基于光學(xué)顯微觀測(cè)的煤層裂隙發(fā)育特征、成因及其意義
——以沁水盆地南部3#煤層為例

孫家廣，趙賢正，桑樹(shù)勛，劉世奇，楊延輝

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)石油華北油田公司山西煤層氣分公司，山西 長(zhǎng)治 048000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008）

基于光學(xué)顯微觀測(cè)的煤層裂隙發(fā)育特征、成因及其意義
——以沁水盆地南部3#煤層為例

孫家廣1，趙賢正2，桑樹(shù)勛1，劉世奇3，楊延輝2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)石油華北油田公司山西煤層氣分公司，山西 長(zhǎng)治 048000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008）

基于光學(xué)顯微觀測(cè)，分析了沁水盆地南部3#煤層煤巖顯微組分與內(nèi)生裂隙的關(guān)系，并對(duì)外生裂隙的繼承改造進(jìn)行分類(lèi)研究。結(jié)果表明：內(nèi)生裂隙成因主要體現(xiàn)在顯微組分的力學(xué)強(qiáng)度和煤化作用過(guò)程中的內(nèi)張力，均質(zhì)鏡質(zhì)體由于結(jié)構(gòu)和成分均一，微孔隙發(fā)育，顯微脆度高，內(nèi)生裂隙最為發(fā)育；根據(jù)繼承改造的方向差異，將外生裂隙繼承改造類(lèi)型劃分為延伸型、剪切型和拓張型，外生裂隙中，張裂隙和剪裂隙發(fā)育規(guī)模大，裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)大。裂隙發(fā)育特征、類(lèi)型及其成因研究，有助于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層裂隙在煤層氣富集成藏和勘探開(kāi)發(fā)中的作用。

顯微裂隙；成因類(lèi)型；發(fā)育特征；煤儲(chǔ)層；沁水盆地

0 引言

煤儲(chǔ)層中，裂隙是煤層氣滲流和運(yùn)移產(chǎn)出的主要通道［1］，對(duì)煤層滲透率至關(guān)重要。根據(jù)裂隙發(fā)育尺度，可劃分為直接利用肉眼或普通放大鏡可觀察到的宏觀

裂隙和肉眼難以辨認(rèn)、須借助光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡才能觀察的微觀裂隙。根據(jù)裂隙的成因，一般將其劃分為與有機(jī)質(zhì)收縮變形有關(guān)的內(nèi)生裂隙和與地應(yīng)力作用下煤變形有關(guān)的外生裂隙。構(gòu)造演化、煤變質(zhì)程度和煤巖煤質(zhì)特征等對(duì)其發(fā)育起關(guān)鍵作用［2-4］。裂隙的研究始于宏觀尺度，學(xué)者對(duì)沁水盆地的煤儲(chǔ)層宏觀裂隙的發(fā)育特征及其成因進(jìn)行了系統(tǒng)研究［5-7］，而微觀裂隙的發(fā)育特征與成因機(jī)制鮮有報(bào)道。蘇現(xiàn)波和王生維等［7-8］研究了煤中裂隙的發(fā)育特征及成因，認(rèn)為煤層中發(fā)育的裂隙對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率有積極意義，早期構(gòu)造作用形成的裂隙，在后期構(gòu)造作用下可進(jìn)一步發(fā)展（即繼承性裂隙）、轉(zhuǎn)向或加密等。桑樹(shù)勛和張群等［9-10］研究了煤中裂隙對(duì)煤層氣成藏和開(kāi)發(fā)的重要意義。傅雪海等［11］研究沁水盆地顯微裂隙發(fā)育特征后認(rèn)為，煤顯微裂隙的發(fā)育程度可能成為該區(qū)煤層氣產(chǎn)出的瓶頸問(wèn)題之一，因此，進(jìn)一步研究煤儲(chǔ)層裂隙特征及成因具有重要意義。

沁水盆地南部發(fā)育典型的無(wú)煙煤儲(chǔ)層，是我國(guó)原位煤層氣開(kāi)發(fā)最為活躍的地區(qū)。已有煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐顯示，該地區(qū)3#煤層裂隙系統(tǒng)相對(duì)發(fā)育且變化顯著［12］，特別是光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)到煤中發(fā)育的大量微觀裂隙，有關(guān)其發(fā)育特征的資料積累為識(shí)別和分析其成因類(lèi)型提供了條件。光學(xué)顯微鏡下觀察到的10-6～10-4m寬度裂隙是煤儲(chǔ)層滲流網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對(duì)其認(rèn)識(shí)程度成為影響煤層氣開(kāi)發(fā)的重要地質(zhì)問(wèn)題之一。本文以沁水盆地南部3#煤層為研究對(duì)象，基于裂隙的光學(xué)顯微觀測(cè)，分析和研究了沁水盆地南部顯微裂隙發(fā)育特征及其控制機(jī)理。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景及其演化特征

沁水盆地為中朝準(zhǔn)地臺(tái)山西隆起上的一個(gè)中生代以來(lái)形成的構(gòu)造型復(fù)式盆地。盆地總體為走向NNE的寬緩復(fù)式向斜，內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，次級(jí)褶皺發(fā)育，斷層較少，盆地中部地層較陡，南北兩端地層較平緩。研究區(qū)以中生代的EW，NE向褶皺為主，斷裂以NE，NNE，NEE向高角度正斷層為主，主要分布于盆地東南緣。沁水盆地南部與沁水盆地經(jīng)歷了相似的構(gòu)造演化，奧陶系在經(jīng)歷了長(zhǎng)期的剝蝕夷平后，構(gòu)成C-P煤系地層的沉積基底，于晚石炭世開(kāi)始沉降并接受沉積。研究區(qū)C-P為海陸交互相聚煤盆地，受印支運(yùn)動(dòng)影響，特別是燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的作用，研究區(qū)遭受強(qiáng)烈擠壓、抬升及剝蝕，同時(shí)褶皺及斷裂造成構(gòu)造裂隙系統(tǒng)廣泛發(fā)育，形成了研究區(qū)煤層氣成藏特征。

1.2 沉積特征

石炭-二疊系的太原組和山西組為沁水盆地南部主要含煤地層。山西組為發(fā)育于陸表海沉積背景之上的三角洲沉積，發(fā)育了一套以灰色砂巖、粉砂巖、深灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖為主的含煤巖系。山西組含煤4～7層，位于下部的3#煤層，埋深較淺，單層厚度大，平均厚度約6m，總體表現(xiàn)為東厚西薄，全區(qū)分布穩(wěn)定，為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目的層，也是本文研究的目的煤層。

1.3 煤巖煤質(zhì)特征

實(shí)驗(yàn)煤樣采自沁水盆地南部山西組3#煤層，分別采自伯方礦、成莊礦、李村礦、寺河礦、余吾礦及趙莊礦6個(gè)礦區(qū)。樣品為中高等變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，顯微煤巖組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主，含少量礦物組分（見(jiàn)表1。其中Romax為油浸最大鏡質(zhì)組反射率；未發(fā)現(xiàn)殼質(zhì)組組分）。

表1 煤巖煤質(zhì)參數(shù)

2 顯微裂隙成因類(lèi)型劃分

煤儲(chǔ)層中顯微裂隙肉眼難以辨識(shí)，須借助光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡方能觀察到。本文對(duì)沁水盆地南部煤巖樣品開(kāi)展了光學(xué)顯微觀測(cè)，并統(tǒng)計(jì)了樣品鏡下裂隙條數(shù)、裂隙密度及裂隙密度的分形維數(shù) （見(jiàn)表2。為直觀比較，將各采樣點(diǎn)裂隙條數(shù)統(tǒng)一換算成4cm2的鏡下裂隙條數(shù)，下述各圖表類(lèi)同）。

表2 裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，研究區(qū)顯微裂隙平均密度大于10條/cm2，顯微裂隙發(fā)育，裂隙密度分形維數(shù)均值近于2，復(fù)雜程度相對(duì)較高。不同采樣點(diǎn)裂隙發(fā)育和復(fù)雜程度差異較大，同一樣品不同類(lèi)型裂隙形貌特征也存在較大差異。因此，本文通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型裂隙的發(fā)育程度和形貌特征觀察和分析，探討顯微裂隙發(fā)育控制機(jī)理。

3 顯微裂隙發(fā)育特征

本文在借鑒和參考宏觀裂隙分類(lèi)的基礎(chǔ)上，結(jié)合顯微裂隙的發(fā)育特點(diǎn)和成因類(lèi)型，將顯微裂隙分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙。其中，內(nèi)生裂隙包括失水裂隙和靜壓裂隙，外生裂隙包括張裂隙、剪裂隙和壓裂隙［13-15］。

3.1 內(nèi)生裂隙

內(nèi)生裂隙主要由收縮應(yīng)力和上覆巖層靜壓力作用形成，根據(jù)其形成機(jī)制的不同，分為失水裂隙和靜壓裂隙，其發(fā)育密度和長(zhǎng)寬等形貌特征見(jiàn)圖1和表3。研究區(qū)內(nèi)生裂隙較發(fā)育，密度均值為4條/cm2，裂隙長(zhǎng)度短、寬度窄，連通性相對(duì)較差。

圖1 內(nèi)生裂隙發(fā)育密度

表3 內(nèi)生裂隙裂隙長(zhǎng)、寬特征μm

3.1.1 失水裂隙

失水裂隙多是在煤化作用初期，煤層在壓實(shí)、失水和固結(jié)等物理變化過(guò)程中形成［14］。觀察發(fā)現(xiàn)：采樣點(diǎn)失水裂隙密度均值為1.5條/cm2，裂隙較發(fā)育，裂隙長(zhǎng)、寬均較低，長(zhǎng)度主要分布于100～200 μm，寬度集中于5～10 μm；裂隙對(duì)煤巖組分選擇性不強(qiáng)，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組中均有發(fā)育，但鏡質(zhì)組中裂隙多于惰質(zhì)組；單根失水裂隙常呈S型孤立分布，植物胞腔附近的基質(zhì)鏡質(zhì)體中分布的失水裂隙常通常相對(duì)密集（見(jiàn)圖2a）。

3.1.2 靜壓裂隙

煤化作用過(guò)程中，由于不同顯微組分力學(xué)強(qiáng)度的差異，煤層在上覆巖層差異壓實(shí)作用下形成與層理近垂直的定向裂隙，即靜壓裂隙（見(jiàn)圖2b），多分布于鏡質(zhì)組中［14］。

圖2 內(nèi)生顯微裂隙發(fā)育情況

采樣點(diǎn)靜壓裂隙密度大于失水裂隙，平均2.4條/cm2，裂隙較發(fā)育；長(zhǎng)度集中于200～300 μm，寬度主要在5～10 μm，裂隙長(zhǎng)、寬波動(dòng)較大。靜壓裂隙通常不穿越煤巖組分，僅限于鏡質(zhì)組中，惰質(zhì)組條帶間的均質(zhì)鏡質(zhì)體中尤為發(fā)育，裂隙多呈短、直、定向特征，發(fā)育密集，裂隙間距小。靜壓裂隙的定向特征體現(xiàn)了垂向靜壓力作用，但又明顯受限于鏡質(zhì)組，尤其是均質(zhì)鏡質(zhì)體，說(shuō)明靜壓裂隙的形成還與鏡質(zhì)組形成與演化密切相關(guān)。

3.2 外生裂隙

外生裂隙主要受后期構(gòu)造應(yīng)力改造而成，發(fā)育程度受煤巖組分影響程度低，根據(jù)其力學(xué)性質(zhì)的不同，將外生裂隙分為張裂隙、剪裂隙和壓裂隙，其發(fā)育密度和長(zhǎng)寬等形貌特征見(jiàn)圖3和表4。

圖3 外生裂隙發(fā)育密度

表4 外生裂隙長(zhǎng)、寬特征μm

觀察研究發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)外生裂隙發(fā)育，裂隙密度、長(zhǎng)寬明顯高于內(nèi)生裂隙，連通性也好于內(nèi)生裂隙；不同采樣點(diǎn)外生裂隙發(fā)育類(lèi)型差別較大，這與不同采樣點(diǎn)所處構(gòu)造位置有關(guān)。外生顯微裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖4。

圖4 外生顯微裂隙發(fā)育情況

3.2.1 張裂隙

張裂隙是由張應(yīng)力作用而產(chǎn)生的啟開(kāi)狀裂隙［14］，在煤中普遍發(fā)育。裂隙發(fā)育程度不受煤巖組分制約，在鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組中均有發(fā)育。研究區(qū)張裂隙密度均值3.3條/cm2，裂隙發(fā)育；裂隙延伸長(zhǎng)，長(zhǎng)度集中于1 500～2 000 μm；開(kāi)口寬度大是張裂隙最大特點(diǎn)，裂隙寬度主要在10～25 μm，平均寬度高達(dá)24.73 μm；裂隙在均質(zhì)鏡質(zhì)體中相對(duì)平直，穿越不同煤巖組分常發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)和寬度變化（見(jiàn)圖4a）。

3.2.2 剪裂隙

剪裂隙是由剪應(yīng)力作用而產(chǎn)生的2組或多組共軛裂隙［14］。研究區(qū)剪裂隙密度均值3.5條/cm2，裂隙發(fā)育，但各采樣點(diǎn)裂隙密度差異較大，這與采樣點(diǎn)具體的構(gòu)造位置有關(guān)；裂隙長(zhǎng)度主要分布于1 000～1 500 μm，寬度集中于5～15 μm；剪切錯(cuò)動(dòng)十分普遍，可穿越不同煤巖組分，但優(yōu)先發(fā)育于鏡質(zhì)組。觀察還發(fā)現(xiàn)，裂隙性質(zhì)常發(fā)生轉(zhuǎn)換，早期形成的剪裂隙在后期構(gòu)造變形中，常發(fā)生先張后剪或先剪后張，形成張剪性裂隙（見(jiàn)圖4b）。

3.2.3 壓裂隙

壓裂隙是煤巖受擠壓作用而產(chǎn)生的閉合狀裂隙［14］，裂隙平直，延伸長(zhǎng)，不受煤巖組分束縛。研究區(qū)壓裂隙密度均值為3.25條/cm2，裂隙發(fā)育；裂隙長(zhǎng)度集中于1 000～1 500 μm；裂隙寬度低是其最大的特點(diǎn)，主要分布于5～10 μm，均值僅為7.44 μm。觀察發(fā)現(xiàn)一定量相對(duì)短小的壓裂隙，其分布密度大，延伸方向一致。除此之外，不同方向的壓裂隙常斜交，將煤塊切割成菱形塊體（見(jiàn)圖4c）。

4 討論

4.1 顯微裂隙形成機(jī)理

4.1.1 內(nèi)生裂隙

顯微煤巖組分作為煤儲(chǔ)層的重要特征，控制著煤儲(chǔ)層中裂隙密度、長(zhǎng)寬等形態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生裂隙中，失水裂隙和靜壓裂隙的密度與亞顯微組分——均質(zhì)鏡質(zhì)體體積分?jǐn)?shù)有很好的相關(guān)性（見(jiàn)圖5），與惰質(zhì)組等顯微組分無(wú)明顯相關(guān)，且鏡下發(fā)現(xiàn)內(nèi)生裂隙發(fā)育具有明顯的組分選擇性，優(yōu)先發(fā)育于鏡質(zhì)組，尤其是均質(zhì)鏡質(zhì)體。

圖5 內(nèi)生裂隙條數(shù)與均質(zhì)鏡質(zhì)體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體均由植物木質(zhì)纖維組織經(jīng)強(qiáng)烈凝膠化作用而形成。均質(zhì)鏡質(zhì)體為成分和形態(tài)均一的凝膠，而基質(zhì)鏡質(zhì)體經(jīng)徹底的凝膠化作用后，又經(jīng)分散作用形成溶膠，再混入形態(tài)分子或礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化成凝膠，成為凝膠化基質(zhì)［16］。由于殼質(zhì)組和礦物組分的混入，導(dǎo)致基質(zhì)鏡質(zhì)體中大孔和中孔相對(duì)發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，顯微脆度降低，不易形成內(nèi)生裂隙；而均質(zhì)鏡質(zhì)體結(jié)構(gòu)和成分均一，微孔更為發(fā)育，顯微脆度更高，受力更易破裂，故均質(zhì)鏡質(zhì)體更利于內(nèi)生裂隙發(fā)育。

失水裂隙始于煤化作用初期，隨著煤化作用進(jìn)行，溫度和壓力升高，煤基質(zhì)脫水脫揮發(fā)分，凝膠化組分收縮產(chǎn)生內(nèi)張力，形成失水裂隙。相比于惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組在覆水還原條件下經(jīng)凝膠化作用形成，氧、氫和揮發(fā)分含量高［17］，煤化作用過(guò)程中，脫水脫揮發(fā)分作用強(qiáng)，導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮產(chǎn)生的內(nèi)張力強(qiáng)，故失水裂隙優(yōu)先發(fā)育于鏡質(zhì)組中。

上覆巖層的差異壓實(shí)作用是靜壓裂隙產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿ΑＳ捎谏细矌r層靜壓力作用的均一性，靜壓裂隙延伸方向較為一致，裂隙間距也相近。且前人研究表明，鏡質(zhì)組顯微脆度明顯高于惰質(zhì)組［18］，微孔隙更為發(fā)育。煤化作用過(guò)程中，鏡質(zhì)組受上覆巖層靜壓力作用時(shí)，更易破裂，惰質(zhì)組由于其力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高，不易發(fā)生破裂，正是由于不同顯微組分力學(xué)強(qiáng)度不同導(dǎo)致的差異壓實(shí)作用，造成發(fā)育于鏡質(zhì)組中的靜壓裂隙終止于惰質(zhì)組，且裂隙發(fā)育相對(duì)短小密集（見(jiàn)圖6）。靜壓裂隙多發(fā)育惰質(zhì)組條帶間所夾的均質(zhì)鏡質(zhì)體中，而大面積展布的均質(zhì)鏡質(zhì)體，由于差異壓實(shí)作用影響程度微弱，靜壓裂隙發(fā)育程度相對(duì)較低。

圖6 靜壓裂隙

研究區(qū)煤樣屬中高變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，隨著煤化作用進(jìn)行（Romax＞1.3%），收縮內(nèi)應(yīng)力減少，生烴量急劇降低［19］，難以形成高壓流體，內(nèi)生裂隙發(fā)育終止，且隨著地應(yīng)力的增大，內(nèi)生裂隙逐漸閉合或消失，這也是研究區(qū)內(nèi)生裂隙發(fā)育程度相對(duì)較低的重要原因。

4.1.2 外生裂隙

外生裂隙是構(gòu)造應(yīng)力的產(chǎn)物，研究區(qū)外生裂隙發(fā)育與區(qū)域構(gòu)造演化密切相關(guān)。沁水盆地南部經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，尤其是燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。燕山期區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，在東西向擠壓應(yīng)力作用下，石炭系、二疊系和三疊系地層隨基地隆起而被抬升、褶皺，形成了軸向近南北的復(fù)式向斜，局部發(fā)育斷裂構(gòu)造，并遭受不同程度的剝蝕；喜山期區(qū)內(nèi)受鄂爾多斯盆地東緣走滑拉張應(yīng)力場(chǎng)作用，石炭-二疊系煤系地層繼續(xù)遭受剝蝕，定型于現(xiàn)今的構(gòu)造狀態(tài)。研究區(qū)強(qiáng)烈的擠壓、抬升及剝蝕作用，是外生裂隙發(fā)育程度高的重要原因。

同時(shí)，裂隙的繼承改造對(duì)外生裂隙的形成和發(fā)展也起著不可忽視的作用。根據(jù)裂隙繼承改造的方向不同，將外生裂隙的繼承改造劃分成延伸型、剪切型和拓張型3類(lèi)：

——延伸型繼承改造是指內(nèi)生裂隙受構(gòu)造張應(yīng)力作用，沿原裂隙方向進(jìn)一步延伸，穿越惰質(zhì)組分，繼承改造成為外生裂隙。內(nèi)生裂隙一般僅限于鏡質(zhì)組，難以穿越惰質(zhì)組分。在構(gòu)造張應(yīng)力作用下，內(nèi)生裂隙寬度增加，裂隙進(jìn)一步延伸，穿過(guò)惰質(zhì)組分時(shí)，由于鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組成分和力學(xué)性質(zhì)的差異，導(dǎo)致其延伸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)、波折復(fù)雜及寬度不穩(wěn)定。內(nèi)生裂隙通過(guò)構(gòu)造張應(yīng)力延伸與其他裂隙相連通，形成外生裂隙，甚至與外生裂隙相互貫穿，形成外生裂隙網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖7）。

圖7 裂隙延伸型繼承改造

——剪切型繼承改造是指外生裂隙受剪應(yīng)力作用，原裂隙在延伸方向上出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力改造特征。煤的彈性模量低、泊松比高，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，極易發(fā)生剪切改造，研究區(qū)剪裂隙發(fā)育，剪切變形和剪切錯(cuò)斷普遍。當(dāng)剪應(yīng)力較小時(shí)，裂隙仍舊完整，只是形態(tài)上呈現(xiàn)出S型或雁型剪切變形；當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)煤體抗剪強(qiáng)度后，裂隙發(fā)生剪切錯(cuò)斷，形成多條剪裂隙（見(jiàn)圖8a）。研究區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，剪切型繼承改造也存在多期次性，且和構(gòu)造張應(yīng)力共同作用，先期形成的剪裂隙在后期的構(gòu)造變形中被改造或疊加，裂隙由原來(lái)的純剪性裂隙演變成多條張剪性裂隙［20］（見(jiàn)圖8b）。

圖8 裂隙剪切型繼承改造

——拓張型繼承改造是指裂隙經(jīng)流體壓力作用，通過(guò)分叉派生，拓張改造成多條裂隙。拓張型繼承改造多以張裂隙為原裂隙，經(jīng)一級(jí)或多級(jí)分叉派生，并由此形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖9）。煤化作用過(guò)程中生成的大量烴類(lèi)氣體是裂隙分叉派生的重要?jiǎng)恿χ弧Ｓ捎诿簝?chǔ)層彈性模量和滲透率較低，煤化作用過(guò)程中產(chǎn)生的烴類(lèi)物質(zhì)以及補(bǔ)給的地下水在煤儲(chǔ)層裂隙中積聚，當(dāng)流體壓力超過(guò)煤體的抗張強(qiáng)度時(shí)，裂隙被進(jìn)一步張開(kāi)破裂和延伸［21］，加上流體流動(dòng)的多方向性，裂隙也向多個(gè)方向破裂和延伸，最終拓張形成多條裂隙。

圖9 裂隙拓張型繼承改造

4.2 判別裂隙類(lèi)型的意義

判別裂隙類(lèi)型、認(rèn)識(shí)不同類(lèi)型裂隙在煤儲(chǔ)層中的作用，對(duì)煤層氣富集成藏和勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

含氣性和滲透率是影響煤層氣富集成藏的重要因素，含氣性是煤層氣富集的集中體現(xiàn)，而滲透率是煤層氣運(yùn)移成藏的重要前提。沁水盆地南部3#煤層經(jīng)歷了燕山和喜山多期次、多方向的應(yīng)力改造，裂隙相對(duì)發(fā)育，且煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，多屬原生-碎裂結(jié)構(gòu)。裂隙相對(duì)發(fā)育有助于增加孔隙之間連通性，提高煤儲(chǔ)層滲透率。研究區(qū)生、儲(chǔ)條件良好，煤層氣易于運(yùn)移，利于煤層氣富集成藏［22-23］。

煤儲(chǔ)層裂隙的發(fā)育程度對(duì)煤層氣壓裂、排采等開(kāi)發(fā)過(guò)程起著決定性作用。裂隙作為煤儲(chǔ)層流體運(yùn)移和產(chǎn)出的主要通道，是儲(chǔ)層滲透率的決定性因素。內(nèi)生裂隙受組分制約，在煤儲(chǔ)層中局部連通，僅對(duì)局部滲透率有所貢獻(xiàn)；而外生裂隙中，壓性裂隙呈閉合狀，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)小，張裂隙和剪裂隙通常發(fā)育規(guī)模較大，且常穿越煤巖組分，構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)大。多數(shù)學(xué)者也認(rèn)為，外生裂隙是煤儲(chǔ)層滲透率的主要來(lái)源［24-25］。煤儲(chǔ)層壓裂過(guò)程中，裂隙相對(duì)發(fā)育的儲(chǔ)層，壓裂裂縫更易擴(kuò)展和延伸，儲(chǔ)層改造效果較好，同時(shí)也有利于排采初期壓裂液的返排，減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害。煤層氣排采過(guò)程中，裂隙發(fā)育儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較高，壓敏效應(yīng)、速敏效應(yīng)和賈敏效應(yīng)等儲(chǔ)層傷害也相對(duì)較低［26］。

5 結(jié)論

1）沁水盆地南部裂隙發(fā)育，均質(zhì)鏡質(zhì)體由于結(jié)構(gòu)和成分均一，微孔隙發(fā)育，顯微脆度高，內(nèi)生裂隙最為發(fā)育。

2）外生裂隙的形成和發(fā)展離不開(kāi)裂隙繼承改造，根據(jù)繼承改造的方向差異，將繼承改造類(lèi)型劃分為延伸型、剪切型和拓張型。

3）內(nèi)生裂隙僅在煤儲(chǔ)層局部連通，對(duì)滲透率貢獻(xiàn)有限；而外生裂隙中，張裂隙和剪裂隙發(fā)育規(guī)模大，裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)大。

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（編輯 李宗華）

Development characteristics,origins and significance of coal seam fractures under optical microscope:taking coal seam 3#in southern Qinshui Basin as an example

SUN Jiaguang1,ZHAO Xianzheng2,SANG Shuxun1,LIU Shiqi3,YANG Yanhui2
(1.MOE Key Laboratory of CBM Resource and Accumulation Process,School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.Shanxi CBM Branch,Huabei Oilfield Company,PetroChina,Changzhi 048000, China;3.Low Carbon Energy Research Institute,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Based on the optical microscope observation,correlation between macerals of 3#coal seam in southern Qinshui Basin and its endogenic fractures is analyzed.Classification on inheritance and transformation of exogenetic fractures is also studied.The result shows that the cause of endogenic fractures is manifested by the mechanical strength of maceral and internal tension during coalification.Endogenic fractures are mostly developed in telocollinite because of its homogeneous structure and composition, developed micropores and high microscopic brittleness.Types of exogenetic fractures are classified into three types:extension pattern,shearing pattern and expansion pattern according to their direction difference.Separation fractures and shear fractures have great contribution to the reservoir permeability for their large development scale and developed fracture network.The research on characteristics and origin of coal reservoir fractures can help us to recognize the significance of fractures to coalbed methane accumulation and exploration.

micro fracture;genetic type;development characteristics;coal reservoir;Qinshui Basin

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深部煤層CO2地質(zhì)存儲(chǔ)與CH4強(qiáng)化開(kāi)采的有效性理論研究”（41330638）、“高階煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)三維模型構(gòu)建及其CO2注入的地球化學(xué)響應(yīng)”（41402135）、“煤層氣-煤型氣疊合型氣藏成藏機(jī)理與地質(zhì)預(yù)測(cè)方法研究”（41272154）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“煤層氣開(kāi)發(fā)多分支水平井控制機(jī)理”（2009CB219608）；中國(guó)石油重大科技專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用”（2013E-2205）

TE122

A

10.6056/dkyqt201606011

2016-03-26；改回日期：2016-08-29。

孫家廣，男，1992年生，在讀碩士研究生，主要從事煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)與工程研究。E-mail：1449305306@qq.com。

孫家廣，趙賢正，桑樹(shù)勛，等.基于光學(xué)顯微觀測(cè)的煤層裂隙發(fā)育特征、成因及其意義：以沁水盆地南部3#煤層為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：738-744.

SUN Jiaguang，ZHAO Xianzheng，SANG Shuxun，et al.Development characteristics,origins and significance of coal seam fractures under optical microscope：taking coal seam 3#in southern Qinshui Basin as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：738-744.