蔣秀明，吳財芳，張二超，張莎莎

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤系地層的溫度-壓力場是其內(nèi)部能量的綜合體現(xiàn)，是區(qū)域地層構(gòu)造活動長期耦合的結(jié)果，也是影響煤層氣勘探開發(fā)的重要因素[1-2]，對煤炭資源開發(fā)以及煤礦安全生產(chǎn)具有重要的影響[3]。地層溫度和地溫梯度的影響因素是多方面的：地層埋深是主要因素，地層深度越大，溫度越高，地溫梯度越小，并且趨于一個穩(wěn)定值；構(gòu)造也是影響地層溫度與地溫梯度的重要因素，在一些構(gòu)造較為發(fā)育地區(qū)，褶皺控制了地層溫度和地溫梯度，背斜核部的地層溫度會明顯高于相同深度的翼部[4-5]。地溫-地壓系統(tǒng)抽象模型化也是地溫-地壓系統(tǒng)研究的熱點，劉震[6]通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)了地層溫度-壓力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，劃分出高壓型和低壓型復(fù)式溫壓系統(tǒng)。

老廠雨汪區(qū)塊富含煤炭及煤層氣資源，區(qū)塊內(nèi)部的構(gòu)造相對簡單。但地應(yīng)力較為復(fù)雜，主要以中等—高等地應(yīng)力為主，局部發(fā)育超高等地應(yīng)力[7]。較高的地應(yīng)力條件造成了雨汪區(qū)塊儲層壓力的局部異常[8-9]。然而地溫的研究還相對薄弱，相比于滇東整個區(qū)域的地溫特征[10]，雨汪區(qū)塊構(gòu)造控溫未見學(xué)者進(jìn)行深入研究[11]。地層溫度異常升高的原因也尚不清楚。為此，本文通過分析老廠雨汪區(qū)塊的地溫-地壓系統(tǒng)的分布特征和規(guī)律，探討地溫-地壓系統(tǒng)的展布特征以及影響因素，以期為該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

雨汪區(qū)塊位于滇東地區(qū)老廠向斜南東翼，主體構(gòu)造為一較平緩的單斜。邊緣部分發(fā)育有數(shù)條壓性和壓扭性斷層，傾角較陡。內(nèi)部主要發(fā)育有B1背斜、S1向斜、F1斷層、F3斷層等較大的構(gòu)造形跡[8]。自北向南，構(gòu)造形跡由北東-南西向逐漸轉(zhuǎn)為東西向。區(qū)內(nèi)斷層除F1為正斷層外，其余均為逆斷層，且自北向南呈現(xiàn)階梯狀展布，傾向均為北西或北向(圖1)。

研究區(qū)出露的主要地層由下至上分別為中二疊統(tǒng)茅口組(P2m)、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、上二疊統(tǒng)長興組(P3c)、下三疊統(tǒng)卡以頭組(T1k)、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、下三疊統(tǒng)永寧組(T1yn)以及外圍分布的中三疊統(tǒng)個舊組(T2g)和火把沖組(T2h)。龍?zhí)督M是區(qū)內(nèi)主要含煤巖系，部分區(qū)域含煤層數(shù)可達(dá)45層。煤層分布不均勻，易尖滅。其中3號、7+8號、9號、13號、16號、19號煤層是雨汪區(qū)塊煤及煤層氣開發(fā)的主力層段。

圖1 雨汪區(qū)塊構(gòu)造綱要圖Fig.1 Outline diagram of the Yuwang block structure

雨汪區(qū)塊位于南盤江水文地質(zhì)單元，地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水。區(qū)內(nèi)含煤地層的水文地質(zhì)狀況較為簡單，主要由富水性較強(qiáng)的石灰?guī)r巖溶含水層以及砂頁巖弱裂隙含水層組成，中間以透水性較弱的黏土層隔開。其中，底部的茅口組灰?guī)r巖性為淺灰色厚層狀石灰?guī)r，厚度>200 m，隱伏于含煤地層以下，但在老廠背斜核部出露，巖溶發(fā)育并接受大氣降水的補(bǔ)給形成地下徑流，作為研究區(qū)斷層裂隙水的主要補(bǔ)給來源。

2 地溫-地壓系統(tǒng)

地溫-地壓系統(tǒng)是地底內(nèi)部能量場的具體表現(xiàn)形式，包含了地層溫度和儲層壓力。在系統(tǒng)內(nèi)部，地層溫度和儲層壓力互相耦合，構(gòu)成一個獨特的獨立封閉系統(tǒng)。其中，熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)平衡。在相鄰系統(tǒng)之間存在著能量的互相轉(zhuǎn)換和傳遞而并沒有物質(zhì)交換[12]。

前人通過大量的研究和數(shù)據(jù)擬合分析發(fā)現(xiàn)：在每一個這樣的封閉系統(tǒng)內(nèi)部，地層溫度和儲層壓力存在一定的線性關(guān)系[6]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

T=Kp+L，

式中：T為地層溫度，℃；p為儲層壓力，MPa；K，L為常數(shù)。

對于不同的地溫-地壓系統(tǒng)，溫度和壓力直線關(guān)系的斜率也不一樣。劉震等[6]依據(jù)不同的K、p值將中國的含油氣盆地系統(tǒng)分為高壓型復(fù)式溫壓系統(tǒng)模式等三大類五亞類。

2.1 地層溫度

地層溫度的獲取主要依賴煤田及其他鉆孔的井溫測井，主要有近似穩(wěn)態(tài)測溫和簡易測溫2種方式[13]。近似穩(wěn)態(tài)測溫是指當(dāng)井底擾動基本停止后對鉆井進(jìn)行的平衡測溫。這種方式測得的井溫數(shù)據(jù)由于是在長時間的井液循環(huán)停止后進(jìn)行的，因而地層有較長的巖溫恢復(fù)時間，井溫數(shù)據(jù)可以直接用來求取地溫梯度。但由于這種測溫方式耗費大量的時間和精力，因此，進(jìn)行近似穩(wěn)態(tài)測溫的井較少，大量的煤田鉆孔都只進(jìn)行了簡易測溫。簡易測溫是在鉆井完成后進(jìn)行的測溫，由于井液循環(huán)時間較短，所以測溫數(shù)據(jù)存在一定的誤差，必須利用近似穩(wěn)態(tài)測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。本文選取了研究區(qū)2口近似穩(wěn)態(tài)測溫井?dāng)?shù)據(jù)和23口簡易測溫井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行地層溫度特征分析。其中，11號和15號井為近似穩(wěn)態(tài)測溫井，其余井為簡易測溫井。

簡易測溫數(shù)據(jù)都經(jīng)過三點法進(jìn)行校正[14]，用來求取地溫和地溫梯度。研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地層溫度隨著深度增加而逐漸增加，地溫和地層埋藏深度之間表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖2)，表明研究區(qū)地溫傳遞主要為熱傳導(dǎo)型[15]。但地層溫度與地溫梯度的區(qū)域分布特征差異較為明顯。研究區(qū)局部地溫可達(dá)到35.5～40 ℃,而部分區(qū)域較低，僅為10 ℃左右,大部分地區(qū)地層溫度主要集中在15～25 ℃間。地溫較低區(qū)域主要集中在東北部，此處構(gòu)造較為簡單，僅有2條較大的褶皺，同時褶皺的傾角較緩，構(gòu)造擠壓不強(qiáng)烈。其中B1背斜兩翼地層傾角均小于15°，平均10°左右；S1向斜兩翼傾角15°左右，略微向西南端以2°揚(yáng)起。南部的地層溫度普遍較高，局部可超過35 ℃，甚至達(dá)到40 ℃。這主要是因為南部區(qū)域發(fā)育有2條較大的斷層F2和F3，導(dǎo)通深部二疊系茅口組灰?guī)r強(qiáng)含水層，使該區(qū)域深部地層內(nèi)部熱量隨地下熱水循環(huán)至上部并加熱地層，形成異常高溫區(qū)(圖3)。

圖2 研究區(qū)地溫與深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between geotemperature and depth in the study area

圖3 研究區(qū)3號煤層溫度等值線Fig.3 Study area No.3 coal seam temperature contour map

2.2 地溫梯度的求取

本文收集了研究區(qū)煤田地質(zhì)勘探鉆孔和煤層氣井(共25口)的地溫測井?dāng)?shù)據(jù)，利用最小二乘法線性回歸求取地溫梯度。

地溫梯度的計算公式為

式中：G為地溫梯度，℃/100 m；T為計算點井溫，℃；T0為區(qū)域恒溫帶溫度，℃；H為計算點深度，m；H0為區(qū)域恒溫帶深度，m。

依據(jù)前人研究成果可知，老廠礦區(qū)恒溫帶深度約為130 m，恒溫帶溫度約為17.1 ℃[16-18]。

雨汪區(qū)塊現(xiàn)今地溫梯度隨地層深度的增加逐漸減小，在一定深度后趨于穩(wěn)定(圖4)。深度在440 m內(nèi)，地溫梯度分布較為離散，均小于6 ℃/100 m；在深度大于440 m之后，地溫梯度趨于穩(wěn)定，變化較小，且明顯小于地層淺部地溫梯度。

綜合分析認(rèn)為：雨汪南部區(qū)域斷層溝通二疊系茅口組灰?guī)r含水層，造成南部區(qū)域地溫?zé)岙惓Ｒ约暗販靥荻犬惓７植?，與北部區(qū)域具有較大的差異。同時與滇東區(qū)域整體地溫分布趨勢和地溫值域分布差異較大。由圖4可以看出，雨汪南部地溫梯度值基本大于4 ℃/100 m，且南部地溫梯度穩(wěn)定深度范圍明顯大于北部區(qū)域，表明斷層F3切割深度可能超過800 m，造成底部地溫異常升高(圖5)。

圖4 研究區(qū)地溫梯度與深度的關(guān)系Fig.4 Relations of geothermal gradient and depth in the study area

圖5 研究區(qū)地溫梯度等值線Fig.5 Geotemperature gradient contour map

3 地應(yīng)力與儲層壓力特征

對雨汪區(qū)塊煤層氣井采用注入/壓降試井方法，求取主要可采煤層的破裂壓力、閉合壓力和煤儲層壓力等相關(guān)參數(shù)。通過分析注入曲線可求取煤層的破裂壓力，分析壓降曲線可求取煤層裂縫的閉合壓力等儲層壓力數(shù)據(jù)。雨汪區(qū)塊整體地應(yīng)力較高，屬于高等地應(yīng)力發(fā)育區(qū)。同時，由于雨汪區(qū)塊發(fā)育多煤層疊置含氣系統(tǒng)[19-20]，地層內(nèi)部發(fā)育多層滲透性較低的泥巖作為分界，造成地層內(nèi)部壓力系數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)波動趨勢，超壓與欠壓地層均有發(fā)育。研究結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)煤儲層壓力系數(shù)平均值為1.032，總體為超壓儲層(圖6～7)。地層淺部區(qū)域的最大-最小應(yīng)力差較小，地應(yīng)力集中在10～20 MPa間；當(dāng)深度大于750 m時，最大-最小應(yīng)力差出現(xiàn)較大差異，最小水平主應(yīng)力依舊維持在20 MPa以下，而最大水平主應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度的增長，達(dá)到30 MPa以上(圖6)。這是由于區(qū)域周邊的褶皺和斷層在地層深部應(yīng)力沒有完全釋放，造成較大的最大-最小水平應(yīng)力差。

圖6 煤儲層地應(yīng)力與深度的關(guān)系Fig.6 Relations formation pressure and depth

圖7 煤儲層壓力系數(shù)與深度的關(guān)系Fig.7 Relations pressure coefficient and depth

研究區(qū)淺層儲層壓力約為6 MPa，隨著深度增加，儲層壓力逐漸增加。在大約750 m的深處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，表現(xiàn)為深度大于750 m時儲層壓力激增，超過8 MPa。這由于地層深部發(fā)育泥巖地層作為分隔層，形成封閉系統(tǒng)，造成儲層壓力出現(xiàn)突然性增大(圖8)。

圖8 儲層壓力與深度的關(guān)系Fig.8 Relations reservoir pressure versus depth

4 儲層地溫-地壓系統(tǒng)

前人研究認(rèn)為，隨著埋藏深度不斷增加，上覆地層的保溫效果越來越好，加之不同地區(qū)的構(gòu)造形跡、巖漿巖的發(fā)育情況和地下水的發(fā)育存在差異，造成不同地區(qū)不同深度的地溫-地壓系統(tǒng)也不相同。一般包括一個淺層地溫-地壓系統(tǒng)和多個深層地溫-地壓系統(tǒng)。各地溫-地壓系統(tǒng)的斜率隨著深度不斷加大，形成一種“折線”[6]。

結(jié)合前文分析，可以將雨汪區(qū)塊地底能量場劃分為2個部分，即北部低溫高壓系統(tǒng)和南部高溫低壓系統(tǒng)。雨汪北部地區(qū)地層溫度和地溫梯度明顯低于南部的。雨汪南部地層溫度基本高于30 ℃，北部區(qū)域地層溫度維持在15～25 ℃間；雨汪區(qū)塊南部儲層壓力基本在8 MPa以下，北部儲層壓力較高，最高可達(dá)11.27 MPa(圖9)。這種南北分異特征與研究區(qū)地應(yīng)力隨著深度的增加而出現(xiàn)的分異特征具有較好的相關(guān)性。

圖9 儲層溫度與壓力的關(guān)系Fig.9 Reservoir temperature and pressure

研究區(qū)儲層地溫-地壓系統(tǒng)的區(qū)域分布特征是地層、構(gòu)造、水文等多種因素的耦合結(jié)果：深部發(fā)育泥巖地層作為分隔形成封閉系統(tǒng)，造成內(nèi)部的儲層壓力突然性增大；研究區(qū)北部主要發(fā)育褶皺、南部以斷層為主的構(gòu)造形跡特征形成了地應(yīng)力隨深度的展布狀況；研究區(qū)的水文地質(zhì)特征則是地層溫度和地溫梯度分異的主要原因。

5 結(jié) 論

(1)雨汪區(qū)塊地溫場分布呈現(xiàn)明顯的南北分異特征。南部由于存在2條大型斷層，溝通底部茅口組灰?guī)r含水層，熱水循環(huán)至上部并加熱地層，形成異常高溫區(qū)。

(2)研究區(qū)儲層壓力系數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)波動趨勢，超壓與欠壓均有發(fā)育。隨著深度的增加，最大、最小水平主應(yīng)力在大約750 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，推測是由于地層深部發(fā)育泥巖層作為分隔層，形成封閉系統(tǒng)，造成儲層壓力出現(xiàn)突然性增大。

(3)雨汪區(qū)塊儲層地溫-地壓系統(tǒng)的區(qū)域分布特征是地層、構(gòu)造、水文等多種因素耦合的結(jié)果。