韓文龍，王延斌，倪小明，吳 翔，高向東，張雨健

(1.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

0 引 言

我國(guó)高階煤儲(chǔ)層具有低孔低滲的特征，同一區(qū)塊內(nèi)儲(chǔ)層物性表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性[1-2]。滲透率是評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的重要參數(shù)，受許多因素的影響，包括孔裂隙發(fā)育程度、煤體結(jié)構(gòu)特征、煤的變質(zhì)程度和原位應(yīng)力分布等[3-5]。裂縫是甲烷解吸和擴(kuò)散后遷移的主要通道，根據(jù)其形成機(jī)制分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙[6]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不僅產(chǎn)生了新的裂縫，而且還對(duì)內(nèi)生裂縫進(jìn)行改造，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的頻率和強(qiáng)度控制著內(nèi)生裂縫的破壞程度和外生裂縫的發(fā)育[7]。裂縫的發(fā)育程度可用煤體結(jié)構(gòu)變化來(lái)反映[8-9]。不同期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的改造程度不相同，現(xiàn)今滲透率是歷次古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的結(jié)果。前人多從現(xiàn)今構(gòu)造性質(zhì)、構(gòu)造部位、構(gòu)造曲率等方面評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層裂隙的發(fā)育程度[10-12]，而利用現(xiàn)今構(gòu)造特征并不能完全反映煤層的變形程度，尤其在多期構(gòu)造疊加區(qū)域，如兩期構(gòu)造是背斜和向斜疊加，那么現(xiàn)今構(gòu)造形跡就會(huì)相對(duì)平緩，若用現(xiàn)今相對(duì)平緩的構(gòu)造特征去評(píng)價(jià)煤層變形程度就會(huì)掩蓋煤層所經(jīng)歷的復(fù)雜變形。沁水盆地成煤期后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，從多期構(gòu)造活動(dòng)疊加角度解讀煤儲(chǔ)層物性差異分布機(jī)制的研究鮮有報(bào)道。基于此，筆者以沁水盆地南部柿莊區(qū)塊為研究對(duì)象，在構(gòu)造期次剝離的基礎(chǔ)上，采用構(gòu)造曲率定量刻畫(huà)主構(gòu)造期煤層變形程度，分析地史最大構(gòu)造曲率對(duì)煤體損傷程度的影響，進(jìn)而探討多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制機(jī)理，為相對(duì)高滲區(qū)預(yù)測(cè)提供新的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

柿莊區(qū)塊位于沁水盆地中南部，是我國(guó)較早實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的區(qū)塊，含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，分別為障壁海岸和河流三角洲沉積[13]。全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育兩個(gè)煤層，其中3號(hào)煤層為主采煤層，厚度4.16～8.8 m，平均6.30 m，埋深515～1 682 m；15號(hào)煤厚度1.1～6.3 m，平均3 m左右，埋深612～1 754 m。區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層和次級(jí)褶皺構(gòu)造(圖1)，北部以斷層為主，多數(shù)為正斷層，呈NS或NNE向展布，其中寺頭斷層為區(qū)域性大斷層，位于柿莊區(qū)塊中南部；南部整體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角較小，在此背景上發(fā)育次級(jí)褶皺[14]。

圖1 柿莊區(qū)塊3號(hào)煤層底板等高線Fig.1 Floor contours of No.3 coal seam of Shizhuang Block

2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及古構(gòu)造形跡恢復(fù)

柿莊區(qū)塊晚古生代成煤期以來(lái)經(jīng)歷了印支期、燕山期和喜山期三期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，印支期和喜山晚期構(gòu)造作用比較微弱，燕山期和喜山早期構(gòu)造影響相對(duì)強(qiáng)烈[15]。煤儲(chǔ)層物性與燕山期—喜山早期構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)，需要恢復(fù)這兩期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造形跡。

2.1 節(jié)理(裂縫)觀測(cè)

為全面反映節(jié)理發(fā)育情況，對(duì)柿莊區(qū)塊內(nèi)出露的上石盒子組和石千峰組地層的節(jié)理進(jìn)行了觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)(圖2a)。由于野外節(jié)理觀測(cè)嚴(yán)格受限于地層的出露情況和地形地貌特征，因此節(jié)理觀測(cè)點(diǎn)的區(qū)域分布具有不均一性和聚集性。為彌補(bǔ)野外節(jié)理觀測(cè)不足，對(duì)柿莊區(qū)塊具有電成像測(cè)井的鉆井，進(jìn)行測(cè)井天然裂縫產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)(圖2b)。綜合野外節(jié)理和測(cè)井天然裂縫的產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，繪制了柿莊區(qū)塊節(jié)理(天然裂縫)走向玫瑰花圖(圖2d)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，柿莊區(qū)塊野外露頭節(jié)理走向發(fā)育具有五個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，其產(chǎn)狀分別為NNE向(10°～25°)、NEE向(45°～85°)、NWW向(85°～110°)、NW向(135°～145°)、NNW向(160°～175°)。節(jié)理(裂縫)的傾角較大(圖2c)，主要分布在50°～ 90°，其中傾角大于50°的占93%，傾角大于70°的占76%，表明，柿莊區(qū)塊主要以高角度、近似垂直的裂隙為主。

圖2 柿莊地區(qū)節(jié)理(裂縫)產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)Fig.2 Occurrence statistics of joints(crack) of Shizhuang Block

2.2 古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)恢復(fù)

通過(guò)對(duì)野外節(jié)理(裂縫)數(shù)據(jù)的分析(圖2和圖3)，并結(jié)合前人對(duì)沁水盆地南部的構(gòu)造演化的研究成果，發(fā)現(xiàn)柿莊區(qū)塊3號(hào)煤層形成后經(jīng)受了四期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的改造(圖4與圖5)，分別為印支期近NS向的擠壓應(yīng)力、燕山期NWW—SEE向的擠壓應(yīng)力、喜山早期NEE—SWW向擠壓應(yīng)力以及喜山晚期NE—SW向擠壓應(yīng)力[16-20]。其中印支期近南北向的水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)沁水盆地的影響并不大，沁水盆地仍保持了穩(wěn)定狀態(tài)，并未在盆地內(nèi)部形成明顯的地質(zhì)構(gòu)造，僅使盆地南部產(chǎn)生了一定程度的隆起抬升[16-17]；燕山期是沁水盆地中生代以來(lái)最強(qiáng)烈的一次構(gòu)造變形，在該期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，柿莊區(qū)塊以擠壓抬升和褶皺作用為主，形成了一系列軸向NE—NNE的寬緩的背、向斜構(gòu)造和走向NW與近EW的節(jié)理[17、19]；喜山早期受到NWW—SEE向的拉伸應(yīng)力，燕山期形成的褶皺進(jìn)一步的改造，底板形態(tài)更加復(fù)雜，并形成一些走向NNE或NE的正斷層[17-19]；在喜山晚期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，導(dǎo)致盆地地殼進(jìn)一步被抬升，接受剝蝕，并在第四紀(jì)老黃土中發(fā)育有節(jié)理構(gòu)造[17-18]。

圖3 不同構(gòu)造時(shí)期典型共軛剪節(jié)理Fig.3 Typical conjugate shear joint structures of different tectonic periods

圖4 印支期和燕山期古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)Fig.4 Tectonic stress fields of Indochina and Yanshanian periods

2.3 古構(gòu)造形跡恢復(fù)

在古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演的基礎(chǔ)上，結(jié)合柿莊區(qū)塊現(xiàn)今構(gòu)造形跡特征，利用構(gòu)造行跡拉平和波疊加原理[19-20]，選取南部地區(qū)進(jìn)行古構(gòu)造形跡的恢復(fù)(圖1中的A部位)。由于印支期和喜山晚期-現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)對(duì)構(gòu)造形跡影響很小，并考慮到方法本身的適用性，現(xiàn)做出如下假設(shè)和處理：由于印支期和喜山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)柿莊區(qū)塊影響微弱，因此忽略這兩期的影響；不考慮局部巖漿侵入和區(qū)域性垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層底板標(biāo)高的影響；斷層引起的底板標(biāo)高變化依據(jù)斷層的落差進(jìn)行恢復(fù)；水平擠壓作用形成的褶皺簡(jiǎn)化為相應(yīng)方向的波列，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加近似為波的疊加；現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)的影響忽略不計(jì)，煤層底板等值線圖近似為喜山期后的構(gòu)造形跡(圖6)。

圖6 喜山末期構(gòu)造形跡Fig.6 Paleotectonic traces of late Himalayan

柿莊區(qū)塊造褶運(yùn)動(dòng)主要受燕山期和喜山早期兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，且兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的最大主應(yīng)力方向近似垂直，基于上述假設(shè)和處理，燕山期和喜山早期的構(gòu)造作用可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)近似垂直的波的疊加。背斜的樞紐類(lèi)似于波峰，向斜的樞紐類(lèi)似于波谷(圖7)，煤層底板構(gòu)造形跡的變化遵從波疊加規(guī)律，具體操作如下：

圖7 基于波疊加原理的古構(gòu)造形跡恢復(fù)[21]Fig.7 Recovery of tectonic traces based on wave superposition principle[21]

首先根據(jù)不同構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)確定各時(shí)期褶皺的樞紐線，如圖6中的線1、線2、線3和線4。若兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的煤層底板標(biāo)高變化分別為h1和h2，則背斜樞紐線與背斜樞紐線疊加點(diǎn)處的標(biāo)高變化為h1+h2，則向斜樞紐線和向斜樞紐線疊加點(diǎn)的標(biāo)高變化為-h1-h2，同理背斜樞紐線與向斜樞紐線疊加點(diǎn)的標(biāo)高波動(dòng)為h1-h2或h2-h1，結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)處現(xiàn)今煤層底板標(biāo)高，即可計(jì)算出h1和h2[21]。

形跡分析舉例(圖6)：簡(jiǎn)化后的兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為兩列方向不同的波。由于點(diǎn)c、d、h處于背斜核部，點(diǎn)e、f處于向斜核部，結(jié)合喜山早期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向，推斷曲線C、E在喜山早期分別處于波峰位置，D處于波峰波谷位置；由于點(diǎn)a、d處于背斜核部，b、f、h處于向斜核部，結(jié)合燕山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向，推斷曲線A在燕山期分別處于波峰位置，B處于波峰波谷位置。兩列波疊加，則點(diǎn)f為波谷和波谷疊加的部位，點(diǎn)d為波峰和波峰疊加的部位，點(diǎn)c、h、e、h為波峰和波谷疊加的部位。

然后利用當(dāng)前煤層底板標(biāo)高及其波動(dòng)值，求出關(guān)鍵點(diǎn)不同構(gòu)造時(shí)期的煤層底板標(biāo)高，通過(guò)插值法確定關(guān)鍵點(diǎn)之間的煤層底板標(biāo)高，如此可以反演出關(guān)鍵時(shí)期的煤層底板標(biāo)高，進(jìn)而得到燕山期末構(gòu)造形跡特征如圖8所示。

圖8 燕山期末構(gòu)造形跡Fig.8 Paleotectonic traces of late Yanshanian

3 多期構(gòu)造作用對(duì)煤儲(chǔ)層物性的影響

3.1 不同時(shí)期構(gòu)造作用后的煤巖變形程度表征

從燕山期和喜山早期后構(gòu)造形跡可知，目標(biāo)煤層在兩期構(gòu)造作用過(guò)程中存在核部疊加(背斜+背斜、向斜+向斜、背斜+向斜)、翼部疊加、核翼疊加(背斜+翼部、向斜+翼部)6種組合情況。為了更好分析煤層變形過(guò)程，筆者根據(jù)曲率公式計(jì)算[28]每期構(gòu)造活動(dòng)以后的構(gòu)造曲率，來(lái)反映煤層在每期構(gòu)造作用以后的變形程度。在計(jì)算構(gòu)造曲率之前先將柿莊區(qū)塊域進(jìn)行網(wǎng)格化，由于燕山期和喜山早期的最大主應(yīng)力方向近NWW—SEE向、NEE—SWW向，為了方便操作，將柿莊區(qū)塊按照NWW—SEE向、NEE—SWW向進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為500 m。

利用上述方法選取能夠覆蓋6種組合的典型井(圖6)進(jìn)行燕山期后和喜山早期后的構(gòu)造曲率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由結(jié)果可知，兩期構(gòu)造活動(dòng)疊加，煤層的變形程度不一定增加，存在燕山期后構(gòu)造曲率大于喜山早期后構(gòu)造曲率的現(xiàn)象。

3.2 多期構(gòu)造作用對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響

煤體結(jié)構(gòu)是煤巖在外力作用下的變形產(chǎn)物，是煤層自身力學(xué)性質(zhì)對(duì)外力作用的響應(yīng)結(jié)果。在小范圍內(nèi)不考慮力學(xué)性質(zhì)差異的情況下，煤體的破壞程度主要取決于外力作用下的變形程度[22]。由于現(xiàn)今構(gòu)變形程度可能并不是地史最大構(gòu)造曲率值(表1)，所以，煤體的損傷程度應(yīng)取決于地史最大構(gòu)造曲率，即現(xiàn)今構(gòu)造曲率并不能完全反映煤體的真實(shí)損傷程度。

表1 不同構(gòu)造期后煤層構(gòu)造曲率Table 1 Structure curvature of coal seam after different tectonic period

由于區(qū)內(nèi)取芯井較少，為了系統(tǒng)揭示構(gòu)造作用對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響，筆者利用測(cè)井曲線來(lái)定性表征煤體結(jié)構(gòu)。利用測(cè)井曲線反映煤體結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[22]，其響應(yīng)機(jī)理是隨著煤體破碎程度的增加，聲波傳播速度逐漸減小，擴(kuò)徑現(xiàn)象不斷地嚴(yán)重，單位體積內(nèi)放射性元素含量也會(huì)相應(yīng)的降低(圖9)。因此，采用聲波時(shí)差、井徑X和自然伽馬來(lái)表征煤體破碎程度，通過(guò)對(duì)柿莊區(qū)塊煤巖取心的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出煤體結(jié)構(gòu)與測(cè)井曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

圖9 煤體結(jié)構(gòu)單井觀測(cè)Fig.9 Coal structure of single well

表2 煤體結(jié)構(gòu)與測(cè)井對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relation of coal structures and logs

通過(guò)測(cè)井曲線與地史最大構(gòu)造曲率的相關(guān)性分析可知(圖10)，隨著煤體變形程度的增加，煤體結(jié)構(gòu)的破碎程度也增大。由對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，當(dāng)r<48×10-6m-1時(shí)，為原生結(jié)構(gòu)煤(Ⅰ類(lèi)煤)；當(dāng)48×10-6m-1150×10-6m-1時(shí)，為碎粒結(jié)構(gòu)煤(Ⅲ類(lèi)煤)。柿莊區(qū)塊糜棱結(jié)構(gòu)煤基本不發(fā)育，但是對(duì)于煤體結(jié)構(gòu)比較破碎的井，在破碎層段夾有少量的糜棱煤。利用地史最大構(gòu)造曲率對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，對(duì)于沒(méi)有鉆井的區(qū)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖10 煤層變形程度與煤儲(chǔ)層孔滲的關(guān)系Fig.10 Relationship between deformation degree of coal seam and coal body structure

3.3 多期構(gòu)造作用對(duì)煤儲(chǔ)層孔滲的影響

隨著煤巖變形程度的增加，裂隙的發(fā)育程度增加，且裂隙的發(fā)育趨于復(fù)雜，在兩期構(gòu)造作用比較強(qiáng)烈的部位尤為顯著。基于試井滲透率和測(cè)井信息所建立的滲透率公式計(jì)算出上述13口典型井滲透率值如圖11所示。當(dāng)0110×10-6m-1時(shí)，隨煤層變形程度的增加，煤儲(chǔ)層滲透率呈線性降低(圖11a)。結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)與最大構(gòu)造曲率的關(guān)系可知，隨著變形程度的增加，煤體結(jié)構(gòu)由原生結(jié)構(gòu)向碎裂煤演化，煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育程度增加，煤層導(dǎo)流能力增大，隨著破裂程度進(jìn)一步增加，煤層導(dǎo)流能力逐漸降低，這種現(xiàn)象在前人研究煤體結(jié)構(gòu)與滲透率的變化關(guān)系的結(jié)果一致[23]。13口典型井構(gòu)造曲率與孔隙度關(guān)系如圖11b所示，隨著煤體變形程度的增加，孔隙度有增大的趨勢(shì)，但是關(guān)系比較離散，即變形程度對(duì)孔隙度影響不明顯,其原因?yàn)槊簩拥目紫抖榷嗍苈裆詈蛻?yīng)力特征控制。

圖11 煤層變形程度與煤儲(chǔ)層孔隙度與滲透率的關(guān)系Fig.11 Relationships between deformation degree and porosity and permeability of coal seam

4 結(jié) 論

1)柿莊地區(qū)3號(hào)煤層形成后經(jīng)受了四期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的改造，分別為印支期近NS向的擠壓應(yīng)力、燕山期NWW—SEE向的擠壓應(yīng)力、喜山早期NEE—SWW向擠壓應(yīng)力以及喜山晚期NE—SW向擠壓應(yīng)力，但受印支期和喜山晚期的構(gòu)造作用比較微弱，主要受燕山期和喜山早期構(gòu)造活動(dòng)的影響較強(qiáng)。

2)兩期構(gòu)造活動(dòng)疊加，煤層的變形程度不一定增加，存在燕山期后構(gòu)造曲率大于喜山早期后的現(xiàn)象。

3)地史最大變形程度控制著煤體真實(shí)的損傷程度，隨著地史最大變形程度的增加，裂隙發(fā)育增多，煤體破碎程度增加，當(dāng)r<48×10-6m-1時(shí)，發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤；當(dāng)48×10-6m-1150×10-6m-1時(shí)，發(fā)育碎粒結(jié)構(gòu)煤。

4)隨著地史最大變形程度的增加，滲透率呈先增大后減小的趨勢(shì)，其極值點(diǎn)在r=110×10-6m-1附近，煤層變形程度對(duì)孔隙度的影響不顯著。