河东煤田南部中生代构造与煤层气的关系

＊米 然

（山西地宝能源有限公司 山西 030045）

引言

河东煤田位于鄂尔多斯盆地东部边缘地带。区域基本构造主要形成于中生代。河东煤田不同地段的构造发育程度、展布形式呈现出南北分区、东西分带的地质景观。

研究区内主要构造特征：南北向上，在离石—柳林构造带以北，构造变形较弱且稀疏。南部则构造变形明显且密集，在中部离石—柳林构造带附近则呈现倾向W的鼻翼构造。在东西向上，盆地西部是平缓的单斜构造，中部为宽缓的褶皱构造，东部盆地边缘则断裂发育。

本文着重论述河东煤田南部中生代构造与煤层气的关系。

1.研究区主要构造

(1)紫荆山断裂带

断裂带位于研究区东面边界附近，在研究区内长度约45km。是研究区的自然边界。断裂带近南北向延伸，南部略向西偏，宽约3km，主要为一系列逆冲断层平行组合而成，至少有三条以上较大的断层。均为向东倾斜的均缓波状断层，倾角在40°～80°。东侧上盘上升，西侧下盘下降。在断裂带内，表现为强挤压、陡倾角，一般为70°～80°，局部垂直。断裂东侧为奥陶系灰岩形成的高大山峰，断层较多。西侧断层很少，地表多被黄土覆盖，局部有三叠系地层露出。

(2)褶皱

区内褶皱轴向南部为北北东向，北部为南北向，大多为轴面略向西或北西西倾的平缓开阔褶皱。研究区内的主要背斜有：王家庄向斜、石楼背斜、黑龙沟背斜、下李背斜、朱家峪背斜、古驿-窑渠背斜。主要向斜有：暖泉-罗村向斜、解家河向斜。除此之外，还有薛关-峪口挠曲等构造。

2.断裂和褶皱浱生的裂隙特征

裂隙在研究区广泛发育。在煤中的裂隙称为割理，在岩石层中称之为节理。

(1)节理

通过对紫金山断裂所带采集的岩石标本进行研究，可以发现，在砂岩中可见变形文，与走向和断面平行，垂直于变形纹可见有张裂纹发育，张裂纹中有方解石脉充填。在局部逆断层发育密集区域，可见有扭裂纹发育。

区域内的节理一般垂直于层理，等距性较好，多出现在脆性的岩层中（白云岩、石灰岩、砂岩等），很少进入相邻的相对韧性的岩层中（页岩、泥岩等），节理面较为光滑平整，开度一般小于0.5mm，大多未被填充，本次通过对节理表面观察，发现有一层上覆一层铁锈膜。节理延伸稳定，小的数十厘米，大的能达到数十米，末端常与垂直的节理相交或是尖灭。区域内的两组节理互相垂直相交，一组与平行于地层走向，另一组层平行于地层倾向，彼此互相限制。

(2)割理

割理的特征与上述节理的特征相似，由于野外观察受限，本次根据现有资料进行了简单的研究分析。区域内割理发育更为密集。通过对研究区北部鼻状构造区域研究发现，区域内割理延伸稳定，一般垂直层面且等距性较好。割理的方向与相邻的地层中的节理正好对应，研究区内发育两组割理，主割理与地层倾向平行，且延伸稳定相对密集，端割理平行于地层走向，两组割理互相相交限制。

3.裂隙与断裂、褶皱的关系

查明煤系地层中的裂隙系统的形成和分布状态，是预测煤层气能否高产富集的关键所在。一般煤系地层的各类岩石受到应力后都可产生变形，有弹性变形、塑性变形和破坏变形，当应力超过某一定的值时，煤系地层就会产生断裂或节理裂隙，节理裂隙的空间分布和产出特征影响煤层的非均质性和甲烷气的运动规律，而最终影响煤层甲烷的采收率。而褶皱与断裂构造的形成，直接影响着裂隙系统的分布。

(1)裂隙与断裂的关系

大量的裂隙特征表明，在研究区内的裂隙多为张力所形成的，裂隙发育在相对脆性的地层中，而未向韧性地层延伸扩展，由此可以看出，在研究区内形成裂隙成因与构造成因在区域应该是一致的。在研究区范围内，裂隙方向未受地层产状的影响，两组裂隙方向依然是与地层走向和倾向相平行。这一特征表明裂隙构造主要形成在区内断裂与褶皱形成的同一时期，并且受它控制。

在区域内交口、石楼一带进行地质调查时，共取可14个测点，对62条节理进行了统计分析，节理走向的优势方位为：40°～50°、10°～20°、285°～295°、345°～360°（见图1），由此得出：节理所反映的应力场是东西挤压，南北向伸展，该应力场方向与区域内褶皱、断裂所受的应力场是一致的。

图1 节理走向玫瑰花图

以往地质调查资料显示，该区域不同地层中发育节理的方位及组合方式相似，应为中生代时期同一应力场作用下形成的。区域内的裂隙及节理大体分为四组，即EW向、SN向NE向和NW向（见图2）。SN向节理在紫荆山断裂附近特别发育，常与一组EW向陡立的节理伴生，两组节理的节理面上常有擦痕，这两组列里呈现为一对区域性共轭X型剪节理（见表1、图3），通过这些现象可知主压应力轴为近EW向，主张力轴近SN向，中间应力轴产状陡立，这些现象结合区域内SN向的压扭性断层和褶皱状态，可以看出区域的主应力场为近EW向挤压应力，并伴有SN向的滑动。节理反映的应力场与区域断裂反映的相一致。

表1 NE、NW向共轭剪节理及主应力轴方位表

图2 节理等密图

图3

(2)裂隙与褶皱的关系

我们采用了Robinson和Lisle在1995提出的曲率摩尔圆法，总共处理区内110个下二叠系山西组内层位稳定的2号煤底高程数据。从总体上看，研究区内的构造曲率值一般在0.1×10-4m-1左右，也有达到0.2×10-4m-1及以上的地段。向斜处的构造曲率为负值，背斜处为正值，褶皱作用相对强烈的地区则反映为高曲率值。因此，区域内曲率值大于0.1×10-4m-1的地段构造裂隙相对发育。区内构造曲率绝对值大者与紫荆山断裂西侧盆缘断坳、区内褶皱相对应。

4.裂隙与煤层气的关系

应力作用和区域内的构造形变对煤层气的储存能力具有重要影响。如层间滑动构造会破坏煤层的原始结构，形成“构造煤”，从而影响煤层渗透性。构造应力的性质、大小和方向直接决定煤层割理的开启程度及方向，也决定煤层气的压力大小、富集程度及逸散能力。

裂隙系统和煤体结构直接影响着煤储层的渗透性。多孔介质流体通过能力则体现在渗透率上，因此煤层气产出量的高低可直接通过渗透率反映出来。

含煤地层中的外生构造裂隙体系和内生的割理体系是煤层渗透率的决定因素，内生割理体系是煤层在煤化过程中脱水、脱气体积收缩而形成的。而在构造变形中，它往往会被改造。外生裂缝体系是岩层（包括煤层）受到构造应力作用产生，其规模大、延伸长、贯通性好，对煤层渗透性影响较大。查明煤系地层中的裂缝体系的形成和分布状态，是预测煤层气高产富集的关键所在。煤层是双重孔隙介质（基质孔隙和割理）。基质孔隙平均直径通常小于20Å，渗透率很低，为10-9～10-12μm2，可视为零；而割理系统的渗透率一般在0.1×10-3～50×10-3μm2之间。因此割理系统的渗透性决定了煤储层的渗透性。煤层渗透率各向异性很强，一般面割理方向渗透性大于端割理方向。

裂隙对煤储层渗透性的影响主要表现在对煤层气富集和运移，一方面是裂隙提供了煤层气的富集空间。研究区内地表出露的裂隙大多没有被充填，有不少裂隙断裂面上有地下流体的迹痕（方解面膜和铁锈膜），因此这些裂隙提供了天然气贮存的空间，裂隙密度越大，该区域天然气贮存空间往往也越大。研究区内总体裂隙密度较低，对煤层气的储存空间有限。然而在一些褶皱、挠曲发育区，裂隙发育密度较大，这些可能会是煤层气的富集区域，因此，区域构造的研究、裂隙特征的分析，是勘探开发煤层气重要的工作。

另一方面，地下裂隙有利于煤层气的逸散和运移。裂隙的性质、系、产状、密度、开度、延伸长度、型式、空间分布、连通性等，均影响着煤层气的贮存情况，研究区内裂隙发育，且裂隙相交，地下连通性好，但研究区内地表出露的裂隙大多没有被充填，因此裂隙密集处不利于天然气的贮存。研究区内的平行走向和平行倾向的两组裂隙构成棋盘状，单条裂隙可达10多米。同组或相邻组的裂隙可互相贯通链接，该裂隙规模大、连通性好，这是今后该区域内天然气开发重点观察的现象。

5.结语

裂隙研究对煤层气勘探和开发具有重要的意义，裂隙系统和煤体结构直接影响着煤储层的渗透性，在含煤地层中割理系统的渗透率决定了煤储层的渗透性，而地下裂隙提供了煤层气贮存的空间的同时，也提供了逸散和运移的通道，因此寻找天然裂隙密集区（带）是勘探开发煤层气必要的工作。只有对地下裂隙的特征有一个接近实际的认识，我们才能够去合理地评价选区、布置钻孔和制定开发方案。