煤炭学报

作者：闫霞, 熊先钺, 徐凤银, 喻岳钰, 李曙光, 王峰, 刘敬寿, 冯延青, 唐志潭, 魏振吉,

关键词：深部煤层气, 岩石力学, 地质力学, 岩性组合, 微构造, 夹矸, 地应力, 鄂尔多斯盆地,

深部煤层岩石力学特性及微构造、顶底板岩性组合、煤层厚度、夹矸厚度对其应力影响机制不清，制约了差异化气藏工程设计、大规模压裂改造设计参数优化和单井产量的大幅提升。首先，采用三轴抗压试验、巴西劈裂试验、三轴抗剪试验及阵列声波测井曲线，探究静态岩石力学参数单井分布特征；然后，通过差应变试验方法明确研究区煤层、顶底板现今地应力大小；最后，基于力学试验结果，构建三维地质力学模型并开展了不同条件下的应力模拟，以获得不同微构造形态、岩性组合、煤岩厚度和夹矸厚度等因素对深部煤储层的应力影响机制。结果表明：① 基于岩石力学试验，研究区深部煤岩样品的煤岩平均弹性模量为7.19 GPa，平均泊松比为0.32，平均抗张强度为2.68 MPa，平均垂向应力为51.78 MPa，平均最大水平主应力为43.66 MPa，平均最小水平主应力为37.57 MPa。② 数值模拟表明煤岩微构造、煤层厚度和顶底板岩性组合等对煤岩地应力均有较大影响，在相同顶底板条件下，煤层从正向微构造向负向微构造转变的过程中，煤层最小水平主应力逐渐增大，负向构造部位地应力大于正向和平缓微构造部位，随着煤层与围岩力学性质差异性的增大，煤层地应力呈减小趋势，且减小幅度依次为负向构造>正向构造>平缓区；③ 鄂尔多斯盆地深层8号煤的6种顶底板岩性组合中，顶板灰岩−底板砂岩组合下的煤岩最小水平主应力最小，顶板泥岩−底板泥岩组合下的煤岩最小水平主应力最大，顶底板与煤层力学性质相差越大，煤岩应力值越小；④ 其他条件相同时，随着煤层厚度的增大，煤岩水平主应力、水平主应力差总体呈增加趋势，厚度变化对厚度小于4 m的薄煤层的应力影响更为敏感，当煤层厚度大于4～6 m后，水平主应力、水平主应力差增幅趋于平缓，故建议水平井开发的深部煤层厚度下限为4 m；煤层厚度从2 m增大至10 m，最小、最大水平主应力增幅分别为12.9%和23.3%，水平主应力差增幅达98.3%；⑤ 夹矸厚度从0.5 m增至7 m过程中，夹矸所受水平主应力及应力差下降幅度明显，降幅约为34.1%，当夹矸厚度大于3 m时，夹矸水平主应力、水平主应力差降幅趋于平缓。为深部煤层气开发方案优化设计、工程差异化设计及单井产量差异原因分析等方面，提供了重要的试验和理论指导依据。

来源：2025年第5期

《煤炭学报》期刊编辑部

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