基金項目:國家973項目“高豐度煤層富集機理及提高開采效率的基礎研究”(2009CB219607)。
作者簡介:陳，男，湖南桃源人，1979，博士，主要從事油氣地質和煤層氣地質研究。地址:河北省廊坊市萬莊煤層氣研究所廊坊分院。聯系電話:010-692135421379 30613041e-mail:cbmjimcoco @ 126 . com
(1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，廊坊065007；
2.河南理工大學資源與環境工程學院，焦作454000)
摘要:煤的變形與煤層氣儲層的滲透率密切相關。查明含煤巖體的結構，定量評價含煤巖體的變形，對預測煤儲層的滲透率具有重要的指導意義。通過大量的野外觀測，結合室內掃描電鏡、光學顯微鏡和原子力顯微鏡，研究了沁水盆地南部煤層氣儲層的變形特征和空間分布，探討了構造特征、煤變形程度和巖體結構之間的內在聯系，並揭示了其成因。結果表明，秦南地區煤體宏觀變形以脆性變形為主，大部分解理被方解石充填，對儲層滲透率貢獻不大。煤巖體的變形取決於巖體的強度和結構，特別是軟煤發育厚度和比例的空間分布與強度因子和分形維數有關。同時發現含煤巖系節理和煤層裂隙走向占優勢，與現今主應力場方向壹致，寺頭斷層對煤體嚴重變形的影響有限。在下壹步煤層氣開發建設中，應盡量避免在軟煤發育較強的地區布井。
關鍵詞:軟煤脆性變形強度因子煤層氣巖體結構
沁水盆地南部煤層變形特征及形成機制
陳振紅1，王壹兵1，蘇先波2
(1.中國石油天然氣集團公司石油勘探開發研究院廊坊分院，廊坊065007；2.資源與環境工程研究所；河南理工大學，中國焦作454000)
摘要:煤變形是煤儲層滲透率的關鍵控制因素。研究煤的結構和定量評價煤的變形是儲層滲透率預測的重要組成部分，具有重要的意義。通過大量的野外踏勘、掃描電鏡、光學顯微鏡和原子力顯微鏡，研究了儲層變形特征、空間分布及演化規律；煤層氣形成機理及其與區域構造的關系；煤的變形和巖石結構。討論到這裏。沁水盆地南部以脆性變形為主，裂隙滲透性差，充填鈣質。煤體變形取決於巖體的強度和結構。特別是軟煤厚度和軟煤率與強度因子& amp分形維數。此外，煤層裂隙的走向與煤層的產狀密切相關。節理以NE-SW向為主，是現今的主應力場，寺頭斷層碎屑影響煤的變形。因此，在今後的煤層氣開發中，應盡量避開高強度軟煤區。
關鍵詞:煤層氣；巖體施工；脆性變形；力量除數；煙煤
介紹
煤作為壹種特殊的低楊氏模量、高泊松比巖石，其韌性變形所需的溫度和壓力遠低於無機巖石。正是由於煤的這種特殊變形行為，使得煤的變形與煤層氣儲層滲透率和煤與瓦斯突出密切相關。地質演化過程中煤巖體的變形受巖體強度、構造應力場、溫度和邊界條件控制[1~4]。在同壹構造應力場中，不同巖性地層或巖性組合的巖石表現出不同的巖體力學性質和變形特征，即在局部範圍內控制煤巖體變形的主導因素是巖體結構。
對於秦南地區無煙煤儲層，劈理嚴重閉合或被礦物充填，外源性裂縫是煤層氣運移和產出的通道[5-8]。外源性裂隙是煤變形的結果，中等煤變形形成的裂隙煤是本區最好的滲透性儲層。因此，根據煤層氣井勘探開發階段的資料，查明含煤巖系的巖體結構，定量評價煤巖體的變形特征，可以為煤儲層的滲透率評價提供參考，預測未開發儲層的滲透率，為勘探開發部署提供依據。
圖1沁水盆地南部煤巖解理發育特征
1沁水盆地南部煤巖宏觀變形特征
秦南地區山西組3#煤層下部通常有壹層厚度小於1m的軟煤，多為鱗片狀糜棱巖，局部發育粒狀煤。部分地區存在全層糜棱巖的透鏡體，透鏡體壹般小於20m×50m。
通過對鉆孔煤芯和井下煤壁的觀察，結合測井響應，發現煤體宏觀變形以脆性變形為主，其主要變形標誌為解理形成初期的格裏菲斯裂隙(圖1a)和方解石充填的解理(圖1b)。劈理成因非常復雜，壹般認為是同沈積壓實、成巖作用、側向古構造應力、收縮作用和煤化作用的結果[9~12]。
煤中脆性變形的另壹個標誌是外源性破裂。外源裂隙不發育時，煤體保持原有結構；當外源性裂縫發展時，煤體作為破碎的煤被破壞。這種煤的煤芯往往是碎片，但碎片有強度。
2欽南地區煤巖微觀變形特征
借助掃描電鏡，系統觀察煤的微觀孔隙結構，發現煤巖解理被方解石充填(圖2a)，或解理閉合(圖2b)，基質孔隙(孔隙)發育(圖2c)。
圖2欽南地區煤巖顯微特征(掃描電鏡)
在光學顯微鏡下，煤的脆性變形跡象主要是壹些外源性裂紋(圖3)。
圖3光學顯微鏡下秦南地區煤巖的外源性裂隙和反射，×15。
在掃描電子顯微鏡下，煤中韌性變形的標誌主要是褶皺、殘留斑點和SC結構(圖4)。
值得註意的是，煤巖脆韌性變形的識別與觀測尺度有關，在觀測到的韌性變形的微觀視圖中仍可發現脆性變形現象(圖5)。然而，在超微觀條件下很難觀察到延性變形。
3欽南地區煤巖變形的空間分布
煤芯觀察和測井響應表明，秦南地區範莊區塊軟煤壹般發育在煤層下部，與上部硬煤之間被夾矸層隔開，厚度0~1.15m，平均0.7m，占0~0.177，平均0.114。
北部古縣地區軟煤厚度和比值最高，特別是從G12-9到G7-12，軟煤厚度超過1m，比值超過0.15，東部軟煤發育程度逐漸降低。其相對發育的主要控制因素是褶皺的影響，軟煤的發育基本沿背斜軸部展開。寺頭斷層未對煤的結構造成嚴重影響，寺頭斷層附近的G4-7、G2-7、G2-6井軟煤的厚度和比例都沒有褶皺軸高，北西向褶皺與軟煤的發育關系最為密切。古縣地區是樊莊區塊軟煤最發育的地區，該地區分布的煤層氣井離寺頭斷層最近，說明寺頭斷層對煤變形有或多或少的影響。
樊莊地區軟煤發育受北西向褶皺控制，厚度壹般小於1m，比值多在0.15以下。最發育的區域位於褶皺軸部(F14-13，F13-14)，最低在翼部(F65438)。
圖4煤韌性變形的微觀標誌(SEM)
圖5煤的韌脆變形標誌(SEM)。
圖6秦南地區樊莊區塊軟煤厚度等值線圖
軟煤在蒲池玉溪是最不發育的地區，厚度壹般小於1m，多在0.5m以下，比值多在0.1以下。軟煤也沿西北褶皺軸發育，但由於近東西向褶皺疊加，軟煤分布復雜。
總的來說，整個樊莊區塊中古縣的煙煤最發育，其次是樊莊，蒲池玉溪地區最不發育。軟煤的發育程度與北西向褶皺關系最為密切，多位於褶皺軸部。寺頭斷層對煤體結構有壹定影響，但不嚴重。
4原因分析
4.1巖體結構對煤巖變形的控制
除邊界斷層——寺頭斷層外，研究區內稀疏分布著近南北向、近東西向和東北向三組小斷層。褶皺非常發育，大致可分為兩種類型:西北向和近東西向。這些褶皺的形成與巖體結構密切相關。褶皺的形成嚴格受巖體強度和結構的控制，容易發生強烈變形的低強度因子和分維巖體位於褶皺軸部。蒲池玉溪地區，強度因子最高，通過斷層吸收應力，形成密集褶皺。強度因子最低的古縣地區的褶皺不如蒲池玉溪地區發育，這是沿煤層剪切吸收應力在該地區形成軟煤的結果。
煤層具有較低的楊氏模量和較高的泊松比，在含煤巖系統計區間內，與其他地層相比，在相對較低的溫度和較弱的構造應力作用下，可以達到較深的變形程度。因此，煤層中記錄的構造應力場演化信息比其圍巖更加詳細和全面。將軟煤厚度和比例的空間分布與強度因子、分形維數和褶皺進行比較，發現:
ⅰ:地層較厚的低強度因子、低分維區。含煤巖系以韌性變形為主，位於多褶皺軸部，煤體變形程度深。沿煤層的剪切使煤體發生韌性變形，形成“軟煤”以降低構造應力。
ⅱ:強度因子高、地層厚度少的分維高值區壹般位於褶皺軸部。含煤巖系以脆性變形為主，軟煤不發育。
ⅲ:區域上，古縣地區強度因子和分維值最低，但褶皺和斷層不發育，吸收構造應力的唯壹途徑是沿煤層剪切變形形成軟煤。因此，古縣地區是本區煙煤最發育的地區。蒲池玉溪地區強度因子和分形維數最高，但吸收構造應力的方式不是形成斷層，而是密集發育的褶皺，軟煤最不發育。範莊地區介於兩者之間。
也就是說，在局部範圍內構造應力的性質和大小基本相同的前提下，巖體的強度和結構決定了煤巖體的變形，不同區域的煤巖體可以通過不同的變形方式吸收應力。
4.2應力場對煤巖變形的影響
4.2.1聯合開發特征
通過對樊莊區塊含煤巖系露頭的大量野外觀察，發現該區含煤巖系，特別是二疊系下石盒子組細砂巖和上石盒子組粉砂巖，發育多組高角度* * *軛狀剪切節理，主要為NE-SW向和NW-SE向，平均傾角為82°，甚至有的節理傾角為90°。節理沿走向延伸幾厘米到幾米，有的達到幾十米。節理密度從2至20個/米不等，平均密度為10個/米..壹般來說，脆性巖層中的節理密度比相同厚度的韌性巖層中的節理密度高，節理密度直接受巖層上的構造應力控制。在構造應力集中的地區，如褶皺轉折部位和斷裂帶，節理密度相對要高得多。
節理之間有許多切割，反映了力學性質的多樣性和多階段形成。根據節理的切割關系和分階段匹配分析的結果，確定為4組* * *軛剪切節理(圖7)。* * *軛狀剪切節理第壹期由ⅰ組和ⅱ組組成，銳角表示近SN向擠壓，最早；第二階段由ⅰ群和ⅲ群組成，銳角表示NW-SE向擠壓。第三階段由ⅰ群和ⅳ群組成，銳角表示北北東向-南西西向擠壓；第四期由II群和V群組成，銳角表示NE-SW方向的擠壓，形成時間最晚。
圖7接頭的分段匹配
4.2.2構造應力場分析
根據大量的野外觀察和上述含煤系節理特征的系統描述，以及前人的研究成果[13~16]，恢復了中生代以來的構造應力場時期:
印支期(1)近南北向壓應力場
印支期，近南北向的擠壓導致近東西向的褶皺，伸展表現為近南北向的正斷層，褶皺和斷層都很小。這時，寺頭斷層已經開始發育。
(2)燕山早期-喜馬拉雅期NW-SE向水平壓應力場。
沁水盆地燕山早期-喜馬拉雅期普遍存在北西-南東向壓應力場。擠壓使整個地區成為壹個ne向斜，西部的寺頭正斷層進壹步加強，形成近NE、NNE向的平行正斷層。
(3)喜馬拉雅晚期NNE-SSW向近水平壓應力場。
喜馬拉雅晚期的NNE-SSW向擠壓，導致了燕山-喜馬拉雅早期的NE向褶皺之上疊加了壹個大規模的NW向褶皺。此時寺頭斷層逐漸由張性變為壓性。
(4)第四紀以來新構造期NE-SW向近水平壓應力場。
第四紀以來的新構造運動中，隨著霍山和太行山的不斷隆升，沁水斷陷NE-SW向的近水平壓應力場形成了NW向的小褶皺，這種構造應力場壹直延續至今。
該區巖石節理和煤層以NE-SW向為主，與現今主應力場壹致。
4.2.3應力場對煤巖變形的影響
煤層中外生裂隙的產狀與上下圍巖中節理的產狀基本相同。山西組3煤儲層中的大斷裂系統具有明顯的方向性，表現為NE-SW和NW-SE兩個優勢方向，其中NE-SW方向較為發育。這與巖石節理的優勢方向基本壹致，煤層主裂隙的方向也與現今應力場中最大主應力的方向基本壹致。
裂縫與應力場的這種耦合關系，導致煤層氣井在連續排水過程中裂縫張開度逐漸增大，流體壓力不斷降低，進而導致煤層滲透率隨著最大主應力差的增大而增大。
這是該區煤層氣井穩產高產的主要控制因素之壹。
4.3斷層對煤變形的影響
根據古縣地區寺頭斷層附近煤層氣井的揭露，發現斷層對煤體嚴重變形的影響有限。
(1)靠近斷層的煤層氣井說明煤體作為軟煤破壞不嚴重；
(2)北部古7-9井油藏壓力1.5 MPa，產能2700 m3/d，周邊井6-10，7-10，7-11，7-1。而實體7-8和實體8-8產能較低，不足400 m3/d，根據產能分析，寺頭斷層對煤體變形有影響。在古縣地區，由於斷層落差小，影響範圍有限，壹般不超過100m..隨著斷層落差的增大，影響範圍會增大；
(3)寺頭斷裂影響本區構造應力場的分布，進而控制本區構造的形成和分布。對煤體變形的影響是:沿斷層形成軟煤帶，其寬度與斷層落差有關。落差越大，軟煤寬度越大，壹般不超過500；向東逐漸過渡為壹個裂隙煤分布區，也是儲層滲透性最好的區域，這個區域的寬度很難準確確定。根據目前煤層氣井的測試和生產資料，該帶寬度約為1 ~ 2km；再往東，該帶基本不受影響，原生構造煤發育。
結論和建議
(1)沁南地區煤體宏觀變形以脆性變形為主，解理被方解石充填，對儲層滲透率貢獻不大。韌性變形的跡象包括褶皺、殘留斑點和SC結構。
(2)巖體的強度和結構決定了煤巖體的變形。軟煤的發育程度與NW向褶皺密切相關，其厚度和比值的空間分布與強度因子和分形維數有關。
(3)含煤巖系節理和煤層裂隙走向以NE-SW為主，與現今主應力場方向壹致，寺頭斷裂對煤體嚴重變形的影響有限。
參考
[1] Guidish T M，Kendall CG C Kendall，Lerche I等1985。利用埋藏史計算進行盆地評價:綜述。AAPG公告，69 (1): 92~105
[2]法律公告E.1993。煤級和割理間距的關系:煤滲透性預測的意義。《國際煤層氣研討會論文集》,阿拉巴馬州伯明翰，5月17-21，第435~441頁
蘇顯波，謝宏博，華思亮。2003.煤脆韌性變形的識別標誌。煤田地質與勘探，31 (6): 18 ~ 21。
劉俊來，楊光。2005.高溫高壓實驗中變形煤流的宏觀和微觀行為[J].科學通報，50 (B10): 56~63: 56 ~ 63
傅，電視2001。煤割理壓縮實驗及滲透率數值模擬[J].煤炭學報，26 (6): 573 ~ 577。
張建波、泰莉、汪鴻雁等人，2003年。高滲透煤儲層分布的構造預測[J].中國高校地質學報，9 (3): 359 ~ 364。
蘇先波，林曉英，劉少波，等2005。煤層氣藏邊界及其封閉機理[J].科學通報，50(10):117 ~ 120
陳，賈承造，。2007.構造擡升對高、低煤階煤儲層的不同影響及機理[J].石油勘探與開發，26 (2): 62 ~ 67
[9] Mckee C R，Bumb A C，Way S C等人，1986。利用滲透率與深度的相關性評價煤層天然氣的生產潛力。煤層甲烷技術季刊，4 (1): 35~62
[10]關閉J C.1993。煤中的天然裂縫。《煤中的碳氫化合物》, Law B E和Rice D D D，AAPG地質研究#38，119~132
Gayer Rand Harris I. 1996。煤層甲烷和煤地質學，地質學會，倫敦，1~338
陳，賈承造，，等2008。高煤階和低煤階煤層氣儲層物性差異及其原因[J].石油學報，2(已出版)
[12]泰莉，張德敏，傅等。1999.沁水盆地中南部現代構造應力場與煤儲層物性關系的探討[J].地質評論，45 (6): 576 ~ 583。
趙，，蘇先波，等2005。決定煤層氣地球化學特征的關鍵地質時期[J].天然氣行業，25 (1): 51 ~ 54。
電視，宋·黨禺。1997.晉南晚古生代煤的煤化作用及瓦斯控制特征[J].《煤炭學報》，22卷3期:230 ~ 235頁。
[15]陳，。2007.高、低煤階煤層氣成藏過程及優勢地質模式[J].新疆石油地質，26 (3): 275 ~ 278