高煤阶煤层气富集机理的深化研究
2022-02-25桑树勋韩思杰刘世奇周效志李梦溪胡秋嘉
桑树勋，韩思杰，刘世奇，周效志，李梦溪，胡秋嘉，张 聪
(1. 中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 碳中和研究院，江苏 徐州 221008；3. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；4. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；5. 中国石油天然气股份有限公司 山西煤层气勘探开发分公司，山西 长治 046000)
高煤阶煤层气资源相对丰富是中国煤层气资源的重要禀赋特征之一，实现高煤阶煤层气大规模商业化开发是中国煤层气产业的重大突破和世界贡献，沁水盆地高煤阶煤层气是目前中国煤层气产量的主体来源。我国高、中、低煤阶煤层气资源量占比较为接近，最新的煤层气资源评价结果显示，高煤阶煤层气地质资源量10.44×10m，占比35%，可采资源量4.04×10m，占比32%。沁水盆地南部高煤阶煤层气于2009年在我国率先进入商业化开发阶段，目前沁南煤层气示范工程生产规模已达到38×10m/a，沁水盆地已成为我国2个地质储量千亿级煤层气产业基地之一。近几年来川南—黔北地区高煤阶煤层气勘探开发也取得积极进展，在川南筠连地区已建成年产2×10m的煤层气生产区块，在川南地区正在开辟第3个煤层气产业基地；黔北地区织金区块等煤层气开发示范工程取得成功，龙潭组高阶煤储层显示出较好的产气潜力，具备高产储层条件。据朱庆忠等报道，目前高煤阶煤层气产量已占我国煤层气总产量的90%以上。据自然资源部数据，2020年中国煤层气年产量58×10m，其中沁水高煤阶煤层气年产量41×10m，占当年总产量的71%，在我国煤层气产业发展中占有举足轻重的地位。
已有的煤层气理论认识和勘探开发实践均表明，受限于高阶煤的高变质程度和普遍低孔渗储层特征，高煤阶煤层气富集需要独特地质背景。这里煤层气富集是指主力煤储层或煤储层组富气高渗，也有学者称之为煤层成藏，但煤层气富集的富气高渗下限是一个地质控制的技术边界，显然与具有自然边界的常规油气藏不同。相对于中低阶煤储层，高阶煤储层一般具有富气低渗的显著特征。高煤阶煤层气富集的发生在地质成因上显然更为受限，这也是国际上已有煤层气商业开发主要集中于中、低煤阶煤层气的根本原因。
关于高煤阶煤层气富集规律，前人在煤层气成藏地质条件、地质控制因素、富集过程及模式等方面开展了大量有益探讨并取得重要成果。高阶煤储层以区域岩浆热变质成因和深成热变质成因为主，其中区域热变质成因常常与成煤期后区域岩浆作用和高异常地热场发育有关，岩浆作用造成的煤的变质程度、孔裂隙结构、渗透率和应力场变化与深成热变质的深埋作用显著不同。生气量大、吸附甲烷能力强是高阶煤共有特征，也是高煤阶煤层气富集的物质基础。叶建平等认为沁水盆地南部汇流型水动力条件和低地应力下煤储层相对高渗透率是煤层气有效富集的主控因素。秦勇等认为高煤阶煤层气富集主要是盆地演化、应力场、构造分异等多构造动力学条件综合作用的结果。左银卿等认为煤质、煤层埋深、顶底板封盖性、构造、水动力条件等共同控制了高煤阶煤层气富集。基于对沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东南部典型高煤阶煤层气富集区主控地质因素的不同认识，前人提出了不同的高煤阶煤层气富集模式，如水动力控藏模式、向斜控藏模式、三元气体圈闭散失模式、相对构造高位富集模式、斜坡带与煤层变形破碎带富集模式等。
近15 a来，我国高煤阶煤层气勘探开发实践积累了大量研究、工程和生产数据，以沁水盆地为代表的高煤阶煤层气开发和研究程度显著提高，为深化认识高阶煤煤层气富集机理提供了良好研究条件和可能；另一方面，对高煤阶煤层气富集机理认识的不足仍是制约我国高煤阶煤层气高效规模化开发的重要技术瓶颈，严重影响高煤阶煤层气地质适配性开发工艺技术的发展和煤层气产量的提升。开展高煤阶煤层气富集机理的深化研究有很好的理论和现实意义。
1 高煤阶煤层气富集区分布与形成地质背景
1.1 高煤阶煤层气富集区分布
高煤阶煤层气富集区分布具有显著的区域性，煤有机质热演化条件和煤变质类型的不同是高煤阶煤层气富集区域性差异的直接原因，高阶煤储层的区域岩浆热变质作用成因是高煤阶煤层气富集的基本地质背景。我国高煤阶煤层气资源主要分布在沁水盆地、鄂尔多斯盆地南缘、黔西—川南地区、太行山东麓中南部、豫北地区及湘赣地区等，其中沁水盆地南部晋城地区、沁水盆地北部寿阳—阳泉地区、鄂尔多斯盆地东南缘韩城—延川南地区和黔西川南织金—筠连地区为高煤阶煤层气主要富集区(图1)，煤层气勘探开发工程实践亦证实这些地区煤层气井总体具有较高的产气能力或潜力。尽管这些高煤阶煤层气富集区形成的构造环境存在差异，但高阶煤的成因类型非常一致，均以区域岩浆热变质作用为主。重磁地球物理异常、成煤后古地温高异常、零星纬向分布的燕山期岩浆岩体等均指示华北板块北纬35°，38°左右可能存在纬向展布的大型深部隐伏岩浆岩体或地幔上隆，在华北石炭二叠纪聚煤盆地形成了对应的2个区域岩浆热变质高阶煤发育带，晋城高煤阶煤层气富集区、韩城—延川南高煤阶煤层气富集区位于35°带，沁北寿阳—阳泉高煤阶煤层气富集区位于38°带，韩城地区可能同时叠加了较显著的深成热变质作用的影响。华南黔西川南二叠纪聚煤盆地更靠近板块边缘，晚二叠世含煤地层形成后长期处于洋盆闭合-碰撞造山活动的影响中，煤层热演化受到深部岩浆活动及其伴生高温热液的广泛影响，形成了织金—筠连高煤阶煤层气富集区，但长期的高挤压应力作用造成黔西川南较其他地区构造煤更为发育。
1—晋城富集区；2—寿阳—阳泉富集区；3—韩城—延川南富集区；4—织金—筠连富集区图1 中国主要高煤阶煤层气富集区分布(底图据文献[12])Fig.1 Main distribution of the high rank CBM enrichment area in China[12]
1.2 高煤阶煤层气富集区特征
(1)沁水盆地南部(晋城)、鄂尔多斯盆地东南缘(韩城—延川南)高煤阶煤层气富集区。沁水盆地整体为一轴向北东至南西向复式向斜构造，南北两端石炭二叠系煤层赋存较浅，但受区域岩浆热变质作用为主的影响，特别是燕山期高异常古地温下煤的热演化作用强烈，造成盆地南北两端煤层埋深小但有机质成熟度高(平均最大镜质组反射率>2.5%)，煤阶普遍为无烟煤，局部达到无烟煤Ⅱ号，如沁水盆地南部晋城地区局部煤层平均最大镜质组反射率>4.0%。沁水盆地南部晋城地区较盆地北端煤层经受的区域岩浆热变质作用影响更为显著，且构造、水文等相关煤层气保存条件更好，整体为向北倾的单斜构造，煤层水无明显径流，埋深800 m以浅山西组3号煤层含气量最高可达38.70 m/t，渗透率0.47×10～2.61×10m，已成为我国最主要的高煤阶煤层气商业开发区，晋城富集区潘庄、潘河、寺庄、樊庄、成庄、郑庄区块贡献了沁水盆地煤层气产量的80%以上。韩城—延川南高煤阶煤层气富集区位于与沁水盆地南部相邻的鄂尔多斯盆地南缘，与晋城高煤阶煤层气富集区位于同一纬度带，构造上整体为简单的单斜构造，韩城区块因受深成热变质作用叠加的影响相对显著，构造煤较为发育，煤阶以贫煤和无烟煤为主(平均最大镜质组反射率1.70%～3.05%)，埋深800 m以浅山西组3号、5号和太原组11号煤层含气量介于5.87～19.73 m/t，平均为13.43 m/t，渗透率最大为0.48×10m；延川南区块山西组2号煤层平均埋深1 280 m，平均最大镜质组反射率>2.00%，煤层含气量>12.00 m/t，渗透率最大为0.80×10m。
(2)沁水盆地北端(寿阳—阳泉)高煤阶煤层气富集区。沁水盆地北端煤层气富集区受到差异性构造控制，西部的寿阳区块构造发育相对简单，总体为南倾单斜，而东部的阳泉区块处于沁水盆地复式向斜轴部附近，NE—SW向正断层极其发育，该富集区煤层热演化程度和煤层含气量总体低于沁水盆地南部煤储层，且区内西部寿阳区块煤层渗透率总体高于东部阳泉区块煤储层。寿阳区块煤层主要为贫煤和III号无烟煤，山西组3号煤层含气量在3.62～25.24 m/t，平均12.52 m/t，渗透率在0.02×10～56.31×10m，然而其较高的产水量可能抑制了煤层气单井产量。阳泉区块山西组3号煤层煤阶略高于寿阳区块，煤层含气量在3.2～24.5 m/t，平均为13.3 m/t，主力煤储层渗透率一般变化范围0.50×10～6.70×10m，正断层和构造煤相对发育，对煤层气富集产生了负面影响。
(3)织金—筠连高煤阶煤层气富集区。黔北—川南高阶煤是燕山期—喜马拉雅造山期岩浆侵入作用引起的多期高温热液变质作用叠加的结果，同时受多期褶皱作用的影响，其煤层热演化程度高，基本上都为III号无烟煤，煤体结构破坏严重，煤层含气量普遍较高但煤层渗透率总体较低，织金—筠连富集区是其中相对富集高渗的区域。黔北的织纳区块龙潭组煤层含气量0.48～32.69 m/t，平均为11.9 m/t，高含气区分布在中心式凹陷的向斜翼部，煤层渗透率为0.11×10～0.50×10m。川南的筠连区块煤层含气量为10.64～24.87 m/t，高含气区分布在背斜两翼埋深较大的斜坡带上，煤层渗透率为0.014×10～0.370×10m。
1.3 区域岩浆热变质作用与高煤阶煤层气富集区形成
高阶煤是较高温度条件下煤变质作用的产物，主要煤变质作用成因类型或源于高异常地温梯度浅埋条件下的区域岩浆热变质作用，或源于正常地温梯度深埋条件下的深成热变质作用，或源于2者的叠加作用。不同煤变质作用成因可以形成有机质热演化程度相同的高阶煤储层，同时均生成大量的热成因气，但不同成因高阶煤储层形成时的煤层埋深和地应力条件显著不同，进而造成不同成因高阶煤储层孔裂隙结构特征的显著差异。区域岩浆热变质作用成因的高阶煤，煤变质作用发生时对应的煤层埋深相对较浅，煤层有机质热演化温度高但地应力相对较低，煤层生烃时间短但强度大，煤岩孔裂隙构成发育且连通性好的多级孔裂隙结构网络(图2)，表现为外生裂隙发育、内生裂隙大量保存，脆性变形微裂隙、差异变形微裂隙(孔)、大分子定向排列微裂隙等常见，变质气孔多且保存好，大分子结构尺度微孔发育，形成的煤储层不仅富气，也相对高渗。深成热变质作用成因的高阶煤，煤变质作用发生时对应的煤层埋藏深度大、地应力高，煤层受热生烃经历时间较长但强度较小，煤岩孔裂隙结构网络不发育且连通性差，形成的煤储层往往富气但普遍低渗。例如，沁水盆地南端的晋城高煤阶煤层气富集区为典型区域岩浆热变质作用成因，煤层气富集程度和开发效果最好；盆地北端的寿阳—阳泉高阶煤层气富集区在煤的深成热变质作用基础上，叠加了区域岩浆热变质作用的显著影响，煤层气富集程度和开发效果较好；盆地中部高阶煤储层以深成热变质作用成因为主，叠加区域岩浆热变质作用的影响，尽管煤阶相对较低，但煤层气富集程度和总体开发效果较差。
煤层富气程度主要取决于煤层生气能力、吸附能力和保存赋存条件，高阶煤在生气能力和吸附能力方面具有显著优势，这是导致高阶煤储层普遍富气的本质原因。一方面，煤本身是聚集型有机质构成的优质气源岩，在一定成熟度范围内随有机质热演化其累计生气量增大，无烟煤热演化累计生气量可达300 m/t，可供保存的有效生气量也可达160 m/t；另一方面，微孔发育的煤岩具有很高的孔隙比表面积和气体吸附能力，无烟煤实测理论最大吸附量(兰氏体积)可达47.55 m/t。在地史热演化过程中高阶煤生气量远大于其吸附能力，因此煤岩吸附能力和吸附气量对煤层富气程度的影响更直接显著。煤储层的吸附能力(平衡水条件下)与煤阶(镜质组反射率小于4.0%)总体呈正相关关系，这是由于随煤阶升高，煤岩具有更发育的微孔和更大的孔比表面积。但对于煤阶接近的不同高煤阶煤层气富集区，煤岩生气能力和过程对煤层含气性的影响仍不可忽视，例如，晋城高煤阶煤层气富集区煤储层燕山期经历了近300 ℃,5.5 ℃/hm或更高梯度的异常高地温，使得当时煤变质程度快速升高，有效生气阶段煤岩生气强度大，虽然中生代末期地壳大幅抬升与新近纪地下水运动造成部分煤层气的逸散，但埋深较小(500 m)的煤层现今仍具有较高的含气量(>20 m/t)，同时也与沁南地区煤层气保存条件较好有关。而位于同一煤变质带的韩城—延川南煤层气富集区，煤变质经历地温梯度、受热温度、生气量均不及晋城富集区，其煤层埋深较大但煤层平均含气量只有13 m/t左右。
图2 高煤阶煤层气富集区煤储层孔裂隙结构网络模型示意Fig.2 Schematic diagram of the pore-fracture structure network model of high rank coal in the high rank CBM enrichment area
高阶煤储层高渗主要是孔裂隙结构网络发育的结果。对于不同变质作用成因的煤，其有机质热演化过程会对煤储层结构、特别是孔裂隙网络造成差异性影响和不同程度改造，从而一定程度上控制煤储层原始渗透率。区域岩浆热变质成因的高阶煤，孔裂隙结构发育且更易保存，煤层渗透率相对较高，一般0.1×10～1.0×10m，部分超过1.0×10m；深成热变质成因的高阶煤，煤层渗透率普遍较低，一般小于0.1×10m。特别是成煤期后岩浆侵入事件往往形成典型高煤阶煤层气富集区，岩浆侵入煤系必然导致煤层原始地应力的失衡，而应力场快速改变促使煤储层发生体积应变甚至脆性破坏，产生构造热演化成因的煤储层微裂隙，从而提高煤层原始渗透率，如美国圣胡安盆地高煤阶煤层气的高产也得益于岩浆侵入作用。
2 高煤阶煤层气富集规律
2.1 高煤阶煤层气富集综合模式
在不同的煤层埋深范围，高煤阶煤层气富集规律不同。基于沁水盆地南部煤层气井实测和生产数据，以煤层埋深范围为线索，建立了高阶煤煤层气富集综合模式(图3)。
图3 高煤阶煤层气富集综合模式Fig.3 Comprehensive model of coalbed methane enrichment in high rank coal
这一综合模式(图3)可以很好地将前人建立的向斜煤层气富集、褶曲翼部煤层气富集、构造高点煤层气富集等不同高煤阶煤层气富集模式统一起来。中低煤阶煤层气富集具有类似的规律，但高煤阶煤层气富集规律随深度变化的现象更显著，这与高阶煤储层渗透率的地应力变化敏感性和高煤阶煤层气富集机理的特殊性有关，详见本文后述。
2.2 向斜煤层气富集
煤层埋深较浅时高煤阶煤层气多在向斜核部富集，这是由于向斜核部相较于两翼煤层埋深较大，地层压力大有利于煤层吸附甲烷；向斜核部发育挤压构造应力且上覆低渗透率的泥页岩盖层残留厚度大，起到很好的封闭作用；同时地下水沿两翼补给进入含煤地层也能够形成水力封闭。然而煤层气向斜富集模式仅适合于煤层埋深较浅地区，随埋深增大煤层所受覆岩应力和有效应力显著增大，会导致向斜核部煤层渗透率较低，因此高煤阶煤层气向斜富集多发生于煤层埋深500 m以浅。同时浅埋煤层煤层气开发工程难度也小，富集区煤层气直井普遍高产，例如，晋城富集区的潘庄、潘河、寺河、成庄等区块等。
2.3 褶曲翼部煤层气富集
大型褶曲翼部斜坡带煤层气富集是含煤盆地煤层气富集的常见类型，且煤层气富集程度随煤层埋深变化的规律显著，煤层富气高渗发生于合适的深度范围，这是由于在临界深度前煤层含气量随煤层埋深增加而逐渐增加，而煤层渗透率与煤层埋深则呈显著负指数关系。斜坡带浅部煤层受大气降水影响，水动力条件一般较强形成下限深度不同的甲烷风化带；浅部测向封堵作用造成甲烷风化带以下一定深度范围发育缓流或静流承压水，有利于斜坡带煤层气保存；尽管斜坡带深部煤层更为富气，但煤层渗透率衰减严重，不利于煤层气富集。SONG等建议将含气性15 m/t和渗透率0.2×10m作为高煤阶煤层气富气高渗(富集)的门限，在沁南地区煤层气褶曲翼部富集对应的煤层埋深在500～800 m，例如，樊庄区块。
2.4 构造高点煤层气富集
随着煤层埋深进一步增大，煤层含气量不再明显增大、甚至出现由增到减的转折，而煤层渗透率则快速降低，因此，超过一定埋深煤层相对高渗的构造高点部位(背斜核部、鼻状构造高点等)成为煤层气富集的区域。构造高点部位的构造应力应为局部拉张环境，裂隙和微裂隙相对发育且开合度好，加之构造高点部位上覆地层厚度一般相对较小，覆岩应力较周边煤层也相对小些，使得构造高点部位煤层渗透率显著高于周边。由于煤层埋深较大，煤层气保存条件相对更好，特别是煤层超过临界深度时，随煤层埋深和储层压力增大，煤层吸附能力却降低，煤层气处于过饱和状态，在这种相对封闭的系统中，游离煤层甲烷受浮力驱动可聚集于构造高位相对发育的煤储层裂隙中。例如，沁水盆地南部郑庄区块煤层埋深普遍较大(>800 m)，直井低产较普遍，早期开发21口显示工业气流的煤层气井基本都位于构造高点，单日产气1 185～3 583 m(图4)。在延川南区块，深部煤层气富集高产区不仅多与相对高渗的构造高点相关，同时往往需要一定的水动力封闭条件；但在地下水高压封闭滞留区却因深部煤层改造范围受限，易造成煤层气井低产低效，如深部2号煤层产出水矿化度大于1×10mg/L时，随产出水矿化度增高煤层气井产气量急剧下降，低产井普遍。
图4 沁南地区郑庄区块高煤阶煤层气构造高位富集示例Fig.4 CBM enrichment mode of relatively high structural part illustrated by Zhengzhuang Block,Qinshui Basin
3 关键主控地质因素
煤储层富气和高渗是高煤阶煤层气富集区的两大核心特征，煤层气富集是煤层气井高产的地质条件。由于高阶煤生气量大、吸附能力强，相对富气是高阶煤的普遍特征，所以，对于高煤阶煤层气富集，煤层渗透率较煤层含气量更为关键。一般而言，煤层渗透率越高，高煤阶煤层气井产气能力也越高，例如，樊庄区块煤层渗透率大于1×10m的直井，平均日产气量1 700 m，而煤层渗透率0.5×10～1×10m和<0.5×10m的直井仅有1 384和1 120 m。因此，决定渗透率的主控地质因素即是高煤阶煤层气富集关键主控地质因素。
3.1 煤层埋深
..煤层埋深与高阶煤储层渗透率
沁水盆地主力煤储层渗透率与埋深关系的统计数据表明(图5(a))，高阶煤储层渗透率随埋深增大呈指数减小的趋势，埋深大于900 m时煤层渗透率普遍小于0.1×10m，600 m以深煤层渗透率随埋深的衰减开始加快。然而埋深相似煤层的渗透率差异性仍然很大，可相差1～2个数量级，这一般是煤储层本身非均质性和构造应力区域差异性造成的。
图5 沁水盆地3号煤层渗透率、含气量与埋深关系Fig.5 Relationship between depth with permeability and gas content of No.3 coal in the Qinshui Basin
..煤层埋深与高阶煤储层含气量
从沁水盆地主力煤储层数据统计来看(图5(b))，煤层埋深影响煤层含气量变化，但其相关性并不显著，这与前人结果基本一致。最大煤层含气量与煤层埋深的相关性更强，在800 m以浅变化规律不显著，800～1 000 m最大煤层含气量随埋深增加而增加，1 000 m以深最大煤层含气量随埋深增加而呈减小。高阶煤储层含气量与其吸附能力密切相关，在温度负效应和压力正效应叠加作用下煤岩吸附能力随煤层埋深增大呈现先增后减趋势，最大吸附能力对应煤层埋深在1 000 m左右，这与煤岩等温吸附实验模拟结果一致(图6)，表明煤层埋深对高阶煤含气量的影响体现在温度压力共同约束下的煤岩吸附能力。
图6 高煤阶煤层吸附气量与煤层埋深的变化关系[18,37,55-56]Fig.6 Relationship between adsorption capacity of high-rank coals and depth[18,37,55-56]
..煤层埋深与高煤阶煤层气富集
煤层埋深对高阶煤含气量和渗透率的影响不同，在中浅部(<1 000 m)，随煤层埋深增大2者具有相反的变化趋势，即高阶煤含气量逐渐增加而渗透率快速减小；但深部煤层含气量和渗透率随煤层埋深增大均呈减小趋势，只是减小幅度不同且变化不够明显。显然高阶煤含气量和渗透率随煤层埋深的两阶段变化特征对不同深度煤层气富集的影响不同。正因为中浅部煤层含气量、渗透率随煤层埋深增大呈截然相反的变化关系，因此存在一个平衡带深度使得这2个参数值均能保持煤层相对富气高渗。通过统计郑庄—樊庄区块和前人沁水3号煤与韩城5号煤煤层气单井产量、含气量和渗透率数据，可以看出高产煤层气井的煤层埋深在300～800 m(图7)，煤层含气量的下限为15 m/t，渗透率的下限为0.2×10m。值得注意的是，深部煤层含气量随深度增大减小缓慢，1 000 m以深煤层含气量仍然大于20 m/t，而煤层渗透率随深度增大的快速衰减是限制煤层气富集的主要原因。因此，在地质构造相对简单(如宽缓的褶曲翼部或向斜轴部)，煤体结构以原生结构煤为主且较为均一的中浅部区域，高煤阶煤层气富集区预测应综合考虑煤层埋深控制煤层含气量和渗透率的平衡效应；而在地质构造相对复杂、地应力高的深部煤层发育区，在构造高位煤层可经受正面改造(孔裂隙增加)形成相对高渗储层，这些构造高位就成为深部高阶煤煤层气富集区。
图7 晋城富集区、韩城-延川南富集区煤层气直井日产气量与煤储层埋深的关系Fig.7 Relationship between CBM gas production,gas content and permeability with depth in the Southern Qinshui and Hancheng areas
3.2 地质构造(含构造应力)
..构造与高阶煤储层渗透率
现今构造应力场与煤储层渗透率关系密切，如图8所示，水平最大主应力指示的构造应力越大，煤储层渗透率越低；当最大主应力方向与煤层裂隙发育优势方向一致或相近时，沿该方向则可能产生相对高的裂隙开度和煤层渗透率，垂直方向则煤层渗透率相对较低。不同构造样式是不同古构造应力场作用的结果，因此不同性质古构造应力和构造发育对煤层渗透率也往往具有显著且截然不同的影响，在逆冲推覆带、逆断层发育的构造挤压带等古构造应力集中区，煤层裂隙发育差、渗透率较低，而在正断层发育的构造拉伸带等应力松弛区，也是煤层裂隙相对发育和高渗透率分布区。沁水盆地山西组3号煤层渗透率总体表现为盆地轴部和深部较低，而两翼和浅部较高，优势渗透率展布呈NE方向，这是由于煤层主要发育NNW向优势外生裂隙，与盆地内主要褶曲构造轴部迹线方向一致，亦与喜马拉雅期最大主应力方向大体接近，同时煤层渗透率区域变化也受到浅部覆岩应力小、深部覆岩应力大的共同控制。盆地东南部煤层具有明显的高渗透率特征，在高异常地热场区域岩浆热变质作用形成孔裂隙相对发育的煤储层基础上，叠加了NNE向高角度正断层(寺头断层和晋获断裂带)的影响。
图8 沁南地区樊庄—郑庄区块水平应力与3号煤层渗透率的关系[58]Fig.8 Relationship between horizontal stress field and permeability of No.3 coals in Fanzhuang-Zhengzhuang Block,Southern Qinshui Basin
除了构造类型，褶曲的曲率也是影响煤层渗透率的重要表征参数。褶曲曲率过小，煤层破裂变形程度也低，裂隙不发育导致煤层渗透率低，相反如果曲率过大，煤层塑性变形强烈，甚至生成糜棱煤等构造煤，则会导致煤层渗透率显著降低，因此适中曲率的褶曲发育有利于煤层气富集。特别是随着埋深增加，现今构造应力对煤层渗透率的控制作用逐渐减弱，曲率代表的构造形态对煤层渗透率的影响变得更为显著。秦勇等研究表明沁水盆地高阶煤储层高渗区的构造曲率在0.05×10～0.20×10m，盆地东南部3号煤层构造曲率在0.1×10m左右，这也是该区域煤层渗透率相对较高的原因之一。
..构造与高阶煤储层含气量
现今构造对高阶煤储层含气性的影响主要体现在能否形成有利的保存条件上，构造及地层的有利配置是煤层气富集的重要保存条件。向斜核部上覆地层处于受挤压状态(中和面以上)，张性断层和裂隙不发育且紧闭，有利于煤层气的保存，而背斜核部上覆岩层处于拉张状态，张开裂隙发育，煤层气不易保存聚集，因此对于埋深不大的煤层来说，向斜核部多为煤层气富集区。例如，在沁水盆地浅部煤层含气性好的煤层气井分布在远离背斜核部，靠近向斜核部与远离断层的部位，高含气量部位与压性构造密切相关。
..构造与高煤阶煤层气富集
构造形态对煤层气富集的控制不是简单的受褶曲或断层的影响，本质上来说应是受构造引起的割理裂隙系统不均匀发育所控制。在已有高煤阶煤层气富集高产地质模式中，既有单斜构造、向斜构造，也有背斜构造，甚至在某些压性断层发育部位亦发现了高产井。这些现象说明，对于高煤阶煤层气富集的构造控制作用，应具体分析不同性质地质构造和地应力场控制煤层含气性和渗透率变化的综合效应。压性构造中，挤压应力使得煤层有效应力增大，煤中孔裂隙或裂隙开度不发育，尤其是起导流作用的裂隙基本处于受压闭合状态，因此煤层气富集高产区往往出现在浅部或褶曲核部。张性构造中，由于先期形成的裂隙开度增大，对含煤层气系统的封闭和保存能力却起到一定的负面影响，因此煤层含气量普遍较低，然而对煤层渗透率的激励作用十分明显，在保存条件相对好的地区往往易形成富集高产区，因此需要较大埋深或较为致密的上覆岩层，如正断层发育区的半地堑构造，简单的拉伸剪切作用易形成煤储层连通裂隙，导致煤层气高产井的分布。构造对高阶煤煤层气富集的控制作用不仅体现在盆地演化史和构造热史等构造相关的赋煤盆地形成过程，同时还有现今构造格局和应力场分布特征。
3.3 煤体结构
高阶煤形成过程表现为强烈的有机质热演化和煤变质作用，同时煤层往往经历了不同程度的构造变形，对煤层裂隙发育和渗透率产生非常显著的影响，同时也影响煤层孔隙发育和含气性。煤体结构是高煤阶煤层气富集不可忽视的主控地质因素。
..煤体结构特征
煤体结构是反映煤岩石力学强度和构造变形程度的重要煤储层特征。在煤层形成后，煤层不可避免会受到后期构造运动的改造，原生结构煤受构造应力改造或破坏发生变形，从而改变原有的岩石物理结构甚至内部化学成分，形成构造变形煤(构造煤)。按变形机制，构造煤可分为脆性变形煤(碎裂煤)、脆性韧性叠加变形煤(碎粒煤)和韧性变形煤(片状煤、糜棱煤)。根据不同变形环境和应力状态，可以将构造煤细分为多种类型，构造煤与原生结构煤、不同构造煤间煤储层物性特征均具有显著差异。
..煤体结构与高阶煤储层渗透率
煤体结构是影响煤层渗透率的重要因素，甚至是主要因素，碎裂煤总体渗透率比原生结构煤高，比碎粒/糜棱煤高2个数量级左右，表明轻微的构造变形破坏产生的裂隙、微裂隙对渗透率有明显的贡献。原生结构煤经过轻微改造形成的碎裂煤，其裂隙系统扩展并相互连接能够极大提高渗透率，有利于煤层解吸气体释放，碎裂煤发育区多是煤层气富集高产区。而强烈构造应力和应变能使原生结构煤演变为糜棱结构煤，这种情况下煤原生割理裂隙系统不复存在，宏观裂隙迂曲度增加，连通性极差，进而大幅降低了煤层原始渗透率。
图9展示了原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的微观裂隙发育特征。可以看到，原生结构煤微裂隙不甚发育且相互之间相对独立，连通性不高；碎裂煤微裂隙发育且相互连通，形成了发育的渗流网络，极大提高了渗透率；随着煤体结构进一步破碎，裂隙之间相互交错，宽度变窄，大中孔显著减少，流体在裂隙中流动缓慢且相互影响，难以形成统一的渗流路径，故降低了煤层总体渗透率。
..煤体结构与高阶煤储层含气量
高阶煤含气量主要受控于煤岩吸附能力，而吸附能力则与煤基质孔隙，尤其是微孔发育程度有关。随着煤体破坏程度增加，煤岩吸附量呈增大趋势。这是由于随着煤体破坏程度增加，不同孔径段孔容和比表面积均有所增加，其中大中孔孔容增加幅度大于微孔。高阶构造煤孔容和比表面积相对于原生结构煤均显著增大，而随着破碎变形程度的加剧，这种增大趋势越明显，这是造成构造煤含气量普遍较高的根本原因。大量研究和生产实践已证实，构造煤发育区一般为瓦斯突出矿井分布区，也是煤层高含气量分布区。
..煤体结构与高煤阶煤层气富集
对于不同煤体结构的高阶煤，即使是类似煤级或煤岩组分特征，显著差异的孔裂隙结构决定了高阶煤往往具有显著不同的含气性和渗透率。煤层经历的脆性变形、韧性变形类型不同，对煤层孔裂隙改造的效果截然相反，必然对煤层气富集产生不同的影响。脆性变形一般发生在覆岩应力和构造应力较小的煤层，挤压或拉张应力作用下导致煤层多组裂隙发育，其贡献主要体现在增强起连通作用的裂隙发育程度，因此能显著提高煤层渗透率，而对吸附主要发生场所的微孔比表面积增加的贡献较小，煤层含气量较原生结构煤变化不大。韧性变形一般发生在较高地层温度、压力和地应力下，挤压或剪切应力作用导致褶曲和煤岩流动变形构造发育，其影响一方面主要体现在增加微孔和小孔的比表面积，因而能增大煤层的吸附能力，而另一方面对起连通作用的原生裂隙，实际是破坏和压实，导致煤层渗透率显著降低。因此煤体结构对高煤阶煤层气富集的控制作用类似于埋深，对煤层渗透率、含气量的影响显示相反的方向。变形程度相对弱的碎裂煤有利于高阶煤煤层气的富集。
图9 不同煤体结构煤显微裂隙照片Fig.9 Micrographs of coal petrography of different coal body structures
4 基本控制机理
煤层渗透率随埋深呈指数减小，其本质原因是覆岩应力的增加造成孔裂隙的闭合。不同构造部位下的构造应力场和地质构造特征通过影响煤层孔裂隙发育及其开合度来控制煤层渗透率。而煤体结构则是地质时期古地应力场作用导致煤层变形的具体表现，其对煤层渗透率的控制也是基于不同时期古地应力作用下煤储层孔裂隙结构的改变性质或破坏程度。因此，埋深、地质构造、煤体结构等关键主控地质因素通过地应力、裂隙及应变破坏特征控制煤储层渗透性是高煤阶煤层气富集的基本机理。
4.1 地应力控制
地应力控制煤层渗透率的实质是煤储层应力应变导致孔裂隙发生改变从而影响煤层渗透率。地应力作用下的煤储层孔裂隙改变有2种不同的结果：正向变化，孔裂隙增加，连通性变化变好，或裂隙开度变好；负向变化，孔裂隙减少，连通性变差，或裂隙开度变差。煤储层应力场状态主要由覆岩应力、构造应力和储层压力所决定，覆岩应力和地层压力与煤层埋深的关系直接密切。垂向上主要为覆岩应力，水平方向上为构造应力和覆岩诱导应力，最大主应力方向存在垂向和水平方向2种不同的可能状态，最大主应力的转换是造成煤层渗透率变化的重要原因。沁水盆地南部高阶煤储层主节理与现今构造应力场最大主应力方向相近或一致，这就造成了裂隙的相对拉张，而主应力差越大，这种拉张效应也越强，从而显著提高煤层渗透率。然而随着煤层埋深增加和覆岩应力增大(>1 000 m)，垂向主应力可能成为最大主应力，即使处于相对拉张构造应力的正断层发育区，也会造成孔裂隙闭合，从而降低煤层渗透率。储层压力可降低有效应力，对煤层渗透率具有正效应，即储层压力越大，煤储层有效应力越小，起到撑开裂隙的作用，然而储层压力对渗透率的影响应小于覆岩应力和构造应力对渗透率的影响。有效应力增加往往会直接导致孔裂隙的变形甚至闭合，降低煤层渗透率，并且随着煤阶升高煤层渗透率降低更为显著。低应力状态下(<6 MPa)，有效应力增加导致裂隙和煤基质的大孔、微裂隙出现闭合现象，煤层渗透率显著降低；而高应力状态下(≥6 MPa)，煤层可压缩性降低，有效应力增加主要导致中小孔闭合，对煤层渗透率的影响幅度变小(图10)。由于应力场的方向性和应力大小的差异性，煤储层渗透率的各向异性也十分显著，总体而言，平行于张开主裂隙发育方向的煤层渗透率最大，垂直于张开主裂隙发育方向的煤层渗透率最小。
图10 室内模拟实验显示有效应力与渗透率的关系[74]Fig.10 Laboratory investigations on the relationship between effective stress and permeability[74]
地应力对煤层含气性也有一定的影响，但相对次要。一方面，覆岩应力、挤压构造应力和有效应力增大，煤层受压缩孔隙度显著降低，不利于游离态甲烷的赋存；另一方面，地应力增大也往往伴随着储层压力增大，根据Langmuir吸附理论，储层压力增大可促进煤层吸附更多甲烷。由于煤层气主要以吸附态保存，地应力对煤层含气性影响的负效应一般小于正效应，故应力集中区煤层含气量普遍较高。
4.2 煤储层裂隙及应变破坏特征控制
裂隙(割理)的发育特征直接影响渗透率的大小和方向，这是由于割理裂隙系统具有良好的连通性，面割理和端割理的连通性是影响煤岩渗透率的重要因素。煤基质渗透率(孔隙渗透率)远小于裂隙渗透率，高阶煤储层更是如此。然而煤层在形成后普遍经历多期构造变动，如沁水盆地高阶煤先后经历海西运动、燕山运动和喜马拉雅运动，各期构造运动产生的应力场性质差异明显，对煤层变形改造作用各异，必然导致煤层原生割理系统的破坏，因此煤岩的渗透率不仅受原生割理系统控制，还取决于割理系统形成后构造应力应变带来的煤层外生裂隙和煤岩应变破坏特征，这就是煤体结构控制煤层气富集的主要原因。煤岩应变破坏实验表明：不同储层条件下煤岩受应力作用会产生不同形态的裂隙系统；含水煤储层流体压力增大，煤岩从脆性剪切破坏逐渐变化为韧性破坏；煤岩应变破坏随应力增加而逐渐增强，在强构造应力场发育区，煤岩裂隙系统受到破坏，甚至发育糜棱结构。
煤岩应变破坏的过程控制着渗透率的变化，其本质是煤岩变形造成的裂隙、微裂隙或孔喉的开合。具体来说在煤岩弹性变形阶段，煤岩被压缩，若原生裂隙发育，则煤岩渗透率降低；而对于裂隙不发育的煤，其渗透率基本无变化。在到达煤岩弹性极限后，随着应力增加，煤岩发生脆性变形和裂缝的扩展，该阶段渗透率先缓慢增加而后随裂隙扩展而急剧增加。达到岩石强度后，煤岩在应力作用下发生软化，煤岩破碎严重，裂隙被破坏或被煤粒/煤粉重新填充，渗透率急剧降低。随着煤岩重新被压实，渗透率逐渐趋于稳定。对于完整煤样(裂隙不发育)，均存在渗透率陡增的过程，这是由于剪切破坏造成的大量裂隙、微裂隙所致，该阶段裂隙结构可对应于碎裂煤。在应力-应变增加的实验模拟过程中，伴随着煤体结构未变形、脆性变形、韧性变形的连续变化，煤岩渗透率的变化规律与前文所述煤体结构对煤层渗透率的控制规律一致，因此在应力场的作用下煤岩应变破坏的过程对煤层中裂隙的改造作用是煤层渗透率改变的根本原因。
由于吸附作用主要是发生在煤基质微小孔隙内表面，且吸附量占煤层含气量的绝大多数，因此煤岩比表面积的增加往往会使得煤层含气量显著增加。煤岩的应变过程是从弹性形变、脆性形变再到韧性形变的连续过程，弹性形变实质是对煤岩原生孔隙的压缩，脆性形变产生新的裂隙，均对微孔影响较小，而韧性形变则是煤体软化破碎，发生力化学作用，煤大分子侧链脱落，芳香环缩合，微孔大量生成。因此，对于无显著裂隙发育的煤岩来说，煤层含气性在应变破坏的过程中先轻微减小或不变，而后缓慢增加，应变达到煤岩强度后，随着煤体粉末化加剧，含气量会显著增加。
4.3 综合控制
煤储层裂隙发育、应变破坏特征与地应力相互紧密关联。一般而言，煤层的裂隙发育与应变状态是古地应力作用的结果，特别是构造复杂地区，古构造应力导致煤层应变破坏的现象尤为明显。高阶煤煤化程度高，失水收缩和含氧官能团裂解产生的部分煤岩内生裂隙在煤化作用后期压实、填充和煤大分子重新缩聚过程中逐渐消失，因此，煤变质作用过程中覆岩应力(静岩压力)、流体压力(储层压力)和构造应力对高阶煤裂隙状态和应变破坏的控制尤为重要。由于煤层的强烈非均质性，即使相同的应力场条件，煤体的变形程度和孔裂隙结构都不尽相同。因此，高阶煤的渗透率主要由现今地应力状态和裂隙与应变破坏状态共同控制。
原始煤层在地应力作用下发生煤体结构的改变，不同裂隙发育程度的原始煤层在地应力增加的过程中发生不同的煤体应变和破坏特征。裂隙不发育的原始煤层在地应力作用下会先产生新裂隙与裂隙开度的增加造成渗透率显著增加，而后在裂隙闭合和破坏下煤层渗透率急剧衰减；而裂隙发育的煤层在地应力增加过程中裂隙处于持续压缩和破坏中，因此煤层渗透率不断衰减(图11)。因此，对于不同裂隙发育状态的煤层，地应力与煤体应变、破坏特征共同控制煤层渗透率机理不同，原始煤层裂隙发育越复杂，煤层渗透率应力敏感性越明显，随地应力增加煤层渗透率减小越显著，然而随着地应力不断增加，源于不同裂隙发育状态原始煤层的煤体结构相似度变高，应力应变控制的渗透率变化规律趋于一致。值得注意的是，相较于应力状态易受构造和埋深条件的不同变化影响，煤体形变和破坏程度是不可逆过程，但在煤体形变和破坏过程中，发生应力松弛或卸载都会导致煤层渗透率的增大。这是由于地应力减小导致煤体膨胀、孔裂隙及其开度增加，增加和改善了流体流动的路径，煤体破坏程度越高应力释放后煤层渗透率变化越大，此时煤层渗透率受卸载后地应力状态和卸载前煤体最终应变破坏特征控制。糜棱煤等典型构造煤应力释放时渗透率显著改善的特征成为煤层气应力释放开发理论的重要地质依据。
图11 地应力变化与煤体应变破坏过程对高阶煤渗透率与含气量的控制模式Fig.11 Coupling controlling of stress field and strain failure of coal body on gas content and permeability of high-rank coals
煤层含气量的大小主要取决于煤层的吸附能力和储层压力，因此孔裂隙的发育程度，特别是微孔的发育程度直接影响该煤层的含气量。煤层中的微裂隙和宏观裂隙属于大孔，对煤层吸附能力贡献不大，煤体的脆性形变与破坏对含气量几乎无影响，反而是在地应力升高下部分孔裂隙的压缩和闭合会导致含气量有所减小；随着应力的不断增加，煤体发生揉皱和强烈韧性变形，甚至动力变质作用和力化学作用，煤中大分子结构的官能团、支链等断裂、脱落，形成部分微孔；同时，煤的芳香环片层增大、间距减小，芳香片层间相互错位堆积，使层间孔增多。因此在高地应力作用下的煤体强烈形变与破坏过程后期，形成碎粒煤、片状煤、糜棱煤等典型的构造煤，煤层的含气量会随着微孔的增加而迅速增加，但原始地应力条件下构造煤的渗透率非常低。
5 结 论
(1)区域岩浆热变质作用成因高阶煤是高煤阶煤层气富集的基本地质背景。相对于富气低渗的深成热变质成因高阶煤，区域岩浆热变质成因高阶煤具有富气高渗特征。沁水盆地南部(晋城)、鄂尔多斯盆地东南缘(韩城—延川南)、沁水盆地北端(寿阳—阳泉)、黔北—川南(织金—筠连)等中国高煤阶煤层气富集区煤储层均以区域岩浆热变质成因为主。高煤阶煤层气富集区形成于高异常地热场条件，甚至与成煤期后岩浆侵入体相关，煤层生气能力和吸附能力大，且孔裂隙相对发育、渗透率较高。
(2)高煤阶煤层气富集规律是煤层含气量和渗透率在不同埋深和构造条件下耦合配置的结果，以沁水盆地为例，煤层埋深500 m以浅，发育高阶煤煤层气向斜富集模式，煤层气高产井多出现于向斜核部；煤层埋深500～800 m，发育高阶煤煤层气褶曲翼部斜坡带富集模式，煤层气高产井多位于宽缓褶曲翼部或单斜斜坡带；煤层埋深800 m以深，发育高阶煤煤层气构造高位富集模式，煤层气高产井主要位于背斜核部、鼻状构造转折端等构造高点部位。
(3)煤层埋深、地质构造(含构造应力场)、煤体结构等决定高阶煤储层渗透率的主控地质因素构成高煤阶煤层气富集关键主控地质因素。煤层甲烷风化带下限深度至1 000 m埋深左右，煤层渗透率随埋深呈负指数减小；地质构造和构造应力对煤层渗透率的控制作用相对复杂，煤层拉张裂隙发育且与现今最大主应力方向一致的构造部位煤层渗透率高；不同煤体结构高阶煤中碎裂煤裂隙发育，连通性好，渗透率最高。高阶煤煤层气富集是煤层埋深、地质构造(含构造应力场)、煤体结构等主控地质因素共同作用和地质选择的结果。
(4)埋深、地质构造、煤体结构等关键主控地质因素通过煤储层地应力、裂隙与应变破坏耦合关系控制高阶煤煤储层渗透性是高煤阶煤层气富集的基本机理。地质构造和煤体结构是古地应力的主要表现，主要控制煤储层裂隙发育；煤层埋深是现今覆岩应力和地层压力的主要表现，和现今构造应力一起控制煤储层裂隙的开合度和各向异性；在地应力场作用下煤岩应变破坏过程对煤层中裂隙的改造作用是高阶煤煤层渗透率变化的根本原因。糜棱煤等典型构造煤应力释放时渗透率显著改善的特征成为煤层气应力释放开发理论的重要地质依据。
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