沁水盆地南部煤巖儲層天然裂縫有效性及對煤層氣開發(fā)的影響

史今雄，曾聯(lián)波，譚青松，王繼鵬，張云釗，李宏為

[1.油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249; 2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249;3.中國石油 華北油田公司，河北 任丘 062552； 4.中國石油 長慶油田公司，陜西 西安 710018]

煤層氣作為一種重要非常規(guī)天然氣能源[1-3]，在中國具有廣闊的勘探開發(fā)前景，主要分布在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東南緣、準(zhǔn)噶爾盆地南部和滇東黔西盆地北部[4]。煤巖儲層是由基質(zhì)孔隙和天然裂縫組成的雙重孔隙介質(zhì)[5-6]?；|(zhì)孔隙為煤層氣的主要儲集空間，通常具有較低滲透率，而天然裂縫作為煤巖主要的流體滲流通道，對煤層氣的開采具有重要影響[7-11]。近年來，隨著中國煤層氣產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，煤巖儲層天然裂縫研究逐漸受到地質(zhì)學(xué)家的普遍重視。國內(nèi)外諸多學(xué)者對煤巖儲層天然裂縫的成因類型、發(fā)育特征、形成演化及控制因素進(jìn)行了相關(guān)研究[12-18]，而針對于裂縫有效性研究相對較少，仍處于初步探索、發(fā)展階段。天然裂縫有效性是決定煤巖儲層滲流能力的重要因素，系統(tǒng)開展煤巖儲層天然裂縫有效性研究，對中國煤層氣開發(fā)具有重要指導(dǎo)作用。

受復(fù)雜地質(zhì)條件、成巖作用和構(gòu)造運(yùn)動影響，沁水盆地南部上古生界煤巖地層發(fā)育多種類型、多期次的天然裂縫[19]。天然裂縫有效性存在較大差異，成為制約該區(qū)域煤層氣高效開采的關(guān)鍵地質(zhì)因素。因此，本文綜合利用野外露頭、巖心、掃描電鏡和生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)等資料，對沁水盆地南部上古生界煤巖儲層天然裂縫類型、發(fā)育特征、有效性及其主控因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，探討了裂縫有效性對煤層氣開發(fā)的影響。該研究成果可為明確沁水盆地南部有效裂縫有利分布區(qū)、煤層氣井勘探部署及制定合理的煤層氣開發(fā)方案提供地質(zhì)依據(jù)與借鑒。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于沁水盆地南部(圖1)，其北部與盆地腹部相接，總體構(gòu)造形態(tài)為馬蹄形斜坡，地層寬闊平緩，地層傾角一般為2°～7°，平均為4°左右[20-22]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，平緩褶皺構(gòu)造發(fā)育，褶皺軸向主要為NNE-SSW和近NS向(圖1)。斷層較少，主要在東南部發(fā)育寺頭正斷層、后城腰正斷層及一系列伴生小斷層，斷層走向主要為NE-SW向和近E-W向[21]。上古生界太原組(C3t)和山西組(P1sh)為該區(qū)主要的含煤層系，主要巖性為砂巖、泥巖、灰?guī)r和煤層。太原組連續(xù)沉積于本溪組之上，為一套海陸交互相沉積，厚度83～100 m；山西組以K7砂巖與太原組分界，整合沉積在太原組之上，為河流三角洲沉積體系，厚度37～72 m。太原組15號煤層和山西組3號煤層在研究區(qū)內(nèi)厚度較大且穩(wěn)定分布，為該區(qū)主要的煤層氣儲層[23-24]。其中山西組3號煤層為本次研究的主要目的層段，主要形成于泥炭沼澤沉積環(huán)境，煤巖類型以亮煤、半亮煤為主，部分為半暗煤。山西組3號煤層厚度4～7 m，平均值為5.5 m，煤層埋深400～1 200 m，呈現(xiàn)北深南淺的特點。儲集空間以微裂隙和小孔為主，發(fā)育少量的中孔和大孔，孔隙度和滲透率均較低。煤巖演化程度高，煤巖鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max)介于2.2%～4.0%[25]，煤層大量裂解生氣，使得該區(qū)煤層氣藏的含氣量和含氣飽和度都達(dá)到相對高值，分別為10～37 m3/t和56%～80%[25]。

圖1 沁水盆地南部構(gòu)造特征(a)與位置簡圖(b)Fig.1 A map showing the tectonic features of the southern Qinshui Basin(a) and the basin location(b)

2 天然裂縫特征

根據(jù)野外露頭、巖心和掃描電鏡資料，按照天然裂縫的地質(zhì)成因類型，可將沁水盆地南部山西組3號煤層儲層中的天然裂縫劃分為割理和構(gòu)造裂縫，其中構(gòu)造裂縫包括剪切裂縫和張性裂縫。

割理是在煤化作用過程中受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和煤化作用過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力形成的裂縫系統(tǒng)[8,26-27]。根據(jù)野外露頭和巖心觀察，割理主要在光亮煤和半亮煤中發(fā)育，由兩組相互垂直的、且與煤層層面垂直或近垂直的兩組裂隙組成(圖2a，b)，即面割理和端割理。其中面割理連續(xù)性較好，具有較大的延伸長度，先于端割理形成、發(fā)育。端割理連續(xù)性較差、延伸較短，通常發(fā)育在兩個相鄰的面割理之間。掃描電鏡中，割理分布受煤巖顯微組分限制，多發(fā)育于均質(zhì)鏡質(zhì)體為主的組分中。割理面平整，兩側(cè)沒有位移，無擦痕。根據(jù)割理的組合形態(tài)特征，可將割理分為規(guī)則網(wǎng)狀割理和不規(guī)則網(wǎng)狀割理兩類[26]。規(guī)則網(wǎng)狀割理為主要的割理組合類型，長度較長、平直、具有定向性，常呈等間距排列(圖3a)。不規(guī)則網(wǎng)狀割理一般長度較短、開度較小，單條割理多呈彎曲狀，不同方向性的割理常組合成不規(guī)則網(wǎng)狀，形似干裂紋(圖3b)。野外露頭統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)山西組3號煤巖割理走向主要為NE-SW向和NW-SE向，其中面割理走向為NE-SW向，端割理的走向為NW-SE向(圖4a)。絕大多數(shù)割理為高角度裂縫(占88%)，斜交縫數(shù)量較少。野外露頭和巖心觀察割理發(fā)育規(guī)模較小，縱向高度主要分布在30 cm內(nèi)。

圖2 沁水盆地南部野外露頭和巖心觀察3號煤巖天然裂縫特征Fig.2 Characteristics of the fractures in No.3 coal seam revealed by outcrop and core observation in the southern Qinshui Basina.沁水盆地南部野外露頭3號煤巖中發(fā)育的割理(紅色剪頭)和一組相互平行構(gòu)造剪切裂縫(黃色箭頭)；b.M7井，埋深1 200.3 m，相互垂直發(fā)育的一組面割理(黃色箭頭)和端割理(紅色剪頭)，方解石全充填；c.H5井，埋深793.3 m，單條割理，割理面被方解石局部充填；d.H11井，埋深 802.5 m，一條斜交剪切裂縫，無充填；e.H9井，埋深792.5 m，一條高角度無充填剪切裂縫，裂縫面平直光滑

構(gòu)造裂縫是在煤巖形成后受局部或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力形成的、與構(gòu)造變形密切相關(guān)的一類裂縫[27]。不同于割理，構(gòu)造裂縫的發(fā)育不受煤巖組分的限制，通常穿透不同煤巖組分發(fā)育。剪切裂縫為主要的構(gòu)造裂縫類型，野外露頭和巖心觀察這類裂縫縫面平直光滑、產(chǎn)狀穩(wěn)定、分布規(guī)律(圖2a)，裂縫寬度通常較為均勻。掃描電鏡中，剪切裂縫延伸距離較長，通常不受特定顯微組分的限制，穿過顯微組分發(fā)育。單條剪切裂縫通常稱直線型，多組剪切裂縫組合則表現(xiàn)為階梯狀、菱形、X形、T形(圖3c—e)。張性裂縫野外露頭和巖心觀察中較為少見，該類裂縫一般延伸較短，縫面較為粗糙且多開口，裂縫寬度多不均勻，產(chǎn)狀不穩(wěn)定。掃描電鏡下張性裂縫較為常見，其縫面粗糙不平，呈不規(guī)則波狀或鋸齒狀(圖3f)，在穿過不同煤巖組分時，通常會發(fā)生裂縫方向或?qū)挾鹊淖兓?。研究區(qū)剪切裂縫主要為NE-SW向和NW-SE向，其次為近EW向和近NS向(圖4b)。根據(jù)野外露頭和巖心統(tǒng)計結(jié)果，研究區(qū)剪切裂縫以斜交裂縫為主(30°～60°)，占剪切裂縫總比例的65.9%，其次為高角度裂縫(>60°，占29.4%)，低角度裂縫(<30°)較為少見。相比于割理，剪切裂縫規(guī)模較大，野外露頭和巖心統(tǒng)計表明，裂縫縱向高度主要分布在5～80 cm(占83.5%)，但部分剪切裂縫縱向高度最大可達(dá)3 m。

圖3 沁水盆地南部3號煤巖天然裂縫微觀特征Fig.3 Microscopic characteristics of the natural fractures in No.3 coal seam in the southern Qinshui Basina.M7井，埋深1 200.35 m，規(guī)則網(wǎng)狀割理，方解石全充填；b.H9井，埋深1 021.1 m，不規(guī)則網(wǎng)狀割理；c.M8井，埋深1 115.8 m，一組相互垂直發(fā)育的割理，其中面割理被粘土礦物全充填，端割理無充填；d.H6井，埋深793.3 m，無充填剪切裂縫，縫面平直；e.M10井，埋深1 058.5 m，一組呈 X形發(fā)育的剪切裂縫，無充填；f.H8井，埋深876,4 m，張性裂縫，裂縫面呈鋸齒狀，無充填

圖4 沁水盆地南部山西組3號煤巖天然裂縫走向玫瑰花圖Fig.4 Strike rose diagrams of the natural fractures in No.3 coal seam in the Shanxi Formation,southern Qinshui Basina.割理走向玫瑰花圖(N=158條)；b.構(gòu)造剪切裂縫走向玫瑰花圖(N=37條)

3 天然裂縫有效性

沁水盆地南部煤巖儲層不同類型、不同期次裂縫的有效性存在差異。有效裂縫是決定煤巖儲層滲流能力的關(guān)鍵，無效裂縫不但對儲層沒有任何貢獻(xiàn)，反而起到滲流屏障的作用。天然裂縫的充填特征和開啟程度是最為直觀體現(xiàn)裂縫有效性的兩個參數(shù)[28-29]，主要受裂縫的形成時間、構(gòu)造運(yùn)動、流體活動和現(xiàn)今地應(yīng)力等因素的控制。

3.1 裂縫充填特征

裂縫充填特征包括充填程度和充填物類型兩個方面。研究區(qū)山西組3號煤巖天然裂縫的充填程度主要分為全充填、半充填、局部充填和無充填4類。其中全充填和半充填裂縫一般為無效裂縫，不利于煤巖儲層中流體滲流；局部充填裂縫有效性一般，能起到一定的提高儲層滲流能力的作用；無充填裂縫為有效裂縫，為煤巖儲層主要的滲流通道。研究區(qū)天然裂縫充填程度統(tǒng)計結(jié)果表明，割理中以全充填和半充填裂縫為主(圖5a)，分別占41.2%和29.5%，其次為局部充填裂縫(占19.7%)，無充填裂縫數(shù)量最少(占9.6%)。構(gòu)造剪切裂縫中以無充填和局部充填裂縫為主(分別為69.9%和17.5%，圖5a)，半充填裂縫和全充填裂縫較為少見(分別為8.2%和4.4%)。割理充填物類型主要包括方解石、粘土礦物和黃鐵礦(圖5b)，其中被方解石充填裂縫數(shù)量占62.3%，被粘土礦物充填裂縫占32.5%，被黃鐵礦充填裂縫占5.2%。剪切裂縫充填物以方解石為主(91.4%)，包含少量的粘土礦物和煤粉(圖5b)。統(tǒng)計結(jié)果反映出，總體上構(gòu)造剪切裂縫的充填情況少于割理，說明剪切裂縫對研究區(qū)煤巖儲層滲流能力起到主要貢獻(xiàn)作用。

3.2 裂縫開啟程度

天然裂縫的開度指地下受到靜巖圍壓、地層流體壓力、現(xiàn)今地應(yīng)力等綜合作用表現(xiàn)的張開度，即裂縫在地層圍壓條件下的真實開度[29]，可以客觀定量地評價天然裂縫對儲層的作用和貢獻(xiàn)大小。直接測量裂縫地下開度難度較大，通常采用野外露頭及巖心對其進(jìn)行實際測量，但存在一定誤差，一般測量精度為0.05 mm左右[30-32]。由于巖心及野外露頭出露地表，地層圍壓釋放，巖心膨脹，導(dǎo)致地表巖心裂縫開度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在地下的真實開度，但仍能從一定程度上反映裂縫地下開度的相對大小[31]。沁水盆地南部3條露頭剖面及研究區(qū)12口取心井天然裂縫開度統(tǒng)計結(jié)果表明，割理開度介于幾百微米到幾毫米之間，集中分布于0～1.7 mm，平均值為0.86 mm；構(gòu)造剪切裂縫開度數(shù)量級為毫米級，開度分布為0～6.8 mm，平均值為2.1 mm。掃描電鏡下，天然裂縫開度與野外露頭、巖心裂縫開度相差2～3個數(shù)量級，數(shù)量級主要為微米級。根據(jù)150塊樣品的掃描電鏡觀測統(tǒng)計，割理開度主要以小于6 μm為主，其中開度小于4 μm占67.6%，開度在4～6 μm占19.7%，開度大于6 μm占12.7%(圖6a)；構(gòu)造剪切裂縫開度主要分布在10 μm之內(nèi)，部分裂縫開度可達(dá)到20 μm，其中開度小于2 μm占13.6%，開度在2～8 μm占81.7%，開度大于8 μm占4.7%(圖6b)。綜合野外露頭、巖心及掃描電鏡觀察結(jié)果表明，總體上構(gòu)造剪切裂縫開度大于割理開度。

圖5 沁水盆地南部3號煤巖天然裂縫充填特征Fig.5 Filling characteristics of the natural fractures in No.3 coal seam in the southern Qinshui Basina.裂縫充填程度(N=366)；b.裂縫充填物類型(N=270)

圖6 沁水盆地南部3號煤巖天然裂縫開度分布特征(掃描電鏡)Fig.6 Aperture distribution characteristics of the natural fractures in No.3 coal seam in the southern Qinshui Basin (SEM)a.割理(N=572)；b.構(gòu)造裂縫(N=316)

3.3 裂縫有效性控制因素

礦物充填對煤巖儲層天然裂縫有效性具有較大影響，而流體活動是引起充填現(xiàn)象的主要原因。天然裂縫形成時間越早，越容易受流體活動影響，越易被礦物充填而成為無效裂縫[33]。如前所述，沁水盆地南部山西組3號煤巖發(fā)育多種類型天然裂縫，根據(jù)天然裂縫地質(zhì)成因可劃分為割理和構(gòu)造裂縫兩大類。割理形成于煤化作用過程中，而構(gòu)造裂縫形成于煤層形成之后，割理形成時間整體早于構(gòu)造裂縫。受成煤過程中基質(zhì)脫水、脫揮發(fā)分和成煤后構(gòu)造運(yùn)動伴隨的流體活動影響，研究區(qū)3號煤巖割理普遍存在礦物充填，充填程度以全充填和半充填為主，導(dǎo)致割理滲透能力的降低。

此外，野外露頭構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀、形態(tài)，以及巖心和掃面電鏡中構(gòu)造裂縫交切、限制關(guān)系表明，該區(qū)構(gòu)造裂縫具有多期形成的特點。構(gòu)造裂縫的形成主要與煤層形成之后的主要構(gòu)造運(yùn)動相對應(yīng)。自沁水盆地南部二疊系形成以來，研究區(qū)山西組煤巖儲層先后經(jīng)歷了印支期、燕山期和喜馬拉雅期3期構(gòu)造運(yùn)動。印支運(yùn)動時期，沁水盆地整體處于近NS向的水平擠壓應(yīng)力場環(huán)境下，但由于構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)度相對較弱，此時期研究區(qū)構(gòu)造裂縫不發(fā)育。綜合沁水盆地南部構(gòu)造演化史、地層埋藏史、裂縫交切關(guān)系及充填差異等，可將山西組3號煤巖儲層構(gòu)造裂縫的形成期次劃分為2期。第1期構(gòu)造裂縫形成于燕山運(yùn)動時期，受庫拉-太平洋板塊擠壓，該期構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為NW-SE向近水平擠壓應(yīng)力場，主要形成走向為NW-SE向和近EW向的兩組構(gòu)造剪切裂縫。第2期構(gòu)造裂縫形成于喜馬拉雅運(yùn)動早期，受印度-歐亞板塊碰撞和西太平洋板塊俯沖共同作用的影響，該期構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為NNE-SSW向近水平擠壓應(yīng)力場，主要形成走向為NE-SW向和近NS向的兩組構(gòu)造剪切裂縫。燕山運(yùn)動是沁水盆地中生代以來最強(qiáng)烈的一次構(gòu)造變形，由于構(gòu)造活動強(qiáng)度大、作用時間長，該時期形成的構(gòu)造裂縫規(guī)模廣、開度大，充填程度相對于喜馬拉雅期構(gòu)造裂縫較高，但兩期構(gòu)造裂縫充填情況差異較小，均以局部充填、未充填為主。值得注意的是，喜馬拉雅運(yùn)動期以來研究區(qū)二疊系煤系地層遭受強(qiáng)烈抬升剝蝕，造成地層應(yīng)力大幅降低，原先閉合程度較大的天然裂縫會再次發(fā)生活動或重新張開，形成有效裂縫。研究區(qū)煤巖儲層中構(gòu)造裂縫以斜交縫為主，而割理主要呈垂直或近垂直裂縫，因此這種作用對構(gòu)造裂縫的影響尤為明顯。相比于割理，構(gòu)造裂縫充填程度較低，具有較長的延伸長度和開度，對煤巖儲層流體滲流能力的貢獻(xiàn)更大。

現(xiàn)今地應(yīng)力是影響裂縫開度的重要因素，主要包括現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)及最大主應(yīng)力方向與天然裂縫走向的關(guān)系2個方面。地應(yīng)力由重力和構(gòu)造應(yīng)力疊加而成，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)決定于儲層條件下垂直應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之間的相互關(guān)系[34-35]。研究區(qū)山西組3號煤巖儲層滲透率與埋深關(guān)系顯示，隨埋深增加，儲層滲透率呈現(xiàn)出減小、增大、再減小的變化趨勢(圖7)。煤巖儲層滲透性與其埋藏深度之間的關(guān)系，其實質(zhì)是不同地應(yīng)力狀態(tài)對儲層裂縫開度的控制[36-40]。當(dāng)埋深小于600 m和大于800 m時，地應(yīng)力處于擠壓狀態(tài)，煤巖儲層主要受水平擠壓應(yīng)力作用，隨水平主應(yīng)力的增加，裂縫開度逐漸減??；而當(dāng)埋深介于600～800 m時，地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，水平主應(yīng)力較小，地應(yīng)力處于擠壓向拉伸轉(zhuǎn)換、拉伸狀態(tài)，裂縫開度較大。

而同一埋深條件下，天然裂縫開度主要與最大主應(yīng)力方向與天然裂縫走向的關(guān)系相關(guān)。當(dāng)現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向與儲層裂縫走向一致或呈小角度相交時，裂縫面實質(zhì)上受到相對拉張作用，有利于裂縫開度的增大；而在現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向與裂縫走向垂直時，裂縫面受到擠壓作用，裂縫開度減小甚至閉合。研究區(qū)成像測井井眼崩落及鉆井誘導(dǎo)縫發(fā)育情況表明，煤巖儲層現(xiàn)今地應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向主要為NNE-NE向。因此，儲層中NE-SW向裂縫開度最大，其次為近NS向和近EW向裂縫，而NW-SE向裂縫開度最小。

4 有效裂縫對煤層氣開發(fā)的影響

煤巖儲層天然裂縫是決定煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)出的關(guān)鍵因素，對煤層氣井的產(chǎn)量特征具有重要影響。通過分析研究區(qū)3號煤巖儲層煤層氣井的生產(chǎn)動態(tài)資料，將煤層氣井分為產(chǎn)氣井和高產(chǎn)水井兩大類，其中根據(jù)產(chǎn)氣井單井日平均產(chǎn)氣量，可將其分為高產(chǎn)氣井(日產(chǎn)氣>2 000 m3)、中產(chǎn)氣井(日產(chǎn)氣為500～2 000 m3)和低產(chǎn)氣井(日產(chǎn)氣<5 00 m3)。研究區(qū)42口煤層氣井中，高產(chǎn)氣井占28.2%，中產(chǎn)氣井占33.4%，低產(chǎn)氣井占25.6%，高產(chǎn)水井占12.8%。結(jié)合巖心、掃描電鏡觀察等成果，對不同產(chǎn)量特征煤層氣井天然裂縫發(fā)育情況進(jìn)行對比分析(圖8)，結(jié)果表明，構(gòu)造裂縫是導(dǎo)致研究區(qū)煤層氣單井產(chǎn)量特征差異的主要因素，而割理對煤層氣開發(fā)的影響較小。雖然各煤層氣井均呈現(xiàn)出割理比較發(fā)育的特點(圖8a)，但一方面受礦物充填的影響，割理滲流能力較差，不能作為流體有效的滲流通道；另一方面，由于割理一般在鏡煤分層較為發(fā)育，其縱向延伸高度受到限制，導(dǎo)致割理分布具有明顯的分帶性，整體連通性較差。因此，割理有效性較差，對煤巖儲層滲透率貢獻(xiàn)較小。

高產(chǎn)氣井、中產(chǎn)氣井和低產(chǎn)氣井的區(qū)別主要表現(xiàn)在構(gòu)造裂縫發(fā)育的差異性?？傮w上看，煤層氣產(chǎn)量隨構(gòu)造裂縫發(fā)育強(qiáng)度的增大而增加(圖8b)。煤巖儲層中構(gòu)造裂縫發(fā)育的情況下，儲層滲透能力強(qiáng)，可以使井口附近煤層氣快速解吸。研究區(qū)煤巖儲層構(gòu)造裂縫以斜交裂縫為主，當(dāng)多組構(gòu)造裂縫相互連通形成較大范圍的裂縫網(wǎng)絡(luò)時，構(gòu)造裂縫在煤巖儲層不同的煤級中延伸，加強(qiáng)了煤儲層整體連通性，可以促進(jìn)儲層壓降垂向、橫向的有效傳播。而構(gòu)造裂縫不發(fā)育時，煤巖儲層滲流能力差，儲層中地層水滲流緩慢，排水降壓慢。只有近井地帶小范圍面積內(nèi)出現(xiàn)短期滲流，排采后雖可形成短時間的產(chǎn)氣高峰，但由于不能形成有效的壓力傳導(dǎo)，煤層氣解吸速度衰減較快，造成煤層氣井在較短的產(chǎn)氣高峰過后產(chǎn)量明顯下降。同時，受不同儲層埋深條件下現(xiàn)今應(yīng)力場狀態(tài)差異對構(gòu)造裂縫開度的影響，研究區(qū)3號煤巖儲層埋深在600～800 m范圍內(nèi)的高產(chǎn)氣井比例明顯高于儲層埋深淺于600 m和深于800 m，這主要是由于此埋深條件下水平主應(yīng)力較小，構(gòu)造裂縫開度大、有效性較好，為煤層氣開發(fā)的有利埋深。

圖7 沁水盆地南部3號煤巖儲層埋深與應(yīng)力(a)及滲透率(b)的關(guān)系Fig.7 Burial depth vs.in-situ stress(a) and burial depth vs.permeability(b) of No.3 coal seam in the southern Qinshui BasinⅠ:σH>σV>σh,擠壓應(yīng)力狀態(tài)；Ⅱ:σV≈σH>σh,擠壓-拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)換狀態(tài)，σV>σH>σh,拉伸應(yīng)力狀態(tài)；Ⅲ:σH>σV>σh,擠壓應(yīng)力狀態(tài)

圖8 沁水盆地南部不同產(chǎn)量特征煤層氣井天然裂縫發(fā)育情況Fig.8 Fracture development degrees of CBM wells of various productivity in the southern Qinshui Basina.割理發(fā)育強(qiáng)度；b.構(gòu)造裂縫發(fā)育強(qiáng)度

此外，構(gòu)造裂縫規(guī)模對煤層氣的保存和產(chǎn)出具有較大影響。統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)高產(chǎn)水井多位于斷層附近(圖9)，尤其是大型斷層(寺頭斷層、后城腰斷層)附近，高產(chǎn)水井分布比例較高。分析其原因認(rèn)為受大型斷層強(qiáng)烈構(gòu)造作用影響，其附近構(gòu)造裂縫規(guī)模較大，通常具有較大的開度和縱向延伸距離。儲層中發(fā)育較大規(guī)模的構(gòu)造裂縫，特別是當(dāng)裂縫切穿煤層上下邊界時，一方面煤儲層中的煤層氣沿構(gòu)造裂縫大量散失，導(dǎo)致含氣量和儲層壓力的降低；另一方面構(gòu)造裂縫溝通煤層與上部含水層，使得煤儲層中的地層水獲得補(bǔ)充，儲層壓力難以下降，吸附態(tài)的煤層氣無法達(dá)到臨界解吸壓力，煤層氣井始終維持高日產(chǎn)水量，不利于煤層氣的有效產(chǎn)出。

圖9 沁水盆地南部不同構(gòu)造部位煤層氣井產(chǎn)量Fig.9 The production of CBM wells at different structural positions in the southern Qinshui Basin

5 結(jié)論

1) 沁水盆地南部山西組3號煤層主要發(fā)育割理和構(gòu)造裂縫兩大類天然裂縫，其中割理包括面割理和端割理，構(gòu)造裂縫包括剪切裂縫和張性裂縫。天然裂縫有效性分析結(jié)果表明，研究區(qū)3號煤巖儲層中構(gòu)造裂縫有效性整體好于割理，其中構(gòu)造裂縫中NE-SW向裂縫有效性最好，其次為近NS向和近EW向裂縫，而NW-SE向裂縫有效性最差。

2) 山西組3號煤層天然裂縫有效性主要受裂縫的形成時間、構(gòu)造運(yùn)動、流體活動、現(xiàn)今地應(yīng)力等因素控制。其中天然裂縫形成時間越早，越容易受流體活動影響，越易被礦物充填而成為無效裂縫；煤巖儲層處于拉伸地應(yīng)力狀態(tài)下，裂縫開度較大，有效性較好；裂縫走向與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向一致或小角度相交時，裂縫開度較大。

3) 相比于割理，構(gòu)造裂縫對煤巖儲層滲透能力的貢獻(xiàn)作用更大，是決定煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)出的關(guān)鍵因素。但構(gòu)造裂縫規(guī)模過大時，將不利于煤巖儲層中煤層氣的保存以及煤層氣井的高產(chǎn)。