构造特征对HC地区煤层气富集的影响

2016-08-18胡林楠庞长旭

地下水 2016年4期

关键词：正断层韩城褶皱

胡林楠，郭　郁，庞长旭

(1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

构造特征对HC地区煤层气富集的影响

胡林楠1，郭郁2，庞长旭1

(1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

伴随煤层气开发规模的不断扩大,煤层气井的数据类型及数量越来越丰富, 从而可以为研究不同构造模式下煤层气井的产能提供足够的数据支撑。从研究区的构造特征入手，与实际生产数据相结合，对构造特征对煤层气富集的关系进行分析，最终分析认为：成煤期后的地壳的抬升运动会打破煤层中原有的吸附平衡条件，在保存条件不利的情况下，易使煤层气运移逸散；构造运动形成的断裂对煤层气的保存和逸散起着重要的影响作用；由于构造运动形成的规模不等的褶皱，在不同程度上影响煤层气的富集成藏作用。

煤层气；含气性；构造特征

煤层气，作为常规型天然气的接替，早已获得众多学者的广泛关注。自生自储型的煤层气的成藏过程由煤层以及它上下岩层一起构成的含煤层气系统和该系统经受的多种地质作用等因素的综合控制。前人的研究表明，影响煤层气富集成藏的地质因素主要有: 构造情况，煤层埋深、厚度、煤阶、含气量、渗透率，煤储层压力、解吸压力和水文条件等[1]。不同的构造特征决定了煤层气的赋存状态、煤储层裂隙的发育程度、煤层气藏的类型以及保存条件等。因此，构造特征分析是研究煤层气赋存特征的重要内容之一。本文主要在前人研究基础上，结合研究区内的实际地质情况，探讨构造特征对煤层气富集的影响。

图1　鄂尔多斯盆地构造图

1　地质背景

如图1所示，研究区位于陕西省渭南市韩城县境内，鄂尔多斯盆地东南部，陕西渭北石炭-二叠纪煤田东部边缘，北部为鄂尔多斯主体块体，南邻渭河地堑并与秦岭东西向褶皱带相接，东经汾河地堑与吕梁褶皱带相接，西为贺兰山褶皱带与六盘山褶皱带的接合。自石炭-二叠纪煤系沉积以来，经历了多次不同性质、不同方向的构造变动，周边这些构造控制了研究工区构造的形成和发展，受构造作用影响较大。韩城大断层将矿区划分为黄土台塬和黄土梁峁两个地貌单元[2]，地形总的趋势是西北高东南低。在单斜构造之上发育一系列开阔平缓的S-N及E-W 次级褶皱及数条近E-W规模较大的正断层。

研究区内煤系地层自下而上有中石炭统本溪组、下二叠统太原组、山西组。其中一般本溪组不含煤，太原组和山西组为本区主要含煤地层。研究工区煤层数多达13层，其编号自上而下分别为山西组的1#、2#、3#、4#，太原组的5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#等。其中3#、5#、11#煤层分布较为普遍，为全区主要开采煤层。

2　不同构造形态对煤层气储集、保存

的影响

煤层气的富集主要取决于以下三个地质因素：区域构造演化、水动力作用和封闭条件[3]，本节将重点讨论构造演化中不同构造形态对煤层气储集、保存的影响。

构造是影响煤层气富集的重要因素之一。它对煤层气含量产生影响，而且对煤层厚度变化、煤层顶底板稳定性、岩浆侵入、岩溶陷落、地温、地压和水文地质条件等多种地质条件都起着明显的控制作用。

煤层构造的基本类型包括褶皱构造和断裂构造两类[4]。褶皱构造是指煤层及岩层在应力作用下形成的波状弯曲，但仍然保持着地层的连续性和完整性，包括背斜和向斜两种构造形式。断裂构造包括各种断层、裂隙和地层裂缝，本节重点讨论断层，区内断层按力学性质可分为张扭性和压扭性两类。不同类型的地质构造，其形成过程中构造应力场特征及其内部应力分布状况不同，均导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流条件等出现差异，进而影响煤层的含气性。

2.1褶皱对煤层气成藏的影响

褶皱构造是自然界发育最为广泛的构造类型之一，在材料力学中, 内部构造均匀的一根横梁在水平挤压下发生弯曲变形时, 梁内应力分布明显不均一, 外侧受拉伸长, 内侧受压缩短, 中间有一既不伸长, 又不缩短的无应变面, 称之为中和面[5](图2)，据前人的计算，本区的中和面位于山西组底部砂岩中[6]。

图2　中和面应变分布

图3　褶皱构造与煤层含气量关系图

2.1.1背斜构造

背斜整体受挤压应力作用,两翼压力分布相对均匀,当煤层位于背斜中和面以上时，中和面以上的煤层受到拉张应力，尤其在核部，拉张应力最为强烈，致使核部的韧性岩层变薄，孔隙加大，导致煤层的透气性增加，为甲烷的逸散提供了通道，同时，由于煤层具有软塑性，大量煤层甲烷随着褶皱的形成而由吸附状态解析为游离状态，顺着孔隙逸散，核部的煤层气含量降低；当煤层位于背斜中和面以下时，受到的应力与上层刚好相反，此时，挤压应力在轴部最为强烈，表现为轴部的韧性岩层变厚，煤层从翼部向核部流动的时候，加速煤层甲烷的解析，由于上覆岩层的封盖，此时，背斜处于高压封闭的环境，易形成煤层气藏。背斜的两翼通常都表现为挤压应力，对煤层气的保存是有利的，因此对背斜构造而言，煤层与中和面的相对位置将决定能否形成煤层气藏[7](图3)。

2.1.2向斜构造

岩层处于强烈挤压状态，当煤层位于向斜中和面之上时，煤层受到挤压应力，强烈的挤压应力使向斜核部的韧性煤层因压缩而变厚，煤层甲烷因挤压应力大量解析，易形成煤层气藏，但同时因为应力集中，使得煤层的渗透性大大降低；当煤层位于向斜中和面之下时，煤层受到拉伸应力，向斜核部的韧性煤层因拉伸而变薄，由于煤层相对埋深较大，只产生少量开放性裂隙，释放部分应力，形成相对低压区[8]，煤层甲烷含量相对减少，但会成为煤层气富集区，因而，对于向斜构造，无论位于中和面之上还是中和面之下，亦或是在向斜的核部和两翼，对煤层气的保存都是有利的，都将成为煤层气的富集区。

2.2断裂系统对煤层气成藏的影响

断裂系统对煤层气成藏的影响是多方面的，它不仅对煤层的完整性以及煤层气的封闭条件，而且对煤体结构、煤岩的显微特征及煤层渗透率有着不同程度的影响[9]。断层对煤层气成藏的影响程度与断层性质及规模有关。

逆断层、压扭性走滑断层或者发生反转的正断层通常表现为压性断层, 其断层面为封闭性, 煤层气很难穿过断层面运移散失, 断层面附近成为构造应力集中带[10]，可加大压力, 使煤层吸附的甲烷量增多, 从而使煤层含气量相对增高。

图4　断层构造与煤层气量关系图

正断层、拉张性走滑断层或者发生反转的逆断层通常表现为张性断层[11]，其断层面为开放性, 不利于煤层气的保存。断层面附近由于构造应力的释放而成为低压区, 煤层吸附的甲烷大量解吸, 并通过断层面逸散, 致使煤层含气量急剧下降。

图5　韩城地区断层分布图

3　韩城矿区实例

韩城地区地层总体表现为一东南浅西北深、北东走向的构造斜坡[12]，在斜坡背景上仍存在若干低幅度背斜与向斜的相间出现的低幅构造。南部和北部地区断层复杂化程度较高，地层的产状变化较大[13]；而中部地区受断层影响小，地层产状稳定。工区内断裂系统比较复杂。韩城地区主要发育一组EW向的正断层和一组近SN向的逆断层，两条近EW向断层(F1,F2)具有走滑性质。

F1断层位于韩城工区中偏北部，为一条近东西走向的北倾断层，总体走向NE30°～40°，区域上为汾河地堑的边缘断裂。具有多期活动特点，现今表现为张扭性正断层[14]，具有明显的走滑性质。工区内最大断距280 m。

F2断层位于韩城工区中部，断层面呈缓波状，几乎于F1断层平行展布。延伸长达16 km，为一条近EW走向的南倾断层，总体走向为NE50°，具有明显的走滑性质。工区内最大断距240 m。

F3断层位于韩城工区中南部，为一条近东西走向的南倾正断层，横向上断距变化大，工区内最大断距460 m。

F4断层位于韩城工区南部，为一条近南北走向的西倾逆断层，上下盘地层产状差异很大。工区内最大断距300 m。

为了更好地说明断层和褶皱对煤层气富集的影响，本次研究选取了工区内的6条剖面，东西向3条，南北向3条，绘制了6条构造-含气性综合对比剖面，通过剖面对比，基本反映了研究区断层和褶皱的发育特征及其对含气性的影响。

图6　韩试6-韩试9-韩试10-韩试5(EW)含气量对比剖面

韩试6-韩试9-韩试10-韩试5连井剖面，自西向东，构造逐渐升高，在韩试9井东侧，发育一条正断层，该断层走向为近东西向，倾向南，韩试9井位于断层下降盘。含气量数据依次为11.73 m3/t、6.3 m3/t、8.94 m3/t和8.91 m3/t，总体表现为构造低部位含气性高于构造高部位(图6)。韩试9井含气量低与断层活动有关，由于张性正断层的存在，造成其周围裂隙发育，同时，韩试9井位于背斜之上，核部受拉张应力的影响，孔隙增加，亦增加了煤层气向外逸散的通道，降低了含气量。

韩试8-韩试7-韩试5连井剖面，构造特征呈东高西低，韩试7井和韩试5井之间发育一条正断层，该断层走向为近东西向，倾向南，韩试7井位于断层下降盘(图7)。自西向东，含气量数据依次为8.65 m3/t、9.56 m3/t和8.91 m3/t，韩试7井含气量高于韩试8井和韩试5井，韩试7井位于斜坡背景上的向斜构造内，保存条件较好。向斜部位是应力集中地带，裂缝发育程度和煤体结构可能相对较差，煤层气逸散通道少，保存条件相对较好。韩试5井左侧由于张性正断层的存在，断层面附近由于构造应力释放而成为低压区, 煤层甲烷大量解吸, 并从断层面逸散, 使煤层含气量下降。

图7　韩试8-韩试7-韩试5(EW)含气量对比剖面

韩试4-韩试3-韩试11连井剖面，自西向东，整体呈东高西低的构造格局(图8)。自西向东，含气量数据依次为15.47 m3/t、9.99 m3/t和14.55 m3/t，呈现出东西两侧高，中间低的特征，韩试4井在生气阶段由于埋深较大，因而生气量较大，后期由于构造运动，东侧发育的逆断层使地层特征复杂化，上升盘地层遭受了地层抬升作用，韩试11井位于背斜核部，此处的煤层因位于中和面之下，受挤压应力较为强烈，煤层气大量解析，加之上覆地层的覆盖，形成高压封闭的环境，因而煤层气的含量变大。

图8　韩试4-韩试3-韩试11含气量对比剖面

韩试8-韩试6-韩试4连井剖面(图9)，自南向北，构造幅度变化明显，南高北低，自南向北，含气量依次为8.65 m3/t、11.73 m3/t和15.47 m3/t，背斜核部的含气量明显小于翼部的含气量，这是由于煤层位于背斜中和面之上，背斜核部受拉张应力影响，孔隙增加，加大了煤层气逸散的通道，造成了核部的含气量小于翼部的含气量。

韩试7-韩试9-韩试3-韩试2-韩试13连井剖面(图10)，自南向北，地层产状呈北倾单斜，断层将地层切割成若干断块。自南向北，含气量依次为9.56 m3/t、6.3 m3/t、9.99 m3/t、7.71 m3/t和15.07 m3/t。总体上，煤层气含量随煤层的埋深增加而增加，煤层的埋深越大，其含气量越高。韩试9井的北侧，由于张性正断层的存在，断层面附近由于构造应力释放而成为低压区, 煤层甲烷大量解吸, 并从断层面逸散, 使其煤层含气量急剧下降，韩试3井的北侧由于压性逆断层的封闭，较好地保存了煤层气，而韩试2井的北侧，再次出现了张性正断层，至使其煤层气含量大降低。

图9　韩试8-韩试6-韩试4含气量对比剖面

韩试10-韩试11-韩试12-韩试19连井剖面(图11)，自南向北，构造总体向北变低，呈现出背斜和向斜相间出现的构造形态，并且断层将地层特征复杂化。自南向北，含气量依次为8.94 m3/t、14.55 m3/t、6.31 m3/t和9.28 m3/t，随埋深的减小，含气量总体呈降低趋势。韩试10、韩试12和韩试19均位于背斜核部，且煤层位于中和面之上，不利于煤层气的保存，因而其含气量降低，而韩试11井位于向斜核部，保持有上覆最大的有效地层厚度，有利于维持较为稳定的地层压力，虽然其北侧存在张性正断层，由于应力集中，断层的影响较小，煤层气得到了较好地保存，故其含气量较大。

图10　韩试7-韩试9-韩试3-韩试2-韩试13含气量对比剖面

图11　韩试10-韩试11-韩试12-韩试19含气量对比剖面

4　结语

研究区内构造特征复杂，断层分布较为密集。韩城中部、南部断层十分发育，且断层性质复杂；韩城北部构造简单，断层较少。

构造运动及其形成的断层和褶皱，对煤层气起着一定程度的控制作用，表现在以下几方面：

(1) 成煤期后的地壳的抬升运动会打破煤层中原有的吸附平衡条件，使吸附气和游离气相互转化，在封闭条件不好的情况下，易使煤层气运移逸散；

(2) 构造运动形成的规模不等的褶皱，在不同程度上影响着煤层气的富集成藏作用。对背斜而言，当煤层位于中和面之上时，由于核部的韧性岩层变薄，孔隙加大，提供了煤层气的逸散通道，致使核部的煤层气含量相对降低；当煤层位于中和面之下时，当上覆岩层的封盖条件良好时，背斜由于处于高压封闭条件，容易形成煤层气藏。而背斜的两翼通常都表现为挤压应力，与核部相比，有利于煤层气的保存。但对于向斜而言，无论煤层位于中和面之上或之下，亦或是在向斜的核部或两翼，都有利于煤层气的保存，都将成为煤层气的富集区。

(3) 由构造运动形成的断裂系统对煤层气的保存和逸散有着重要的影响作用：逆断层或压扭性走滑断层多属压性、压扭性，断层面密闭，封闭性能好；同时此外断层面附近由于是构造应力集中带，煤层气吸附量增加，煤层本身裂缝增多；正断层或拉张性走滑断层属张性断层，断层面开放，为煤层气运移提供通道，同时断层面附近低压，致使煤层甲烷大量解吸，含气量相对下降。

[1]Gayer R and Harris I. Coalbed Metahane and Coal Geology[M]. London: The Geological Society, 1996: 1-338.

[2]代革联.地质构造对韩城矿区水文地质特征的影响[J].干旱区资源与环境.2010, 24(7):62-67.

[3]宋岩，刘洪林，柳少波，等，苏现波.地质中国煤层气成藏地质[M].科学出版社.2010.

[4]宋岩，孟召平，田永东，等.煤层气开发地质学理论与方法[M].科学出版社.2010.

[5]徐开礼，朱志澄.构造地质学[M].1989.地质出版社.2006.

[6]王生全.褶皱中和面效应对煤层瓦斯的控制作用[J].东北煤炭技术.1999, 24(3):14-16.

[7]桑树勋，范炳恒，秦勇,等.煤层气的封存与富集条件[J].石油与天然气地质.1999, 20(2):104-107.

[8]方爱民，侯泉林，琚宜文，等.不同层次构造活动对煤层气成藏的控制作用[J].中国煤田地质.2005, 17(4):15-20.

[9]傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学[M].2007.中国矿业大学出版社. 2010.

[10]叶建平,秦勇,林大扬,等.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社.1998,13-15.

[11]王永,冯富城,毛耀保,等.沁水盆地南端煤层气赋存的构造条件分析[J].西北地质.1998,19(3).

[12]刘新社,席胜利,周焕顺.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征[J].煤田地质与勘探.2007, 35(1):37-40.