，構(gòu)造復(fù)雜程度屬于較簡單，且實(shí)測數(shù)據(jù)多于其他煤層，故選擇C5煤層進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析煤儲層現(xiàn)今地應(yīng)力分布。

2 地應(yīng)力特征

2.1 研究現(xiàn)狀與研究方法

上文提及地應(yīng)力用三個(gè)方向不同的應(yīng)力分量來表示，其中垂直應(yīng)力：

Sv=γh

(1)

式中：Sv為垂直應(yīng)力，MPa；γ為上覆地層的應(yīng)力梯度，此處γ=0.027MPa/m；h為埋藏深度[11]，m。

地應(yīng)力類型可細(xì)分為三類四種，它們是斷裂構(gòu)造的主要控制因素[12](圖4)，示意圖中約定壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值。

圖4 地應(yīng)力類型示意圖[12]Figure 4 Schematic diagram of present-day in-situ stress types (after reference[12])

第一類應(yīng)力狀態(tài)(Ⅰ類)：最大應(yīng)力取垂直應(yīng)力(Sv>SH,max>Sh,min)，其中包括Ⅰa、Ⅰb兩種具體形式。

Ⅰa：兩個(gè)水平地應(yīng)力(SH,max、Sh,min)均為正值，表示為壓應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)壓力達(dá)到破裂條件時(shí)會產(chǎn)生正斷層，傾角約60°，走向平行于SH，max，有兩組共軛斷層，但一般只有一組發(fā)育良好。

Ⅰb：Sh，min為負(fù)值，表示為拉應(yīng)力狀態(tài)，其產(chǎn)生的斷裂是近于直立的平行于SH，max的張性斷裂或斷層。

第二類應(yīng)力狀態(tài)(Ⅱ類)：最小應(yīng)力取垂直應(yīng)力(SH,max>Sh,min>Sv)，產(chǎn)生逆斷層，傾角約30°，斷層走向平行于SH，max，發(fā)育兩組共軛斷層，但發(fā)育存在差別。

第三類應(yīng)力狀態(tài)(Ⅲ類)：中間應(yīng)力取垂直應(yīng)力(SH,max>Sv>Sh,min)，形成走滑(平移)斷層，斷面近直立，走向與最大主應(yīng)力軸呈約30°。往往形成兩組共軛斷層，發(fā)育存在差別。

本次研究通過水力壓裂法測量了新莊地區(qū)部分地應(yīng)力值和數(shù)值模擬所需要的相關(guān)參數(shù)，水力壓裂的具體方法是將液壓泵向鉆孔內(nèi)部施壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)使孔壁產(chǎn)生裂縫，用壓力記錄計(jì)記錄此時(shí)的臨界壓力為破裂壓力pf，當(dāng)裂縫重新閉合時(shí)，記錄的壓力為閉合壓力pc[7]。

Sh,min其大小與閉合壓力pc相當(dāng)[13、15-16]，即：

Sh,min=pc

(2)

SH,max其大小可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13、15-16]，即：

SH,max=3pc-pf-po+T

(3)

式中：pc為閉合壓力；pf為破裂壓力；po為儲層壓力；T為煤儲層的抗張強(qiáng)度。由于煤的拉伸強(qiáng)度較低，且在多旋回壓裂過程中抗張強(qiáng)度已經(jīng)被克服，故T取零處理[13-15]。

2.2 結(jié)果與分析

通過對研究區(qū)X7801井的C5號煤儲層實(shí)施注入/壓降試驗(yàn)(表1和表2)，C5煤層滲透率0.51mD，與國內(nèi)其它地區(qū)煤層相比，滲透率屬正常范圍。儲層壓力po為7.03MPa，壓力梯度11.31×10-3MPa/m，煤層段所反映儲層壓力梯度高于靜水壓力，屬于偏高壓儲層。煤層閉合壓力pc平均為12.04MPa，與國內(nèi)其它地區(qū)相比，測試目的煤層段所反映的應(yīng)力結(jié)果一般，屬正常應(yīng)力區(qū)。煤層破裂壓力平均為13.00MPa，相較于國內(nèi)煤層，結(jié)果正常。通過試驗(yàn)得到的閉合壓力pc、破裂壓力pf和儲層壓力po數(shù)據(jù)，按照經(jīng)驗(yàn)公式(2)～(3)式計(jì)算得到最大水平主應(yīng)力16.09MPa，最小水平主應(yīng)力12.04MPa。

表1 X7801井C5煤層注入/壓降試井分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the injection/falloff well test in C5 coal seam of Well X7801

表2 X7801井C5煤層實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)Table 2 Measured in-situ stress data in C5 coal seam of Well X7801

3 地應(yīng)力場的數(shù)值模擬

3.1 研究方法

三維有限元數(shù)值模擬是研究構(gòu)造應(yīng)力場平面及縱向分布的有效方法，其直觀的模型設(shè)計(jì)和計(jì)算方式都能讓人直接了解到研究區(qū)的應(yīng)力分布詳情。充分結(jié)合研究區(qū)各種地質(zhì)背景、構(gòu)造類型等基礎(chǔ)上，考慮模型的形狀和大小、邊界條件等因素建立合理的地質(zhì)模型，以已知地應(yīng)力結(jié)果為約束校正的條件下，計(jì)算出較為精確的研究效果，為煤層氣勘探開發(fā)提供地應(yīng)力方面的科學(xué)依據(jù)[17]。地應(yīng)力是有由構(gòu)造作用產(chǎn)生的，要研究一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力場特征需要通過實(shí)測地應(yīng)力來完成，但實(shí)施大量的實(shí)測工程顯然不太合理，因此利用少量已知的地應(yīng)力點(diǎn)通過有限元方法來反演整個(gè)地質(zhì)體的地應(yīng)力場特征就十分適用[18-19]。

應(yīng)力場的研究可以使用地質(zhì)分析、物理建模和數(shù)值模擬等工具，本研究利用有限元法及ANSYS軟件，進(jìn)行新莊地區(qū)應(yīng)力場三維數(shù)值模擬。有限元法是比較典型的數(shù)學(xué)模擬方法，其基本思想是利用網(wǎng)格將復(fù)雜的地質(zhì)體離散成由節(jié)點(diǎn)連接的有限連續(xù)單元，離散的單元彼此之間又是相互聯(lián)系的，每個(gè)單元都分配了實(shí)際巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，當(dāng)整個(gè)地質(zhì)體受到應(yīng)力載荷時(shí)也就相應(yīng)的把載荷離散到每個(gè)單元上，對每個(gè)單元的分析綜合從而得到對整個(gè)地質(zhì)體的分析[20-23]。從數(shù)學(xué)模擬上來說是將該區(qū)域的連續(xù)場函數(shù)轉(zhuǎn)換為每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的函數(shù)，該函數(shù)包含由施加外力產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，進(jìn)而得到地質(zhì)體的構(gòu)造應(yīng)力場[24-27](圖5)。

圖5 地應(yīng)力模擬流程[21]Figure 5 The flow chart of in-situ stress simulation (after reference[21])

3.2 幾何模型的建立

由于研究區(qū)的地應(yīng)力場較穩(wěn)定，因此只需將幾何模型劃分為3種地質(zhì)介質(zhì)，即C5號煤層、斷層和嵌套外框模型(圖6a)。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，其與周圍地區(qū)沒有明確的分離界限，為減少施加載荷后的邊界效應(yīng)，需要將模型嵌套進(jìn)一個(gè)大于研究區(qū)模型的矩形體外框模型區(qū)域內(nèi)，便于之后計(jì)算模擬結(jié)果。

3.3 地質(zhì)模型的建立

由每個(gè)構(gòu)造區(qū)域格架，包括巖層，特別是巖石力學(xué)有明顯差別的巖層的區(qū)分，以及斷層等特殊構(gòu)造體的處理，將實(shí)際的各個(gè)構(gòu)造單元的巖石力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比、密度等)賦予到幾何模型中，將幾何模型轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型。C5煤層的材料屬性由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得，模型內(nèi)斷層被設(shè)置為薄弱環(huán)節(jié)。斷層帶中的楊氏模量會略低于煤層，泊松比會稍高于煤層。具體各介質(zhì)體的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 新莊地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock mechanics parameters in Xinzhuang area

3.4 力學(xué)模型的建立

地質(zhì)模型建立后，將模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)離散劃分，將整個(gè)模型劃分出154 141個(gè)節(jié)點(diǎn)，845 130個(gè)單元。模型離散化后，需要對整個(gè)模型施加應(yīng)力載荷，根據(jù)新莊地區(qū)的構(gòu)造特征，最大主應(yīng)力方向與主構(gòu)造線方向近乎垂直，故選取WNW-ESE(約110°)作為SH,max方向，取NNE-SSW(約20°)作為Sh,min方向，將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型。在本次數(shù)值模擬過程中，約定壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值(圖6b)。

(a)幾何模型 (b)力學(xué)模型圖6 研究區(qū)幾何模型與力學(xué)模型Figure 6 Geometric model and mechanical model of the study area

3.5 計(jì)算模擬結(jié)果

以X7801實(shí)測應(yīng)力值為基準(zhǔn)，不斷調(diào)整對模型所施加的應(yīng)力，直至計(jì)算結(jié)果盡可能匹配實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)，最終獲得新莊地區(qū)C5煤層地應(yīng)力場的三維數(shù)值模擬結(jié)果。此次研究在WNW-ESE方向和NNE-SSW方向分別施加了112MPa和60MPa的應(yīng)力值，且在垂向設(shè)置了9.8 m/s2的重力加速度，同時(shí)對模型施加約束，防止模型發(fā)生位移和變形從而產(chǎn)生誤差。根據(jù)新莊地區(qū)C5煤層最大水平主應(yīng)力模擬結(jié)果表明(圖7a)，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布相對規(guī)律且穩(wěn)定，最大應(yīng)力為13.0～37.5MPa不等，表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，其中在區(qū)內(nèi)的觀音山井田、大井溝井田、墨黑井田及玉京山-高田普查區(qū)大部分最大應(yīng)力均處為13.0～26.6MPa，由于在4個(gè)井田內(nèi)斷裂發(fā)育稀松且較少，地應(yīng)力分布表現(xiàn)出明顯的均衡性，只有東北部區(qū)域最大應(yīng)力大于29.3MPa。

(a)最大水平主應(yīng)力分布云圖；(b)最小水平主應(yīng)力分布云圖；(C)水平主應(yīng)力差分布云圖圖7 新莊地區(qū)水平主應(yīng)力分布圖Figure 7 Horizontal principal stress distribution map in Xinzhuang area

最小水平主應(yīng)力結(jié)果表明(圖7b)，只有東北部分區(qū)域應(yīng)力值大于25MPa，其余地區(qū)應(yīng)力值均處為9～25MPa。將兩個(gè)結(jié)果對比做差，得到水平主應(yīng)力差值分布云圖(圖7c)，越靠近向斜核部，應(yīng)力差值越大，且在斷層帶附近，應(yīng)力產(chǎn)生異常，應(yīng)力差值較大，均在5.21MPa以上。

綜合模擬結(jié)果表明，在新莊地區(qū)地應(yīng)力隨著埋深的增加而增大，應(yīng)力機(jī)制在不同的深度可以預(yù)測：埋深小于650 m主要為SH，max>Sv>Sh，min，呈現(xiàn)走滑型應(yīng)力機(jī)制；650～900m以深Sv≥SH，max>Sh，min，表現(xiàn)為走滑型-正斷型應(yīng)力機(jī)制。新莊地區(qū)龍?zhí)督MC5煤層地應(yīng)力類型主要為走滑型-正斷型應(yīng)力機(jī)制。

觀音山井田覆蓋范圍較廣，最大水平主應(yīng)力呈南北向階段式分布，在等值線1 200m以上最大應(yīng)力值為5.7～13.0MPa；在1 000～1 200m，最大應(yīng)力值為15.7～18.4MPa；在600～1 000m，最大應(yīng)力值為18.4～23.9MPa。該區(qū)以正斷型應(yīng)力機(jī)制為主。

大井溝井田面積較小，呈南北向長條狀展布，區(qū)內(nèi)埋深較淺，最大應(yīng)力值較低，均不超過21.2MPa，在等值線1 000～1 200m，最大應(yīng)力值為18.4～21.2；在1 200～1 400m，最大應(yīng)力值為15.7～18.4MPa；1 400m以上最大應(yīng)力值為13～15.7MPa。該區(qū)以正斷型應(yīng)力機(jī)制為主。

墨黑井田南鄰大井溝井田，呈北東向展布，區(qū)內(nèi)幾乎不見斷層，最大應(yīng)力值較低，南東側(cè)應(yīng)力值不超過15.7MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力值處為15.7～20MPa，主要以正斷型應(yīng)力機(jī)制為主。

新莊向斜玉京山-高田普查區(qū)呈北東向狹長型展布，覆蓋范圍較廣，玉京山到高田之間被一巨大斷層所隔，斷層附近應(yīng)力變化異常，普查區(qū)最大應(yīng)力范圍處于13～26.6MPa，以正斷型應(yīng)力機(jī)制為主。

4 地應(yīng)力分布綜合分析

由于實(shí)測資料有限，為了更好地預(yù)測新莊地區(qū)的地應(yīng)力和分析地應(yīng)力特征，本人在新莊地區(qū)選取了10個(gè)點(diǎn)位，利用點(diǎn)位所在的實(shí)際高程-點(diǎn)位C5煤層底板高程-煤層厚度，約等于此點(diǎn)位的C5煤層埋深，再根據(jù)其在地應(yīng)力模擬分布云圖中的模擬結(jié)果進(jìn)行整理，結(jié)合最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂向應(yīng)力以及埋深，分析新莊地區(qū)地應(yīng)力特征。

4.1 水平主應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律預(yù)測

根據(jù)X7801號井位和選取的10個(gè)點(diǎn)位，一共11組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，預(yù)測結(jié)果：新莊地區(qū)四個(gè)井田最大水平主應(yīng)力為15.6～22.1MPa，平均18.85MPa；最小水平主應(yīng)力為12.04～19.5MPa，平均15.77MPa，垂向主應(yīng)力為14.2～23.2MPa，平均18.1MPa。根據(jù)應(yīng)力量級判定標(biāo)準(zhǔn)(SH，max>30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)；18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)；10～18MPa為中應(yīng)力區(qū)；0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū))[28]，新莊地區(qū)C5煤層整體以中—高應(yīng)力區(qū)為主。煤儲層水平主應(yīng)力與埋深呈近似線性正相關(guān)關(guān)系(圖8a和圖8b)。

對水平主應(yīng)力進(jìn)行線性回歸擬合，擬合結(jié)果為：

SH，max=0.0214h+3.3624

(4)

Sh，min=0.0218h+ 0.6050

(5)

式中：h為埋藏深度，m。公式(4)中相關(guān)系數(shù)0.935 4，公式(5)中相關(guān)系數(shù)0.778 7。

埋深與最大和最小水平主應(yīng)力回歸方程相關(guān)性系數(shù)均大于0.7，表明線性相關(guān)性強(qiáng)，其與煤層在4個(gè)井田內(nèi)的穩(wěn)定性有關(guān)，井田內(nèi)斷裂發(fā)育少，構(gòu)造位置大多位于向斜南東翼，受構(gòu)造活動影響較少，地應(yīng)力分布均衡。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(圖8c)，相關(guān)系數(shù)R2>0.8。

4.2 水平構(gòu)造應(yīng)力作用特征分析

在研究地應(yīng)力場變化規(guī)律時(shí)，側(cè)壓系數(shù)k常常用來描述某個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)。其反映的是水平應(yīng)力相對于垂向應(yīng)力的強(qiáng)弱，側(cè)壓系數(shù)定義為兩個(gè)水平主應(yīng)力的平均值與垂向壓力的比值[29]：

k=(SH，max+Sh，min)/2Sv

(6)

(a) (b) (c)(a)最大水平主應(yīng)力隨埋深的變化，x為最大水平主應(yīng)力，y為埋深；(b)最小水平主應(yīng)力隨埋深的變化，x為最小水平主應(yīng)力，y為埋深；(c)水平主應(yīng)力關(guān)系，x為最小水平主應(yīng)力，y為最大水平主應(yīng)力。R為相關(guān)系數(shù)。圖8 水平主應(yīng)力與埋深的關(guān)系Figure 8 Relationship between horizontal principal stress and buried depth

11組側(cè)壓系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖9a)：k值為0.82～1.02，平均為0.92，這一預(yù)測結(jié)果與鞠瑋等人在滇東地應(yīng)力分布研究中關(guān)于側(cè)壓系數(shù)的分析結(jié)果相一致[30-31]，具有一定的準(zhǔn)確性。淺部較離散，埋深越深越收斂，這與Brown and Hoek對全球各個(gè)地區(qū)的實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律相一致[32]，總體上隨埋深的增加而逐漸趨于集中。埋深650m以淺k值約大于1，大于650m值均小于1，由此結(jié)果可以預(yù)測當(dāng)埋深小于650m時(shí)，水平構(gòu)造應(yīng)力起主要作用，當(dāng)埋深大于650m時(shí)，垂向應(yīng)力作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

僅僅利用側(cè)壓系數(shù)來概括水平構(gòu)造應(yīng)力的作用特征比較單一，具有一定的局限性，綜合最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力之比更能反映水平構(gòu)造應(yīng)力作用的特征。通過對最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力之比的計(jì)算統(tǒng)計(jì)(圖9b)，SH，max/Sv約為0.92～1.11，平均為1.02。約以620m為界，該深度以淺，SH，max/Sv大于1，表明應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主；該深部以深，SH，max/Sv小于1，表明上覆巖層的自重作用開始逐漸顯露。這一預(yù)測結(jié)論與側(cè)壓系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律相一致，具有一定的科學(xué)依據(jù)。

4.3 水平主應(yīng)力間的關(guān)系預(yù)測

綜合上述研究，在淺部地層水平地應(yīng)力對地層起著主導(dǎo)和控制作用，因此研究水平應(yīng)力之間的關(guān)系可以進(jìn)一步認(rèn)識水平應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力比值隨埋深的變化如圖10a所示。結(jié)果表明，SH，max/Sh，min在1.2上下浮動，且隨埋深的逐漸增加變化不大，這與之前所探究的最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力具有高度相關(guān)性相吻合，也表明了井田內(nèi)水平主應(yīng)力的變化較穩(wěn)定，受構(gòu)造活動和斷裂影響較少，增加C5煤層的可采性，對整個(gè)研究區(qū)的應(yīng)力分布研究提供了一定的參考價(jià)值。

地層剪應(yīng)力狀態(tài)可以通過剪應(yīng)力的相對大小(￡)來表示[33]：

￡=(SH，max-Sh，min)/(SH，max+Sh，min)

(7)

剪應(yīng)力如若過大則會對煤層的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，通過計(jì)算分析(圖10b)，C5煤層￡值約為0.03～0.14，平均0.085，隨埋深的增加沒有明顯的變化規(guī)律，700m以淺，￡值變化較大，以深變化較小，整體看來有逐漸收斂的趨勢但是極不明顯，這與王艷華提出的觀點(diǎn)相一致[34-35]，￡值與深度沒有明顯關(guān)系，從而使得地層處于一種相對穩(wěn)定的力學(xué)狀態(tài)。

(a) (b)(a)側(cè)壓系數(shù)k隨埋深的變化；(b)最大水平主應(yīng)力/垂向應(yīng)力隨埋深的變化圖9 側(cè)壓系數(shù)k，最大水平主應(yīng)力/垂向應(yīng)力與埋深的關(guān)系Figure 9 Relationship between lateral pressure coefficient,maximum horizontal principal stress/vertical stress and buried depth

(a) (b)(a)水平主應(yīng)力比值隨埋深的變化；(b)剪應(yīng)力隨埋深的變化圖10 最大/最小水平主應(yīng)力，剪應(yīng)力與埋深的關(guān)系Figure 10 Relationship between maximum/minimum horizontal principal stress,shear stress and buried depth

5 結(jié)論

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，研究區(qū)水平最大主應(yīng)力為13～37.5MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，其中在區(qū)內(nèi)4個(gè)主要井田大部分最大水平主應(yīng)力為13～26.6MPa；研究區(qū)最小水平主應(yīng)力為9～33 MPa，四個(gè)主要井田應(yīng)力值處為9～25 MPa，整個(gè)區(qū)內(nèi)的高應(yīng)力都集中在東北部，低應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在南部邊緣。

2)通過數(shù)值模擬預(yù)測了我國滇東北新莊地區(qū)地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律：①水平最大主應(yīng)力SH，max與水平最小主應(yīng)力Sh，min隨埋深的增加呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性；②應(yīng)力狀態(tài)隨埋藏深度的變化而變化，650 m以淺為走滑應(yīng)力狀態(tài)，以深以走滑-正斷型應(yīng)力狀態(tài)為主；③經(jīng)過對水平構(gòu)造應(yīng)力特征分析，淺部地層以水平應(yīng)力為主，620 m以深垂向應(yīng)力開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

3)煤儲層地應(yīng)力受構(gòu)造作用、煤巖類型及埋藏深度等影響，斷層帶附近由于應(yīng)力得到一定的釋放，應(yīng)力值多小于周圍地區(qū)，且此區(qū)域水平應(yīng)力差值明顯大于其它區(qū)域，越靠近向斜核部應(yīng)力值越大，且水平應(yīng)力差值也越大。

4)綜合數(shù)值模擬結(jié)果及水平主應(yīng)力與埋深的關(guān)系預(yù)測，可以推斷我國滇東北新莊地區(qū)龍?zhí)督M煤層處在一個(gè)較為穩(wěn)定的區(qū)域，斷裂發(fā)育較少，地應(yīng)力變化規(guī)律，這可對此區(qū)域煤層氣的勘探開發(fā)提供一定的參考。但地應(yīng)力對煤層氣的氣井部署、施工以及成藏、滲透率等方面的影響是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，系統(tǒng)性且更為完善的地應(yīng)力研究對煤層氣的勘探開發(fā)以及實(shí)際指導(dǎo)施工具有重大意義。

致謝：感謝中國石油勘探開發(fā)研究院提供部分研究區(qū)地質(zhì)資料。