徐書(shū)恩，郭子華

(晉能有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

煤層氣(俗稱瓦斯)作為一種以吸附態(tài)為主的自生自儲(chǔ)式氣藏，具有自身的獨(dú)特性和優(yōu)越性［1］。許多學(xué)者(李明潮、錢凱、張新民、宋巖等)在對(duì)煤層氣地質(zhì)的研究中提出煤層氣藏的定義，雖有所差異，但都強(qiáng)調(diào)了煤層氣藏是有生氣儲(chǔ)集能力并具有高富集程度的有一定流動(dòng)單元的煤巖體。這種非常規(guī)性氣藏生成、運(yùn)移、富集是地質(zhì)因素(構(gòu)造演化、沉積相、蓋層性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等)間不斷協(xié)調(diào)發(fā)展、組合形成的，但以含煤盆地區(qū)域構(gòu)造背景到盆地內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整到煤儲(chǔ)層各向異性逐級(jí)控制的顯現(xiàn)，反映出不同的構(gòu)造演化條件為其它影響煤層氣藏因素的高效配置提供了框架［2］。

韓城地區(qū)地處鄂爾多斯盆地的東南部，區(qū)內(nèi)為中－高煤級(jí)煤變質(zhì)環(huán)境，煤種以瘦煤－貧煤為主。賦氣層為二疊系3#和石炭系5#、11#煤儲(chǔ)層，其煤層氣區(qū)屬華北聚氣區(qū)－渭北聚氣帶－富氣目標(biāo)區(qū)［3］，煤層含氣量集中分布在8.5～15.6 m3/t(煤層埋深小于1 500 m)，屬富甲烷煤層，成為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的耙區(qū)。自1995年以來(lái)，中國(guó)煤田地質(zhì)總局、原中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司、中石油煤層氣有限責(zé)任公司逐步使研究區(qū)煤層氣進(jìn)入商業(yè)開(kāi)采階段，其中，韓試1井氣產(chǎn)量1 000 m3/d，具有良好的煤層氣開(kāi)發(fā)前景。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景對(duì)煤層含氣性的影響

區(qū)域構(gòu)造背景是煤層氣藏單元形成的前提［4－5］。不同時(shí)期板塊運(yùn)動(dòng)影響著中國(guó)大陸地質(zhì)演化，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造熱事件和各異的大地構(gòu)造演化階段。中國(guó)煤盆地在各階段演化基礎(chǔ)上具備了活動(dòng)性強(qiáng)、深部作用活躍的兩個(gè)典型特征。期間，含煤盆地基底的演變直接控制著影響煤層氣藏因素的相互配置，造就了不同區(qū)域煤層氣賦存的多樣性。

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣－渭北煤田東部邊緣，南經(jīng)渭河地塹系與秦嶺褶皺帶相鄰，東接NE－NNE向汾河地塹，西與鄂爾多斯盆地西緣逆沖構(gòu)造帶相毗鄰。受區(qū)域構(gòu)造及盆地基底構(gòu)造控制，礦區(qū)東部分布有一系列NE向的逆沖推覆體，中部分布有近等間距的龍骨嶺構(gòu)造帶、東澤村構(gòu)造帶、龍亭構(gòu)造帶和寬緩的褶皺，即南強(qiáng)北弱，東強(qiáng)西弱，邊淺部復(fù)雜，中深部簡(jiǎn)單，整體為一走向NE、傾向NW的單斜構(gòu)造［6］。

礦區(qū)含煤盆地基底為穩(wěn)定的鄂爾多斯地臺(tái)，大地構(gòu)造位置位于華北地臺(tái)南緣與秦嶺褶皺帶過(guò)渡區(qū)，加之區(qū)內(nèi)構(gòu)造條件相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層賦存條件良好，煤炭資源豐度較高，煤變質(zhì)程度高，煤層氣資源豐富。此構(gòu)造背景決定其具備一定的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力。

2 礦區(qū)內(nèi)部構(gòu)造形跡與煤層氣展布規(guī)律

韓城礦區(qū)構(gòu)造形變以廣泛發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造和北西向、近東西向的斷裂系統(tǒng)為主，形成淺部斷褶帶、擠壓阻氣構(gòu)造帶、緩傾斜構(gòu)造帶、深部單斜帶的基本構(gòu)造格局。而且，構(gòu)造分布特征控制了水文垂直分帶性，由淺入深分為斷褶帶補(bǔ)給徑流區(qū)、單斜層間承壓循環(huán)區(qū)、單斜承壓循環(huán)滯流區(qū)。各構(gòu)造區(qū)中的阻氣構(gòu)造、導(dǎo)氣構(gòu)造和聚氣構(gòu)造類型、數(shù)量的差別以及地下水徑流條件，導(dǎo)致了煤層氣賦存和分布的不同。

淺部斷褶帶由逆沖斷裂和殘破褶皺組成［6］，但淺部煤層埋深淺(＜300 m)，構(gòu)造抬升導(dǎo)致煤層有露頭直通地面，水動(dòng)力活動(dòng)性強(qiáng)(水質(zhì)類型SO4·Cl－Ca·Mg·Na，礦化度 0.86 ～1.34 g/L)，屬斷褶帶補(bǔ)給徑流區(qū)，形成氣體逸散區(qū)，無(wú)論是阻氣斷裂還是導(dǎo)氣斷裂，均因風(fēng)化作用和地下水活動(dòng)而起導(dǎo)氣作用，煤層氣大量散失，氣含量＜3 m3/t;擠壓阻氣構(gòu)造帶發(fā)育北東向、北北東向壓性構(gòu)造(煤層埋深300～600 m)，為構(gòu)造高壓區(qū)，煤層多被粉末化，煤巖滲透性變差，形成自封閉區(qū)，抑制煤層氣擴(kuò)散，礦井(如桑樹(shù)坪礦、下峪口礦)煤與瓦斯突出頻率大，氣含量相對(duì)升高，介于4～10 m3/t;緩傾斜構(gòu)造帶主為寬緩向斜(煤層埋深600～1 300 m)，其軸部高應(yīng)力集中區(qū)造成煤層氣含量高異常區(qū)，氣含量以10～16 m3/t為主。兩構(gòu)造帶水文地質(zhì)單元均處于單斜層間承壓循環(huán)區(qū)(水質(zhì)類型 SO4·Cl－ Na·Ca·Mg，礦化度0.86 ～2.0 g/L)，水流交替循環(huán)較慢，氣含量隨深度加大而逐步升高;深部單斜帶逐漸由寬緩褶皺演變?yōu)榻絾涡?煤層埋深＞1 300 m)，地下水運(yùn)動(dòng)受阻，形成單斜承壓循環(huán)滯流區(qū)(水質(zhì)類型SO4·Cl－Ca·Mg，礦化度＞2.0 g/L)，利于煤層氣賦存，煤層含氣量增高，氣含量＞16 m3/t?？梢?jiàn)，礦區(qū)內(nèi)部構(gòu)造格局控制了煤層氣空間分帶性，使煤層氣含量的分布規(guī)律為由礦區(qū)的周邊向礦區(qū)腹部逐漸增高。

3 構(gòu)造類型對(duì)煤層含氣性的影響

煤是力學(xué)性質(zhì)軟弱的巖體，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，煤既是傳遞應(yīng)力的介質(zhì)，又是受力改造的巖體［7］。在構(gòu)造作用下，煤最易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和變化，由此而引起煤中氣體的運(yùn)移和變化［8］。不同類型的地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生了有利于煤層氣賦存或排放的不同條件。礦區(qū)目標(biāo)煤層含氣性及構(gòu)造類型對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)煤層含氣量與構(gòu)造關(guān)系統(tǒng)計(jì)表［3，6］

由表1可知，礦區(qū)以向斜軸部、緩傾斜帶含氣量最高，變化于7.54 ～15.47 m3/t;背斜次之，含氣量介于4.81～8.46 m3/t;正斷層、邊淺部含氣量最低，平均 3.59 m3/t。

緩傾斜構(gòu)造以張扭作用為主，帶內(nèi)褶皺寬緩，煤巖變形微弱，割理、裂隙發(fā)育，滲透性好，含氣量平均可達(dá)11.59 m3/t;向斜軸部氣體含量較高，表現(xiàn)出隨煤層埋深增加而升高的趨勢(shì)，這與以下原因有關(guān):

1)煤層氣主要靠地層壓力吸附在煤基質(zhì)中，向斜部位煤層埋深較深，上覆地層厚度相對(duì)較大，靜水壓力相對(duì)較高，可維持較高的地層壓力系統(tǒng)，有利于煤層氣的吸附而富集。

2)隨煤層埋深加大，上覆地層厚度加大，離煤層風(fēng)化帶變遠(yuǎn)，降低煤層氣垂向散失速率，增加了儲(chǔ)層壓力，含氣量升高。

3)向斜軸部多處于地下水滯流區(qū)，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，常形成滯流水承壓封閉。再者由于向斜核部斷裂、裂隙不發(fā)育，氣體逸散難，有效保存了煤層氣。

由表1數(shù)據(jù)顯示，在背斜部位煤層埋深相近的條件下，翼部煤層氣含量往往高于軸部。分析如下:背斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以下為擠壓應(yīng)力場(chǎng)，特別是中和面以下出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，這些部位為高壓區(qū)。背斜軸部中和面以上為拉張應(yīng)力場(chǎng)，在其作用下會(huì)產(chǎn)生大量的張性裂隙或正斷層，造成應(yīng)力快速釋放，為低壓區(qū)。因此，在背斜的兩翼煤層氣往往能夠較好地被封存起來(lái)，而在軸部則要看煤層與中和面的關(guān)系，中和面以上煤層氣會(huì)逸散，中和面以下煤層氣則可能會(huì)聚集。不過(guò)，當(dāng)煤層埋深較大且頂板為厚層泥巖時(shí)，上覆地層應(yīng)力使泥巖封蓋層表現(xiàn)為塑性，拉張應(yīng)力只會(huì)加大塑性變形，不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)放性裂隙，這樣頂板仍然保持良好的覆蓋性能，兩翼煤層中的甲烷也會(huì)向軸部運(yùn)移，造成煤層的高含氣性，如表1中象山煤礦152鉆孔揭露的5#煤層在埋深205.17 m含氣量達(dá) 7.85 m3/t。

相比上述構(gòu)造類型，邊淺部地區(qū)煤層受強(qiáng)烈抬升作用，傾角較陡，加之蓋層遭受剝蝕，導(dǎo)致氣體沿煤層向地表運(yùn)移速率加大，氣體含量顯著下降;正斷層則破壞了煤層的完整性，形成裂縫高密度分布帶，不僅使煤層氣體因構(gòu)造作用壓力釋放而大量解吸，而且氣體沿?cái)嗔淹ǖ来罅恳萆?，含氣量明顯降低。

4 結(jié)論

韓城礦區(qū)構(gòu)造條件對(duì)煤層含氣性起到一定的控制作用:

1)礦區(qū)地處華北地臺(tái)南緣與秦嶺褶皺過(guò)渡區(qū)，處于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)活動(dòng)區(qū)，決定了此地具有一定的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力。

2)礦區(qū)內(nèi)部構(gòu)造格局控制了煤層氣空間分帶性，使煤層氣含量的分布規(guī)律為由礦區(qū)的周邊向礦區(qū)腹部逐漸增高。

3)礦區(qū)次級(jí)構(gòu)造類型中，向斜軸部、緩傾斜帶含氣量最高，背斜次之，正斷層和邊淺部含氣量最低。

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