区域构造与演化控制下煤层气富集高产典型模式

琚宜文，乔 鹏，卫明明，李 鑫，徐凤银，冯国瑞，李 勇，吴财芳，曹运兴，李国富，韩玉明0，李 振，芦志刚0，姜 磊

(1.中国科学院大学 地球与行星科学学院，中国科学院计算地球动力学重点实验室，北京 100049；2.华南师范大学 地理科学学院，广东 广州 510631；3.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测实验室，新疆 乌鲁木齐 830047；4.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003；5.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095；6.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；7.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；8.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；9.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012；10.潞安化工集团有限公司，山西 长治 046299；11.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；12.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院新生代地质与环境重点实验室，北京 100029)

煤层气富集产气研究在解决我国以煤炭为主的能源资源、灾害与环境问题方面意义重大。煤层气是非常规天然气中极其重要的组成部分，其产业的发展能够缓解天然气供应紧张的局面，保障国家能源安全。同时，煤层气的开发利用有利于煤矿的安全生产，防治煤与瓦斯突出和爆炸。此外，在碳中和背景下，煤层气作为低碳清洁能源，是实现我国能源由高碳向低碳过渡的重要保障[1]。

煤层气富集区形成是宏观动态地质演化过程，实质是在含煤盆地构造演化史、沉积埋藏史、生气史等地质要素时空演化控制下，煤层气在含煤盆地中形成、运移、赋存、保存和调整富集的高效配置过程。沉积−构造演化是主导煤层气富集的重要因素，不仅表现在通过构造演化对煤层气富集过程起直接控制作用，同时也通过对其他地质要素的影响而间接作用于煤层气富集[2]。不同的构造应力场及应力−应变环境可以形成具有不同构造特征和变形类型的煤储层，在富集产气区形成过程中构造可以起到物性封堵的作用，甚至在构造演化复杂区域，取代水动力、储层物性等保存条件成为影响煤层气富集产气的主控因素[3-4]。

美国圣胡安盆地在煤层气勘探开发过程中，形成了“排水−降压−解吸−扩散−渗流”产出过程的认识，提出了落基山造山带高产走廊的地质认识，主要表现为水动力封闭超压富集模式[5-8]；粉河盆地煤层气勘探开发过程中，提出了“生物型或次生煤层气成藏”的理论认识，取得了生物气的开发突破[9-10]；除此之外，在阿巴拉契亚山脉的褶皱断裂区，发现了以半地堑最为有利、高渗高产的富集成藏模式[11-13]。我国煤层气地质条件复杂，受控于复杂的盆山构造演化过程[14-16]。我国煤层气在华北克拉通的沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘实现了产业化开发，建成了千亿方煤层气田[17-22]。除此之外，在准噶尔盆地南缘天山冲断带也开展了煤层气的商业开发，取得了中低阶煤煤层气开发突破[23-26]。在煤矿区煤层气抽采方面，如在淮南和淮北矿区实现了煤层气的高效抽采[27-29]。上述煤层气开发盆地和区带，构造演化过程不同、沉积地层存在差异，煤层气富集产气规律存在较大差别。由于区域构造特征控制着每个富集产气模式，而构造演化过程决定了富集产气模式的形成，因而需要系统总结当前国内煤层气勘探开发认识，提出针对性的煤层气富集产气模式，以助力煤层气产业发展和“十四五”煤层气产能突破。基于此，本文结合我国区域构造与演化过程及煤层气地质条件，主要研究区域构造与演化控制下煤层气富集高产的典型模式，包括构造简单裂隙系统、褶皱系统、冲断构造系统和构造叠加系统模式，以期为我国煤层气勘探开发提供理论依据。

1 构造简单裂隙系统煤层气富集产气模式

构造简单裂隙系统煤层气富集产气模式主要存在于盆地内构造总体较为简单仅裂隙系统比较发育的区域，以鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县为例，详细阐述该富集产气模式的地质特征与形成机理。鄂尔多斯盆地是叠合在古生代华北克拉通盆地基础上的中新生代沉积盆地[30]。大宁−吉县区块位于盆地东缘中南部，构造总体较为简单，为EW 向或NW 向倾斜的低角度单斜构造，断层较少发育，仅在盆地沉降过程中发育一些裂隙系统[5,31]。该区块主采煤层为二叠系山西组(5 煤)、太原组(8 煤)，其分布广、埋深大，有利于煤层气的形成和保存。三叠纪末构造抬升之前，鄂尔多斯盆地东缘地区普遍经历了最大埋藏阶段，煤层发生了深成变质作用。在燕山期构造热事件中，大宁−吉县区块发现规模不大的侵入岩和火山岩，煤变质程度有所升高，但由于起点煤级较高，二次生烃强度不大，煤层生气主期仍为三叠纪的深成变质作用，煤层气以深成热成因为主，局部可有生物气。其含气量一般为10～22 m3/t。煤层裂隙相对发育，储层渗透率在(0.1～30)×10−3μm2。区域内吉试5 井，含气量20.87 m3/t，渗透率仅0.1×10−3μm2，但最高日产气量达到6 800 m3；吉试1 井含气量为18 m3/t，渗透率(1～10)×10−3μm2，日产气量稳定在2 460 m3。由此认为，该区块属于典型的高含气量的构造简单裂隙系统煤层气富集产气模式。

在构造稳定条件下，在地层自身重力作用(埋深作用)和盆缘挤压作用下形成整体上倾角平缓的单斜构造，断层较少，多发育裂隙或节理，局部发育次级缓倾角褶皱，上覆盖层发育较为完整，煤层气在深成变质作用下生成，并被较好地保存下来。同时，在裂隙中等发育区，形成煤层气富集高产气区，其富集产气模式如图1 所示。

图1 构造简单裂隙系统煤层气富集产气模式Fig.1 CBM enrichment and production mode of simple structural fracture system

2 褶皱系统煤层气富集产气模式

盆地内部经常发育明显的褶皱系统，沁水盆地南部与贵州煤层气井实测及生产数据与褶皱构造的关系显示，煤层气的富集产气特征在褶皱系统的各个部位具有明显规律，基于此，建立了较浅向斜轴部富集产气模式、褶皱翼部富集产气模式和次级构造高部位富集产气模式，选取典型盆地/区块加以论述(图2)。

图2 褶皱系统煤层气富集产气模式[32]Fig.2 CBM enrichment and production mode of fold system[32]

2.1 较浅向斜轴部煤层气富集产气模式

沁水盆地整体上是一个NNE 向的复向斜，盆地内发育多个次级褶皱。潘庄区块位于沁水盆地南部向西北倾的斜坡带上，西界为寺头正断层。区内构造主要以宽缓褶皱为主，背斜和向斜呈NNE 向排列。如图3所示，潘庄区块内实测含气量大于25 m3/t 的煤层气井分布于向斜轴部，但渗透性较差，如0407、9-4、9-5 井；在背斜核部，煤层气容易逸散，含气量明显降低，如0405、7-2 井。与潘庄区块毗邻的潘河、樊庄区块，其煤层气同样在向斜轴部富集产气。潘河区块内背向斜相间排列，向斜构造部位的高产井占比为75%，并伴随高产水，对井网整体的排水降压有较大贡献[33]。樊庄区块向斜轴部的煤层气井产量可达到1 000～5 000 m3/d[34]。

图3 较浅向斜轴部煤层气富集产气模式[35]Fig.3 CBM enrichment and production mode of syncline shaft[35]

向斜轴部煤层埋深相对较大，挤压应力有利于煤层气吸附，加之上覆盖层的封闭；向斜轴部接受两翼地下水的补给从而使煤层形成水力封闭，这是造成煤层含气量高的原因，煤层气保存条件好。随着埋深增加，煤层所受覆岩应力和有效应力显著增加，导致向斜轴部的煤层渗透率降低，尽管煤层气富集但产气效果较差，因此，向斜轴部富集产气模式仅适合煤层埋深相对较浅地区。

2.2 褶皱翼部煤层气富集产气模式

沁水盆地南部郑庄和樊庄区块，以寺头断层相隔。晋试1 井位于断层东侧的樊庄区块，晋试5 井、晋试6 井位于断层西侧的郑庄区块(图4)。晋试1 井的含气量与渗透率均高于晋试5 井、晋试6 井，因此其产气效果更好。而同处于郑庄区块内的晋试5 井与晋试6 井，尽管位于向斜翼部的晋试5 井其含气量低于位于向斜轴部的晋试6 井，但晋试5 井渗透率较高，产气效果优于晋试6 井。

图4 褶皱翼部煤层气富集产气模式Fig.4 CBM enrichment and production mode of limb of fold

相比于向斜轴部，向斜翼部整体压力分布均匀，主要受剪切应力作用，裂隙发育适中，煤储层连通性较好，且处于水动力条件中的“承压区”，同时受到背斜轴部的补给和翼部至向斜轴部的水力封堵作用，在开采过程中排水降压较为容易。因此，褶皱翼部的含气量和渗透率匹配较好，形成富集产气带。

2.3 次级构造高部位煤层气富集产气模式

沁水盆地南部区内樊庄、潘庄、郑庄已初步实现规模开发，煤层含气量总体较高，平均为10～25 m3/t。大量实例证明，在含气量相差不大的情况下，不同构造部位产气差别较大，表现为相对构造高部位煤层气高产。在盆地南部固县井组，断层两侧含气量相当，但东侧高部位单井产量是断层西侧低部位单井产量的10倍以上，在断块上盘的构造高点(交叉断层上倾部位)富气贫水，单井日产气量3 000～6 573 m3(图5a)；而在断块形成地堑，即断块内贫气富水，投产4 口井均未见气，单井日产水量6～10 m3，开采4 年基本维持原状。在樊庄区块蒲池井组，高部位区初期单井产气量高、产水少；低部位区则相反，以构造高点PN1-4 井和构造翼部PN2-5 井为例，PN1-4 井煤层埋深673 m，2006年10 月27 日投产，最高日产气量2 900 m3，目前日产气量1 641 m3，日产水量小于0.1 m3；PN2-5 井平均日产水量10 m3，日产气平均仅2 00 m3左右(图5b)。

图5 沁南固县与蒲池井组不同构造部位煤层气开发特征Fig.5 Development characteristics of CBM in different structural positions of the Guxian and Puchi well groups in the Southern Qinshui Basin

次级构造高部位煤层气富集产气，主要是因为在构造作用下形成的伴生构造(背斜、鼻隆构造、断块等)高部位形成构造圈闭，生成“气顶”，煤层气富集产气。在这个过程中，构造调整降压富集产气，相对构造高部位含气饱和度高。富集产气区内，构造抬升幅度较小，未造成煤层气大量散失，同时由于储层压力下降，吸附能力降低，相应吸附饱和度增高。早期生成的煤层气随构造抬升，储层压力减小，部分吸附气转换为游离气，并由于密度的原因，沿煤层裂隙向上运移，并且在相对高部位富集产气(图6)，盖层良好的情况下，游离气聚集在高部位，若埋深较大、储层压力较大的情况下，可以在高部位或向斜低部位再次以吸附态保存下来。此时，裂隙系统的压力降低，深层煤层气继续运移，周而复始形成富集产气区。

图6 次级构造高部位煤层气富集产气模式Fig.6 CBM enrichment and production mode in secondary structural high position

3 冲断构造系统煤层气富集产气模式

准噶尔盆地南缘地处准噶尔盆地与天山造山带的结合部位，一级构造单元属于北天山山前冲断带，构造上经历了早二叠世伸展、中晚二叠世前陆盆地，三叠纪至白垩纪复合类前陆盆地和古近纪以来的挤压挠曲盆地4个阶段[36-38]。受天山隆升影响，由南往北依次为山前断褶带、深凹陷区和北部斜坡带，总体呈现“南北分带、东西分段和上下分层”的特征[37]，煤层气勘探区主要发育在第一排山前断褶带上。

3.1 褶皱冲断带煤层气富集产气模式

以准噶尔盆地南缘头屯河至乌鲁木齐河为例，该段发育小渠子断层、西山逆断层和头屯河向斜、桌子山背斜、郝家沟背斜、阿什里向斜，是典型的冲断构造系统。图7 展示了头屯河至乌鲁木齐段叠瓦状逆冲断层煤层气富集产气模式。在叠瓦状逆冲构造和与其相间的背向斜组合中，在郝家沟背斜核部煤层气含量较高，并在西山断层附近达到最大值。西山断层以韧性变形为主，压应力阻止气体逸散并增强煤层气吸附能力，同时两侧地层封闭性好，深部煤层气向浅部运移，在靠近断层的相对构造高点富集。此外，郝家沟背斜核部及桌子山背斜核部受拉应力而容易产生张性裂隙，煤储层渗透率增加，但上覆盖层封闭性好，有利于煤层气富集。在西侧区域煤层接受天山融水的补给，形成次生生物气，补充含气量。

图7 褶皱冲断带煤层气富集产气模式[26]Fig.7 CBM enrichment and production mode in fault-thrust-fold belts[26]

3.2 高陡冲断构造带煤层气富集产气模式

准噶尔盆地南缘阜康断裂带为二级构造单元之一，由于博格达山的隆起，阜康断裂带褶皱和断层较准南西部更加发育，是典型的山前高角度冲断含煤岩系构造。图8 展示了天山山前阜康地区高陡冲断带煤层气富集产气模式。B—B剖面位于准噶尔盆地南缘阜康矿区阜康向斜仰起端，由于阜康断裂带煤层经历了燕山期与喜马拉雅期两次抬升作用，导致部分煤层气逸散，含气饱和度在61.52%～100.55%(平均76.30%)，储层基本呈欠饱和状态，以吸附气为主。阜康断裂带受海西、燕山、喜马拉雅等多期构造叠加影响，其构造变形及油气富集过程复杂。特别是燕山期发生3 幕强烈活动，是阜康断裂带的主要改造期；喜马拉雅期南北强大挤压应力使阜康断裂带下盘发育了高角度冲断型类前陆盆地的箕状凹陷，上盘发生冲断推覆。煤层内部天然裂隙发育，有利于煤层气沿天然裂隙自深部煤层向浅部煤层运移，煤层气具有内源运移的富集特征[39]。超深部、深部煤层气在一定温度作用下，吸附气转变为游离气，游离气自超深部、深部煤层向中深部运移过程中，重新被吸附或部分仍呈游离状态而富集产气。阜康向斜仰起端地层倾角大，且为转折端，地震资料显示逆断层在仰起端十分密集，同煤层顶底板及煤层火烧区滞流段的水力封堵作用共同抑制了煤层气继续向外界逸散，因此煤层气富集并产气。

图8 高陡冲断构造带煤层气富集产气模式(据文献[39]，修改)Fig.8 CBM enrichment and production mode in high-steep thrust belts (modified according to reference[39]

4 构造叠加系统煤层气富集产气模式

根据构造演化史，盆地往往经历多期构造活动，不同的应力方向和机制引起了现今多种构造的叠加，因此，煤层气的富集产气特征受多种构造共同控制。两淮煤田位于古生代华北克拉通盆地东南缘，在构造演化史中遭受多期构造变形，构造形态较为复杂。其中，据估算，淮南煤田煤层气资源量为2 973×108m3。自晚古生代以来淮南煤田先后遭受了挤压逆冲期(印支期)、挤压与走滑伸展转换期(燕山期)和伸展断陷期(喜马拉雅期)，最终形成了现今的构造格局：北部的重力滑脱构造带、南部的逆冲推覆构造带以及位于中间的复式向斜构造带(图9)。此外，淮南复向斜中还发育一系列NNE 向的横切正断层，因此，煤层气藏受复向斜和断层的共同控制。

图9 构造叠加系统煤层气富集产气模式Fig.9 CBM enrichment and production mode in structural superposition system

淮南煤田含气量整体上由东向西逐渐递减，在潘集背斜东翼和张集形成2 个煤层气富集区(图9b)。印支期煤田整体遭受挤压作用，形成逆冲推覆构造使含煤地层向深部就位，发生深成变质作用，在生气的同时封闭性较好。燕山期潘集地区发生岩浆岩侵入，煤层发生接触变质作用煤阶升高(局部形成天然焦)，不仅生成了大量的煤层气，而且对裂隙发育十分有利，改善了煤储层的渗透率。在多构造叠加系统中，这种整体挤压机制所产生的煤系韧性变形，与后期伸展机制所产生的脆性变形相叠加，致使煤储层渗透率和含气量相匹配，有利于煤层气的富集产气(图10)。

图10 两淮煤田不同构造变形煤的渗透率与含气量分布差异Fig.10 Differences in permeability and gas content distribution of deformed coal with different structures in Huaibei and Huainan coalfields

将上述4 种煤层气富集产气模式归纳并总结，见表1。区域构造与演化能够直接控制从含煤地层形成至煤层气生成聚集过程中的每个环节，具体表现为构造演化控制含煤地层的沉积埋深史和热演化史，从而影响煤层气的生成和保存。现今区域构造形态控制着煤层气的富集分布。同时，区域构造与演化还能通过影响埋深、水动力条件、含气量与渗透率等来间接控制煤层气的富集产气。因此，区域构造与演化是最为重要的控气控产因素。

表1 煤层气富集产气模式及机理Table 1 Mode and mechanism of CBM enrichment and production

5 结论

a.结合我国煤田区域构造特征与演化过程及煤层气地质条件，将煤层气富集产气模式划分为4 种主要类型：构造简单裂隙系统、褶皱系统(较浅向斜轴部、褶皱翼部、次级构造高部位)、冲断构造系统(褶皱冲断带、高陡冲断构造)和构造叠加系统模式。

b.构造简单裂隙系统发育在构造相对稳定地区，在裂隙中等发育区形成富集产气区，如鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县地区。

c.较浅向斜轴部挤压应力利于煤层气保存从而富集产气，如沁水盆地南部潘庄、潘河区块。褶皱翼部由于剪切应力作用，封闭性较高，其含气量与渗透率匹配较好形成富集高产区，如沁水盆地南部樊庄区块。次级构造高部位模式主要是在构造作用下形成的伴生构造(背斜、鼻隆构造、断块等)高部位形成构造圈闭，生成“气顶”，如沁水盆地南部郑庄区块。

d.褶皱冲断带模式中逆冲断层阻止了煤层气的逸散，在靠近逆冲断层的相对构造高点富集产气，如准噶尔盆地南缘头屯河−乌鲁木齐河地区。高陡冲断构造模式发育在复杂断裂区，深部煤层气在一定温压作用下，解吸游离至上部地层，重新被吸附或部分仍呈游离状态而富集产气，如准噶尔盆地南缘阜康区块。

e.构造叠加模式形成于受多期构造活动共同作用的煤储层中，构造叠加区域其含气量和渗透率相匹配，煤层气富集且有一定产量，如淮南潘集矿区。

f.区域构造特征控制着富集产气的每个模式，而构造演化过程决定了富集产气的不同模式。本文提出的富集产气模式对系统认识中国煤层气富集规律，指导“十四五”煤层气勘探开发具有重要作用。