構(gòu)造特征對HC地區(qū)煤層氣富集的影響

胡林楠，郭　郁，龐長旭

(1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

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構(gòu)造特征對HC地區(qū)煤層氣富集的影響

胡林楠1，郭郁2，龐長旭1

(1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

伴隨煤層氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴大,煤層氣井的數(shù)據(jù)類型及數(shù)量越來越豐富, 從而可以為研究不同構(gòu)造模式下煤層氣井的產(chǎn)能提供足夠的數(shù)據(jù)支撐。從研究區(qū)的構(gòu)造特征入手，與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，對構(gòu)造特征對煤層氣富集的關(guān)系進行分析 ，最終分析認為：成煤期后的地殼的抬升運動會打破煤層中原有的吸附平衡條件，在保存條件不利的情況下，易使煤層氣運移逸散；構(gòu)造運動形成的斷裂對煤層氣的保存和逸散起著重要的影響作用；由于構(gòu)造運動形成的規(guī)模不等的褶皺，在不同程度上影響煤層氣的富集成藏作用。

煤層氣；含氣性；構(gòu)造特征

煤層氣，作為常規(guī)型天然氣的接替，早已獲得眾多學者的廣泛關(guān)注。自生自儲型的煤層氣的成藏過程由煤層以及它上下巖層一起構(gòu)成的含煤層氣系統(tǒng)和該系統(tǒng)經(jīng)受的多種地質(zhì)作用等因素的綜合控制。前人的研究表明，影響煤層氣富集成藏的地質(zhì)因素主要有: 構(gòu)造情況，煤層埋深、厚度、煤階、含氣量、滲透率，煤儲層壓力、解吸壓力和水文條件等[1]。不同的構(gòu)造特征決定了煤層氣的賦存狀態(tài)、煤儲層裂隙的發(fā)育程度、煤層氣藏的類型以及保存條件等。因此，構(gòu)造特征分析是研究煤層氣賦存特征的重要內(nèi)容之一。本文主要在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的實際地質(zhì)情況，探討構(gòu)造特征對煤層氣富集的影響。

圖1　鄂爾多斯盆地構(gòu)造圖

1　地質(zhì)背景

如圖1所示，研究區(qū)位于陜西省渭南市韓城縣境內(nèi)，鄂爾多斯盆地東南部，陜西渭北石炭-二疊紀煤田東部邊緣，北部為鄂爾多斯主體塊體，南鄰渭河地塹并與秦嶺東西向褶皺帶相接，東經(jīng)汾河地塹與呂梁褶皺帶相接，西為賀蘭山褶皺帶與六盤山褶皺帶的接合。自石炭-二疊紀煤系沉積以來，經(jīng)歷了多次不同性質(zhì)、不同方向的構(gòu)造變動，周邊這些構(gòu)造控制了研究工區(qū)構(gòu)造的形成和發(fā)展，受構(gòu)造作用影響較大。韓城大斷層將礦區(qū)劃分為黃土臺塬和黃土梁峁兩個地貌單元[2]，地形總的趨勢是西北高東南低。在單斜構(gòu)造之上發(fā)育一系列開闊平緩的S-N及E-W 次級褶皺及數(shù)條近E-W規(guī)模較大的正斷層。

研究區(qū)內(nèi)煤系地層自下而上有中石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組、山西組。其中一般本溪組不含煤，太原組和山西組為本區(qū)主要含煤地層。研究工區(qū)煤層數(shù)多達13層，其編號自上而下分別為山西組的1#、2#、3#、4#，太原組的5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#等。其中3#、5#、11#煤層分布較為普遍，為全區(qū)主要開采煤層。

2　不同構(gòu)造形態(tài)對煤層氣儲集、保存

的影響

煤層氣的富集主要取決于以下三個地質(zhì)因素：區(qū)域構(gòu)造演化、水動力作用和封閉條件[3]，本節(jié)將重點討論構(gòu)造演化中不同構(gòu)造形態(tài)對煤層氣儲集、保存的影響。

構(gòu)造是影響煤層氣富集的重要因素之一。它對煤層氣含量產(chǎn)生影響，而且對煤層厚度變化、煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性、巖漿侵入、巖溶陷落、地溫、地壓和水文地質(zhì)條件等多種地質(zhì)條件都起著明顯的控制作用。

煤層構(gòu)造的基本類型包括褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造兩類[4]。褶皺構(gòu)造是指煤層及巖層在應(yīng)力作用下形成的波狀彎曲，但仍然保持著地層的連續(xù)性和完整性，包括背斜和向斜兩種構(gòu)造形式。斷裂構(gòu)造包括各種斷層、裂隙和地層裂縫，本節(jié)重點討論斷層，區(qū)內(nèi)斷層按力學性質(zhì)可分為張扭性和壓扭性兩類。不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，其形成過程中構(gòu)造應(yīng)力場特征及其內(nèi)部應(yīng)力分布狀況不同，均導致煤儲層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流條件等出現(xiàn)差異，進而影響煤層的含氣性。

2.1褶皺對煤層氣成藏的影響

褶皺構(gòu)造是自然界發(fā)育最為廣泛的構(gòu)造類型之一，在材料力學中, 內(nèi)部構(gòu)造均勻的一根橫梁在水平擠壓下發(fā)生彎曲變形時, 梁內(nèi)應(yīng)力分布明顯不均一, 外側(cè)受拉伸長, 內(nèi)側(cè)受壓縮短, 中間有一既不伸長, 又不縮短的無應(yīng)變面, 稱之為中和面[5](圖2)，據(jù)前人的計算，本區(qū)的中和面位于山西組底部砂巖中[6]。

圖2　中和面應(yīng)變分布

圖3　褶皺構(gòu)造與煤層含氣量關(guān)系圖

2.1.1背斜構(gòu)造

背斜整體受擠壓應(yīng)力作用,兩翼壓力分布相對均勻,當煤層位于背斜中和面以上時，中和面以上的煤層受到拉張應(yīng)力，尤其在核部，拉張應(yīng)力最為強烈，致使核部的韌性巖層變薄，孔隙加大，導致煤層的透氣性增加，為甲烷的逸散提供了通道，同時，由于煤層具有軟塑性，大量煤層甲烷隨著褶皺的形成而由吸附狀態(tài)解析為游離狀態(tài)，順著孔隙逸散，核部的煤層氣含量降低；當煤層位于背斜中和面以下時，受到的應(yīng)力與上層剛好相反，此時，擠壓應(yīng)力在軸部最為強烈，表現(xiàn)為軸部的韌性巖層變厚，煤層從翼部向核部流動的時候，加速煤層甲烷的解析，由于上覆巖層的封蓋，此時，背斜處于高壓封閉的環(huán)境，易形成煤層氣藏。背斜的兩翼通常都表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力，對煤層氣的保存是有利的，因此對背斜構(gòu)造而言，煤層與中和面的相對位置將決定能否形成煤層氣藏[7](圖3)。

2.1.2向斜構(gòu)造

巖層處于強烈擠壓狀態(tài)，當煤層位于向斜中和面之上時，煤層受到擠壓應(yīng)力，強烈的擠壓應(yīng)力使向斜核部的韌性煤層因壓縮而變厚，煤層甲烷因擠壓應(yīng)力大量解析，易形成煤層氣藏，但同時因為應(yīng)力集中，使得煤層的滲透性大大降低；當煤層位于向斜中和面之下時，煤層受到拉伸應(yīng)力，向斜核部的韌性煤層因拉伸而變薄，由于煤層相對埋深較大，只產(chǎn)生少量開放性裂隙，釋放部分應(yīng)力，形成相對低壓區(qū)[8]，煤層甲烷含量相對減少，但會成為煤層氣富集區(qū)，因而，對于向斜構(gòu)造，無論位于中和面之上還是中和面之下，亦或是在向斜的核部和兩翼，對煤層氣的保存都是有利的，都將成為煤層氣的富集區(qū)。

2.2斷裂系統(tǒng)對煤層氣成藏的影響

斷裂系統(tǒng)對煤層氣成藏的影響是多方面的，它不僅對煤層的完整性以及煤層氣的封閉條件，而且對煤體結(jié)構(gòu)、煤巖的顯微特征及煤層滲透率有著不同程度的影響[9]。斷層對煤層氣成藏的影響程度與斷層性質(zhì)及規(guī)模有關(guān)。

逆斷層、壓扭性走滑斷層或者發(fā)生反轉(zhuǎn)的正斷層通常表現(xiàn)為壓性斷層, 其斷層面為封閉性, 煤層氣很難穿過斷層面運移散失, 斷層面附近成為構(gòu)造應(yīng)力集中帶[10]，可加大壓力, 使煤層吸附的甲烷量增多, 從而使煤層含氣量相對增高。

圖4　斷層構(gòu)造與煤層氣量關(guān)系圖

正斷層、拉張性走滑斷層或者發(fā)生反轉(zhuǎn)的逆斷層通常表現(xiàn)為張性斷層[11]，其斷層面為開放性, 不利于煤層氣的保存。斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力的釋放而成為低壓區(qū), 煤層吸附的甲烷大量解吸, 并通過斷層面逸散, 致使煤層含氣量急劇下降。

圖5　韓城地區(qū)斷層分布圖

3　韓城礦區(qū)實例

韓城地區(qū)地層總體表現(xiàn)為一東南淺西北深、北東走向的構(gòu)造斜坡[12]，在斜坡背景上仍存在若干低幅度背斜與向斜的相間出現(xiàn)的低幅構(gòu)造。南部和北部地區(qū)斷層復雜化程度較高，地層的產(chǎn)狀變化較大[13]；而中部地區(qū)受斷層影響小，地層產(chǎn)狀穩(wěn)定。工區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)比較復雜。韓城地區(qū)主要發(fā)育一組EW向的正斷層和一組近SN向的逆斷層，兩條近EW向斷層(F1,F2)具有走滑性質(zhì)。

F1斷層位于韓城工區(qū)中偏北部，為一條近東西走向的北傾斷層，總體走向NE30°～40°，區(qū)域上為汾河地塹的邊緣斷裂。具有多期活動特點，現(xiàn)今表現(xiàn)為張扭性正斷層[14]，具有明顯的走滑性質(zhì)。工區(qū)內(nèi)最大斷距280 m。

F2斷層位于韓城工區(qū)中部，斷層面呈緩波狀，幾乎于F1斷層平行展布。延伸長達16 km，為一條近EW走向的南傾斷層，總體走向為NE50°，具有明顯的走滑性質(zhì)。工區(qū)內(nèi)最大斷距240 m。

F3斷層位于韓城工區(qū)中南部，為一條近東西走向的南傾正斷層，橫向上斷距變化大，工區(qū)內(nèi)最大斷距460 m。

F4斷層位于韓城工區(qū)南部，為一條近南北走向的西傾逆斷層，上下盤地層產(chǎn)狀差異很大。工區(qū)內(nèi)最大斷距300 m。

為了更好地說明斷層和褶皺對煤層氣富集的影響，本次研究選取了工區(qū)內(nèi)的6條剖面，東西向3條，南北向3條，繪制了6條構(gòu)造-含氣性綜合對比剖面，通過剖面對比，基本反映了研究區(qū)斷層和褶皺的發(fā)育特征及其對含氣性的影響。

圖6　韓試6-韓試9-韓試10-韓試5(EW)含氣量對比剖面

韓試6-韓試9-韓試10-韓試5連井剖面，自西向東，構(gòu)造逐漸升高，在韓試9井東側(cè)，發(fā)育一條正斷層，該斷層走向為近東西向，傾向南，韓試9井位于斷層下降盤。含氣量數(shù)據(jù)依次為11.73 m3/t、6.3 m3/t、8.94 m3/t和8.91 m3/t，總體表現(xiàn)為構(gòu)造低部位含氣性高于構(gòu)造高部位(圖6)。韓試9井含氣量低與斷層活動有關(guān)，由于張性正斷層的存在，造成其周圍裂隙發(fā)育，同時，韓試9井位于背斜之上，核部受拉張應(yīng)力的影響，孔隙增加，亦增加了煤層氣向外逸散的通道，降低了含氣量。

韓試8-韓試7-韓試5連井剖面，構(gòu)造特征呈東高西低，韓試7井和韓試5井之間發(fā)育一條正斷層，該斷層走向為近東西向，傾向南，韓試7井位于斷層下降盤(圖7)。自西向東，含氣量數(shù)據(jù)依次為8.65 m3/t、9.56 m3/t和8.91 m3/t，韓試7井含氣量高于韓試8井和韓試5井，韓試7井位于斜坡背景上的向斜構(gòu)造內(nèi)，保存條件較好。向斜部位是應(yīng)力集中地帶，裂縫發(fā)育程度和煤體結(jié)構(gòu)可能相對較差，煤層氣逸散通道少，保存條件相對較好。韓試5井左側(cè)由于張性正斷層的存在，斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū), 煤層甲烷大量解吸, 并從斷層面逸散, 使煤層含氣量下降。

圖7　韓試8-韓試7-韓試5(EW)含氣量對比剖面

韓試4-韓試3-韓試11連井剖面，自西向東，整體呈東高西低的構(gòu)造格局(圖8)。自西向東，含氣量數(shù)據(jù)依次為15.47 m3/t、9.99 m3/t和14.55 m3/t，呈現(xiàn)出東西兩側(cè)高，中間低的特征，韓試4井在生氣階段由于埋深較大，因而生氣量較大，后期由于構(gòu)造運動，東側(cè)發(fā)育的逆斷層使地層特征復雜化，上升盤地層遭受了地層抬升作用，韓試11井位于背斜核部，此處的煤層因位于中和面之下，受擠壓應(yīng)力較為強烈，煤層氣大量解析，加之上覆地層的覆蓋，形成高壓封閉的環(huán)境，因而煤層氣的含量變大。

圖8　韓試4-韓試3-韓試11含氣量對比剖面

韓試8-韓試6-韓試4連井剖面(圖9)，自南向北，構(gòu)造幅度變化明顯，南高北低，自南向北，含氣量依次為8.65 m3/t、11.73 m3/t和15.47 m3/t，背斜核部的含氣量明顯小于翼部的含氣量，這是由于煤層位于背斜中和面之上，背斜核部受拉張應(yīng)力影響，孔隙增加，加大了煤層氣逸散的通道，造成了核部的含氣量小于翼部的含氣量。

韓試7-韓試9-韓試3-韓試2-韓試13連井剖面(圖10)，自南向北，地層產(chǎn)狀呈北傾單斜，斷層將地層切割成若干斷塊。自南向北，含氣量依次為9.56 m3/t、6.3 m3/t、9.99 m3/t、7.71 m3/t和15.07 m3/t。總體上，煤層氣含量隨煤層的埋深增加而增加，煤層的埋深越大，其含氣量越高。韓試9井的北側(cè)，由于張性正斷層的存在，斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū), 煤層甲烷大量解吸, 并從斷層面逸散, 使其煤層含氣量急劇下降，韓試3井的北側(cè)由于壓性逆斷層的封閉，較好地保存了煤層氣，而韓試2井的北側(cè)，再次出現(xiàn)了張性正斷層，至使其煤層氣含量大降低。

圖9　韓試8-韓試6-韓試4含氣量對比剖面

韓試10-韓試11-韓試12-韓試19連井剖面(圖11)，自南向北，構(gòu)造總體向北變低，呈現(xiàn)出背斜和向斜相間出現(xiàn)的構(gòu)造形態(tài)，并且斷層將地層特征復雜化。自南向北，含氣量依次為8.94 m3/t、14.55 m3/t、6.31 m3/t和9.28 m3/t，隨埋深的減小，含氣量總體呈降低趨勢。韓試10、韓試12和韓試19均位于背斜核部，且煤層位于中和面之上，不利于煤層氣的保存，因而其含氣量降低，而韓試11井位于向斜核部，保持有上覆最大的有效地層厚度，有利于維持較為穩(wěn)定的地層壓力，雖然其北側(cè)存在張性正斷層，由于應(yīng)力集中，斷層的影響較小，煤層氣得到了較好地保存，故其含氣量較大。

圖10　韓試7-韓試9-韓試3-韓試2-韓試13含氣量對比剖面

圖11　韓試10-韓試11-韓試12-韓試19含氣量對比剖面

4　結(jié)語

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造特征復雜，斷層分布較為密集。韓城中部、南部斷層十分發(fā)育，且斷層性質(zhì)復雜；韓城北部構(gòu)造簡單，斷層較少。

構(gòu)造運動及其形成的斷層和褶皺，對煤層氣起著一定程度的控制作用，表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 成煤期后的地殼的抬升運動會打破煤層中原有的吸附平衡條件，使吸附氣和游離氣相互轉(zhuǎn)化，在封閉條件不好的情況下，易使煤層氣運移逸散；

(2) 構(gòu)造運動形成的規(guī)模不等的褶皺，在不同程度上影響著煤層氣的富集成藏作用。對背斜而言，當煤層位于中和面之上時，由于核部的韌性巖層變薄，孔隙加大，提供了煤層氣的逸散通道，致使核部的煤層氣含量相對降低；當煤層位于中和面之下時，當上覆巖層的封蓋條件良好時，背斜由于處于高壓封閉條件，容易形成煤層氣藏。而背斜的兩翼通常都表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力，與核部相比，有利于煤層氣的保存。但對于向斜而言，無論煤層位于中和面之上或之下，亦或是在向斜的核部或兩翼，都有利于煤層氣的保存，都將成為煤層氣的富集區(qū)。

(3) 由構(gòu)造運動形成的斷裂系統(tǒng)對煤層氣的保存和逸散有著重要的影響作用：逆斷層或壓扭性走滑斷層多屬壓性、壓扭性，斷層面密閉，封閉性能好；同時此外斷層面附近由于是構(gòu)造應(yīng)力集中帶，煤層氣吸附量增加，煤層本身裂縫增多；正斷層或拉張性走滑斷層屬張性斷層，斷層面開放，為煤層氣運移提供通道，同時斷層面附近低壓，致使煤層甲烷大量解吸，含氣量相對下降。

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2016-03-14

胡林楠(1988-)，女，陜西西安人，助理實驗員，主要從事天然氣成藏地質(zhì)方面的研究工作。

TE122

A

1004-1184(2016)04-0214-04