深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.6.26

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 344-357.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.26

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深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理

唐志潭¹(), 刘敬寿¹^,²^,^*(), 闫霞³^,⁴, 冯延青³^,⁴, 蒋恕¹, 张滨鑫², 张冠杰¹, 付一鸣²

1.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北武汉 430074
2.中国地质大学(武汉) 资源学院, 湖北武汉 430074
3.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司, 北京 100095
4.中石油煤层气有限责任公司, 北京 100028

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-06-22 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
通信作者: * 刘敬寿(1989—),男,教授,博士生导师,主要从事油区构造解析、储层地质力学方面的教学与科研工作。E-mail: liujingshou@126.com
作者简介:唐志潭(2000—),男,硕士研究生,主要从事储层地质力学、储层裂缝等研究工作。 E-mail: tzt1251960927@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(42102156);山东省自然科学基金项目(ZR2020QD035);中国地质大学(武汉)“地大学者”人才岗位科研启动项目(2022046)

The control mechanism of deep coal rock microstructure on in situ stress

TANG Zhitan¹(), LIU Jingshou¹^,²^,^*(), YAN Xia³^,⁴, FENG Yanqing³^,⁴, JIANG Shu¹, ZHANG Binxin², ZHANG Guanjie¹, FU Yiming²

1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
2. School of Earth Resources, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
3. Zhonglian Coalbed Methane National Engineering Research Center Co., Ltd, Beijing 100095, China
4. PetroChina Coalbed Methane Co., Ltd, Beijing 100028, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-06-22 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

深部煤层气的勘探开发不能简单套用浅部煤层气的勘探开发理论,原因之一在于深煤层地应力制约了煤层气的吸附/解析、渗流等过程,决定了煤层裂隙的有效性,并影响着水平井轨迹设计。因此,开展深部地应力变化规律研究对煤层气的勘探开发具有重要意义。本文以鄂尔多斯盆地大吉区块为例,利用阵列声波测井、微地震监测数据和岩心测试等资料,综合考虑深层煤岩微构造类型与产状、边界应力条件和顶底板岩石力学性质组合等因素,利用ANSYS有限元软件,建立微构造三维地质力学模型,全面分析了微构造的类型、产状和对煤层应力的控制机理。研究结果表明:煤层微构造越平缓,应力分布越均匀,反之应力越容易集中;煤层微构造产状对煤层应力的影响主要为:随着煤层微构造曲率的增大,挠曲处水平应力差会随之增大,且挠曲处周缘水平最小主应力也会越集中。由微构造类型与煤层力学性质、顶底板岩性、边界应力条件等因素交叉模拟得到,正向微构造下的煤层应力与泊松比呈正相关,与杨氏模量呈负相关,而负向微构造则相反。当顶板为灰岩时,煤层应力大小受微构造类型变化影响比顶板为砂岩时更显著。区域应力大小对深部煤层应力的影响相对较小。论文研究成果可为深部煤层地应力成因机制分析、煤层气高效开发和地质工程一体化实践提供有益的参考。

关键词: 微构造, 地应力, 深层煤岩, 大吉区块, 有限元模拟

Abstract:

The theory of shallow coalbed methane (CBM) exploration and development cannot be directly applied to deep CBM partly due to the effect of in situ stress. In situ stress in deep coal beds restricts the process of CBM adsorption/desorption and seepage, determines the effectiveness of coalbed fissures, and affects the design of horizontal well trajectory. Thus the pattern of in situ-stress change in deep coal seams is of great significance to the exploration and development of CBM. In this paper, taking the Daji block in Ordos Basin as an example, using data from array acoustic logging, microseismic monitoring, and core testing, considering the microstructure types and attitude, boundary stress conditions, and combination of mechanical properties of top and bottom slabs, we established a three-dimensional geomechanical microstructural model of deep coal beds by using ANSYS finite element software to comprehensively analyze the control mechanism of microstructure types and attitute on in situ stress in deep coal beds. Results show that with smoother microstructure the stress distributes more uniformly; conversely, the stress concentrates more easily. The influence of the attitute of microstructure on in situ stress in coal seams is mainly as follows: as the curvature of the microstructure increases, the differential horizontal stress at the bending point increases, and the minimum principal stress increasingly concentrates around the bending point. According to cross-simulation between microstructure type and mechanical properties of coal seam, lithology of top/bottom slabs, and boundary stress conditions, in situ stress under positive curvature is positively correlated with Poisson’s ratio and negatively correlated with Young’s modulus, whereas the opposite is true under negative curvature. Compared to with sandstone top slab, the magnitute of in situ stress in coal seams with limestone top slab is more significantly affected by the change of microstructure type. The magnitude of the regional stress has relatively small influence on in situ stress in deep coal seams. The research results provide an useful reference for the genetic analysis of in situ stress in deep coal beds, and for the efficient development of coalbed methane and the practice of geoengineering integration.

Key words: microstructure, in situ stress, deep coal rock, Daji Block, finite element simulation

中图分类号:

P618.13

唐志潭, 刘敬寿, 闫霞, 冯延青, 蒋恕, 张滨鑫, 张冠杰, 付一鸣. 深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 344-357.

TANG Zhitan, LIU Jingshou, YAN Xia, FENG Yanqing, JIANG Shu, ZHANG Binxin, ZHANG Guanjie, FU Yiming. The control mechanism of deep coal rock microstructure on in situ stress[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 344-357.

图/表 20

图1 研究区位置及地层柱状图(据文献[24]修改)

Fig.1 Location and stratigraphic column diagram of the research area. Modified after [24].

图2 微构造类型示意图(据文献[10]修改)

Fig.2 Rockbed microstructure types. Modified after [10].

图3 三维微构造地质力学模型示意图

Fig.3 Three-dimensional models of microstructure types

图4 基于测井曲线的应力模拟方案设计图 a—基于阵列声波测井的岩石力学强度测井分析;b—研究区煤层所处的现今地应力频率分布图;c—边界应力数值模拟方案。

Fig.4 Stress simulation based on logging curves. (a) Rock mechanical strength logging analysis based on array acoustic logging. (b) Current geostress frequency distribution map of coal seams in the research area. (c) Numerical simulation scheme for boundary stress.

图5 地质力学模型及应力分布图 a—研究区地质力学模型应力加载示意图;b—煤层三维应力分布图。

Fig.5 Geomechanical model and stress distribution diagram for the study area. (a) Stress loading in the geomechanical model. (b) 3D stress distribution map of coal seam.

图6 基于测井曲线的力学性质模拟方案设计图 a—基于阵列声波测井的岩石力学参数测井解释;b—煤层泊松比与杨氏模量频率分布直方图;c—岩石力学实验数值模拟方案。

Fig.6 Mechanical property simulation based on logging curve. (a) Rock mechanics parameter logging interpretation based on array acoustic logging. (b) Histograms of coal seam Poisson’s ratios and Young’s modulus. (c) Numerical simulation scheme for rock mechanics experiments.

图7 不同类型微构造对应的煤层最小水平主应力(左)及应力差分布图(右)

Fig.7 Distribution of minimum horizontal principal stress (left) and stress difference (right) in reservoirs under different microstructure types

图8 不同产状微构造下的煤层最小水平主应力(左)及应力差(右)分布图

Fig.8 Distribution of minimum horizontal principal stress and stress difference in reservoirs under different attidutes of microstructure

图9 力学参数对各类型微构造应力影响的拟合曲线 a—相同类型、相同杨氏模量、不同泊松比下的煤层应力;b—相同类型、相同泊松比、不同杨氏模量下的煤层应力。

Fig.9 Fitting curves showing the influence of mechanical parameters on stress with same stress type under different microstructure types

表1 不同类型微构造下泊松比与煤层最小水平应力的公式和拟合度

Table 1 Formulas and R-squared values relating Poisson’s ratio and minimum horizontal stress of coal seam under different microstructure types

微构造类型	公式	R²
类型1	y=-2.031 9x+7.579 9	0.995 6
类型2	y=-2.027x+3.973 2	0.995 9
类型3	y=-0.837 7x+4.070 7	0.791 4
类型4	y=-1.634 4x+1.240 7	0.994 6
类型5	y=0.425x+1.573	0.994 5

表2 不同类型微构造下杨氏模量与最小水平应力的公式和拟合度

Table 2 Formulas and R-squared values relating Young’s modulu and minimum horizontal stress under different microstructure types

微构造类型	公式	R²
类型1	y=5×10^-11x+0.344 2	0.968 5
类型2	y=1×10^-10x-3.819	0.917 2
类型3	y=-1×10^-10x+2.784 2	0.972 3
类型4	y=2×10^-10x-6.073 7	0.955 7
类型5	y=-2×10^-10x+5.406	0.966

图10 力学参数与微构造类型对应力影响的拟合曲线 a—相同泊松比、不同杨氏模量、不同类型下煤层应力;b—相同杨氏模量、不同泊松比、不同类型下煤层应力。

Fig.10 Fitting curves showing the influence of mechanical parameters on stress with variable stress type under different microstructure

表3 不同杨氏模量下微构造类型与最小水平应力的公式下和拟合度

Table 3 Formulas and R-squared values relating microstructure type and minimum horizontal stress under different Young’s modulus

杨氏模量	公式	R²
10	y=0.758 9x²-4.193 7x+4.195 8	0.258 3
20	y=0.796 1x²-4.718 6x+5.292 2	0.450 8
25	y=0.646 1x²-2.932 8x+4.323 67	0.616 3
30	y=0.427 8x²-2.932 8x+4.236 7	0.896 5
35	y=0.161 1x²-1.574 1x+3.250 7	0.705 9

表4 不同泊松比下微构造类型与最小水平应力的公式和拟合度

Table 4 Formulas and R-squared values relating microstructure type and minimum horizontal stress under different Poisson’s ratios

泊松比	公式	R²
0.275	y=0.390 9x²-3.272 8x+8.171 7	0.525 7
0.300	y=0.763 5x²-5.060 3x+7.978	0.568 3
0.330	y=0.874 3x²-5.081 7x+5.404	0.353
0.350	y=0.966x²-5.111 4x+3.404 5	0.345 2
0.365	y=1.047 9x²-5.143 2x+1.7	0.371 7

图11 顶底板组合与微构造类型对应力影响拟合曲线 a—相同类型、相同位置、不同顶底板组合下煤层应力;b—相同位置、相同顶底板组合、不同类型下煤层应力。

Fig.11 Fitting curves showing the effect of top/bottom plate combination and microstructure type on stress

表5 不同顶底板组合下微构造类型与煤层最小水平应力的公式和拟合度

Table 5 The formula and fitting degree of the microstructure type and the minimum horizontal stress of the coal seam under different combinations of roof and bottom plate

顶底板	公式	R²
顶砂底砂	y=-0.469 1x²+1.710 7x+2.057	0.351 6
顶灰底砂	y=-0.850 4x²+4.527 3x-4.158 6	0.344
顶灰底灰	y=-0.862x²+5.645 2x-8.374	0.402 4
顶砂底灰	y=-0.62x²+2.588x+0.086	0.356 4

表6 不同微构造类型下顶底板组合与煤层最小水平应力的公式和拟合度

Table 6 Formulas and R-squared values relating roof/floor combination and minimum horizontal stress under different microstructure types

微构造类型	公式	R²
类型1	y=2.392x²-12.659x+1.966	0.878 4
类型2	y=1.368x²-7.243 2x+10.965	0.860 1
类型3	y=0.413 4x²-2.419 4x+1.431	0.985 2
类型4	y=0.612 5x²-3.301 5x+7.672 5	0.968 9
类型5	y=0.102 5x²-0.811 5x-1.852 5	0.249 1

表7 不同微构造类型下边界最大水平应力与煤层最小水平应力的公式和拟合度

Table 7 The formula and fitting degree of the maximum horizontal stress of the boundary and the minimum horizontal stress of the coal seam under different microstructural types

微构造类型	公式	R²
类型1	y=-0.005x²-0.007x-1.14	0.994 3
类型2	y=0.084x+2.058	0.966 6
类型3	y=-0.010 8x²-0.013 6x-0.870 4	0.994 7
类型4	y=0.010 7x²-0.027 3x+3.862	0.975 6
类型5	y=-0.027 1x²-0.037 1x-2.346	0.994 7

图12 边界应力条件与微构造类型对应力影响拟合曲线 a—相同类型、相同边界最小水平应力、不同边界最大水平应力下煤层应力;b—相同类型、相同边界最大水平应力、不同边界最小水平应力下煤层应力。

Fig.12 Fitting curves showing the influence of boundary stress condition and microstructure type on stress under different microstructure types

表8 不同微构造类型下边界最小水平应力与煤层最小水平应力的公式和拟合度

Table 8 Formulas and R-squared values relating minimum horizontal stresses at boundary and coal seam under different microstructure types

微构造类型	公式	R²
类型1	y=-0.005 7x²-0.013 7x-1.108	0.952 1
类型2	y=0.008 6x²+0.024 6x+2.14	0.947
类型3	y=0.004 3x²-0.001 7x-1.114	0.958 1
类型4	y=0.032 1x²+0.092 1x+3.15	0.947
类型5	y=0.004 3x²+0.020 3x-2.958	0.939 3

参考文献 30

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