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建材发展导向2018年第18期120人们都知道，地球的公转以及自传时时刻刻都在进行，同时在地球运动的过程中，还会产生很多天然的应力，这种应力在地层中的破坏力以及能量都比较大。
原岩应力属于潜藏在未受到地层干扰中的一种天然的应力。
人们在挖掘井下巷道时，就会被扰动，从而在巷道中出现一种新的应力。
此时的应力就被称之为次生应力。
煤矿在开采的过程中，需要做好巷道德掘进工作，同时，还需要对工作面进行回采处理，和其他的地下工程采矿工作一样，对该项工作进行研究具有非常重要的意义。
1 地应力概述所谓的地应力，又可以将其称为岩体的初始应力以及绝对应力，也就是潜藏在没有被干扰的地层中的天然应力。
地球的公转以及自传、地球内部应力、地幔热对流、地心引力、板块边界受压等地球的各种运动过程是产生地应力的主要原因。
在目前存在的这些地应力中，构造应力以及重力应力是其中的重要内容，人们在进行井下巷道挖掘工作时，就会干扰到原始的应力，并且在巷道中形成一种新的应力。
岩石所表现出的力学特征以及地应力场都能够直接影响到煤矿井下巷道围岩的矿压特征。
1.1 原岩应力原始岩石应力也称为绝对应力和初始应力。
它通常在采煤前留在岩体中。
应力的原因通常包括构造运动，岩体质量和地质构造应力。
1.2 开采中地应力地应力场的变化与工程有直接关系。
如果岩石受到压力损坏，将影响项目的正常运行。
因此，在设计矿山并支持设计时，必须准确掌握地应力的方向和大小。
重要信息，在开采煤矿的过程中，大多数挖掘工程都会影响周围的地面应力而不是岩石的强度。
在煤矿建设中，如果能够全面分析地应力，可以在很大程度上避免地应力。
岩石造成的破坏确保了道路的稳定性。
2 煤矿开采中地应力的特点分析随着社会经济的不断发展，科学技术也不断提高，人们对矿山工程地应力的认识也在不断提高。
人们对采矿工程中的地应力有一定的了解，并对项目可能的地应力进行了大量的检查，为研究煤的地应力特征提供了一定的技术依据。
第36卷第1期煤 炭 学 报V o.l 36 N o .1 2011年1月J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETYJan .2011文章编号:0253-9993(2011)01-0065-05地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响唐书恒1,朱宝存1,颜志丰2(1 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083;2 河北工程大学资源学院,河北邯郸 056038)摘 要:以晋城矿区西部3号煤层的地应力及煤岩的力学性质数据为基础,采用数值模拟方法求解了不同地应力条件下井壁处及天然裂缝缝端的破裂压力,分析了地应力对水力压裂起裂压力、起裂位置的影响。
研究发现:起裂压力和起裂位置不但与地应力方位有关,而且与地应力大小有关;随水平主应力差系数增大,天然裂缝与最大水平主应力间的夹角对破裂压力的影响程度增大。
对于晋城矿区西部3号煤层,当水平主应力差系数大于0 84时,易产生较为平直的水力主缝;小于0 47时,易于产生网状裂缝;在0 47~0 84时,起裂方位与天然裂缝的分布有关。
不同地区,用于判断起裂方位的水平主应力差系数不同。
关键词:地应力;煤层气井;水力压裂;天然裂缝;破裂压力;起裂方位中图分类号:TE357 1 文献标志码:A收稿日期:2010-06-23 责任编辑:韩晋平基金项目:国家科技重大专项课题(2008ZX05034-003);国家自然科学基金资助项目(40972108);国家863计划专题课题(2006AA 06Z235);长江学者和创新团队发展计划(IRT0864)作者简介:唐书恒(1965 ),男,河北正定人,教授。
T e:l 010-********,E -ma i :l t angsh @cugb edu cnE ffect of crustal stress on hydraulic fracturi ng in coalbed m ethane w ellsTANG Shu heng 1,ZHU Bao cun 1,YAN Zhi feng2(1 S chool o f En e rgy R esou rces ,China Un i versit y of G eoscie nces (Be i jing ),B eiji ng 100083,China;2 School of R esou rces ,H e bei Un i versit y of E ng ineeri ng,H andan 056038,Ch i na )Abst ract :The crusta l stress and m echan ics properties data fro m No 3coa l sea m in the w estern Ji n cheng m i n i n g area w ere ana l y zed .W ith a fi n ite e le m entm ethod ,the f o r m ation fracture pressure at bo reho le w alls and natural fracture tips under d ifferent conditi o ns o f crusta l stress w as ca lculated .The effect o f crusta l stress on i n itiation pressure and azi m uth w as ca lculated .Initiation pressure and azi m u t h are related w ith the m agn itude and direction of cr ustal stress .The i n fl u ence degree of the ang le bet w een a natural fracture and the m ax i m um horizontal princi p al stress on fracture pressure i n creases w ith i n creasi n g princ i p al stress difference coeffic ien.t In No 3coal sea m in the w estern Jincheng m ini n g are a ,hydrau lic m a i n fractures are easy to occur when the coefficient exceeds 0 84,net li k e fractures are easy to occur w hen t h e coeffic i e nt is less than 0 47,and i n itiation azi m uth is related w ith natural fracture distri b ution w hen the coef ficient is bet w een 0 47and 0 84.I n difference areas ,the coeffi c ient used to analyze t h e i n itiati o n azi m u t h is differ ence .K ey words :cr ustal stress ;coa l bed m ethane ;hydrau lic fracturi n g ;natural fractures ;fracture pressure ;i n iti a ti o n azi m uth 地应力条件不仅对于煤储层渗透性具有重要的影响[1-2],同时,地应力大小和方向也是控制煤层气井水力压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态的重要参数。
基于地质工程一体化的煤层气储层四维地应力演化模型及规律刘英君;朱海燕;唐煊赫;孙晗森;张滨海;陈峥嵘【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2022(42)2【摘要】重复压裂是缓解煤层气产量下降,提高采收率的有效方法之一。
为了解决传统三维静态模型无法预测强非均质性储层在生产过程中地应力变化的问题,以沁水盆地东南部煤层气储层为例,围绕煤层气开采条件下渗流—应力耦合的四维地应力演化问题,创建了煤层气藏有限差分渗流矩形正交网格和有限元地质力学三维四面体网格的数据动态相互映射子程序,结合煤岩储层的非均质性和煤层气藏地质模型,建立了基于地质工程一体化的煤层气储层四维地应力多物理场耦合模型。
研究结果表明:①地应力反演结果与现场测试结果误差小于8%,证明了本文提出的四维地应力模型具有较高的计算准确度;②经过14年的开采,目标区内孔隙压力下降了约0.70 MPa,最大水平主应力下降了1.14~1.54 MPa,最小水平主应力下降了1.79~1.87 MPa;③天然气产量较高的井周附近,地应力方向有明显偏转;对比6口重复压裂备选井地应力变化强弱,P9井地应力偏转程度高,对该井3#煤层重复压裂施工,取得了较好的增产效果。
结论认为,研究成果可为煤层气等非常规油气藏的排采制度调整、加密井井壁稳定性分析、重复压裂优化设计等提供技术支撑和借鉴。
【总页数】11页(P82-92)【作者】刘英君;朱海燕;唐煊赫;孙晗森;张滨海;陈峥嵘【作者单位】中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室;“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学;中海油研究总院有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】P61【相关文献】1.煤层气储层地应力场宏观分布规律统计分析2.地质工程一体化钻井技术研究进展及攻关方向——以四川盆地深层页岩气储层为例3.晋中煤层气储层工程地质特征分析4.地质工程一体化钻井技术研究进展及攻关方向——以四川盆地深层页岩气储层为例5.致密油水平井注采储集层四维地应力演化规律--以鄂尔多斯盆地元284区块为例因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
1、煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体；煤层气爆炸范围为5—15%2、煤层气的主要成分甲烷、二氧化碳、氮气3、煤层气储层是（基质）孔隙、裂隙双重介质结构4、煤层气的赋存状态吸附态（80-90%），游离态（20%-10%）、水溶态（5%以下）。
游离态煤层气以自由气体状态储积在煤的割理和其他裂缝空隙中，在压力的作用下自由运动5、煤层气的产出机理：通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，使吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。
即排水－降压－解析－扩散－渗流煤层气的运移方式：微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝6、在煤体的大孔和裂隙中，煤层气流动是以压力梯度为动力，其运移遵循达西定律；而在微孔结构中，煤层气流动是以浓度梯度为动力，运移遵循菲克定律。
7、井底压力：是指煤层气井储层流体流动压力8、压降漏斗：由于排水降压，供水边界到井底洞穴形成压差,其压差形状为漏斗状曲面,该曲面被称为压降漏斗，由于洞穴压力最低，煤层气定向解析，扩散，渗流和运移至洞穴。
排采时间越长，压降漏斗有效半径越大，其影响范围逐渐增加。
9、吸附：煤层气分子由气相赋存到煤体表面的过程。
10、煤中自然形成的裂缝称为割理；割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理；另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理11、达西定律：Q=KA△h/L式中Q为单位时间渗流量，A为过水断面面积，△h为总水头损失（高度差），L 为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗流系数。
关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。
从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面A的乘积，即Q＝Av。
菲克定律：菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大12、临界解吸压力：对于未饱和煤层气藏，只有压力下降到含气量吸附等温线上，气体才开始解吸，该压力称为临界解吸压力。
煤层地应力范围
煤层地应力范围是指煤层下覆岩层和上覆岩层对煤层所产生的压力，其大小和分布与煤层埋深、煤层厚度以及岩层性质等因素密切相关。
煤层地应力范围的研究对于煤矿安全、煤层气开采和地质灾害等领域具有重要意义。
煤层地应力范围研究主要包括应力场特征和规律、应力强度计算和应力变化规律等方面。
其中，应力场特征和规律研究主要涉及煤层地应力分布的空间特征和变化规律，例如煤层内部应力分布的非均匀性、煤层挤压和剪切等作用形成的应力场特征等；应力强度计算研究则是针对煤层地应力场参数的测定和计算，例如应力测量方法和应力解析法等；应力变化规律研究则是针对煤层地应力随时间和空间变化的规律性分析，例如煤层开采和煤层气抽采等作用对应力场的影响及其机理等。
总体而言，煤层地应力范围的研究对于煤矿生产、煤层气开采和地质灾害等领域具有重要意义，煤矿企业应当关注煤层地应力范围的研究进展并加强煤矿安全管理，以确保煤矿工人的生命财产安全。
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地应力地温场中煤层气富集区高精度定量预测的力学方法李志强;鲜学福;黄滚【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2012(037)0z2【摘要】针对当前我国煤层气富集区预测中预测位置不准、难以定量化描述、精度不高等不足,提出了地应力地温场中煤层气富集区定量预测的力学方法.建立了应力、温度影响下的煤层气压力预测方程、含气量预测方程,预测方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含气量、孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力进而影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率进而影响游离量,温度还通过影响吸附常数b影响吸附量.以重庆沥鼻峡盐井矿区为研究区,进行了Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下的煤体甲烷等温吸附实验和不同埋深的孔隙率测定实验.实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高线性减小.以实验为基础,结合现场实测数据和实际地质资料,定量化预测了矿区煤层气含气量分布.以煤层气含量为判别指标,按照富集程度不同,将研究区划分为两级富集区.预测方法克服了以往煤层气富集区预测定性描述、预测不准和精度不高的不足.【总页数】6页(P395-400)【作者】李志强;鲜学福;黄滚【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TD713.2;P618.11【相关文献】1.地应力地温场中煤层气富集区高精度定量预测的力学方法 [J], 李志强;鲜学福;黄滚;2.地应力、地温场中煤层气相对高渗区定量预测方法 [J], 李志强;鲜学福;徐龙君;贾东旭3.煤层气富集区地球物理综合评价方法研究——以长治地区为例 [J], 谭青松;周然然;崔瑾;郭增强;曹成有;殷亮亮4.低阶煤煤层气富集区预测方法研究与应用 [J], 罗忠琴;刘鹏;孟凡彬5.基于D-S证据理论的地震多属性融合方法在煤层气富集区预测中的应用(英文) [J], 祁雪梅;张绍聪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
成绩中国矿业大学2015级硕士研究生课程考试试卷考试科目煤层气与页岩气地质学地专业矿产普查与勘探学生姓名亓宁学号TS15010054A3所在院系资源学院任课教师吴财芳教授地应力对煤层气开发影响研究亓宁中国矿业大学，资源与地球科学学院摘要：地应力是指岩土体内一点固有的应力态，而煤层气是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气。
我国煤层气勘探与开发还处于初级阶段，而地应力对煤层气的开发有十分显著的影响，其影响主要包括以下四个个方面：①地应力影响煤层中天然裂缝附存状态及有效性，从而影响煤层气的富集与开采；②地应力对煤储层渗透性、储层压力的影响；③地应力影响煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，从而影响煤层气的产出；④地应力影响煤层气开发的井位位置的设计。
关键词：地应力原理、煤层气、开发地应力是指地壳岩石介质内部单位面积上的作用力，其中重力应力和构造应力是地应力的主要来源[1]。
地应力按照作用时代可以划分为古地应力和现今地应力；在常规油气勘探开发中，古地应力影响着油气的运移与聚集，控制着天然裂缝的形成与分布，而现今地应力场，尤其是现今构造应力场则决定了天然裂缝的赋存状态，水压裂缝的扩展方位和开发井网的部署[2]。
在煤层气开发过程中，地应力影响其开发的多个方面，类比常规油气的开发，本文在系统整理前人的研究的基础上，总结了地应力对煤层气开发的影响。
1地应力对煤层中裂隙的影响地应力是控制储集层天然裂缝分布及水力压裂裂缝形态的重要因素。
古构造应力场往往决定着天然裂缝的形成、分布和发育程度[3]，古构造应力场决定着岩层天然裂缝（隙）、断层的发育和分布，而天然裂缝、断层的存在又会影响人工压裂[4]。
古构造应力场间接影响着现今人工压裂裂缝的扩展；而现今地应力场会对人工压裂产生直接的影响，现今应力场不仅影响天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性，而且控制了人工压裂裂缝的形态和延伸方向。
煤层气田属于低渗透率、低压力、低饱和度的“三低”煤储层气藏[5]，水力压裂改造措施是国内外煤层气井获得商业性产量的有效途径。
在煤层气井水力压裂施工设计中，地应力的大小和方向是其考虑的重要参数，其不仅控制着裂缝的方位、倾角、高度、传导性，而且影响施工过程中压力的大小[6]。
水力压裂时，裂缝总是趋于弱面形成并延伸。
在其他条件相同的前提下，当三轴压力差别不大时，在平面和剖面上都容易形成近似圆形的裂缝；三轴压力差别越大，形成的裂缝长轴与短轴差别越大；在其他条件相同的前提下，三轴应力椭球体的形态大致反映出裂缝延伸形态[7,8]。
煤层水力压裂缝的形态主要受地层应力及岩石性质等的控制。
通过损伤力学的方法研究水力裂缝在煤层中的扩展规律，研究结果表明[7-9]：水力裂缝与天然裂缝相遇后，水力裂缝会发生迂折转向。
部分水力载荷将消耗在非主裂缝的路径上，但迂曲一段距离之后，主裂缝仍会沿着平行于最大水平主应力的方向延伸；当天然裂缝的数量、天然裂缝与最大水平主应力方向的夹角以及天然裂缝的长度增加时，水压裂缝发生迂曲转向所需的水平主应力差也增加，但增加幅度逐渐变小，水压裂缝的延伸长度逐渐减小，但减小幅度逐渐变大。
尤其是在断层、褶皱和天然裂缝相对较发育的地区，地质构造及其构造应力对水压裂缝的形态及压裂效果，都将产生大的影响。
对煤储层压裂改造设计时，必须对地应力状态加以研究和考虑。
2地应力对煤储层渗透率的影响渗透率即多孔介质允许流体通过的能力，煤储层渗透率是制约煤层气资源开发的关键因素之一[10]。
首先，煤储层基质本身的渗透率极低[11]，其渗透率的大小，主要依赖其中的裂隙发育程度及连通性，而裂隙的发育程度、空间展布规律以及后期演化主要受地应力控制。
通常情况下，与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂隙呈拉张状态，开度大，连通性较好，渗透率高，是主渗透裂隙方向；其次，现今应力场的方向和大小及其活动情况，为煤层气在裂隙中渗流提供了一个重要的驱动力；再者，煤层气因在煤储层中储集与天然气在常规储层中的储集不同，主要依赖于煤储层的吸附作用，煤层气从储层中运移产出经历“解析→扩散→渗流”三个阶段，其生产过程设计排水、降压、采气三个环节，随着开采的进行，煤储层的应力状态影响多孔介质的有效应力，从而影响介质中的渗流场[12]。
煤储层的渗透性对地应力的变化非常敏感，随着有效应力上升，煤层渗透率下降。
地应力对渗透率的影响，既反映上覆地层对煤层的垂向作用力，也反映水平构造应力的作用。
地应力对煤储层渗透性的影响，其实质是通过对煤储层的孔隙结构产生变形，而使其渗透性发生变化。
区域构造应力对煤层渗透率的作用十分显著。
构造挤压区、逆冲推覆作用强烈地区、不同走向断裂的结合部位，是构造应力集中的地区，往往也是低渗透率分布地区。
构造应力松弛、与断层有关的次生裂隙、破碎断层面，是地应力的分布地区，往往也是煤层高渗透率分布地区。
不同应力状态下渗透率与深度的变化趋势不同。
应力松驰地区，渗透率高，随深度增加，变化幅度不大；正常应力地区，渗透率中等，随深度增加而减少；在高应力地区，渗透率较低，而且随深度增加渗透率急剧减小。
此外，当构造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育方向一致时，裂隙受到张应力的作用，裂隙宽度增大，渗透率增高；当构造应力场最大主应力方向与煤储层的优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙受到压应力的作用，裂隙宽度减小，渗透率降低[13]。
3地应力对煤层气产出的影响煤层气的开采经历了解吸、扩散、渗流3个连续阶段，首先煤体微孔隙内表面吸附煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离态煤层气，然后由于裂隙和钻井井孔之间的压力梯度和煤层气的浓度梯度而产生煤层气渗流，从而游离态气体向井孔移动，最后由井孔抽出。
自然地应力场作用于煤层孔隙，构成为煤层孔隙的围压，对煤层孔隙产生影响，从而对孔隙中的流体产生影响。
地应力影响到煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，进而影响到煤层气井的产出。
（1）地应力影响煤层气吸附和储层含气量。
一般来说随地应力增大，煤体受到的挤压力越大，孔隙裂隙被压缩、体积变小，导致煤储层压力变大。
根据朗缪尔等温吸附方程可知，当温度和其他因素相同时，煤储层甲烷吸附量随压力增大而增多，因此，压力变大时，煤层甲烷吸附量增大，导致含气量也增大。
（2）地应力影响煤层气的解吸。
地应力对煤层气解吸的影响主要是通过对储层压力的影响体现出来的。
储层压力的高低与分布直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附与解吸能力，进而影响到煤层气开发气井的产出。
在排水降压进行煤层气开发时，当煤储层含气饱和度一定，煤储层压力越高，越容易排采，越有利于煤层气产出。
一般储层压力降至大气压，气体才可能全部解吸。
对于气过饱和煤层，只要煤储层压力下降，就有吸附气从煤层中解吸；对于气欠饱和煤层，需要降到临界解吸压力下，才能有吸附气解吸。
（3）地应力影响煤层气的扩散和渗流。
煤层气在温度、压力作用下发生扩散、渗流的动力源主要为温度、构造应力、储层压力、扩散作用力、渗透作用力[4]。
构造应力和储层压力是主要动力源，它们控制着煤层的渗透率和气含量，影响煤层中气体扩散作用和渗透作用。
地应力增加，有利于煤储层压力保持和含气量的增大，但往往导致渗透率降低并给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，渗透率过低，煤层气解吸速率低，抽排范围有限，但过低又不利于煤层气的富集。
因此地应力要适当，不能太大，也不能太小，地应力也是选区综合评价的内容之一[4]。
4地应力影响的煤层气开发方案煤层气开发方案井网部署，又称井位布置，其目的是达到控制面积内的煤层气储量在规划的开采年限内，既满足煤矿安全生产的需要，同时又要满足经济开采的需要，另外，还要兼顾工程施行的可行性，受勘探及开发各参数等多个方面的影响。
煤层气井的部署是煤层气开发中一个非常重要的环节，井位部署的合理与否,不仅关系到单井产量的大小,而且直接影响到煤层气开发项目的成败。
地质因素、经济效益、开发要素是煤层气开发的井位部署必须考虑的三个因素[14]。
其中地质因素是重点，它是前文三个因素的综合。
含气性好、渗透率高的地区是煤层气井部署的首要目标区域；煤储层渗透率也决定了煤层气井网的密度，如美国圣胡安、黑勇士、粉河盆地根据渗透率的不同采用了不同相应的井网布置密度[15]；井网方位的确定通常根据压裂裂缝方位和主导天然裂隙方位,矩形井网常将长边方向与天然裂隙主导方向平行或与人工压裂裂缝方向平行；不同构造应力状态下，煤层气井网样式也不相同。
倪小明等基于不同构造部位排水降压和产气特征,提出了不同的井网样式部署方法[9]。
5结论地应力对煤层气开发的很多方面都有着重要的影响，它影响着煤储层介质中的裂隙特征，控制着煤储层的渗透率，同时也是煤层气储层压裂改造设计和开发井网部署的关键参数；全面弄清地应力分布规律，掌握地应力对煤层气开发各方面的影响，从而有效地进行高渗透性区预测和煤层气高产富集区预测，这对有利开发区的选取、合理地部署井网、科学有效地开发煤层气至关重要。
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