文章编号:100-1986(2001)01-0031-03
王文祥，杨武洋，唐方头 (煤炭科学研究总院西安分院，陕西西安 710054)摘要：介绍了地下两种物理性质不同的目的层，通过压裂前后地应力测量的成果图件，反映了人工裂隙在不同目的层中延伸方式和影响范围的差易，这种研究方法有可能为煤层气(油、气)开采时井位设计提供一些地质依据。 关 键 词：地应力；煤层；砂岩;DYL型地应力探测仪
中图分类号:P553 文献标识码:A
1 前言
在煤层气开采过程中，通常也使用石油开采的压裂技术手段和措施。由于煤层和砂体的物质成分、结构构造和物性参数不同，所处的构造单元不同，其地应力状态也不同，所以压裂时，裂隙延伸方向和影响范围以及地应力的分布状态也不一样。这就是本文所要探讨的，如何从压裂前目的层地应力的分布状态预计压裂后的压裂效果。
油砂
2 煤储层和砂岩储层物理性质
砂岩是油气的储集层，煤层既是煤层气的储集层，又是生气层。煤层和砂岩层的物理性质截然不同。(表1)从表中孔隙度、裂隙和比表面积等项参数可以看出，砂岩的连通性要比煤层好，这样在人工压裂过程中，人工裂隙延伸的方向性就有可能比较明显，不容易出现穿层现象，这是因为裂隙的产生往往容易发生在岩层连续性差的部位。而煤层中的压裂情况正好与砂岩层相反，其延伸方向不但与天然裂隙方向有关，而且往往与煤层中的割理方向有关。因此压裂延伸方向性在平面上一般表现不明显，并且在剖面上容易在顶、底板为砂岩层的部位出现穿层现象。
3 砂岩和煤层压裂前的应力状态
从大庆采油七厂×井含油砂体压裂前使用DYL型地应力探测仪[1,2]测量的应力分布状态可知，地应力值基本一样，地应力状态分布均匀，可以推知砂体中天然裂隙不发育。图1、2是淮南新集煤矿×煤层上方砂体和该煤层压裂前的应力状态等值线图。从该图中可以看出，砂体中天然裂隙局部发育，裂隙方向基本是其长轴展布的NE方向，煤层和其上方的砂体天然裂隙发育基本一致，所以两个图形具相似性，地应力状态分布与大庆采油七厂砂体的应力状态分布相比较是不均匀的。在高值区的部位，一般裂隙不发育，在压裂过程中，目的层不容易
表1 煤与砂岩储层物理性质对比表
参数常规砂岩煤 层
二维液相谱好和很好:15～25
孔隙度/%中等:10～15除最低阶的煤层外，一般小于10
差:5～10
孔隙大小/mm大小不一多为中孔(20×10-10～200×10-10和微孔(<20×10-10)，多属微毛细管范围孔隙结构单孔隙结构或双重孔隙结构双重孔隙结构
裂隙发育或不发育独特的割理系统
渗透性高低不等；通过岩石测定渗透率;
对应力不敏感；开采过程稳定
一般低于1×10-3L m2；求渗透率不能单靠岩心测定；对应力很敏感；随开采时
间延长，有变好的趋势；强烈的不均匀性。
毛管应力可以成为油气排除的动力或阻力微毛细管发育，使人为的相对渗透率急剧下降；使煤保持较高的束缚水饱和度；使气的相对渗透率保持在较低的水平
比表面积/m2・g-1一般为15000100～400
断裂可以起圈闭作用可起连通作用，提高渗透率
层中水推进油气的产出阻碍油气的产出
收稿日期:2000-02-22
作者简介：王文祥(1947—)，男，河北廊坊人，煤炭科学研究总院西安分院高级工程师，地质学.
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31・
第29卷第1期2001年2月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY&EXPLORATI ON
图1 新集煤矿×煤层上方砂体压裂前地应力等值线图
被压开。而在低值区的部位，一般裂隙比较发育，裂隙中多充填水或气体，当井位设计在低值区时，在压裂过程中，目的层很容易被压开。这样在压裂过程中，人工裂隙就往往会趋低(应力低值区)避高(应力高值区)地进行延伸，压裂效果明显，但这种现象是否有利于煤层气的开采，还有待于经过大量实践才能得出结论。
4 砂岩和煤层压裂后探测剖面上的应力状态文中图3表明了砂体压裂后在剖面上的应力状态；图4
是煤层压裂后在剖面上的应力状态分布图。
图2 新集煤矿×煤层压裂前地应力等值线图
从这两个图件上可以看出：目的层经人工射孔、压裂后，一般由于砂体中天然裂隙不发育(发育的砂体情况与此相反)，人工裂隙发育比较规则，很少有穿层现象；但在煤层中，由于煤层(不包括粉煤)中特
殊的割理、端割理和与某些构造方向有关的天然裂隙的存在，所以在压裂过程中，人工裂隙的形成和延伸多与这些有关，而出现分布不均匀、不规则的现象，另外由于割理或天然裂隙的导通作用，在人工裂隙形成的过程中，也容易出现穿层进入煤层顶底板砂体双列角接触球轴承
的现象。
图3 子北油
控制器外壳
田砂体压裂后在剖面上裂隙延伸范围示意图
图4 新集煤矿煤层压裂后某测线剖面上的地应力状态分布图
・32・煤田地质与勘探第29卷
图5 子北油田砂体压裂后裂隙延伸范围
在平面上分布示意图
5 砂岩和煤层压裂后在平面上的裂隙影响范围
电脑美甲机图5、6是目的层压裂后裂隙发育程度在平面上的分布状态。该图来源于各测线剖面上的数据统计。统计的机理和方法如下:5.1 统计的机理
目的层经过压裂后，在单位体积内微裂隙、小裂隙发育的详细情况，是不可能像人们在地表或井下通过直接统计来对其进行描述。人们只能通过间接的办法来对其进行综合性研究。按照一般规律，煤层或砂体在压裂之后，裂隙越发育，充水后的地质体电阻率就越低；原地应力被破坏，地应力值也就越低。这两个条件都会造成DYL 仪作地应力探测时所探测的电压数据值低。由于仪器探测的步长是1m，在这1m 范围内煤层或砂体内裂隙的发育程度和压裂后地应力值的大小就决定了仪器探测时所接收的电压值的大小。这样我们就可以用某一测点处某一深度段内(这里指目的层所在深度段)所探测的电压平均值来近似表示该测点下面目的层中单位地质体内裂隙的发育程度。电压值越高，一般反映裂隙越不发育；反之，则裂隙发育较好。
5.2 统计处理方法
一般仅统计目的层有效厚度(煤层指煤层的厚度，砂体指压裂段内砂体的厚度)内的数据平均值作为该层位压裂后裂隙在该测点附近发育的程度。统计和成图都由微机来完成。
从1993年起至1999年,
我们先后在油田上作
图6 新集煤矿X 煤层压裂后裂隙延伸范围的平面分布
了几十口油井油层压裂范围的探测。砂体压裂后裂隙延伸的范围，在平面上的展布形态一般都比较简单，形态较规整，有的呈圆形，有的呈椭圆形，有的呈近似椭圆形，有的呈不规则的图形。(图5)其长轴的方向多与天然裂隙的方向一致。但1999年在新集煤矿从探测的几个煤层压裂效果看，明显与砂体的压裂效果不一样。煤层的压裂效果在平面上展布的形态不规整，压裂后天然裂隙的方向不如压裂前反映明显，裂隙在各部位发育表现不均衡，多呈团块状。
我们分析，其团块状可能与天然裂隙、割理发育比较集中的部位有关。(图6)6 结论及建议莫氏变径套
上述压裂前、后目的层地应力分布的形态特征与砂体和煤层的物理性质有着内在的联系。从中可以得出如下两点结论:
a . 压裂时目的层的物理性质决定着压裂效果(裂隙的延伸方向、发育程度和影响范围)。
b . 同一目的层，井位附近压裂前地应力的分布状态决定该井压裂后的效果。
建议在压裂前需要提前了解目的层的应力状态、天然裂隙发育方向和发育程度，预计压裂效果和了解压裂后的效果，根据实际情况设计下一个井位的距离和压裂方案，这样才有可能最大限度地开发地下的煤层气(油、气)资源。参考文献
[1] 王文祥，唐方头，杨武洋等.深部地应力探测技术理论探讨[J ]
地球物理学进展,1999,14(3):89～100.
[2] 王文祥，唐方头，杨武洋等.浅析DYL 型地应力探测仪工作原
理及应用效果[A ].地壳构造与地应力文集[C ],1998.160～171.
Pr eliminary analysis on stress state in fr ont of and after fracturing of coal seam and sandstone
WANG Wen-xiang YANG Wu-yang T ANG Fang-tou(Xi ′an Branch,CCRI,Xi ′an 710054,China)
Abstr act :The maps of str ess measur em ent s for two physically different tar get seams in front and after fractur ing ar e pr esented .The maps show differ ences of extending ways and influence scopes of ar tificial fr act ur es in two different sea ms .This method pr o-vides some useful geological infor mation for well design in coalbed methane (oil ,gas )development .Key wor ds :stress;coal seam;sa ndstone;DYL type of str ess measurement instr ument
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33・第1期王文祥，杨武洋等：浅析煤层 砂岩及压裂前后的地应力状态
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