劉世奇，桑樹勛，楊恒林，桑廣杰，喬茂坡

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；5.中國石油華北油田公司 山西煤層氣分公司，山西 晉城 048000）

滲透率是評(píng)價(jià)煤層連通性和煤層氣可采性的重要指標(biāo)，在煤層氣開發(fā)中至關(guān)重要[1-3]。研究表明，決定滲透率的首要因素是構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境，構(gòu)造應(yīng)力集中地區(qū)，如構(gòu)造擠壓區(qū)、逆沖推覆作用強(qiáng)烈地區(qū)、不同走向斷裂的結(jié)合部位，往往滲透率較低[4-8]；構(gòu)造應(yīng)力松弛、轉(zhuǎn)折端撓褶帶、與斷層有關(guān)的次生裂隙、破碎斷層面等應(yīng)力松弛地區(qū)，滲透率一般較高[4-8]。煤體變形導(dǎo)致煤的正常結(jié)構(gòu)被破壞，使煤由原生結(jié)構(gòu)變?yōu)樗榱呀Y(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)或糜棱結(jié)構(gòu)等。不同的煤體結(jié)構(gòu)具有不同的滲透率[9-12]，間接反映了煤層滲透率。一般認(rèn)為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤滲透性較高，而碎粒煤、糜棱煤滲透性差[13-15]。沁南東區(qū)塊是沁水盆地南部重要的煤層氣開發(fā)區(qū)塊[16]。目前對沁南東區(qū)塊3#煤層煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征、滲透率分布規(guī)律等研究較少，煤體結(jié)構(gòu)與滲透率的關(guān)系尚不明確。基于沁南東區(qū)塊煤層氣井鉆井取心結(jié)果，結(jié)合試井分析和測井解釋滲透率，探討構(gòu)造煤發(fā)育特征對煤層滲透率的影響，為沁南東區(qū)塊煤層氣開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

石炭-二疊系太原組和山西組為沁南東區(qū)塊主要含煤地層。山西組為發(fā)育于陸表海沉積背景之上的三角洲沉積[17-18]，含煤4～7 層，其中位于本組下部的3#煤層是全區(qū)分布最穩(wěn)定，單層厚度最大的煤層，為煤層氣勘探開發(fā)的主要目的煤層。

沁南東區(qū)塊總體為NNE-NEE 走向、向西傾斜、傾角4°左右的單斜構(gòu)造，波狀起伏普遍發(fā)育，并伴有緊閉褶曲。受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)斷層非常發(fā)育，NE 向和NEE 向張扭性斷裂為主，另受喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響發(fā)育近NNW 向小斷層。區(qū)內(nèi)次級(jí)褶皺發(fā)育，以近NE 向?qū)捑忨耷?、NNE 向和NNW 向緊閉褶曲為主。

2 沁南東區(qū)塊3#煤層構(gòu)造煤發(fā)育特征

2.1 構(gòu)造煤垂向發(fā)育特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)煤層氣井的鉆井取心結(jié)果，將沁南東區(qū)塊3#煤層垂向上煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征分為2 類：①以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤為主，碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱煤不發(fā)育，碎裂結(jié)構(gòu)煤多位于煤層中部，2 層原生結(jié)構(gòu)煤之間，碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱煤多位于煤層底部；②以構(gòu)造煤為主，原生結(jié)構(gòu)煤不發(fā)育，該類型碎裂結(jié)構(gòu)煤同樣多位于煤層中部，靠近煤層直接頂?shù)装逄幟后w結(jié)構(gòu)破碎較嚴(yán)重，以碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱煤為主。沁南東區(qū)塊3#煤層典型煤體結(jié)構(gòu)柱狀圖如圖1。

圖1 沁南東區(qū)塊3#煤層典型煤體結(jié)構(gòu)柱狀圖Fig.1 Typical columnar sections of coal-body structure of 3# coal seam in the east Qinnan block

2.2 構(gòu)造煤平面分布特征

基于區(qū)內(nèi)34 口煤層氣井的鉆井取心描述結(jié)果，繪制了構(gòu)造煤厚度占比（構(gòu)造煤厚度占煤層總厚度的比例）等值線圖。煤層構(gòu)造煤厚度占比等值線圖如圖2。平面展布上，3#煤層構(gòu)造煤發(fā)育程度相對較低，主要沿?cái)鄬影l(fā)育，分布于斷層附近。特別是2 斷層條帶之間的區(qū)域，越靠近斷層則構(gòu)造煤厚度占比越高。原生結(jié)構(gòu)煤同樣沿?cái)鄬影l(fā)育方向分布，主要發(fā)育于2 斷層條帶之間距離斷層相對較遠(yuǎn)的區(qū)域，且離斷層越近的區(qū)域發(fā)育程度越低。另外，西北部和北部原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度較高。構(gòu)造煤平面分布特征說明構(gòu)造煤形成與張扭性斷裂密切相關(guān)。

圖2 煤層構(gòu)造煤厚度占比等值線圖Fig.2 Isopleth map of tectonic coal thickness ratio

3 研究區(qū)3#煤層構(gòu)造煤對滲透率的影響

3.1 沁南東區(qū)塊3#煤層滲透率分布規(guī)律

研究所使用的滲透率主要來源于試井分析和測井解釋結(jié)果。平面展布上，西北部、中部和南部滲透率明顯較高，滲透率向西南、東南和東北方向遞減，煤層滲透率等值線圖如圖3。其中，研究區(qū)西北部和中部，滲透率一般大于 1.0 mD（1 mD=1×10-3μm2）；西部、東北部和西南部滲透率低，介于 0.1～1.0 mD，甚至小于 0.1 mD。

3.2 構(gòu)造煤發(fā)育特征對滲透率的影響

垂向上，區(qū)內(nèi)3#煤層的原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、以及碎粒+糜棱結(jié)構(gòu)煤厚度占比與滲透率均無明顯相關(guān)性，煤體結(jié)構(gòu)占比與滲透率的關(guān)系如圖4。原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比=1 的區(qū)域，滲透率以＞1.0 mD為主，而碎粒+糜棱結(jié)構(gòu)煤厚度占比=1 的區(qū)域，滲透率僅為0.13 mD。說明原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的區(qū)域滲透率相對較高。區(qū)內(nèi)3#煤層原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比＜1 時(shí)，與滲透率具有顯著的正相關(guān)性，且原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比=1 時(shí)，煤層滲透率普遍較高，以＞1 mD 為主。說明研究區(qū)3#煤層滲透率受原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度的影響。

圖3 煤層滲透率等值線圖Fig.3 Isopleth map of permeability

滲透率和原生結(jié)構(gòu)煤厚度占比的平面分布吻合程度不高，煤層原生結(jié)構(gòu)煤厚度占比與滲透率的分布特征如圖5。但研究區(qū)中部滲透率＞1.0 mD 的區(qū)域，原生結(jié)構(gòu)煤厚度占比一般＞0.6；而東部、東北部和西南部區(qū)域，滲透率以＜0.1 mD 為主，原生結(jié)構(gòu)煤占比卻較高（＞0.6）。滲透率和原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比的平面分布較為吻合，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與滲透率的分布特征如圖6。特別是西北部和中部滲透率＞1.0 mD 的區(qū)域，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比＞0.8；而東南部和西南部區(qū)域滲透率以＜0.1 mD為主，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比＜0.2。上述說明，平面上研究區(qū)3#煤層滲透率同樣表現(xiàn)出受原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度的影響。

3.3 構(gòu)造煤發(fā)育特征對滲透率的作用機(jī)制

綜上所述，原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度共同影響了煤層滲透率，而單一的原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度對滲透率的影響不明顯。這種情況的出現(xiàn)與割理裂隙發(fā)育有關(guān)。原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比＜1 時(shí)，與3#煤層外生裂隙呈顯著的正相關(guān)性；原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比=1 時(shí)，外生裂隙密度相對較高，以＞9 條/m 為主，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與割理裂隙密度的關(guān)系如圖7。同樣的，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比=1 時(shí)內(nèi)生裂隙密度相對較低，但原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比＜1 時(shí)，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與內(nèi)生裂隙密度也具有較明顯的正相關(guān)性，原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與割理裂隙密度的關(guān)系如圖7。

圖4 煤體結(jié)構(gòu)占比與滲透率的關(guān)系Fig.4 Relationships between tectonic coal thickness ratio and permeability

圖5 煤層原生結(jié)構(gòu)煤厚度占比與滲透率的分布特征Fig.5 Distributions of primary structure coal thickness ratio and permeability

圖6 原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與滲透率的分布特征Fig.6 Distribution of thickness ratio of fragmented and mylonitic coal and permeability

說明原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤促進(jìn)了煤層割理裂隙的發(fā)育。結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)與滲透率對應(yīng)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，原生結(jié)構(gòu)煤以及處于彈性、彈塑性應(yīng)變階段的碎裂結(jié)構(gòu)煤，煤體整體保存較好，煤體變形程度越大越有利于割理裂隙的擴(kuò)展，煤儲(chǔ)層滲透率也越大；處于破裂面破壞階段的碎粒結(jié)構(gòu)煤以及糜棱煤，由于強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力作用，煤體發(fā)生嚴(yán)重變形，煤層內(nèi)的割理裂隙不復(fù)存在，連通性變差，煤層滲透性隨之降低。

4 結(jié) 論

1）沁南東區(qū)塊3#煤層構(gòu)造煤形成與張扭性斷裂密切相關(guān)。構(gòu)造煤主要沿?cái)鄬影l(fā)育，靠近斷層區(qū)域發(fā)育程度較高；垂向上，碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱煤靠近煤層直接頂?shù)装灏l(fā)育，而碎裂結(jié)構(gòu)煤多位于煤層中部。原生結(jié)構(gòu)煤主要發(fā)育于兩斷層條帶之間距離斷層相對較遠(yuǎn)的區(qū)域。

圖7 原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比與割理裂隙密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between thickness ratio of primary structure and cataclastic coal and density of cleats and fractures

2）沁南東區(qū)塊3#煤層西北部、中部和南部滲透率較高，滲透率向西南、東南和東北方向遞減。滲透率與原生+碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度占比具有顯著的正相關(guān)性，且二者平面分布特征高度吻合，表明原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育程度共同影響了煤層滲透率，這與原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)煤處于彈性、彈塑性應(yīng)變階段，割理裂隙發(fā)育程度較高有關(guān)。