张重远等—RMRE: 利用水压致裂和成像测井评价煤层气储层地应力状态和应力非均质性

　　了解固体地球的地应力状态对于理解板块驱动机制、断层相互作用、自然或人为地震发生以及非常规能源开发具有重要意义。准确理解应力对于评估和开发煤层气储层至关重要。煤层气（CBM）主要通过吸附在煤上储存在煤层中，通常需要水力压裂来提高储层渗透率及其产量。地应力状态及其非均质性影响裂缝、流体在储层中的活动、运移方式。随着现场应力大小的增加，这种影响变得越来越明显。因此，有必要利用现场测量来了解储层应力信息。山西省长治盆地西北部煤层丰富，煤层气资源丰富，是中国最重要的产煤区之一。然而，虽然很多学者在该地区的研究获得了煤田巷道附近的地应力状态，并没有深入了解应力随深度的分布特征。由于地质环境的复杂性，地应力场也往往有些不一致和不均匀，理解和量化这种非均质性是地应力应用的关键。

　　研究表明，在山西常村煤矿区，逆冲断层和走滑断层应力状态从浅到深发展，SHmax的主要方向为N38.7°±7.3°E，这与区域构造应力场的背景是一致的。成像测井提供了三种可靠的、充足的地应力方向指标（图1）。受钻孔破裂约束的SHmax幅度高于水力压裂法测量的量值，无论其不确定性如何，这为SHmax提供了上限范围。主应力剖面表明，研究区储层处于受摩擦系数0.6-1.0限制的临界应力状态（图2）。然而，地应力方向也表现出随深度的不均匀性，分别在断层和煤层附近向N72°E和N75°E移动，与平均SHmax方向相差约33.3°和36.3°。我们推测，这种应力变化与岩石刚度的突然变化有关（图3）。有趣的是，非均质岩性导致了泥岩钻孔发生压缩破坏，而砂质泥岩钻孔发生拉伸破坏，表明了岩体强度对钻孔破坏模式的敏感性。最后，使用莫尔-库仑破坏准则来评估煤层气水力压裂增产作业中不同孔隙压力下储层裂缝复活的可能性（图4）。结果表明，尽管天然裂缝在当前地应力状态下总体稳定，但重新激活它们的临界孔隙压力相对较低，可能有利于压裂开采。

　　本研究结果具有一定的启发意义：

　　（1）根据以往的经验，井壁破坏对大深度（数千米）钻孔水力压裂应力测量的SHmax约束具有重要意义。然而，本研究表明，浅钻孔中的应力测定可以依靠水力压裂和井筒破坏的组合约束方法。因此，成像测井技术在浅孔（如小于1000米）应力测量中的作用值得期待。

　　（2）水压致裂和成像测井可以分别可靠地约束应力的大小和方向，增加地应力信息的数量和可靠性，进而准确刻画储层中潜在的应力非均质性，这将在密切依赖地应力数据的水力压裂增产作业（如煤层气生产）中发挥重要的支持作用。

　　因而，本研究提供了一种值得借鉴的工作方法和技术流程，可以更好地评估浅井水力压裂和成像测井方法在地应力方面的准确性和非均质性。

　　研究成果近期发表在岩石力学与工程Top期刊《Rock Mechanics and Rock Engineering》上（Zhang, C., Xu, J., Wang, H. et al. Evaluating In-Situ Stress State and Stress Heterogeneity by Hydraulic Fracturing and Image Logging in Changcun Coalbed Methane Area, North China. Rock Mech Rock Eng (2024). https://doi.org/10.1007/s00603-024-04256-z）。张重远研究员为本文第一作者。本研究工作由国家自然科学基金（No. 42177175, 41807222）和院所长基金（No. DZLXJK202204）联合资助。

　　 

　　图1 基于孔壁失稳的地应力方向随深度变化特征

　　 

　　图2 基于水压致裂测量和成像测井约束的地应力剖面

　　 

　　图3 依赖岩性变化的应力状态非均质性

　　 

　　图4 煤层气储层裂隙在不同孔隙压力下活动性评估