韩城矿区构造特征对煤层含气性的影响

徐书恩，郭子华

(晋能有限责任公司，山西 太原 030024)

煤层气(俗称瓦斯)作为一种以吸附态为主的自生自储式气藏，具有自身的独特性和优越性［1］。许多学者(李明潮、钱凯、张新民、宋岩等)在对煤层气地质的研究中提出煤层气藏的定义，虽有所差异，但都强调了煤层气藏是有生气储集能力并具有高富集程度的有一定流动单元的煤岩体。这种非常规性气藏生成、运移、富集是地质因素(构造演化、沉积相、盖层性质、水文地质条件等)间不断协调发展、组合形成的，但以含煤盆地区域构造背景到盆地内部构造应力调整到煤储层各向异性逐级控制的显现，反映出不同的构造演化条件为其它影响煤层气藏因素的高效配置提供了框架［2］。

韩城地区地处鄂尔多斯盆地的东南部，区内为中－高煤级煤变质环境，煤种以瘦煤－贫煤为主。赋气层为二叠系3#和石炭系5#、11#煤储层，其煤层气区属华北聚气区－渭北聚气带－富气目标区［3］，煤层含气量集中分布在8.5～15.6 m3/t(煤层埋深小于1 500 m)，属富甲烷煤层，成为煤层气勘探开发的耙区。自1995年以来，中国煤田地质总局、原中联煤层气有限责任公司、中石油煤层气有限责任公司逐步使研究区煤层气进入商业开采阶段，其中，韩试1井气产量1 000 m3/d，具有良好的煤层气开发前景。

1 区域地质构造背景对煤层含气性的影响

区域构造背景是煤层气藏单元形成的前提［4－5］。不同时期板块运动影响着中国大陆地质演化，经历了多期次的构造热事件和各异的大地构造演化阶段。中国煤盆地在各阶段演化基础上具备了活动性强、深部作用活跃的两个典型特征。期间，含煤盆地基底的演变直接控制着影响煤层气藏因素的相互配置，造就了不同区域煤层气赋存的多样性。

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘－渭北煤田东部边缘，南经渭河地堑系与秦岭褶皱带相邻，东接NE－NNE向汾河地堑，西与鄂尔多斯盆地西缘逆冲构造带相毗邻。受区域构造及盆地基底构造控制，矿区东部分布有一系列NE向的逆冲推覆体，中部分布有近等间距的龙骨岭构造带、东泽村构造带、龙亭构造带和宽缓的褶皱，即南强北弱，东强西弱，边浅部复杂，中深部简单，整体为一走向NE、倾向NW的单斜构造［6］。

矿区含煤盆地基底为稳定的鄂尔多斯地台，大地构造位置位于华北地台南缘与秦岭褶皱带过渡区，加之区内构造条件相对简单，煤层赋存条件良好，煤炭资源丰度较高，煤变质程度高，煤层气资源丰富。此构造背景决定其具备一定的煤层气开发潜力。

2 矿区内部构造形迹与煤层气展布规律

韩城矿区构造形变以广泛发育的逆冲推覆构造和北西向、近东西向的断裂系统为主，形成浅部断褶带、挤压阻气构造带、缓倾斜构造带、深部单斜带的基本构造格局。而且，构造分布特征控制了水文垂直分带性，由浅入深分为断褶带补给径流区、单斜层间承压循环区、单斜承压循环滞流区。各构造区中的阻气构造、导气构造和聚气构造类型、数量的差别以及地下水径流条件，导致了煤层气赋存和分布的不同。

浅部断褶带由逆冲断裂和残破褶皱组成［6］，但浅部煤层埋深浅(＜300 m)，构造抬升导致煤层有露头直通地面，水动力活动性强(水质类型SO4·Cl－Ca·Mg·Na，矿化度 0.86 ～1.34 g/L)，属断褶带补给径流区，形成气体逸散区，无论是阻气断裂还是导气断裂，均因风化作用和地下水活动而起导气作用，煤层气大量散失，气含量＜3 m3/t;挤压阻气构造带发育北东向、北北东向压性构造(煤层埋深300～600 m)，为构造高压区，煤层多被粉末化，煤岩渗透性变差，形成自封闭区，抑制煤层气扩散，矿井(如桑树坪矿、下峪口矿)煤与瓦斯突出频率大，气含量相对升高，介于4～10 m3/t;缓倾斜构造带主为宽缓向斜(煤层埋深600～1 300 m)，其轴部高应力集中区造成煤层气含量高异常区，气含量以10～16 m3/t为主。两构造带水文地质单元均处于单斜层间承压循环区(水质类型 SO4·Cl－ Na·Ca·Mg，矿化度0.86 ～2.0 g/L)，水流交替循环较慢，气含量随深度加大而逐步升高;深部单斜带逐渐由宽缓褶皱演变为近水平单斜(煤层埋深＞1 300 m)，地下水运动受阻，形成单斜承压循环滞流区(水质类型SO4·Cl－Ca·Mg，矿化度＞2.0 g/L)，利于煤层气赋存，煤层含气量增高，气含量＞16 m3/t。可见，矿区内部构造格局控制了煤层气空间分带性，使煤层气含量的分布规律为由矿区的周边向矿区腹部逐渐增高。

3 构造类型对煤层含气性的影响

煤是力学性质软弱的岩体，在构造应力场中，煤既是传递应力的介质，又是受力改造的岩体［7］。在构造作用下，煤最易产生运动和变化，由此而引起煤中气体的运移和变化［8］。不同类型的地质构造产生了有利于煤层气赋存或排放的不同条件。矿区目标煤层含气性及构造类型对应关系见表1。

表1 矿区煤层含气量与构造关系统计表［3，6］

由表1可知，矿区以向斜轴部、缓倾斜带含气量最高，变化于7.54 ～15.47 m3/t;背斜次之，含气量介于4.81～8.46 m3/t;正断层、边浅部含气量最低，平均 3.59 m3/t。

缓倾斜构造以张扭作用为主，带内褶皱宽缓，煤岩变形微弱，割理、裂隙发育，渗透性好，含气量平均可达11.59 m3/t;向斜轴部气体含量较高，表现出随煤层埋深增加而升高的趋势，这与以下原因有关:

1)煤层气主要靠地层压力吸附在煤基质中，向斜部位煤层埋深较深，上覆地层厚度相对较大，静水压力相对较高，可维持较高的地层压力系统，有利于煤层气的吸附而富集。

2)随煤层埋深加大，上覆地层厚度加大，离煤层风化带变远，降低煤层气垂向散失速率，增加了储层压力，含气量升高。

3)向斜轴部多处于地下水滞流区，水动力条件相对较弱，常形成滞流水承压封闭。再者由于向斜核部断裂、裂隙不发育，气体逸散难，有效保存了煤层气。

由表1数据显示，在背斜部位煤层埋深相近的条件下，翼部煤层气含量往往高于轴部。分析如下:背斜构造的两翼与轴部中和面以下为挤压应力场，特别是中和面以下出现明显的应力集中，这些部位为高压区。背斜轴部中和面以上为拉张应力场，在其作用下会产生大量的张性裂隙或正断层，造成应力快速释放，为低压区。因此，在背斜的两翼煤层气往往能够较好地被封存起来，而在轴部则要看煤层与中和面的关系，中和面以上煤层气会逸散，中和面以下煤层气则可能会聚集。不过，当煤层埋深较大且顶板为厚层泥岩时，上覆地层应力使泥岩封盖层表现为塑性，拉张应力只会加大塑性变形，不会产生开放性裂隙，这样顶板仍然保持良好的覆盖性能，两翼煤层中的甲烷也会向轴部运移，造成煤层的高含气性，如表1中象山煤矿152钻孔揭露的5#煤层在埋深205.17 m含气量达 7.85 m3/t。

相比上述构造类型，边浅部地区煤层受强烈抬升作用，倾角较陡，加之盖层遭受剥蚀，导致气体沿煤层向地表运移速率加大，气体含量显著下降;正断层则破坏了煤层的完整性，形成裂缝高密度分布带，不仅使煤层气体因构造作用压力释放而大量解吸，而且气体沿断裂通道大量逸散，含气量明显降低。

4 结论

韩城矿区构造条件对煤层含气性起到一定的控制作用:

1)矿区地处华北地台南缘与秦岭褶皱过渡区，处于构造运动相对活动区，决定了此地具有一定的煤层气开发潜力。

2)矿区内部构造格局控制了煤层气空间分带性，使煤层气含量的分布规律为由矿区的周边向矿区腹部逐渐增高。

3)矿区次级构造类型中，向斜轴部、缓倾斜带含气量最高，背斜次之，正断层和边浅部含气量最低。

［1］宋 岩，柳少波，赵孟军，等.煤层气藏边界类型、成藏主控因素及富集区预测［J］.天然气工业，2009，10(2):5－9.

［2］方爱民，侯泉林，琚宜文，等.构造对煤层气藏的控制作用［M］.北京:科学出版社，2005:140－151.

［3］张明山.韩城WL1井组煤层气地质特征［J］.中国煤炭地质，2009，21(10):31－33.

［4］陈振宏，贾承造，宋 岩，等.构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响［J］.石油勘探与开发，2007，34(4):461－464.

［5］秦 勇，姜 波，王继尧，等.沁水盆地煤层气构造动力条件耦合控藏效应［J］.地质学报，2008，82(10):1355－1362.

［6］王双明.韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律［M］.北京:地质出版社，2008:105－107.

［7］Cao D Y，Li X M，Deng J M.Coupling effect between coalification and tectonic－thermal events geological records of geodynamics of sedimentary basin［J］.Earth Science Frontiers，2009，16(4):52 －60.

［8］Wu Y D，Ju Y W，Hou Q L，et al.Comparison of coalbed gas generation between Huaibei－Huainan coalfields and Qinshui coal basin based on the tectono － thermal modeling［J］.Science China Earth Sciences，2011，54(7):1069 －1077.