断层对煤层气的控制机理研究——以鹤壁煤田F40断层为例

牛 然

（河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 450000）

断层对煤层气的控制机理研究
——以鹤壁煤田F40断层为例

牛 然

（河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 450000）

断层封闭性最先在油气领域得到应用，而在煤层气研究中，大家普遍认为断层是影响煤层气赋存的一个重要因素，但是具体的控制机理和分析方法一直比较模糊。笔者通过以往研究进行分析总结，发现决定断层封闭性好坏的主要因素为两盘对接岩性、断层规模和现代构造应力场，并且提出了评价一条断层对煤层气封闭性好坏的一般方法，在受断层控制明显的地区，该方法可以为煤层气勘查与评价提供理论指导。

断层封闭性 煤层气 鹤壁煤田

断层对煤层气赋存的控制作用主要体现在断层的封闭性好坏，封闭性断层透气性差，有利于煤层气的保存，开放性断层具有良好的透气性，使煤层气容易逸散。根据研究，决定断层到底是封闭还是开放的主要影响因素包括断层性质、断层两盘对接岩性、断层规模、构造应力场的历史变化及现代构造应力场。本文仅对正断层进行分析。

1 断层两盘对接岩性

断层将煤层错断以后，两盘煤层都会与对盘的一组岩层对接，对接岩层的透气性直接影响了断层对于该煤层的封闭性好坏。一般认为，煤层与对盘泥岩配置时，断层对煤层气有封闭作用；而对盘岩性为砂岩或灰岩含水层时，断层对煤层气是开放的。目前的研究方法有砂岩百分比含量、砂岩连通率、断面剖面分析法、砂泥对接概率及简易岩性配置法等，其中以断面剖面分析法应用最广泛。

泥岩涂抹是评价断层封闭性的一个重要定量指标，它是通过泥岩层泥化后并进入发育中的断层带而形成的。目前常用的定量研究泥岩涂抹封闭能力的算法有3种：泥岩涂抹因子（SSF断距与泥岩层厚度比值）、泥岩涂抹潜势（CSP泥岩层厚度平方与泥岩涂抹距离的比值）、断层泥比率（SGR断层距离内泥岩层厚度与垂直断距的比值）。但在实际应用中，SSF和CSP都有一定局限性，所以本次采用SGR作为评价断层泥岩涂抹好坏的指标（图1）。

2 断层规模

断层的规模主要是通过影响断层带的宽度、断层岩特征及与地表的连通性来控制煤层气的赋存的。一般依据断层落差来对断层规模进行划分，根据煤矿工作实践，经常将落差大于50m的断层称为特大型断层，落差20～50m的称为大型断层，小于5～20m的称为中型断层，小于5m的称为小型断层。

研究证明，断层附近煤层气赋存的模式基本上相同，只是根据断层规模而产生差异。断层形成过程中，在断层附近会出现两个应力分布带，即地应力释放带和集中带，断层两盘煤层气的赋存也随之出现相应的分带现象，两者间对应关系如表1所示。在断层面附近，应力释放，地应力降低，部分煤层气沿断层带逸散，出现谷值；由断层面向两盘，应力集中，地应力升高，出现煤层气峰值；再向两侧，地应力和煤层气分布均起于正常。

图1 SGR算法示意图

表1 断层附近煤层气分布关系表

3 现代构造应力场

地应力是指存在于地壳中的内应力。主要由岩石自重应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成，自重应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力对煤层气的富集成藏、运移、井位部署、增产等起着至关重要的作用。

煤层经过多期、不同性质、不同强度的地应力的叠加和改造作用，其厚度、分布和赋存状态都会不断的发生变化，间接的影响了煤层气生、储、盖的潜势。聚煤期后，构造应力场及其演化控制着煤储层的埋藏史、热演化史、生烃史、压力史等，对煤层气生成、储存、盖层、运移、聚集、保存均产生不同性质的影响。

断层现在的形态及性质是由断层发生时的古构造应力场决定的，然而构造应力场会随着时间推移而产生变化，古构造应力场的研究非常复杂，且断层在过去的封闭性好坏对煤层气赋存的影响非常小，因此，研究地应力到底是有利于断层封闭还是开放主要是看现代构造应力场的大小和方向。当水平构造应力值越大时，断层面上的正应力值也越大，断层封闭性越强，相反则断层的封闭性减弱，有利于煤层气的运移和逸散。

水平构造应力的方向对断层封闭性的影响取决于断层走向与水平最大主应力方向之间的锐夹角对正应力及剪应力大小的影响。当最大主应力方向与断层小角度相交或与断层走向近似于平行时，在靠近断层处会发生明显的应力释放，在断层内部有明显的应力降低，最大主应力也部分降低，最小主应力在断层处明显增大，因此，此类断层有利于应力释放，煤层透气性较好，有利于煤层气逸散；但是在断层尖灭端尤其是断层下盘尖灭端会出现应力集中现象，煤层气保存条件相对较好。当最大主应力方向与断层走向间夹角为45°左右时，应力集中进一步增大，且集中带应力值普遍增大，在断层中部和尖灭段应力较大；挤压剪切形成局部应力集中，煤体遭到破坏，煤层渗透性降低，煤层气的运移和逸散受到阻隔，有利于煤层气保存。当最大主应力方向与断层大角度相交或与断层走向近似垂直时，在断层中部和断层尖灭端剪应力、最大主应力较大，挤压剪切应力集中趋于平均分布，煤层渗透性低，有利于瓦斯保存，形成较大的瓦斯富集区煤与瓦斯突出的危险性也增大。构造应力场主应力方向与断层走向关系对断层透气性评价见表2。

表2 构造应力场与断层走向对断层透气性评价表

4 实例分析

F40断层位于太行山东麓断垄带鹤壁煤田之鹤壁六矿和五矿分界处，区内走向长度5000m，走向为20°，倾向290°，倾角75°，为一高角度正断层，落差160m，控制程度较好。

本次研究中选择了三个断面做断层两盘煤层对接岩性剖面（图2），从图中可以看出与断层上盘煤层对接的是上石炭统太原组灰岩或奥陶系灰岩，太原组灰岩段与奥陶系灰岩为本区主要含水层，裂隙较为发育，且连通性好，不仅为水的运移提供了通道，也为煤层气的运移和逸散提供了通道，从而使断层附近一定范围内煤层瓦斯含量减小，透气性好。下盘煤层与上盘下石盒子组对接，岩性主要为砂质泥岩、泥岩，透气性较差。因此，断层下盘的岩性配置是有利于煤层气赋存，而断层上盘有利于煤层气逸散。

图2 F40断层位置及两盘煤层对接岩性示意图

本区新生代以来地应力作用强烈，据早期对太行构造区小构造的测量分析资料，构造区内共发育两套共轭剪节理。第一套共轭剪节理：一组NNWNNE向，左型剪切；一组NWW向，右型剪切，最大主压力指示NW向。第二套共轭剪节理：一组NNE向，右型剪切；一组NEE-SEE向，左型剪切，最大主压力指示NE向。结合区内构造热事件，配套归位，得出本区主要发育了两期应力场，第一期应力场为NW-SE向挤压。在北西、南东向挤压作用下，区内发育了北东向张断裂，该期应力场归燕山早期。第二期应力场为NE向挤压，是前期应力场向北偏移形成的，并且在本区表现最为强烈，与区内以青羊口断层为代表的NNE、NE向张性断裂相对应，归属于燕山晚期。根据以往在此实测的地应力结果（表3），鹤壁六矿的地应力场属于水平应力场，以水平压应力为主导且地应力较大，结合F40断层产状可知，现代主压应力方向与断层走向近似垂直，有利于煤层气的赋存。

断层的泥岩涂抹能够较直观的反应出断层的封闭性好坏，本次研究选择的参数为断层泥比率（SGR），对F40断层3个断面进行SGR计算，计算结果如表4所示。

表3 地应力测量结果表

表4 F40断层SGR计算结果

表5 断层附近煤层气含量表

结合断层附近煤层气含量实测数据分析（表5），F40号断层附近煤层气含量基本都在10m3／t以上，但下盘煤层气含量均在20m3／t以上，而上盘煤层气含量都在10m3／t左右。综合之前的分析，F40号断层下盘封闭性好，有利于煤层气赋存；上盘封闭性差，不利于煤层气赋存。

［1］ KNOTT SD.Fault seal analysis in the north sea［J］. AAPG，1993，77（1）：778－792.

［2］ 刘泽容，信荃麟，邓俊国，等.断块群油气藏形成机制和构造模式［M］.北京：石油工业出版社，1998：23－26.

［3］ 吕延防，李国会，王跃文，等.断层封闭性的定量研究方法［J］.石油学报，1996，17（3）：39－45.

［4］ KNIPER J.Juxtaposition and seal diagrams to help analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs［J］.American Associationof Petroleum Geologists Bulletin，1997，81（2），187－195.

［5］ 李连崇，唐春安，梁正召，等.含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（2）：290－297.

［6］ 朱兴珊，徐凤银.论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用［J］.煤炭学报，1994，19（3）：304－314.

［7］ 曹运兴，彭立世.顺煤断层的基本类型及其对瓦斯突出带的控制作用［J］.煤炭学报，1995，20（4）：413－417.

［8］ 贾天让，王蔚，张子敏，等.现代构造应力场下断层走向对瓦斯突出的影响［J］.采矿与安全工程学报，2013，30（6）：930－934.

（责任编辑 黄 岚）

Control Mechanism of Fault to Coalbed Methane—Taking F40Fault in Hebi Coalfiel as an Example

NIU Ran
（Henan Provincial Research Institute of Coal Geology and Exploration，Henan 450000）

Fault sealing property has been applied firstly in the field of oil and natural gas，and in the study of coalbed methane，it is generally believed that the fault is an important factor of coalbed methane occurrence，but the specific controlmechanism and analysismethod has been blurred.Based on the analysis and summary through the previous researches，the paper finds that the main factors to decide the fault sealing property include the lithology of the two walls of the fault，the size of the fault and themodern tectonic stress field，and also puts forward the general evaluation method of a fault to CBM sealing property.In the areas obviously controlled by fault，thismethod can provide theoretical guidance for coalbed methane exploration and evaluation.

Fault sealing property；coalbed methane；Hebi Coalfield

牛然，男，助工，研究生学历，现从事煤层气地质和矿井地质等方面的研究工作。