Determination of in-situ stress direction from cleat orientation mapping for coal bed methane exploration in south-eastern part of Jharia coalfield, India

Accurate prediction of in-situ stress directions plays a key role in any Coal Bed Methane (CBM) exploration and exploitation project in order to estimate the production potential of the CBM reservoirs. Permeability is one of the most important factors for determination of CBM productivity. The coal seams in Jharia coalfield generally show low permeability in the range of 0.5 md to 3 md. To estimate the in-situ stress direction in the study area, an attempt has been made to undertake the cleat orientation mapping of four regional coal seams of two underground coal mines located at south-eastern part of Jharia coalfield, India. Cleat orientation mapping is critical to determine the maximum principal compressive horizontal stress (S_H) direction for CBM exploration and exploitation, which in turn controls the direction of maximum gas or water flow though coal beds. From the field study it is found that the average face and butt cleat azimuths are towards N15°W and N75°E respectively. Average permeability of the four above-mentioned major coal seams has been calculated from well logs of nine CBM wells distributing over an area of 7.5 km², adjacent to the underground mines. The cleat orientations are congruous with the regional lineament pattern and fits well with the average permeability contour map of the study area to infer the orientation of in-situ maximum horizontal stress. Goodness of fit for the exponential regressions between vertical stress and permeability for individual coal seams varies between 0.6 and 0.84. The cleat orientation is further validated from the previous fracture analysis using FMI well log in Parbatpur area located southern part of the Jharia coalfield. The major coal seams under the study area exhibit directional permeability, with the maximum permeability, oriented parallel to the direction of face cleat orientation.     

新疆库拜煤田铁列克矿区地应力分布及其对煤层气开发的影响

地应力、煤储层渗透率和煤储层压力等是影响煤层气开发的重要因素。通过分析新疆库拜煤田铁列克矿区注入/压降试井及原地应力测试数据,结合铁列克矿区煤层气井日产气量分析,研究了新疆库拜煤田铁列克矿区地应力变化规律及其对煤层气开发的影响,分析了铁西矿区和铁东矿区煤储层地应力特征及其对煤储层物性的影响。结果表明:(1)地应力状态在垂向上发生变化,埋深处于550~650 m、650~850 m和850~1 200 m时,地应力状态类型依次为σ_H>σ_v>σ_h、σ_H≈σ_v>σ_h和σ_v>σ_H>σ_h;(2)埋深850 m处既是垂直主应力和最大水平主应力的转换点也是渗透率趋势变化点,指示了地应力对渗透率的控制作用;(3)渗透率和煤储层压力与地应力分别呈负相关和正相关关系;(4)地应力对产能的负效应大于地应力对产能的正效应,使典型日产气量随着地应力的增大而减小;(5)铁西矿区和铁东矿区中部煤储层碎粒煤较发育、吸附孔体积和含气量均较大,是煤层气开发的有利区带。研究成果可为库拜煤田下一步煤层气开发提供理论指导。     

开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

深部煤储层应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响

深部煤储层处于高地应力环境中,其渗透率变化特征与浅部存在较大差异,为研究有效应力对深部煤储层渗透率的差异性影响,以及应力敏感性各向异性特征,以沁水盆地横岭区块15号煤层为研究对象,采样深度1 200~1 700 m,采用覆压孔渗实验,开展平行层理和垂直层理样品在不同有效应力下的渗透率变化规律研究,探究其应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响。结果表明:渗透率随有效应力的增加呈幂指函数降低,平行层理面渗透率总体高于垂直层理面,且在2个方向上渗透率变化规律呈正相关性。选取储层孔裂隙压缩系数、渗透率损害率和渗透率曲率3个参数作为煤储层应力敏感性评价指标,其中,孔裂隙压缩系数随有效应力增加,以5 MPa为界限先后呈现正相关性和负相关性,渗透率损害率和渗透率曲率分别与有效应力呈指数上升和下降的规律。基于应力敏感性参数,推导出煤层气井产能模型,模型显示,不考虑应力敏感性的气井产量高于考虑应力敏感性,揭示了应力敏感性对煤层气产量的影响程度,即在5 MPa生产压差下,气井的产量降低幅度随应力敏感性系数的增大整体呈增高趋势。针对应力敏感性的阶段划分,研究区目标煤层在煤层气排采过程中应采用小–中–大的排采方案来控制生产流量。      

支持向量机在煤层地应力预测中的应用

为了探讨煤层地应力的有效预测方法,将支持向量机回归方法用于计算煤层最小水平主应力,进而得到最大水平主应力,结合垂向主应力的求取,最终构建地应力的地质模型,实现地应力场的三维可视化。利用灰色关联法筛选出与煤层最小水平主应力关联度最好的测井参数;结果表明,井径测井(CAL)、补偿中子测井(CNL)、自然伽马测井(GR)、密度测井(DEN)和深浅侧向电阻率测井值的平均值(R)与煤层最小水平主应力关联度较好。以这5个测井参数作为训练因子,利用支持向量机回归方法建立煤层最小水平主应力预测模型。基于该模型,对鄂尔多斯盆地韩城区块H3井组煤层地应力进行计算,发现研究区内三个方向的地应力随埋深的增加呈现递增的趋势,应力场状态也随着埋深的变化发生转换,由浅部的大地动力型逐渐转换为大地静力型,煤储层所处的应力环境也相应地由挤压带过渡为伸张带。     

潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究

在山西潞安矿区的13个煤矿采用小孔径水压致裂地应力测量装置,完成了60个测点的原岩应力测量工作。实测数据表明：潞安矿区55%的测点最大水平主应力大于垂直主应力,由于受埋藏深度与地质构造影响,矿区内各矿地应力值差别较大,但地应力大小总体上属于中等地应力值;潞安矿区最大水平主应力方向从南到北变化较大,构造应力场呈现出多变的形态。在实测数据的基础上,绘制了潞安矿区地应力分布图;分析了地应力随埋藏深度的变化规律、平均水平主应力与垂直主应力的比值与埋藏深度的关系。煤矿井下地应力测量为井田开拓、巷道布置与支护设计等工程实践提供了可靠的基础参数,提高了工程设计的科学性、合理性与可靠性。     

煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术.依托"十三五"国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响,分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象....     

黔西地区煤层埋深与地应力对其渗透性控制机制

基于黔西六盘水煤田和织纳煤田16口井36层次的试井资料, 采用地质统计分析等方法, 探讨了黔西地区煤储层渗透性的展布规律与地应力特征, 论证了煤层埋深与地应力对其渗透性的控制机制.研究表明, 研究区煤储层以特低渗-低渗透率储层(＜0.1×10-9m2)为主, 中渗透率储层(0.1×10-9~1.0×10-9m2)也占有相当大比例; 应力场类型在浅部表现为大地动力场型, 一定深度可能转化为准静水压力状态.煤储层渗透率及其埋深的负幂指数关系较为离散, 但在不同深度渗透率转折点与地应力场类型转变一致; 单井煤储层试井渗透率差异较大, 随地应力增大和埋深增加而降低, 平面展布受地应力强度控制由SW-NE具"低-高-低"发育规律.埋深对渗透率的控制实质是地应力的控制, 区域构造位置及其所处高应力场作用下的煤体形变与破碎致使孔裂隙压缩或闭合是该区渗透性差异的主要控制机制.      

淮南矿区深部地应力场特征研究

利用水压致裂法和套孔应力解除法对淮南矿区-500～-1 000 m深度范围内的12个矿井进行了地应力测量,取得了19个有效测点的数据。数据分析表明：（1）淮南矿区深部地应力场以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;（2）地应力量级属高应力水平;（3）垂直主应力、最大及最小水平主应力随深度的增加均呈增大趋势;（4）侧压系数 随深度增大而减小,地应力场有从大地动应力场型向准静水压力场型过渡的趋势;（5）侧压比 的回归曲线分布于Hoek-Brown内外包线带内,且变化趋势与Hoek-Brown曲线相似,但与Hoek-Brown曲线相比,回归曲线 值偏小;（6）最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围为1.12～2.02,其中68.42%的测点分布在1.67～2.02之间;（7）最大水平主应力方位为NEE－EW向。最后探讨了淮南矿区地应力与地质构造的关系,分析认为,矿区最大主应力方向与构造运动密切相关,矿区现今构造应力场最大主应力方位与实测最大水平主应力方位大致吻合。     

Coupled flow and geomechanical processes during enhanced coal seam methane recovery through CO2 sequestration

The sensitivity of coal permeability to the effective stress means that changes in stress as well as pore pressure within a coal seam lead to changes in permeability. In addition coal swells with gas adsorption and shrinks with desorption; these sorption strains impact on the coal stress state and thus the permeability. Therefore the consideration of gas migration in coal requires an appreciation of the coupled geomechanical behaviour. A number of approaches to representing coal permeability incorporate the geomechanical response and have found widespread use in reservoir simulation. However these approaches are based on two simplifying assumptions; uniaxial strain (i.e. zero strain in the horizontal plane) and constant vertical stress. This paper investigates the accuracy of these assumptions for reservoir simulation of enhanced coalbed methane through CO₂ sequestration. A coupled simulation approach is used where the coalbed methane simulator SIMED II is coupled with the geomechanical model FLAC3D. This model is applied to three simulation case studies assembled from information presented in the literature. Two of these are for 100% CO₂ injection, while the final example is where a flue gas (12.5% CO₂ and 87.5% N₂) is injected. It was found that the horizontal contrast in sorption strain within the coal seam caused by spatial differences in the total gas content leads to vertical stress variation. Thus the permeability calculated from the coupled simulation and that using an existing coal permeability model, the Shi–Durucan model, are significantly different; for the region in the vicinity of the production well the coupled permeability is greater than the Shi–Durucan model. In the vicinity of the injection well the permeability is less than that calculated using the Shi–Durucan model. This response is a function of the magnitude of the strain contrast within the seam and dissipates as these contrasts diminish.     

基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究

针对煤层碎软、渗透性低、工作面瓦斯抽采难度大且效率低的问题，提出两端对接分段压裂顶板水平井组的工作面瓦斯抽采全覆盖模式。选取淮北煤田宿县矿区某矿井为例，依据研究区地应力与工作面展布特征，结合研究区内瓦斯地质条件及煤层力学性质分析，利用交叉偶极子声波测井方法优选水平井水平段布置方位，采用Fracpro PT的压裂模拟技术确定水平井水平段距离7₁煤层的范围，即布置在煤层顶板2 m以内；采用抽采模拟技术对研究区试验工程进行预测，结果显示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低，达到了工作面瓦斯抽采全覆盖的要求。提出的抽采模式为国内类似地质条件煤矿地面瓦斯高效抽采提供一种手段。      

用水力压裂法获取煤储层地应力参数

地应力可反映煤储层的应力状况,它是认识和评价煤储层的重要参数之一。从水力压裂法获取煤储层地应力的原理和方法入手,通过对3组典型实测数据的分析,着重探讨了用时间平方根法和双对数曲线法在分析地应力时如何准确识别闭合压力和提高地应力测试精度,对煤层气工作者具有很好的借鉴价值。      

Joints in the Mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin

Analysis has been carried out at four locations on the edges of the Bristol Channel Basin to illustrate the later phases of deformation of a sedimentary basin, and to illustrate the control on joint patterns of subtle changes in the stress system. The characteristics of the joints are described and influences on joints are determined, including the roles of faults, folds and beds. There is a low coefficient of correlation between joint spacing and bed thickness, except in very thin limestone beds, which have a high density of joints. The lengths and spacings of earlier joint phases are usually greater than those of later phases. Later joints normally abut against earlier joints.The joints abut the latest faults but are not displaced by them, so the joints post-date the main Alpine contraction. The joints formed in five main phases during reduction of the Alpine stresses. Phase 1 joints are sub-parallel to the regional compression direction (160–180°). Phase 2 joints are perturbed by faults, often curving towards points of stress concentrations along the faults. Phase 3 joints are sub-parallel to the earlier E–W-striking fold axes. Phase 4 joints are cross-joints, and phase 5 joints form polygonal patterns within joint-bound blocks. Phases 2 and 3 do not occur in the absence of faults and folds, and correspond with a reduction in horizontal compression and an increase in the importance of local factors. Phases 4 and 5 occur at all locations.     

胶南晚中生代大珠花岗岩岩体的脆性变形机制

在长期变化的构造应力作用下,胶南大珠山花岗岩岩体自早白垩世冷凝冷却以来发生强烈的脆性破裂变形,形成了多样的破裂类型如岩脉、节理和断层。在该岩体冷凝冷却早期侵入的细晶花岗岩脉和稍后形成的N-S向节理组反映出与同期区域构造应力场协调的N-S向挤压作用,而后伴随着揭顶剥蚀,出现了交替变化的构造应力场形成了岩体内主导的NW-NNW向和NE向节理组。整体上,恢复出的岩体内构造应力场发生顺时针方向旋转,最大水平挤压由早期的N-S向偏转为晚期的近E-W向。构造应力场的长期变化、平行节理作用和节理断层化作用造成了研究区复杂的破裂型式和破裂序列。     

靖边气田煤层地应力及井壁稳定研究

煤层地应力测量难度很大,煤层垮塌失稳力学机理的研究还无法深入。针对这一现状,利用含煤层系中硬岩层的地应力实测结果,以组合弹簧模型为基础,反求出构造作用引起岩层水平方向的应变量,以此来确定后续地应力有限元模拟的边界条件,将硬岩层的地应力实测、理论模型计算以及有限元数值模拟三者有机结合起来,反演得到煤层地应力状态,从而建立起一套含煤岩系等软岩层地应力研究新方法。利用该方法对靖边气田某区块LP-1井煤层井壁稳定进行了研究,结果表明：沿最小水平地应力方向钻井井壁稳定性最好,沿最大水平地应力方向钻井井壁稳定性最差,而沿最大和最小水平地应力角角平分线方向钻井井壁稳定性介于前两者之间。     

鄂尔多斯盆地延长组页岩裂缝特征与地应力研究

鄂尔多斯盆地延长组是我国近些年陆相页岩气的重点勘探区之一。本文从页岩的露头观测、岩石学特征、成像测井分析、地应力特征及可压裂性等方面,研究了鄂尔多斯盆地延长组泥页岩层段的裂缝发育特征,以及地应力对人工压裂诱导缝的影响。基于岩石学分析,延长组长7和长9段的泥页岩脆性矿物平均含量较高,分别为57.2%和44%。根据泥页岩露头观测和成像测井分析,长7段泥页岩发育有北东东向为主的垂直裂缝组,同时可见北北东向和南北向的垂直裂缝组。此外,压裂诱导缝的优势方位和成像测井分析结果表明,现今最大水平主应力方向为70°左右（即北东东向）。裂缝开启性分析表明,北东东向至近东西向裂缝组与现今最大水平地应力方向一致,开启性较好;而北北东裂缝组与现今最大水平地应力交角相对较大,开启性相对较差。因为现今地应力的水平应力比值（σH/σh = 1.54）相对较小,在后期人工压裂中延长组泥页岩中的诱导裂缝更倾向形成复杂的裂缝网格系统,这样会使裂缝与储层之间获得最大的接触,从而更有利于提高产能。     

山西沁水盆地中-南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟

通过对山西沁水盆地中南部上主煤层宏观裂隙观测,力学参数测量和应力渗透率实验,分别建立了裂隙面密度、裂隙产状、裂隙宽度与煤储层渗透率之间的预测数学模型;利用FLAC—3D软件,模拟了该区上主煤层内现代地应力状态,结合煤层气试井渗透率资料,构建了应力与渗透率之间关系预测的数学模型,并对该区上主煤层渗透率进行了全面预测。通过吸附膨胀实验,揭示了各煤类煤基质的收缩特征,构建了有效应力、煤基质收缩与渗透率之间的耦合数学模型,并对煤层气开发过程中渗透率动态变化进行了数值模拟。     

山西盆地现今地应力状态与地震危险性分析

在山西盆地南北两端4个地区共计13个深钻孔中进行了水压致裂地应力测量, 获得了现今地应力的大小、方向和分布规律。在盆地北端五台山、雁门关地区400~600 m深度内, 实测最大水平主应力值为8~12 MPa。而南端临汾、运城地区则具有较高的构造应力, 在400~500 m深度内实测最大水平主应力值为20~28 Mpa。地应力“南高北低”比较明显。运用这些实测的地应力资料, 根据库仑摩擦滑动准则, 对研究区内断裂的稳定性进行了力学分析。分析结果表明, 总体来看, 目前五台山、雁门关和临汾地区的水平主应力都未达到断层活动的临界值; 运城地区已接近断层活动临界值的下限, 若计入孔隙压力的影响因素, 运城地区最大水平主应力已达到逆断层活动的临界值。从地应力的角度分析认为该区发生地震的潜在危险性较大, 这一现象值得关注和研究。     

成庄矿区构造特征及应力场分析

本文对成庄矿区褶皱、断层及3号煤层的构造特征进行了总结论述.通过对矿区节理的统计、配套和分期,对该区燕山期以来的主应力方位、期次进行了划分,将主应力划分为3期,同时将成庄矿区含煤地层形成以后的构造演化划分为三个阶段:早期应力阶段奠定成庄矿区煤田构造基本格架;中期应力阶段对成庄矿区造成的影响很小;晚期应力阶段完成了矿区内煤田构造基本格局.     

构皮滩水电站坝区节理特征及对区域构造应力场的指示

在区域上广泛分布并具有一致方位的节理,可用来恢复区域构造应力场的状态及其演化过程。通过对乌江构皮滩水电站坝区地层中所发育节理系统的方位、几何样式、充填情况、序列关系等特征的详细观察和分析,发现坝区的节理系统具有三组优势方位：走向NNE。倾向NWW（第一组）、走向NWW。倾向NNE（第二组）、走向NWW,倾向SSW（第三组）;而且第一组节理形成最早,第三组节理形成其次,第二组节理形成最晚。根据节理系统与应力的各种关系,结合研究区的区域构造演化,认为NNE向节理主要为燕山运动期的产物,并且在后期构造运动中有多次活动,而NWW向节理主要为喜山运动期和新构造运动期的产物。通过对节理系统中方解石脉e双晶的统计,求得燕山早期坝区古应力为111～142MPa。燕山中期坝区古应力为50-83MPa,燕山晚期或喜山早期坝区古应力为52～77MPa。节理系统的发育特征反映了燕山运动以来区域构造应力场主要以近NNW-E-W向的挤压为主,而古应力的变化则反映了燕山运动以来构造活动逐渐减弱。