韩城矿区煤层气富集的构造控制与开发模式研究

郑 超，马东民，夏玉成，陈 跃，李卫波

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；3.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；4.陕西省地质科技中心，陕西 西安 710054)

与煤层相伴相生的煤层气作为清洁能源越来越受到行业的重视。研究表明，控制煤层气生储富集的因素众多。一般而言，构造、水文和沉积条件被认为是控制煤层气赋存的关键地质因素，其中构造以及构造动力条件制约着其他因素，是控制煤层气富集成藏的根本要素[1-3]。

韩城矿区地质构造复杂，煤层气(瓦斯)含量较高，矿井瓦斯是制约矿井绿色安全开采的关键因素，与此同时，韩城矿区亦是鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范试点区。现有对韩城矿区煤层气的研究成果主要集中在韩城矿区煤层气的含气性、储层特征、富集条件及储层强化技术等方面[4-8]，而韩城矿区最显著的特点在于其构造的复杂性，构造控气的特征明显。构造控气主要表现为区域构造背景及其演化控制着煤层气聚集区带的形成和分布[9]；不同构造样式及其所控制的保存条件是影响煤层气富集的主导因素[10]；构造动力通过对储层孔隙-裂隙系统的影响，控制了煤储层渗透性及开发难度[11]。构造不仅可以通过构造演化及构造样式[12]对煤层气赋存具有直接控制作用，而且可以通过水文地质条件间接控制煤层气的赋存[13]。因此，本文以构造为主线，分析韩城矿区构造控气的关键因素，揭示构造与煤层气富集成藏、开发的关系，提出合理的开发模式，以期为构造复杂区域煤层气科学高效开发及矿井瓦斯防治提供地质依据和技术保障。

1 韩城矿区构造控气特征

1.1 地质构造赋存特征

韩城矿区的构造条件深刻影响着煤层气的富集与产出，以及矿井瓦斯地质灾害。韩城矿区受区域构造控制，整体为北西向倾斜的单斜构造，其内断裂构造与褶皱构造均较发育，但空间分布差异明显(图1)。构造格局呈现出“东西分带，南北分块”[14]，即东西向从东南边浅部向北西向单斜深部，根据构造复杂程度结合煤层埋藏深度划分为：东南边浅部隆起断裂带(<400m)、中部过渡带(400～800m)、深部斜坡带(>800m)[4]。南北向以薛峰北断裂带及文家岭同沉积背斜为界分为南区和北区[5]。从断裂构造的发育形式看，北区挤压构造形迹发育较多、以层滑构造为主，方向以北东-南西向为主；南区拉伸构造形迹占据主导、以切层断层为主，主导方向为北东-南西向和东西向，表现为“南断北滑”的特点[6]。矿区主要构造变形带为分布在东南缘的逆冲推覆构造，整体呈现出“东强西弱、南强北弱、边浅部复杂、中深部简单”的规律[14]。

图1 韩城矿区构造纲要

1.2 构造对煤层气成因的控制

聚煤盆地的沉降与抬升对煤层气的富集成藏至关重要。韩城矿区先后经历了晚石炭世—中三叠世的区域性整体沉降、晚三叠世—中新世的不均匀抬升和上新世—第四纪的局部沉降。晚古生代以来，韩城矿区总沉降量在1300m以上(图2)。晚三叠世开始的不均匀抬升运动表现出东强西弱、北早南晚的规律，总抬升量在600m以上。受同沉积构造与深成变质作用控制，由东南向西北方向变质程度逐渐增加(图2)，西北区域煤变质程度高且分布范围大，广泛发育贫煤和无烟煤，东南与东北局部发育贫煤，中、南部地区发育瘦煤，焦煤少见，西南薛峰井田以贫煤为主。

图2 韩城矿区钻孔沉降史曲线

11#煤在中深部变质程度高，普遍达到高阶煤，以王峰和薛峰井田为代表；但是矿区东部边浅部，尤其在东南与东北部分区域普遍存在较高煤级煤(图3)。反映出东南边浅部受复杂的构造作用，即在深成变质基础上叠加了动力变质作用。

图3 11#煤层煤级分布

因此，韩城矿区石炭-二叠纪含煤岩系沉积之后，首先经历了大幅度的沉降，在地下深处较高温压环境下发生深成变质作用、并伴生大量煤层气。中生代中晚期以北西向挤压为特征的燕山运动使本区形成沿北西向倾斜的单斜构造，东南部的含煤岩系强烈抬升遭受剥蚀和变形[14]，大气降水及地表水在边浅部携带细菌沿煤层露头下渗流经煤层，生成次生生物煤层气。根据甲烷碳同位素(δ13CPDB)判别指标，韩城矿区桑树坪、下峪口和象山井田碳同位素(δ13CPDB)在-70.1‰～-48.0‰(表1)，从煤层气成因上看，这三大井田的煤层气为热成因气叠加次生生物气[15]，中深部的薛峰井田和王峰井田为典型的热成因气[4]。

表1 韩城矿区碳同位素测试结果

2 构造对煤层气储保的作用

韩城矿区11#煤层作为主采煤层且全区分布，受控于“南断北滑，东强西弱”构造背景，煤层构造变形强烈。北区普遍发育宽缓褶皱，煤层呈现波状起伏，褶皱型层滑作用相对强烈，普遍发育较高煤级的构造煤(图4)。南区断裂和褶皱构造均比较发育(图5)。断层形成地垒和地堑等组合形式；褶皱构造的波幅较大。断层造成了煤层的减薄甚至断失；背斜区构造变形相对较强。小断层多表现为顶断底不断和底断顶不断，因断裂型层滑作用，局部形成构造煤。

图4 韩城矿区北区构造控煤模式

图5 韩城矿区南区构造控煤模式

从11#煤的含气量等值线可以看出(图6)，含气量分布与煤级分布表现出高度一致。聚煤盆地东强西弱、北早南晚的不均匀抬升运动造成的单斜构造是控制含气量区域分布规律的关键因素。东部边浅区域煤层生气能力不足及断裂隆起构造带导致煤层抬升，造成水力运移逸散作用、次生生物煤层气不足以弥补散失量，所以含气量总体偏低。而中深部煤层变质程度高，煤层气生气量大、且叠加水力封堵作用，导致中深部含气量较边浅部显著增大，即含气量表现为北高南低、西富东贫。但是东北区边浅部11#煤顶板为石灰岩，岩石性脆、小裂缝发育、并见有次生溶孔，顶板封盖性不良，造成桑树坪、下峪口的含气量平均为5.65m3/t、4.51m3/t，普遍小于6m3/t；西北的王峰井田平均含气量为11.99m3/t。东南区象山井田的平均含气量分别为6.56m3/t，西南区薛峰井田的平均含气量为11.28m3/t。

图6 11#煤煤层含气量等值线

分析含气量与埋深的关系发现(图7)，埋深400m和800m两个深度水平划分了含气量的垂向分异格局，浅于400m，含气量多小于8m3/t，超过800m含气量普遍大于8m3/t。400～800m则属于过渡区域，含气量较为分散。据此推测，400m和800m可能是控制韩城矿区煤层气富集成藏的临界埋深线，可依次划分出浅、中、深三个垂向分带，分别对应贫气带、含气带和富气带。

图7 11#煤含气量与埋深的关系

总体而言，煤层气含量赋存特征与“东西分带，南北分块”的构造格式呈现一致性。以桑树坪、下峪口和象山井田为代表，其中象山井田发育开放型断层是造成含气量较低的重要原因；桑树坪、下峪口井田构造类型以褶皱为主，在次生生物气补充下，局部构造高点或埋藏浅部可能成为有利富气部位，比如上峪口背斜。次级控气构造类型中，向斜轴部与缓斜坡带含气量最大，背斜、边浅隆起带、正断层依次减小[6]，但是东泽村构造带虽然为正断层，但封闭性好，导致薛峰井田含气量较高。

3 构造对煤层气开采的影响

地面煤层气井通过排水降压的方式使吸附在煤基质孔隙表面的甲烷解吸，游离态的甲烷分子经过煤储层中的孔裂隙运移产出。煤层气井的产气量是地质条件和开发方案相互匹配的结果，构造因素成为煤层气开采的先天条件，其中地质构造类型、地应力等因素是控制煤层气开发成败的关键[16]，具体表现在基于构造类型控制的地下水流场分布及走势与构造应力控制储层渗透性优劣。韩城矿区前期的挤压应力与后期张拉应力相互叠加，造成北区煤体结构主要为碎粒煤和碎裂煤，而南区主要以原生结构煤为主；向斜部位以碎粒煤为主，背斜部位受张拉作用以碎裂煤为主[7]。因此基于含气量与渗透性分析，韩城矿区北区的东南边浅部隆起断裂带(<400m)含气量相对较低，局部富集，层滑构造导致的构造煤发育、储层渗透性差，压裂改造难以形成有效的渗流裂隙，极不利于煤层气开发。北西向倾斜的单斜构造中部过渡带(400～800m)含气量明显增加，煤体为轻微构造应力作用下的碎裂煤与原生结构煤、渗透性较好，是煤层气开发的最有利区域。而在深部斜坡带(>800m)，煤层含气量达到最大值，受深部地层垂向应力的压实作用、原生结构煤体的渗透性一般，主要依靠后期对储层的压裂改造提升渗透性，因此该区域为相对有利开发区。考虑到韩城矿区作为一个单独的水文地质单元，东南边浅部的韩城大断裂为地下水补给区，在薛峰北断裂等构造交汇处，次生裂隙发育、断层封闭性差、沟通了含水层，发生了窜流补给，导致部分煤层气井只产水、产气量低甚至不产气[17]。另外，在该区域向斜核部等煤层气富集区域，煤层气井排水降压效果差、煤层气解吸缓慢，后期出现既不产水也不产气的现象。构造应力除了对储层渗透性的影响外，构造煤引发的煤粉问题成为制约煤层气井产能的关键因素[18]。基于构造应力对煤层气井型的选择，研究表明水平主应力系数在0.5～0.8的区域，宜采用直井压裂生产，其他建议选择多分支水平井生产[8]。

针对韩城矿区地面煤层气开发和矿井瓦斯防治存在的问题，综合考虑矿区构造分布与特征、煤层气赋存与开采难度及矿井规划部署等因素(表2)，韩城矿区边浅部发育典型的应力约束型气藏，东北区的桑树坪井田和下峪口井田构造煤发育，是瓦斯灾害危险性最大的两个井田，东南区的象山井田构造煤较发育，单纯依靠地面抽采无法奏效，需采用矿井卸压手段通过应力释放抽采煤层气。应以采动区井下-地面联合抽采、煤与瓦斯共采技术为主导，实现瓦斯的综合防治和开发，概括为“压力-应力协同释放为主的矿井卸压抽采模式”(图8)。西部的王峰和薛峰井田属于煤矿远景规划区，加之含气量高和煤体结构相对完好，近期应以地面煤层气抽采作为主流技术，即概括为“排水降压为主的地面井降压开采模式”。

表2 韩城矿区各井田煤层气要素

图8 韩城矿区煤层气开采模式图

4 结 论

1)韩城矿区构造发育，浅部受基地抬升与构造应力共同作用，煤层气为次生生物成因气叠合热成因气，深部经历深成变质作用为典型的高煤阶热成因气。受控于不同构造样式与现今埋深，北部层滑构造导致的构造煤发育，含气量较南部高；中深部含气量较浅部高。

2)从开发要素分析，东南边浅部构造煤发育，为煤层气开采不利区；中深部是典型的热成因气。其中中部过渡带含气量好、渗透性好，是煤层气开发的有利区域；西北深部斜坡带含气量高、但是渗透性差，为煤层气开发的相对有利区。

3)针对桑树坪等井田煤层气赋存特征、煤体结构和应力环境的复杂性，提出了不同井田煤层气(矿井瓦斯)开采模式，即东北区的桑树坪井田、下峪口井田，东南区的象山井田构造煤发育，建议采用“压力-应力协同释放为主的矿井卸压抽采模式”；西部的王峰和薛峰井田含气量高、煤体结构相对完好，建议采用“排水降压为主的地面井降压开采模式”。