（一）含煤盆地煤岩变质特征及成因机理 沁水盆地南部煤体变形特征及成因
沉积盆地中聚集的泥炭层，在漫长的地史时期，受到地层温度和压力的作用，经过复杂的变化过程形成煤岩层。由泥炭变成褐煤、烟煤、无烟煤乃至超级无烟煤的演化过程，称为煤岩变质或煤化。由泥炭演化成固态煤岩是一个成岩过程。成煤过程中有机物质热降解的同时，生成液态烃和水，以及气态烃和非烃气体，被吸附保存在煤岩中的烃类气体即为煤层气。煤层气的生成、储集与煤岩变质程度密切相关，煤岩变质程度亦是评价煤层气的重要标志。
煤岩变质程度量化参数较多，如碳含量、氢含量、水分、发热量、挥发分、镜质体反射率及X射线等。各种参数间均有其相关性，但又有一定的局限性，不同参数仅适用于一定的煤化阶段。水分和发热量适用于低煤化阶段，在肥煤阶段已不明显；碳含量适用于长焰煤至气煤及无烟煤阶段，有随煤岩变质程度加深而增高的表征，但在软褐煤、暗褐煤及肥煤至贫煤阶段变化并不明显；氢含量适用于无烟煤阶段，有随煤化程度增高而降低的表征，煤岩中氢含量一般小于6%，可以由4%降至1%。X射线曲线只适用于无烟煤和超级无烟煤。煤岩挥发分产率与镜质体反射率相关性较好，适用于气煤至贫煤阶段，挥发分产率降低与镜质体反射率增高呈负相关，在焦煤阶段前挥发分产率降低幅度大。由于煤化过程中镜质体反射率随煤级的增高呈有规律的单向变化，与挥发分产率又有明显的对应性，测定方法简单、快捷，因而成为确定煤级（阶）的最佳参数指标。由于煤田地质以往多用挥发分产率作为常规参数，镜质体反射率指标尚不普及，而石油地质测定有机质演化程度通用分散有机质镜质体反射率指标，因而在煤层气盆地研究过程中选用镜质体反射率作为煤岩变质程度的主要指标参数的同时，还辅以挥发分产率指标，以资参照对比。
国内外研究成果指出，煤岩在演化过程中有四次较明显的变化，称之为煤化作用的跃变。第一次为Cdaf80%，Vdaf43%，Ro，max0.6%，完成了泥炭向褐煤（软、暗、亮）的转化；第二次为Cdaf87%，Vdaf29%，Ro，max1.3%，形成了长焰煤、气煤和肥煤三个煤种；第三次为Cdaf91%，Vdaf8%，Ro，max2.5%，形成了焦煤、瘦煤和贫煤三个煤种；第四次为Cdaf93.5%，Vdaf4%，Ro，max3.7%，形成无烟煤，亦是低级无烟煤与高级无烟煤的分界线。参照前人的研究成果提出的煤岩变质程度分级（阶）划分标准，考虑到以吸附态为主的煤层气在中煤阶含量较高，而在低煤阶（褐煤）生气量低，高煤阶（无烟煤）生气量虽高，但渗透性变差的特点，将煤岩变质程度划分为四挡8级（阶），即低变质烟煤包括褐煤Ro，max＜0.5%、长焰煤Ro，max0.5%～0.65%、气煤Ro，max0.65%～0.90%，中变质烟煤包括肥煤Ro，max0.90%～1.20%、焦煤Ro，max1.20%～1.70%，高变质烟煤包括瘦煤Ro，max1.70%～1.90%、贫煤Ro，max1.90%～2.50%，无烟煤Ro，max2.50%～4.50%和超无烟煤Ro，max>4.5%。
煤岩变质大体归为三类，即深成变质、岩浆热变质和构造应力变质。在沉积盆地形成过程中，由于含煤岩层深埋，在一定地层压力条件下，煤岩受地层温度影响产生热变质作用，称为深成变质。由于岩浆活动导致煤岩变质称为岩浆热变质，深层岩浆体致使大范围煤岩变质称为区域岩浆热变质，局部性岩浆热变质称为构造岩浆热变质。
煤化过程是在沉积盆地形成过程中与成岩过程同时进行的。成煤有机物质随沉积物同时堆积在适当场所，当条件适宜时富集形成泥炭坪。在随沉积层深埋的过程中，地层温度和压力也随之变化，由于地温、地压的作用成煤有机物质发生热降解，在形成固态煤岩的同时亦形成烃类气体等其它同生物。沉积盆地上覆地层越厚，煤层埋藏越深，煤岩变质程度越高。同一沉积盆地的不同构造部位或同一煤层在不同盆地，煤岩变质程度都有差别。反之，不同时代或不同盆地的煤层，却可能形成变质程度相似的煤阶，由于地壳变动使原型沉积盆地发生构造变形，随着盆地的隆升或沉降，煤层变质程度亦发生变化，甚至在变形剧烈时岩层褶断、叠覆，盆地瓦解或消亡，煤层亦随之发生强烈的变质，包括构造应力作用引起煤岩结构的变质。在强烈的构造运动中常伴有岩浆侵位和火山喷发，亦使与火成岩体相接触的煤层强烈变质，甚至形成天然焦。火山活动和岩浆侵入往往集中在一个地质时期，亦具有一定的区域性，从而形成区域性或局部性的地温异常，对煤岩变质产生区域性或局部性的影响。一般认为，在沉积构造盆地形成过程中，由于含煤岩层深埋，在一定地层压力条件下受地层温度影响产生热变质作用称为深成变质，由于岩浆活动造成煤岩变质称为区域岩浆热变质或构造岩浆热变质，由于构造变形造成煤岩变质称为构造应力变质。含煤盆地中煤岩变质作用，不论出于那种变质类型，都是在地壳表层较低温度条件下的有机物质热演化，追其地球动力学根源都与地壳深部构造活动或深层热演化机制相联系。沉积物质中成煤有机物质的热演化，都与盆地的成生与演化，板块的发展与运动密切相关。
地球热源大致分为两类，幔源热和岩浆热。幔源热（稳态热）是地球形成与演变过程中，岩石圈下部的软流层的热能，通过地壳岩石圈向地壳表层传导热量，是稳态热源，称之为幔源热。也有认为，地壳中的放射性元素蜕变产生的热能，通过岩石圈传导至地壳表层，亦属幔源热。岩浆热是非稳态热，在板块边界或板内断块之间，由俯冲、碰撞、张裂或其它深部地质构造活动产生的各种物理化学作用，包括温度、压力及成分等，使地壳岩石重熔形成熔融岩浆，形成大规模的热异常，称之为区域岩浆热；若深部物质上涌，高温热物质沿着地壳薄弱带（深断裂、拉张性裂缝）上升，使熔岩喷发到地表或在地壳浅部，以岩脉、岩墙、岩床等形式产出，形成局部热异常，称之为构造岩浆热。
稳态热分布在构造稳定区，如塔里木—华北板块和华南板块晚古生代中期至三叠纪期间，形成 塔里木、华北、华南三个大型含煤盆地（原型），石炭、二叠系含煤岩系被三叠系地层覆盖深埋，煤系在均衡的地温场发生变质，由泥炭变质为不同煤阶的煤岩。由于煤系埋深不同，演化形成的煤阶亦不相同，往往是盆地沉降中心变质程度高，向盆地周缘逐渐降低。在板块内部稳定构造区形成的沉积构造盆地由稳态热源导致煤岩变质更有规律性。鄂尔多斯石炭、二叠纪含煤盆地是华北石炭、二叠纪含煤盆地（原型）的一部分，印支期后变形改造形成沉积构造盆地，经印支、燕山期沉积盖层叠加、深埋，在新的地温场形成以沉降中心为高变质（无烟煤）中心，向盆缘变质程度逐渐降低（长焰煤）的变质环带。发育在准噶尔地块之上的准噶尔侏罗纪含煤盆地煤系变质与前陆盆地的形成同步，由于盆地南缘沉陷幅度大，经白垩、第三纪沉积盖层叠加，形成以沉降中心为高变质（无烟煤）中心，向盆缘逐渐降低（长焰煤）的不对称变质环带。
非稳态热区域岩浆热变质类型分布在陆块或地块边缘增生带、板块结合带，这些构造带往往是地壳消减、岩浆重熔、构造应力释放带。位于华南板块东部的南华活动带，自晚古生代至三叠纪，古地温梯度为3～5℃/100 m，印支至燕山期强烈的火山喷发和岩浆侵入，地温梯度可达5～8℃/100 m，各时期煤岩变质均达无烟煤或超无烟煤阶，下三叠统的焦煤、瘦煤仅残存在向斜中，这种中新生代高地温场、高煤岩变质程度在国内外均为罕见。
非稳态热构造岩浆热变质类型分布广泛，不乏实例。一般分布在板块结合带两侧的陆缘增生带或是板内断裂带。在一个地质时期或一个岩浆活动期，在一个相当的范围内岩浆侵入或喷发至地壳表层盖覆在煤系之上，或形成小型岩脉、墙、床侵入到煤系地层之中，从而形成局部地温异常，在与煤层接触带上煤岩程度不同的受到变质，形成点状或带状变质环带，有的可能形成天然焦。
非稳态热除区域岩浆热和构造岩浆热类型外，由于板块边界或板内断块之间俯（仰）冲、碰撞、张裂、扭滑或其它深部地质作用，与岩浆热伴生的应力场（压力、张力或扭力）所形成的构造应力变质亦不容忽视。稳态热或岩浆热形成的由低变质至高变质煤岩，即泥炭—低、中、高级烟煤—无烟煤、超无烟煤、天然焦，都是成煤有机物质热演化的产物。构造应力形成的构造变形是物质物理形态的变化，亦兼有化学形态变化。宏观上，如板块结合带的地壳消减，含煤盆地的残留与消亡，逆冲推覆带的地壳缩减与增厚，逆冲推覆带上含煤盆地的断褶与消亡，等等。微观上，煤岩在由低向高的变质过程中，煤体结构同时发生变化，各种不同质的煤岩在应力作用下，除成岩压实外还产生构造裂缝，裂缝的发育形态随变质程度而变化，煤岩由一般的具有层理构造的亮煤、半亮或半暗煤、暗淡煤，被揉皱成无层理构造的角砾状、鳞片状、粉末状的碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤，甚至石墨。煤岩石墨化即是煤质的物理变化，亦是化学变化。构造煤或石墨均是在构造应力较强的构造带上形成的，往往是区域岩浆热分布区或是构造岩浆侵入的同时形成的构造活动带。
在陆块或地块以及已经固结的早期褶皱带等构造稳定区，往往是稳态热分布区，但在稳定区的边缘即陆块增生带或构造隆起带是稳态热与非稳态热综合作用区，在正常地温场条件下可以形成区域性或局部性的地温异常区，区内煤岩变质程度增高。如山西隆起在太行断裂带形成两条构造岩浆热变质带，由于华北陆块南缘与山西隆起南部区域岩浆热变质的影响，使沁水盆地石炭、二叠纪煤系变质程度增高，比三叠系沉积地层盖覆时的煤岩变质程度明显增高，形成以郑州—焦作为高变质中心（Ro，max4.5%）的沁水盆地至南华北盆地高变质区带。
中国大陆晚古生代以来进入成煤时期，有石炭纪、二叠纪、晚三叠世、早中侏罗世、晚侏罗至早白垩世、第三纪六个相对集中的聚煤期。煤岩的形成需要一个演化的过程，即泥炭层深埋受热变质的过程。后期沉积物堆积叠置过程即是早期成煤有机物质成岩、成烃的过程，一个个世代循序渐进地叠加增厚，早期成煤有机物质有序的由低级向高级煤阶的演变，几个世代的演变促成煤阶的跃变。六个成煤期可划分为三个煤岩变质阶段，即华力西—印支期、燕山期、喜马拉雅期，不同成煤阶段煤岩变质各具特色，同一成煤阶段煤岩变质却又有类同。
华力西至印支期，塔里木—华北板块与华南板块处于陆缘发展阶段，在塔里木、华北、扬子陆块基础上形成了早古生代克拉通盆地，又在其上形成了石炭、二叠纪含煤盆地。在南、北板块尚未拼合前，含煤盆地发育的含煤岩系各具特色。古生代末至三叠纪，南、北板块汇聚形成统一的中国古大陆，三叠纪沉积继承性的成为含煤岩系的盖层，也是石炭、二叠纪含煤岩系由泥炭向煤岩转化的时期。古生代末至印支期虽然是两个板块拼合时期，但在板块内部却是构造相对稳定的时期，除陆缘带外盆地仍以整体沉降为特征，巨型的沉积盆地（原型）的煤岩变质是以稳态热深成变质为其特征，沉积盆地煤岩变质大部比较均衡，向盆缘变质程度逐次较低。华力西至印支期，石炭、二叠纪煤系煤岩变质的分布格局，随着燕山期、喜马拉雅期构造格局的改变，后生沉积盆地的叠置，含煤盆地的变形改造，发生了重大的变化。
燕山运动在中国大陆是具有造山性质的运动，由于相邻板块对中国大陆应力作用方式的差异，大陆东西部的构造特征亦有所不同。大陆的西部特提斯构造域受南部印度板块的推挤，藏滇板块呈近东西转南东走向，其北部的塔里木盆地受南北挤压作用，沿盆地周缘形成规模较大的侏罗纪前陆含煤盆地，其北的准噶尔亦形成侏罗纪前陆含煤盆地。塔里木盆地早期形成的晚石炭世、早二叠世、晚三叠世含煤岩系，由于原型盆地先天不足，含煤性较差，但盆地并未遭受后期构造严重破坏，煤系地层深埋，在侏罗纪前陆盆地沉降中心煤岩变质程度增高，向原型盆地中心部位变质程度逐减。侏罗纪形成的库车、塔东、塔东南、塔西南及准噶尔等前陆盆地，以及分布在活动带的伊宁、尤尔都斯、焉耆、库米什、吐鲁番—哈密断陷盆地，都形成以盆地为单元的煤岩变质环带，呈现出构造相对稳定条件下深成变质的特征。燕山运动对中国大陆东部的影响要比西部复杂，由于太平洋板块对中国大陆的俯冲，形成一个由东向西、由强至弱的区域应力场，在大陆东部打破了古亚洲构造域东西构造分带的格局，形成了北东、北北东向大型隆起带和沉降带。在西部沉降带由于基底地块稳固，形成了鄂尔多斯和四川两个大型沉积构造盆地，石炭、二叠、三叠、侏罗纪含煤岩系相叠置，盆地构型完整，除边缘受不同期岩浆热源影响，煤岩变质主要为深成变质，以盆地为单元形成以沉降中心为高变质中心，向盆缘变质程度逐减的环形变质带。由于煤系埋深不同，受热程度的差异，煤系地层由深至浅、由老至新变质程度亦逐次降低。在山西隆起带的沁水盆地则因区域岩浆热的影响，整个盆地石炭、二叠纪煤系变质程度普遍增高。但北部发育在华力西褶皱带基础上的海拉尔—二连早白垩世含煤盆地群，除个别断陷盆地外，多为深成变质作用形成的大面积低变质褐煤分布区。在松辽—华北沉降带，由于燕山运动块断差异升降形成一系列断陷盆地，华北盆地石炭、二叠纪煤系地层被分割、深埋，在深成变质作用的同时受到构造岩浆热影响，形成参差不齐、样式多种的煤岩变质特征。位于北部的松辽盆地，燕山早期发育的断陷盆地火山岩发育，晚侏罗至早白垩世发育有含煤岩系，早白垩世晚期形成统一的坳陷盆地，煤系地层虽受构造岩浆热影响，仍以深成变质作用为主，形成长岭—大庆无烟煤阶高变质中心，向外递变为高、中、低阶烟煤，直至长焰煤的变质环带。位于大陆东部近海的胶辽隆起带及华北陆块北缘隆起带，石炭、二叠纪含煤岩系残片均因长期隆升煤系未能深埋，变质程度一般较低。燕山期形成的含煤盆地煤岩变质往往受构造岩浆热作用，煤系地层埋深较浅变质程度却增高，有时甚至出现天然焦。位于北部佳木斯地块的三江盆地，晚侏罗至早白垩世煤系埋深3000～4000 m，但变质程度相对较高，跨度很大，从无烟煤至长焰煤均有，区内古地温梯度较高为3.57℃/100 m，有的达5℃/100 m，煤系地层亦有岩浆侵入，煤岩变质是深成变质与区域、构造岩浆热变质综合作用的结果。在华南板块东部的南华活动带是构造活动长期发育的地域，燕山期濒临太平洋板块，地温梯度较大，含煤岩系变质程度相对较高，是区域岩浆热变质作用的结果。
喜马拉雅期形成的第三纪含煤盆地，大部为小型断陷盆地，含煤岩系一般埋深较浅，煤岩变质程度较低，绝大部分为低变质褐煤，但有的盆地变质程度稍高，如抚顺盆地为长焰煤、气煤，在印度板块与藏滇板块结合带的藏南日喀则—昂仁盆地第三纪煤系为气煤至贫煤，位于华南板块与藏滇板块结合带上的红河盆地第三纪煤系为气煤，都是受构造应力变质作用的结果。位于台湾活动带的台西盆地，新第三纪盆地煤系地层较厚（7000m余），煤层沉陷较深，同时濒临太平洋板块，由于多种热演化作用的影响，煤岩变质一般高于其它第三纪煤层，为长焰煤和气、肥煤。
煤岩变质的影响~
煤岩变质程度是影响煤层气藏评价参数的地质因素之一，煤种（阶）是评价煤层气藏的主要参数指标，煤阶不同煤层气藏的烃源岩与储集岩的性能亦不相同。低煤阶褐煤的孔渗性能好但生气能力差，高煤阶烟煤和无烟煤生气能力强但渗滤性能差，中阶烟煤具有较好的渗滤性能和生气条件，是形成煤层气藏的最佳烃源岩与储集岩。煤阶的差异与原始成煤有机物质有关，腐泥煤与腐殖煤的差别很大，而同属腐殖煤亦有差异，造成煤阶差异的主要原因是煤化过程中成煤有机物质热演化程度的差异。
煤岩变质可以影响煤岩评价的多项参数指标，如碳含量、氢含量、水分、发热量、挥发分、镜质体反射率及X射线等。这些参数适用范围有大有小，不同煤岩变质阶段适用参数亦不相同。气煤阶以下的低变质烟煤发生变化可影响水分含率、发热量及碳含量指标和X射线曲线。煤岩氢含量一般小于6%，随着煤岩变质程度的增高可由4%降至小于1%。煤岩的中高级烟煤变质阶段，镜质体反射率与挥发分有较好的对应关系，从气煤至贫煤阶段挥发分逐渐降低，而镜质体反射率则自气煤至无烟煤逐渐增高。
煤岩变质是煤层气成藏的重要条件之一，可以说只有变质适度的煤层才能形成煤层气藏，变质不适的煤层是不能形成煤层气藏的。含煤盆地煤岩变质有三种成因类型，一是深成变质，二是岩浆热变质，三是构造应力变质。深成变质是含煤盆地形成过程中及期后的上覆岩层叠置使含煤地层深埋，在地层压力和温度作用下煤岩发生变质，其变质程度随煤层埋藏深度增大而增高。对含煤盆地成藏而言，当煤层埋深在褐煤阶段时，煤层渗透率虽好含气量却低，一般不利于成藏；当煤层埋深达到贫煤或无烟煤阶段时，含气量虽然高但煤层渗滤条件变差，对煤层气成藏亦是不利；只有当煤层埋深在中烟煤阶时，煤岩生气量、渗透率等条件匹配又适宜，才有利于煤层气藏的形成。低阶煤分子芳构化程度低及微孔隙减少，煤固体表面对气体分子吸附能力差，吸附气量小，但煤层厚，大中孔隙增加，孔渗条件变好，游离气或溶解气增加，对煤层含气性都有改善。同时，高煤阶烟煤或无烟煤也有渗透条件较好的实例。因此，评价不能简单化、绝对化。
影响煤岩变质程度的第二个因素是岩浆热变质，煤层受到同沉积期或期后岩浆岩或火山岩的热源影响，地温比正常温度增高，煤岩变质程度由此而增高。如果原来含煤盆地煤岩变质程度较低，由于岩浆热源的影响煤岩变质程度增高，对成藏可能是有利的；但若受岩浆热源影响变质程度过高，对成藏反而不利，甚至是破坏性的。岩浆热源的影响范围有大有小，局部性的岩浆岩体影响范围较小，深层侵入型岩浆岩体则可能形成区域性的地温异常，其影响范围广泛，可能影响整个含煤盆地，甚至多个含煤盆地。
构造应力变质亦有局部与区域性之分，压性或压扭性断裂可以形成构造应力变质，被断裂卷入的煤层在断裂带可能变质为构造煤。区域性构造应力变质在褶皱带较为普遍，构造较稳定的陆块或地块的构造活动区，在构造活动期亦会发生构造应力变质，区域性的推覆作用形成煤岩滑脱层形成构造煤即是构造应力变质作用的结果，由于构造煤的产生和煤系地层剧烈变形，含煤盆地遭到严重的破坏。煤岩构造应力变质实际上是动能转换为热能作用于煤岩层的结果，一般来说这种变质作用破坏性往往是主要的。
陈振宏1 王一兵1 苏现波2
基金项目:国家973项目“高丰度煤层富集机制及提高开采效率基础研究”(2009CB219607)。
作者简介:陈振宏,男,1979年生,湖南桃源人,博士,主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研究。地址:河北省廊坊市万庄廊坊分院煤层气研究所。电话:010-69213542137930613041E-mail:cbmjimcoco@126.com
(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,廊坊 065007;
2.河南理工大学资源环境工程学院,焦作 454000)
摘要:煤体变形与煤层气储层渗透性存在密切联系。查明含煤岩系岩体结构,定量评价煤岩体变形,对煤储层渗透性预测具有重要指导意义。通过大量野外观测、结合室内扫描电镜、光学显微镜及原子力显微镜探测,研究了沁水盆地南部煤层气藏储层变形特征及空间展布,探讨了构造形迹、煤体变形程度与岩体结构之间的内在关系,并揭示了其成因。研究结果认为,沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主,割理大部分被方解石充填,对储层渗透性贡献不大;煤岩体变形取决于岩体强度与结构,特别是软煤发育厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。同时研究发现,含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE-SW居主导地位,与现今的主应力场方向一致,寺头断层对煤体严重变形的影响有限。在煤层气下一步开发施工中,应尽力避免在软煤强烈发育区布井。
关键词:煤层气岩体结构脆性变形强度因子软煤
Deformation Characters and Formation Mechanism of Coal Seams in South Qinshui Basin
CHEN Zhenhong1, WANG Yibing1,SU Xianbo2
(1.Langfang Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Langfang 065007, China; 2.Institute of Resource and Environment Engineering; Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract: The coal deformation is a critical controlling factor of coal reservoir permeability.Researching the coal construction and quantitatively evaluating coal deformation, essential parts of the reservoir permeability pre- diction, are significant.Through abundant field reconnaissance, SEM, OM and AFM, the reservoir deformation characters, spatial distribution& formation mechanism of coalbed methane and the relationship between the region- al structure &coal deformation and rocks construction, were analyzed&discussed here.It was proved that in the south, Qinshui basin, the brittle deformation was dominant and cleat permeability was litter, in which filled cal- cite. The coal deformation was decided by the strength and construction of rock mass. Especially, the soft coal thickness and rate are associated with strength divisor&fractal dimensionality. Moreover, the strike of coal fractures&joints is main NE-SW, as current main stress field, and Sitou fault litter affects the coal deforma- tion. So in the future CBM developing, wells in the intense soft coal area were avoided.
Keywords: coalbed methane; construction of rock mass ; brittle deformation; strength divisor; soft coal
引言
煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊岩石,发生韧性变形所需的温度、压力远远低于无机岩石。正是由于煤的这种特殊的变形行为,使得煤体变形与煤层气储层渗透性和煤与瓦斯突出存在密切联系。煤岩体在地质演化过程中的变形受岩体强度、构造应力场、温度和边界条件等的控制[1~4]。在同一构造应力场中不同岩性岩层或岩性组合的岩体会表现不同的岩体力学性质和形变特征,即在局部范围内控制煤岩体变形的主导因素是岩体结构。
对于沁南地区无烟煤储层,割理严重闭合或被矿物质充填,外生裂隙是煤层气运移产出的通道[5-8]。而外生裂隙是煤体变形的结果,适中的煤体变形形成的碎裂煤是本区渗透性最好的储层。因此,根据勘探、开发阶段的煤层气井资料,查明含煤岩系的岩体结构,定量评价煤岩体变形特征,可以为煤储层渗透性评价做出借鉴,预测未开发区储层渗透性,为勘探开发部署提供依据。
图1 沁水盆地南部煤岩割理发育特征
1 沁水盆地南部地区煤岩宏观变形特征
沁南地区山西组3#煤层下部通常发育有一层不足1m的软煤,多为鳞片状的糜棱煤,局部发育碎粒煤,个别地区还存在整层均为糜棱煤的透镜体,透镜体一般不超过20m×50m。
通过钻井煤心、井下煤壁观测,结合测井响应,发现煤体宏观变形以脆性变形为主,其主要变形标志为割理形成初始阶段的格里菲斯裂隙(图1a)、被方解石充填的雁行排列的割理(图1b)。割理成因很复杂,一般认为是同沉积一压实作用、成岩作用、侧向古构造应力、干缩作用和煤化作用等综合作用的结果[9~12]。
煤中另一种脆性变形标志是外生裂隙。当外生裂隙不发育时,煤体保持原生结构;当外生裂隙发育时,煤体破坏为碎裂煤,这类煤的煤心往往为碎块状,但碎块有强度。
2 沁南地区煤岩微观变形特征
借助扫描电镜,系统观测煤的微观孔隙结构,发现煤岩割理被方解石充填(图2a),或者割理闭合(图2b),基质孔隙(气孔)发育(图2c)。
图2 沁南地区煤岩的微观特征(SEM)
光学显微镜下,煤体脆性变形标志主要为一些外生裂隙(图3)。
图3 光学显微镜下沁南地区煤岩外生裂隙,反光,×15。
扫描电镜下,煤中韧性变形标志主要为褶皱、残斑和SC构造等(图4)。
值得注意的是,煤岩脆-韧性变形识别与观测尺度有关,宏观上观测的韧性变形,在微观上仍可发现脆性变形现象(图5)。但在超微条件下,很难观测到韧性变形现象。
3 沁南地区煤岩变形空间展布
煤心观测和测井响应显示,沁南地区樊庄区块软煤普遍发育在煤层的下部,夹矸层将其与上部的硬煤隔开,厚度0~1.15m,平均0.7m,所占煤层总厚的比率为0~0.177,平均0.114(图6)。
北部的固县地区软煤厚度和比率最高,特别是从G12-9~G7-12软煤厚度超过1m、比率超过0.15,向东软煤发育程度逐渐降低,其软煤相对发育的主要控制因素为褶皱的影响,软煤发育基本沿着背斜的轴部展布。寺头断层并没有对煤体结构造成严重影响,位于寺头断层附近的G4-7,G2-7,G2-6等井软煤的厚度和比率还没有褶皱轴部高,且北西向褶皱与软煤发育的关系最密切。固县地区是整个樊庄区块软煤最发育的地区,且分布在本区的煤层气井距寺头断层最近,可见寺头断层或多或少对煤体变形有一定影响。
樊庄地区软煤发育受北西向褶皱控制,厚度一般不超过1m,比率多在0.15之下,最发育区位于褶皱轴部(F14-13,F13-14),翼部最低(F12-9)。
图4 煤体韧性变形微观标志(SEM)
图5 煤体韧-脆性变形标志(SEM)
图6 沁南地区樊庄区块软煤厚度等值线图
蒲池玉溪地区软煤最不发育,软煤厚度一般不超过1m,多数在0.5m以下,比率多在0.1以下。同样沿北西向褶皱轴部软煤发育,但因近东西向褶皱的叠加使得软煤分布复杂化。
总体上,整个樊庄区块固县软煤最发育,其次为樊庄,蒲池玉溪地区最不发育。软煤发育程度与北西向褶皱关系最为密切,多位于褶皱轴部。寺头断层对煤体结构有一定的影响,但不严重。
4 成因分析
4.1 岩体结构对煤岩变形的控制作用
研究区除了边界断层—寺头断层外,区内稀疏分布三组小断层:近南北向、近东西向和北东向。褶皱非常发育,大体可区分出北西向和近东西向两类。这些褶皱的形成与岩体结构有着密切关系。褶皱的形成严格受岩体强度和结构的控制,易于发生强烈变形的低强度因子和分形维数岩体均位于褶皱的轴部。强度因子最高的蒲池玉溪地区,通过断层形式来吸收应力,形成了密集的褶皱;强度因子最低的固县地区褶皱不如蒲池玉溪发育,这是该地区通过形成软煤的顺煤层剪切吸收应力的结果。
煤层具有低杨氏模量、高泊松比,相对含煤岩系统计层段内其他岩层,在相对较低的温度和较弱的构造应力作用下也可达到较深的变形程度。因此煤层中记录的构造应力场演化信息要比其围岩详细和全面。对比软煤厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数和褶皱的关系,发现:
Ⅰ:低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区,含煤岩系以韧性变形为主,位于多褶皱轴部,煤体变形程度深,以顺煤层剪切使煤体发生韧性变形、形成“软煤”来消减构造应力。
Ⅱ:高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区,一般位于褶皱的轴部,含煤岩系以脆性变形为主,软煤不发育。
Ⅲ:区域上,固县地区强度因子和分形维数最低,但褶皱和断层不发育,唯一吸收构造应力的途径是顺煤层剪切变形形成软煤。因此,固县地区是本区软煤最发育的地区。蒲池玉溪地区强度因子和分形维数最高,但吸收构造应力的途径不是形成断层,而是密集发育的褶皱,软煤最不发育。樊庄地区介于二者之间。
也就是说,在局部范围内构造应力的性质与大小基本一致的前提下,岩体强度与结构决定了煤岩体的变形,不同地区的煤岩体可通过不同的变形途径来吸收应力。
4.2 应力场对煤岩变形的影响
4.2.1 节理发育特征
通过对樊庄区块含煤岩系露头大量野外观测,发现本区含煤岩系,尤其是二叠系下石盒子组中细砂岩、上石盒子组粉砂岩发育多组高角度共轭剪节理,以NE-SW向和NW-SE向为主,倾角平均为82°,甚至有些节理倾角达90°。节理沿走向延伸有从几个厘米到几米的,部分达几十米。节理密度从2条/米到20条/米不等,平均密度为10条/米。一般来说,脆性岩层中的节理密度要比同一厚度的韧性岩层中的节理密度大,节理密度的大小直接受到岩层所受构造应力大小的控制,在构造应力集中的地带,如褶曲转折部位及断层带附近,节理的密度相对要大得多。
节理之间多有切割,反映出力学性质的多样性和形成的多阶段性。据节理的切割关系、分期配套分析结果,厘定为四套共轭剪节理(图7)。第一期共轭剪节理由Ⅰ组和Ⅱ组配套组成,锐夹角指示近SN向的挤压,形成最早;第二期由Ⅰ组和Ⅲ组配套组成,锐夹角指示NW-SE向的挤压;第三期由Ⅰ组和Ⅳ组配套组成,锐夹角指示NNE-SSW向的挤压;第四期由Ⅱ组和V组配套组成,锐夹角指示NE-SW向的挤压,形成时间最晚。
图7 节理的分期配套
4.2.2 构造应力场分析
通过大量的野外观测,在上述含煤岩系节理特征系统描述的基础上,综合前人的研究成果[13~16],恢复了中生代以来构造应力场期次:
(1)印支期近SN向挤压应力场
印支期近SN方向的挤压作用,形成近EW向褶皱,伸展作用表现为近NE和NS向的正断层,褶皱和断层规模都很小,此时的寺头断层已经开始发育。
(2)燕山-喜马拉雅早期的NW-SE向的水平挤压应力场
燕山-喜马拉雅早期NW-SE向挤压应力场,在沁水盆地普遍存在。挤压作用使本区整体成为NE向向斜,西部的寺头正断层进一步强化,与之平行的近NE、NNE向的、规模较小的正断层形成。
(3)喜马拉雅晚期的NNE-SSW向的近于水平的挤压应力场
喜马拉雅晚期NNE-SSW方向的挤压作用,形成区内规模较大、叠加在燕山-喜马拉雅早期NE向褶皱之上的NW向褶皱,此时的寺头断层由原来的张性逐渐转化为压性。
(4)第四纪以来新构造期的NE-SW向的近水平挤压应力场。
第四纪以来的新构造运动期,伴随着霍山和太行山的不断隆起,在沁水块坳中产生的NE-SW向的近水平挤压应力场,形成了NW向小褶皱,这种构造应力场一直持续到现今。
本区岩石节理和煤层裂隙NE-SW居主导地位,与现今的主应力场方向一致。
4.2.3 应力场对煤岩变形的影响
煤层中外生裂隙的产状与上下围岩中的节理产状基本一致。山西组3号煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性,表现为NE-SW和NW-SE两个优势方向,且以NE-SW向更为发育。这与岩石节理走向的优势方向基本一致,煤层主裂隙的方向与现今应力场最大主应力的方向也基本一致。
这一裂隙与应力场的耦合关系,造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中,裂隙张开度逐渐增加,进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增大而呈现数量级的增大现象。
这正是本区煤层气井稳定高产的主要控制因素之一。
4.3 断层对煤体变形的影响
根据固县地区寺头断层附近煤层气井的揭露情况,发现该断层对煤体严重变形的影响有限。
(1)紧靠断层的煤层气井显示煤体没有严重破坏为软煤;
(2)北部固7-9井,储层压力还有1.5MPa,产能就达2700m3/d,而且周围的井固6-10、固7-10、固7-11、固7-12、固8-9产能都达2000m3/d以上。但固7-8、固8-8的产能较低,不足400m3/d。由产能分析可知寺头断层对煤体变形有影响,在固县地区,由于断层落差较小,影响范围有限,一般不超过100m。随断层落差的增加,影响范围将增加;
(3)寺头断层影响构造应力场在本区的展布,进而控制着区内构造的形成和展布。对煤体变形的影响为:沿断层形成软煤条带,其宽度与断层的落差有关,落差越大,软煤宽度越大,一般不超过500;向东逐渐过渡为碎裂煤分布区,也是储层渗透性最佳区,这一区域的宽度难以准确确定。根据目前煤层气井的测试和排采资料,这个条带的宽度在1~2km左右;进一步向东为基本不受影响的带,原生结构煤发育。
结论与建议
(1)沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主,割理被方解石充填,对储层渗透性贡献不大;韧性变形标志包括褶皱、残斑和SC构造等。
(2)岩体强度与结构决定了煤岩体的变形。软煤发育程度与北西向褶皱关系密切,其厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。
(3)含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE-SW居主导地位,与现今的主应力场方向一致,寺头断层对煤体严重变形的影响有限。
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煤及煤层气地质
答：有机质成煤、成烃，是含煤(煤层气)盆地形成煤层气藏的必经之路，是一种建设性的改造作用。但是，沉降叠加过度或不足，煤层埋深过大或过浅都不利于煤层气成藏，相当于中阶煤的埋深较为有利。区域性隆升，使含煤岩系暴露风化，对煤层气成藏有破坏作用。但当含煤岩层有后期沉积岩层覆盖，盆地隆升...
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