區(qū)域構(gòu)造與演化控制下煤層氣富集高產(chǎn)典型模式

琚宜文，喬 鵬，衛(wèi)明明，李 鑫，徐鳳銀，馮國瑞，李 勇，吳財(cái)芳，曹運(yùn)興，李國富，韓玉明0，李 振，蘆志剛0，姜 磊

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；2.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631；3.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆中亞造山帶大陸動(dòng)力學(xué)與成礦預(yù)測實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830047；4.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；5.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；6.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；7.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；8.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；9.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；10.潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 長治 046299；11.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；12.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學(xué)院新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

煤層氣富集產(chǎn)氣研究在解決我國以煤炭為主的能源資源、災(zāi)害與環(huán)境問題方面意義重大。煤層氣是非常規(guī)天然氣中極其重要的組成部分，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠緩解天然氣供應(yīng)緊張的局面，保障國家能源安全。同時(shí)，煤層氣的開發(fā)利用有利于煤礦的安全生產(chǎn)，防治煤與瓦斯突出和爆炸。此外，在碳中和背景下，煤層氣作為低碳清潔能源，是實(shí)現(xiàn)我國能源由高碳向低碳過渡的重要保障[1]。

煤層氣富集區(qū)形成是宏觀動(dòng)態(tài)地質(zhì)演化過程，實(shí)質(zhì)是在含煤盆地構(gòu)造演化史、沉積埋藏史、生氣史等地質(zhì)要素時(shí)空演化控制下，煤層氣在含煤盆地中形成、運(yùn)移、賦存、保存和調(diào)整富集的高效配置過程。沉積?構(gòu)造演化是主導(dǎo)煤層氣富集的重要因素，不僅表現(xiàn)在通過構(gòu)造演化對煤層氣富集過程起直接控制作用，同時(shí)也通過對其他地質(zhì)要素的影響而間接作用于煤層氣富集[2]。不同的構(gòu)造應(yīng)力場及應(yīng)力?應(yīng)變環(huán)境可以形成具有不同構(gòu)造特征和變形類型的煤儲(chǔ)層，在富集產(chǎn)氣區(qū)形成過程中構(gòu)造可以起到物性封堵的作用，甚至在構(gòu)造演化復(fù)雜區(qū)域，取代水動(dòng)力、儲(chǔ)層物性等保存條件成為影響煤層氣富集產(chǎn)氣的主控因素[3-4]。

美國圣胡安盆地在煤層氣勘探開發(fā)過程中，形成了“排水?降壓?解吸?擴(kuò)散?滲流”產(chǎn)出過程的認(rèn)識(shí)，提出了落基山造山帶高產(chǎn)走廊的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，主要表現(xiàn)為水動(dòng)力封閉超壓富集模式[5-8]；粉河盆地煤層氣勘探開發(fā)過程中，提出了“生物型或次生煤層氣成藏”的理論認(rèn)識(shí)，取得了生物氣的開發(fā)突破[9-10]；除此之外，在阿巴拉契亞山脈的褶皺斷裂區(qū)，發(fā)現(xiàn)了以半地塹最為有利、高滲高產(chǎn)的富集成藏模式[11-13]。我國煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，受控于復(fù)雜的盆山構(gòu)造演化過程[14-16]。我國煤層氣在華北克拉通的沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，建成了千億方煤層氣田[17-22]。除此之外，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山?jīng)_斷帶也開展了煤層氣的商業(yè)開發(fā)，取得了中低階煤煤層氣開發(fā)突破[23-26]。在煤礦區(qū)煤層氣抽采方面，如在淮南和淮北礦區(qū)實(shí)現(xiàn)了煤層氣的高效抽采[27-29]。上述煤層氣開發(fā)盆地和區(qū)帶，構(gòu)造演化過程不同、沉積地層存在差異，煤層氣富集產(chǎn)氣規(guī)律存在較大差別。由于區(qū)域構(gòu)造特征控制著每個(gè)富集產(chǎn)氣模式，而構(gòu)造演化過程決定了富集產(chǎn)氣模式的形成，因而需要系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)認(rèn)識(shí)，提出針對性的煤層氣富集產(chǎn)氣模式，以助力煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展和“十四五”煤層氣產(chǎn)能突破?；诖?，本文結(jié)合我國區(qū)域構(gòu)造與演化過程及煤層氣地質(zhì)條件，主要研究區(qū)域構(gòu)造與演化控制下煤層氣富集高產(chǎn)的典型模式，包括構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)、褶皺系統(tǒng)、沖斷構(gòu)造系統(tǒng)和構(gòu)造疊加系統(tǒng)模式，以期為我國煤層氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式

構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式主要存在于盆地內(nèi)構(gòu)造總體較為簡單僅裂隙系統(tǒng)比較發(fā)育的區(qū)域，以鄂爾多斯盆地東緣大寧?吉縣為例，詳細(xì)闡述該富集產(chǎn)氣模式的地質(zhì)特征與形成機(jī)理。鄂爾多斯盆地是疊合在古生代華北克拉通盆地基礎(chǔ)上的中新生代沉積盆地[30]。大寧?吉縣區(qū)塊位于盆地東緣中南部，構(gòu)造總體較為簡單，為EW 向或NW 向傾斜的低角度單斜構(gòu)造，斷層較少發(fā)育，僅在盆地沉降過程中發(fā)育一些裂隙系統(tǒng)[5,31]。該區(qū)塊主采煤層為二疊系山西組(5 煤)、太原組(8 煤)，其分布廣、埋深大，有利于煤層氣的形成和保存。三疊紀(jì)末構(gòu)造抬升之前，鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)普遍經(jīng)歷了最大埋藏階段，煤層發(fā)生了深成變質(zhì)作用。在燕山期構(gòu)造熱事件中，大寧?吉縣區(qū)塊發(fā)現(xiàn)規(guī)模不大的侵入巖和火山巖，煤變質(zhì)程度有所升高，但由于起點(diǎn)煤級較高，二次生烴強(qiáng)度不大，煤層生氣主期仍為三疊紀(jì)的深成變質(zhì)作用，煤層氣以深成熱成因?yàn)橹?，局部可有生物氣。其含氣量一般?0～22 m3/t。煤層裂隙相對發(fā)育，儲(chǔ)層滲透率在(0.1～30)×10?3μm2。區(qū)域內(nèi)吉試5 井，含氣量20.87 m3/t，滲透率僅0.1×10?3μm2，但最高日產(chǎn)氣量達(dá)到6 800 m3；吉試1 井含氣量為18 m3/t，滲透率(1～10)×10?3μm2，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在2 460 m3。由此認(rèn)為，該區(qū)塊屬于典型的高含氣量的構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式。

在構(gòu)造穩(wěn)定條件下，在地層自身重力作用(埋深作用)和盆緣擠壓作用下形成整體上傾角平緩的單斜構(gòu)造，斷層較少，多發(fā)育裂隙或節(jié)理，局部發(fā)育次級緩傾角褶皺，上覆蓋層發(fā)育較為完整，煤層氣在深成變質(zhì)作用下生成，并被較好地保存下來。同時(shí)，在裂隙中等發(fā)育區(qū)，形成煤層氣富集高產(chǎn)氣區(qū)，其富集產(chǎn)氣模式如圖1 所示。

圖1 構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式Fig.1 CBM enrichment and production mode of simple structural fracture system

2 褶皺系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式

盆地內(nèi)部經(jīng)常發(fā)育明顯的褶皺系統(tǒng)，沁水盆地南部與貴州煤層氣井實(shí)測及生產(chǎn)數(shù)據(jù)與褶皺構(gòu)造的關(guān)系顯示，煤層氣的富集產(chǎn)氣特征在褶皺系統(tǒng)的各個(gè)部位具有明顯規(guī)律，基于此，建立了較淺向斜軸部富集產(chǎn)氣模式、褶皺翼部富集產(chǎn)氣模式和次級構(gòu)造高部位富集產(chǎn)氣模式，選取典型盆地/區(qū)塊加以論述(圖2)。

圖2 褶皺系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式[32]Fig.2 CBM enrichment and production mode of fold system[32]

2.1 較淺向斜軸部煤層氣富集產(chǎn)氣模式

沁水盆地整體上是一個(gè)NNE 向的復(fù)向斜，盆地內(nèi)發(fā)育多個(gè)次級褶皺。潘莊區(qū)塊位于沁水盆地南部向西北傾的斜坡帶上，西界為寺頭正斷層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要以寬緩褶皺為主，背斜和向斜呈NNE 向排列。如圖3所示，潘莊區(qū)塊內(nèi)實(shí)測含氣量大于25 m3/t 的煤層氣井分布于向斜軸部，但滲透性較差，如0407、9-4、9-5 井；在背斜核部，煤層氣容易逸散，含氣量明顯降低，如0405、7-2 井。與潘莊區(qū)塊毗鄰的潘河、樊莊區(qū)塊，其煤層氣同樣在向斜軸部富集產(chǎn)氣。潘河區(qū)塊內(nèi)背向斜相間排列，向斜構(gòu)造部位的高產(chǎn)井占比為75%，并伴隨高產(chǎn)水，對井網(wǎng)整體的排水降壓有較大貢獻(xiàn)[33]。樊莊區(qū)塊向斜軸部的煤層氣井產(chǎn)量可達(dá)到1 000～5 000 m3/d[34]。

圖3 較淺向斜軸部煤層氣富集產(chǎn)氣模式[35]Fig.3 CBM enrichment and production mode of syncline shaft[35]

向斜軸部煤層埋深相對較大，擠壓應(yīng)力有利于煤層氣吸附，加之上覆蓋層的封閉；向斜軸部接受兩翼地下水的補(bǔ)給從而使煤層形成水力封閉，這是造成煤層含氣量高的原因，煤層氣保存條件好。隨著埋深增加，煤層所受覆巖應(yīng)力和有效應(yīng)力顯著增加，導(dǎo)致向斜軸部的煤層滲透率降低，盡管煤層氣富集但產(chǎn)氣效果較差，因此，向斜軸部富集產(chǎn)氣模式僅適合煤層埋深相對較淺地區(qū)。

2.2 褶皺翼部煤層氣富集產(chǎn)氣模式

沁水盆地南部鄭莊和樊莊區(qū)塊，以寺頭斷層相隔。晉試1 井位于斷層?xùn)|側(cè)的樊莊區(qū)塊，晉試5 井、晉試6 井位于斷層西側(cè)的鄭莊區(qū)塊(圖4)。晉試1 井的含氣量與滲透率均高于晉試5 井、晉試6 井，因此其產(chǎn)氣效果更好。而同處于鄭莊區(qū)塊內(nèi)的晉試5 井與晉試6 井，盡管位于向斜翼部的晉試5 井其含氣量低于位于向斜軸部的晉試6 井，但晉試5 井滲透率較高，產(chǎn)氣效果優(yōu)于晉試6 井。

圖4 褶皺翼部煤層氣富集產(chǎn)氣模式Fig.4 CBM enrichment and production mode of limb of fold

相比于向斜軸部，向斜翼部整體壓力分布均勻，主要受剪切應(yīng)力作用，裂隙發(fā)育適中，煤儲(chǔ)層連通性較好，且處于水動(dòng)力條件中的“承壓區(qū)”，同時(shí)受到背斜軸部的補(bǔ)給和翼部至向斜軸部的水力封堵作用，在開采過程中排水降壓較為容易。因此，褶皺翼部的含氣量和滲透率匹配較好，形成富集產(chǎn)氣帶。

2.3 次級構(gòu)造高部位煤層氣富集產(chǎn)氣模式

沁水盆地南部區(qū)內(nèi)樊莊、潘莊、鄭莊已初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，煤層含氣量總體較高，平均為10～25 m3/t。大量實(shí)例證明，在含氣量相差不大的情況下，不同構(gòu)造部位產(chǎn)氣差別較大，表現(xiàn)為相對構(gòu)造高部位煤層氣高產(chǎn)。在盆地南部固縣井組，斷層兩側(cè)含氣量相當(dāng)，但東側(cè)高部位單井產(chǎn)量是斷層西側(cè)低部位單井產(chǎn)量的10倍以上，在斷塊上盤的構(gòu)造高點(diǎn)(交叉斷層上傾部位)富氣貧水，單井日產(chǎn)氣量3 000～6 573 m3(圖5a)；而在斷塊形成地塹，即斷塊內(nèi)貧氣富水，投產(chǎn)4 口井均未見氣，單井日產(chǎn)水量6～10 m3，開采4 年基本維持原狀。在樊莊區(qū)塊蒲池井組，高部位區(qū)初期單井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水少；低部位區(qū)則相反，以構(gòu)造高點(diǎn)PN1-4 井和構(gòu)造翼部PN2-5 井為例，PN1-4 井煤層埋深673 m，2006年10 月27 日投產(chǎn)，最高日產(chǎn)氣量2 900 m3，目前日產(chǎn)氣量1 641 m3，日產(chǎn)水量小于0.1 m3；PN2-5 井平均日產(chǎn)水量10 m3，日產(chǎn)氣平均僅2 00 m3左右(圖5b)。

圖5 沁南固縣與蒲池井組不同構(gòu)造部位煤層氣開發(fā)特征Fig.5 Development characteristics of CBM in different structural positions of the Guxian and Puchi well groups in the Southern Qinshui Basin

次級構(gòu)造高部位煤層氣富集產(chǎn)氣，主要是因?yàn)樵跇?gòu)造作用下形成的伴生構(gòu)造(背斜、鼻隆構(gòu)造、斷塊等)高部位形成構(gòu)造圈閉，生成“氣頂”，煤層氣富集產(chǎn)氣。在這個(gè)過程中，構(gòu)造調(diào)整降壓富集產(chǎn)氣，相對構(gòu)造高部位含氣飽和度高。富集產(chǎn)氣區(qū)內(nèi)，構(gòu)造抬升幅度較小，未造成煤層氣大量散失，同時(shí)由于儲(chǔ)層壓力下降，吸附能力降低，相應(yīng)吸附飽和度增高。早期生成的煤層氣隨構(gòu)造抬升，儲(chǔ)層壓力減小，部分吸附氣轉(zhuǎn)換為游離氣，并由于密度的原因，沿煤層裂隙向上運(yùn)移，并且在相對高部位富集產(chǎn)氣(圖6)，蓋層良好的情況下，游離氣聚集在高部位，若埋深較大、儲(chǔ)層壓力較大的情況下，可以在高部位或向斜低部位再次以吸附態(tài)保存下來。此時(shí)，裂隙系統(tǒng)的壓力降低，深層煤層氣繼續(xù)運(yùn)移，周而復(fù)始形成富集產(chǎn)氣區(qū)。

圖6 次級構(gòu)造高部位煤層氣富集產(chǎn)氣模式Fig.6 CBM enrichment and production mode in secondary structural high position

3 沖斷構(gòu)造系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地處準(zhǔn)噶爾盆地與天山造山帶的結(jié)合部位，一級構(gòu)造單元屬于北天山山前沖斷帶，構(gòu)造上經(jīng)歷了早二疊世伸展、中晚二疊世前陸盆地，三疊紀(jì)至白堊紀(jì)復(fù)合類前陸盆地和古近紀(jì)以來的擠壓撓曲盆地4個(gè)階段[36-38]。受天山隆升影響，由南往北依次為山前斷褶帶、深凹陷區(qū)和北部斜坡帶，總體呈現(xiàn)“南北分帶、東西分段和上下分層”的特征[37]，煤層氣勘探區(qū)主要發(fā)育在第一排山前斷褶帶上。

3.1 褶皺沖斷帶煤層氣富集產(chǎn)氣模式

以準(zhǔn)噶爾盆地南緣頭屯河至烏魯木齊河為例，該段發(fā)育小渠子斷層、西山逆斷層和頭屯河向斜、桌子山背斜、郝家溝背斜、阿什里向斜，是典型的沖斷構(gòu)造系統(tǒng)。圖7 展示了頭屯河至烏魯木齊段疊瓦狀逆沖斷層煤層氣富集產(chǎn)氣模式。在疊瓦狀逆沖構(gòu)造和與其相間的背向斜組合中，在郝家溝背斜核部煤層氣含量較高，并在西山斷層附近達(dá)到最大值。西山斷層以韌性變形為主，壓應(yīng)力阻止氣體逸散并增強(qiáng)煤層氣吸附能力，同時(shí)兩側(cè)地層封閉性好，深部煤層氣向淺部運(yùn)移，在靠近斷層的相對構(gòu)造高點(diǎn)富集。此外，郝家溝背斜核部及桌子山背斜核部受拉應(yīng)力而容易產(chǎn)生張性裂隙，煤儲(chǔ)層滲透率增加，但上覆蓋層封閉性好，有利于煤層氣富集。在西側(cè)區(qū)域煤層接受天山融水的補(bǔ)給，形成次生生物氣，補(bǔ)充含氣量。

圖7 褶皺沖斷帶煤層氣富集產(chǎn)氣模式[26]Fig.7 CBM enrichment and production mode in fault-thrust-fold belts[26]

3.2 高陡沖斷構(gòu)造帶煤層氣富集產(chǎn)氣模式

準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康斷裂帶為二級構(gòu)造單元之一，由于博格達(dá)山的隆起，阜康斷裂帶褶皺和斷層較準(zhǔn)南西部更加發(fā)育，是典型的山前高角度沖斷含煤巖系構(gòu)造。圖8 展示了天山山前阜康地區(qū)高陡沖斷帶煤層氣富集產(chǎn)氣模式。B—B剖面位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康礦區(qū)阜康向斜仰起端，由于阜康斷裂帶煤層經(jīng)歷了燕山期與喜馬拉雅期兩次抬升作用，導(dǎo)致部分煤層氣逸散，含氣飽和度在61.52%～100.55%(平均76.30%)，儲(chǔ)層基本呈欠飽和狀態(tài)，以吸附氣為主。阜康斷裂帶受海西、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造疊加影響，其構(gòu)造變形及油氣富集過程復(fù)雜。特別是燕山期發(fā)生3 幕強(qiáng)烈活動(dòng)，是阜康斷裂帶的主要改造期；喜馬拉雅期南北強(qiáng)大擠壓應(yīng)力使阜康斷裂帶下盤發(fā)育了高角度沖斷型類前陸盆地的箕狀凹陷，上盤發(fā)生沖斷推覆。煤層內(nèi)部天然裂隙發(fā)育，有利于煤層氣沿天然裂隙自深部煤層向淺部煤層運(yùn)移，煤層氣具有內(nèi)源運(yùn)移的富集特征[39]。超深部、深部煤層氣在一定溫度作用下，吸附氣轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣，游離氣自超深部、深部煤層向中深部運(yùn)移過程中，重新被吸附或部分仍呈游離狀態(tài)而富集產(chǎn)氣。阜康向斜仰起端地層傾角大，且為轉(zhuǎn)折端，地震資料顯示逆斷層在仰起端十分密集，同煤層頂?shù)装寮懊簩踊馃齾^(qū)滯流段的水力封堵作用共同抑制了煤層氣繼續(xù)向外界逸散，因此煤層氣富集并產(chǎn)氣。

圖8 高陡沖斷構(gòu)造帶煤層氣富集產(chǎn)氣模式(據(jù)文獻(xiàn)[39]，修改)Fig.8 CBM enrichment and production mode in high-steep thrust belts (modified according to reference[39]

4 構(gòu)造疊加系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式

根據(jù)構(gòu)造演化史，盆地往往經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng)，不同的應(yīng)力方向和機(jī)制引起了現(xiàn)今多種構(gòu)造的疊加，因此，煤層氣的富集產(chǎn)氣特征受多種構(gòu)造共同控制。兩淮煤田位于古生代華北克拉通盆地東南緣，在構(gòu)造演化史中遭受多期構(gòu)造變形，構(gòu)造形態(tài)較為復(fù)雜。其中，據(jù)估算，淮南煤田煤層氣資源量為2 973×108m3。自晚古生代以來淮南煤田先后遭受了擠壓逆沖期(印支期)、擠壓與走滑伸展轉(zhuǎn)換期(燕山期)和伸展斷陷期(喜馬拉雅期)，最終形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局：北部的重力滑脫構(gòu)造帶、南部的逆沖推覆構(gòu)造帶以及位于中間的復(fù)式向斜構(gòu)造帶(圖9)。此外，淮南復(fù)向斜中還發(fā)育一系列NNE 向的橫切正斷層，因此，煤層氣藏受復(fù)向斜和斷層的共同控制。

圖9 構(gòu)造疊加系統(tǒng)煤層氣富集產(chǎn)氣模式Fig.9 CBM enrichment and production mode in structural superposition system

淮南煤田含氣量整體上由東向西逐漸遞減，在潘集背斜東翼和張集形成2 個(gè)煤層氣富集區(qū)(圖9b)。印支期煤田整體遭受擠壓作用，形成逆沖推覆構(gòu)造使含煤地層向深部就位，發(fā)生深成變質(zhì)作用，在生氣的同時(shí)封閉性較好。燕山期潘集地區(qū)發(fā)生巖漿巖侵入，煤層發(fā)生接觸變質(zhì)作用煤階升高(局部形成天然焦)，不僅生成了大量的煤層氣，而且對裂隙發(fā)育十分有利，改善了煤儲(chǔ)層的滲透率。在多構(gòu)造疊加系統(tǒng)中，這種整體擠壓機(jī)制所產(chǎn)生的煤系韌性變形，與后期伸展機(jī)制所產(chǎn)生的脆性變形相疊加，致使煤儲(chǔ)層滲透率和含氣量相匹配，有利于煤層氣的富集產(chǎn)氣(圖10)。

圖10 兩淮煤田不同構(gòu)造變形煤的滲透率與含氣量分布差異Fig.10 Differences in permeability and gas content distribution of deformed coal with different structures in Huaibei and Huainan coalfields

將上述4 種煤層氣富集產(chǎn)氣模式歸納并總結(jié)，見表1。區(qū)域構(gòu)造與演化能夠直接控制從含煤地層形成至煤層氣生成聚集過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為構(gòu)造演化控制含煤地層的沉積埋深史和熱演化史，從而影響煤層氣的生成和保存。現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造形態(tài)控制著煤層氣的富集分布。同時(shí)，區(qū)域構(gòu)造與演化還能通過影響埋深、水動(dòng)力條件、含氣量與滲透率等來間接控制煤層氣的富集產(chǎn)氣。因此，區(qū)域構(gòu)造與演化是最為重要的控氣控產(chǎn)因素。

表1 煤層氣富集產(chǎn)氣模式及機(jī)理Table 1 Mode and mechanism of CBM enrichment and production

5 結(jié)論

a.結(jié)合我國煤田區(qū)域構(gòu)造特征與演化過程及煤層氣地質(zhì)條件，將煤層氣富集產(chǎn)氣模式劃分為4 種主要類型：構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)、褶皺系統(tǒng)(較淺向斜軸部、褶皺翼部、次級構(gòu)造高部位)、沖斷構(gòu)造系統(tǒng)(褶皺沖斷帶、高陡沖斷構(gòu)造)和構(gòu)造疊加系統(tǒng)模式。

b.構(gòu)造簡單裂隙系統(tǒng)發(fā)育在構(gòu)造相對穩(wěn)定地區(qū)，在裂隙中等發(fā)育區(qū)形成富集產(chǎn)氣區(qū)，如鄂爾多斯盆地東緣大寧?吉縣地區(qū)。

c.較淺向斜軸部擠壓應(yīng)力利于煤層氣保存從而富集產(chǎn)氣，如沁水盆地南部潘莊、潘河區(qū)塊。褶皺翼部由于剪切應(yīng)力作用，封閉性較高，其含氣量與滲透率匹配較好形成富集高產(chǎn)區(qū)，如沁水盆地南部樊莊區(qū)塊。次級構(gòu)造高部位模式主要是在構(gòu)造作用下形成的伴生構(gòu)造(背斜、鼻隆構(gòu)造、斷塊等)高部位形成構(gòu)造圈閉，生成“氣頂”，如沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊。

d.褶皺沖斷帶模式中逆沖斷層阻止了煤層氣的逸散，在靠近逆沖斷層的相對構(gòu)造高點(diǎn)富集產(chǎn)氣，如準(zhǔn)噶爾盆地南緣頭屯河?烏魯木齊河地區(qū)。高陡沖斷構(gòu)造模式發(fā)育在復(fù)雜斷裂區(qū)，深部煤層氣在一定溫壓作用下，解吸游離至上部地層，重新被吸附或部分仍呈游離狀態(tài)而富集產(chǎn)氣，如準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康區(qū)塊。

e.構(gòu)造疊加模式形成于受多期構(gòu)造活動(dòng)共同作用的煤儲(chǔ)層中，構(gòu)造疊加區(qū)域其含氣量和滲透率相匹配，煤層氣富集且有一定產(chǎn)量，如淮南潘集礦區(qū)。

f.區(qū)域構(gòu)造特征控制著富集產(chǎn)氣的每個(gè)模式，而構(gòu)造演化過程決定了富集產(chǎn)氣的不同模式。本文提出的富集產(chǎn)氣模式對系統(tǒng)認(rèn)識(shí)中國煤層氣富集規(guī)律，指導(dǎo)“十四五”煤層氣勘探開發(fā)具有重要作用。