鄭 超，馬東民，夏玉成，陳 躍，李衛(wèi)波

(1.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；4.陜西省地質科技中心，陜西 西安 710054)

與煤層相伴相生的煤層氣作為清潔能源越來越受到行業(yè)的重視。研究表明，控制煤層氣生儲富集的因素眾多。一般而言，構造、水文和沉積條件被認為是控制煤層氣賦存的關鍵地質因素，其中構造以及構造動力條件制約著其他因素，是控制煤層氣富集成藏的根本要素[1-3]。

韓城礦區(qū)地質構造復雜，煤層氣(瓦斯)含量較高，礦井瓦斯是制約礦井綠色安全開采的關鍵因素，與此同時，韓城礦區(qū)亦是鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開發(fā)示范試點區(qū)。現(xiàn)有對韓城礦區(qū)煤層氣的研究成果主要集中在韓城礦區(qū)煤層氣的含氣性、儲層特征、富集條件及儲層強化技術等方面[4-8]，而韓城礦區(qū)最顯著的特點在于其構造的復雜性，構造控氣的特征明顯。構造控氣主要表現(xiàn)為區(qū)域構造背景及其演化控制著煤層氣聚集區(qū)帶的形成和分布[9]；不同構造樣式及其所控制的保存條件是影響煤層氣富集的主導因素[10]；構造動力通過對儲層孔隙-裂隙系統(tǒng)的影響，控制了煤儲層滲透性及開發(fā)難度[11]。構造不僅可以通過構造演化及構造樣式[12]對煤層氣賦存具有直接控制作用，而且可以通過水文地質條件間接控制煤層氣的賦存[13]。因此，本文以構造為主線，分析韓城礦區(qū)構造控氣的關鍵因素，揭示構造與煤層氣富集成藏、開發(fā)的關系，提出合理的開發(fā)模式，以期為構造復雜區(qū)域煤層氣科學高效開發(fā)及礦井瓦斯防治提供地質依據(jù)和技術保障。

1 韓城礦區(qū)構造控氣特征

1.1 地質構造賦存特征

韓城礦區(qū)的構造條件深刻影響著煤層氣的富集與產出，以及礦井瓦斯地質災害。韓城礦區(qū)受區(qū)域構造控制，整體為北西向傾斜的單斜構造，其內斷裂構造與褶皺構造均較發(fā)育，但空間分布差異明顯(圖1)。構造格局呈現(xiàn)出“東西分帶，南北分塊”[14]，即東西向從東南邊淺部向北西向單斜深部，根據(jù)構造復雜程度結合煤層埋藏深度劃分為：東南邊淺部隆起斷裂帶(<400m)、中部過渡帶(400～800m)、深部斜坡帶(>800m)[4]。南北向以薛峰北斷裂帶及文家?guī)X同沉積背斜為界分為南區(qū)和北區(qū)[5]。從斷裂構造的發(fā)育形式看，北區(qū)擠壓構造形跡發(fā)育較多、以層滑構造為主，方向以北東-南西向為主；南區(qū)拉伸構造形跡占據(jù)主導、以切層斷層為主，主導方向為北東-南西向和東西向，表現(xiàn)為“南斷北滑”的特點[6]。礦區(qū)主要構造變形帶為分布在東南緣的逆沖推覆構造，整體呈現(xiàn)出“東強西弱、南強北弱、邊淺部復雜、中深部簡單”的規(guī)律[14]。

圖1 韓城礦區(qū)構造綱要

1.2 構造對煤層氣成因的控制

聚煤盆地的沉降與抬升對煤層氣的富集成藏至關重要。韓城礦區(qū)先后經歷了晚石炭世—中三疊世的區(qū)域性整體沉降、晚三疊世—中新世的不均勻抬升和上新世—第四紀的局部沉降。晚古生代以來，韓城礦區(qū)總沉降量在1300m以上(圖2)。晚三疊世開始的不均勻抬升運動表現(xiàn)出東強西弱、北早南晚的規(guī)律，總抬升量在600m以上。受同沉積構造與深成變質作用控制，由東南向西北方向變質程度逐漸增加(圖2)，西北區(qū)域煤變質程度高且分布范圍大，廣泛發(fā)育貧煤和無煙煤，東南與東北局部發(fā)育貧煤，中、南部地區(qū)發(fā)育瘦煤，焦煤少見，西南薛峰井田以貧煤為主。

圖2 韓城礦區(qū)鉆孔沉降史曲線

11#煤在中深部變質程度高，普遍達到高階煤，以王峰和薛峰井田為代表；但是礦區(qū)東部邊淺部，尤其在東南與東北部分區(qū)域普遍存在較高煤級煤(圖3)。反映出東南邊淺部受復雜的構造作用，即在深成變質基礎上疊加了動力變質作用。

圖3 11#煤層煤級分布

因此，韓城礦區(qū)石炭-二疊紀含煤巖系沉積之后，首先經歷了大幅度的沉降，在地下深處較高溫壓環(huán)境下發(fā)生深成變質作用、并伴生大量煤層氣。中生代中晚期以北西向擠壓為特征的燕山運動使本區(qū)形成沿北西向傾斜的單斜構造，東南部的含煤巖系強烈抬升遭受剝蝕和變形[14]，大氣降水及地表水在邊淺部攜帶細菌沿煤層露頭下滲流經煤層，生成次生生物煤層氣。根據(jù)甲烷碳同位素(δ13CPDB)判別指標，韓城礦區(qū)桑樹坪、下峪口和象山井田碳同位素(δ13CPDB)在-70.1‰～-48.0‰(表1)，從煤層氣成因上看，這三大井田的煤層氣為熱成因氣疊加次生生物氣[15]，中深部的薛峰井田和王峰井田為典型的熱成因氣[4]。

表1 韓城礦區(qū)碳同位素測試結果

2 構造對煤層氣儲保的作用

韓城礦區(qū)11#煤層作為主采煤層且全區(qū)分布，受控于“南斷北滑，東強西弱”構造背景，煤層構造變形強烈。北區(qū)普遍發(fā)育寬緩褶皺，煤層呈現(xiàn)波狀起伏，褶皺型層滑作用相對強烈，普遍發(fā)育較高煤級的構造煤(圖4)。南區(qū)斷裂和褶皺構造均比較發(fā)育(圖5)。斷層形成地壘和地塹等組合形式；褶皺構造的波幅較大。斷層造成了煤層的減薄甚至斷失；背斜區(qū)構造變形相對較強。小斷層多表現(xiàn)為頂斷底不斷和底斷頂不斷，因斷裂型層滑作用，局部形成構造煤。

圖4 韓城礦區(qū)北區(qū)構造控煤模式

圖5 韓城礦區(qū)南區(qū)構造控煤模式

從11#煤的含氣量等值線可以看出(圖6)，含氣量分布與煤級分布表現(xiàn)出高度一致。聚煤盆地東強西弱、北早南晚的不均勻抬升運動造成的單斜構造是控制含氣量區(qū)域分布規(guī)律的關鍵因素。東部邊淺區(qū)域煤層生氣能力不足及斷裂隆起構造帶導致煤層抬升，造成水力運移逸散作用、次生生物煤層氣不足以彌補散失量，所以含氣量總體偏低。而中深部煤層變質程度高，煤層氣生氣量大、且疊加水力封堵作用，導致中深部含氣量較邊淺部顯著增大，即含氣量表現(xiàn)為北高南低、西富東貧。但是東北區(qū)邊淺部11#煤頂板為石灰?guī)r，巖石性脆、小裂縫發(fā)育、并見有次生溶孔，頂板封蓋性不良，造成桑樹坪、下峪口的含氣量平均為5.65m3/t、4.51m3/t，普遍小于6m3/t；西北的王峰井田平均含氣量為11.99m3/t。東南區(qū)象山井田的平均含氣量分別為6.56m3/t，西南區(qū)薛峰井田的平均含氣量為11.28m3/t。

圖6 11#煤煤層含氣量等值線

分析含氣量與埋深的關系發(fā)現(xiàn)(圖7)，埋深400m和800m兩個深度水平劃分了含氣量的垂向分異格局，淺于400m，含氣量多小于8m3/t，超過800m含氣量普遍大于8m3/t。400～800m則屬于過渡區(qū)域，含氣量較為分散。據(jù)此推測，400m和800m可能是控制韓城礦區(qū)煤層氣富集成藏的臨界埋深線，可依次劃分出淺、中、深三個垂向分帶，分別對應貧氣帶、含氣帶和富氣帶。

圖7 11#煤含氣量與埋深的關系

總體而言，煤層氣含量賦存特征與“東西分帶，南北分塊”的構造格式呈現(xiàn)一致性。以桑樹坪、下峪口和象山井田為代表，其中象山井田發(fā)育開放型斷層是造成含氣量較低的重要原因；桑樹坪、下峪口井田構造類型以褶皺為主，在次生生物氣補充下，局部構造高點或埋藏淺部可能成為有利富氣部位，比如上峪口背斜。次級控氣構造類型中，向斜軸部與緩斜坡帶含氣量最大，背斜、邊淺隆起帶、正斷層依次減小[6]，但是東澤村構造帶雖然為正斷層，但封閉性好，導致薛峰井田含氣量較高。

3 構造對煤層氣開采的影響

地面煤層氣井通過排水降壓的方式使吸附在煤基質孔隙表面的甲烷解吸，游離態(tài)的甲烷分子經過煤儲層中的孔裂隙運移產出。煤層氣井的產氣量是地質條件和開發(fā)方案相互匹配的結果，構造因素成為煤層氣開采的先天條件，其中地質構造類型、地應力等因素是控制煤層氣開發(fā)成敗的關鍵[16]，具體表現(xiàn)在基于構造類型控制的地下水流場分布及走勢與構造應力控制儲層滲透性優(yōu)劣。韓城礦區(qū)前期的擠壓應力與后期張拉應力相互疊加，造成北區(qū)煤體結構主要為碎粒煤和碎裂煤，而南區(qū)主要以原生結構煤為主；向斜部位以碎粒煤為主，背斜部位受張拉作用以碎裂煤為主[7]。因此基于含氣量與滲透性分析，韓城礦區(qū)北區(qū)的東南邊淺部隆起斷裂帶(<400m)含氣量相對較低，局部富集，層滑構造導致的構造煤發(fā)育、儲層滲透性差，壓裂改造難以形成有效的滲流裂隙，極不利于煤層氣開發(fā)。北西向傾斜的單斜構造中部過渡帶(400～800m)含氣量明顯增加，煤體為輕微構造應力作用下的碎裂煤與原生結構煤、滲透性較好，是煤層氣開發(fā)的最有利區(qū)域。而在深部斜坡帶(>800m)，煤層含氣量達到最大值，受深部地層垂向應力的壓實作用、原生結構煤體的滲透性一般，主要依靠后期對儲層的壓裂改造提升滲透性，因此該區(qū)域為相對有利開發(fā)區(qū)?？紤]到韓城礦區(qū)作為一個單獨的水文地質單元，東南邊淺部的韓城大斷裂為地下水補給區(qū)，在薛峰北斷裂等構造交匯處，次生裂隙發(fā)育、斷層封閉性差、溝通了含水層，發(fā)生了竄流補給，導致部分煤層氣井只產水、產氣量低甚至不產氣[17]。另外，在該區(qū)域向斜核部等煤層氣富集區(qū)域，煤層氣井排水降壓效果差、煤層氣解吸緩慢，后期出現(xiàn)既不產水也不產氣的現(xiàn)象。構造應力除了對儲層滲透性的影響外，構造煤引發(fā)的煤粉問題成為制約煤層氣井產能的關鍵因素[18]。基于構造應力對煤層氣井型的選擇，研究表明水平主應力系數(shù)在0.5～0.8的區(qū)域，宜采用直井壓裂生產，其他建議選擇多分支水平井生產[8]。

針對韓城礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治存在的問題，綜合考慮礦區(qū)構造分布與特征、煤層氣賦存與開采難度及礦井規(guī)劃部署等因素(表2)，韓城礦區(qū)邊淺部發(fā)育典型的應力約束型氣藏，東北區(qū)的桑樹坪井田和下峪口井田構造煤發(fā)育，是瓦斯災害危險性最大的兩個井田，東南區(qū)的象山井田構造煤較發(fā)育，單純依靠地面抽采無法奏效，需采用礦井卸壓手段通過應力釋放抽采煤層氣。應以采動區(qū)井下-地面聯(lián)合抽采、煤與瓦斯共采技術為主導，實現(xiàn)瓦斯的綜合防治和開發(fā)，概括為“壓力-應力協(xié)同釋放為主的礦井卸壓抽采模式”(圖8)。西部的王峰和薛峰井田屬于煤礦遠景規(guī)劃區(qū)，加之含氣量高和煤體結構相對完好，近期應以地面煤層氣抽采作為主流技術，即概括為“排水降壓為主的地面井降壓開采模式”。

表2 韓城礦區(qū)各井田煤層氣要素

圖8 韓城礦區(qū)煤層氣開采模式圖

4 結 論

1)韓城礦區(qū)構造發(fā)育，淺部受基地抬升與構造應力共同作用，煤層氣為次生生物成因氣疊合熱成因氣，深部經歷深成變質作用為典型的高煤階熱成因氣。受控于不同構造樣式與現(xiàn)今埋深，北部層滑構造導致的構造煤發(fā)育，含氣量較南部高；中深部含氣量較淺部高。

2)從開發(fā)要素分析，東南邊淺部構造煤發(fā)育，為煤層氣開采不利區(qū)；中深部是典型的熱成因氣。其中中部過渡帶含氣量好、滲透性好，是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)域；西北深部斜坡帶含氣量高、但是滲透性差，為煤層氣開發(fā)的相對有利區(qū)。

3)針對桑樹坪等井田煤層氣賦存特征、煤體結構和應力環(huán)境的復雜性，提出了不同井田煤層氣(礦井瓦斯)開采模式，即東北區(qū)的桑樹坪井田、下峪口井田，東南區(qū)的象山井田構造煤發(fā)育，建議采用“壓力-應力協(xié)同釋放為主的礦井卸壓抽采模式”；西部的王峰和薛峰井田含氣量高、煤體結構相對完好，建議采用“排水降壓為主的地面井降壓開采模式”。