近直立煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)及優(yōu)勢(shì)滲流通道特征研究

張洲 鮮保安 周敏

摘 ? 要：為系統(tǒng)研究近直立煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征，利用新疆庫拜煤田中部近直立煤儲(chǔ)層地表出露良好和生產(chǎn)礦井煤儲(chǔ)層裂隙便于觀測的有利條件，采用地表高精度構(gòu)造裂隙填圖和礦井煤儲(chǔ)層裂隙觀測技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室掃描電鏡和偏光顯微鏡觀測方法，研究了近直立煤儲(chǔ)層宏觀和微觀裂隙系統(tǒng)的發(fā)育特征。研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)層面裂隙和外生裂隙延伸長、寬度大，是煤層氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)滲流通道。同時(shí)分析了不同埋深條件下地應(yīng)力場狀態(tài)，闡明了研究區(qū)3種優(yōu)勢(shì)滲流通道分布特征為：①670 m以淺，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)镹NW、NNE向;②670 m左右，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W、NNW和NNE向;③670 m以深，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W向。解釋了層面裂隙、外生裂隙、內(nèi)生裂隙和微裂隙的形成原因，揭示了滲流通道的形成模式，為研究區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供了地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：庫拜煤田;煤層氣;裂隙;滲流通道;優(yōu)勢(shì)方向;近直立煤儲(chǔ)層

新疆庫拜煤田是重要的煤層氣新開發(fā)區(qū)塊，經(jīng)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[1]，中部地區(qū)煤層近直立分布，與研究較為深入的沁南和鄂東區(qū)塊近水平煤層有顯著區(qū)別。前人認(rèn)為煤層氣的滲流通道即為煤層裂隙系統(tǒng)，主要由外生裂隙、內(nèi)生裂隙和微裂隙構(gòu)成，其優(yōu)勢(shì)分布特征對(duì)儲(chǔ)層滲透性、井位布置、井型選擇、裂隙延展、煤層氣井產(chǎn)量有重要影響[2-3]。常采用的方法有應(yīng)力分析、地震波方法、分形研究、數(shù)值模擬等[4-8]，研究成果主要集中在裂隙成因、分類、礦物充填、裂隙描述、對(duì)滲透性、含氣量或產(chǎn)能的影響等方面。庫拜煤田煤層氣地質(zhì)研究基礎(chǔ)薄弱，前人尚未對(duì)近直立煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)、優(yōu)勢(shì)滲流通道分布特征和形成模式進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

庫拜煤田中部煤層天然露頭良好，且有正在開采的礦井，為該區(qū)儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)的研究提供了有利條件。在地表采用高精度構(gòu)造裂隙填圖技術(shù)，在礦井下采用儲(chǔ)層裂隙精細(xì)對(duì)比解剖技術(shù)研究裂隙系統(tǒng)中的宏觀裂隙[9];同時(shí)采集煤巖樣品在室內(nèi)采用掃描電鏡和偏光顯微鏡研究微觀裂隙;結(jié)合研究區(qū)煤層氣井原地應(yīng)力測試資料，闡明近直立煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)滲流通道不同埋深的分布特征，為研究區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 ?研究區(qū)地質(zhì)背景

庫拜煤田中部地區(qū)地層走向近EW向，傾向178°～184°，傾角80°～89°，近直立分布。煤田由F1逆斷層和F2正斷層構(gòu)成邊界，南部有大型褶皺。主采煤層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組（J1t）A5、A7煤層，其中A5煤層厚度為2.06～10.72 m，平均7.96 m;A7煤層厚度為1.85～7.02 m，平均2.95 m。研究區(qū)煤儲(chǔ)層天然露頭良好，為研究裂隙系統(tǒng)提供了有利條件（圖1）。

2 ?煤層裂隙系統(tǒng)特征

本文研究的煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)為天然裂隙系統(tǒng)，由外生裂隙（構(gòu)造裂隙）、層面裂隙、內(nèi)生裂隙（面割理和端割理）和微裂隙構(gòu)成。這4種裂隙發(fā)育尺度由大到小，從宏觀到微觀，構(gòu)成了煤層氣的天然滲流通道。

2.1 ?外生裂隙

庫拜煤田中部礦區(qū)A5、A7煤層的產(chǎn)狀約為175°∠85°;在地表采用高精度的構(gòu)造裂隙填圖技術(shù)，測量煤儲(chǔ)層天然露頭中外生裂隙的產(chǎn)狀;在礦井下（采深350 m）測量煤壁上外生裂隙的產(chǎn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地表與井下外生裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向相同，在A5煤層中外生裂隙可見3組：255°∠86°，115°∠44°，2～4條/m，延伸性好，發(fā)育規(guī)則，幾乎貫穿可見范圍，另1組外生裂隙產(chǎn)狀為20°∠30°，發(fā)育較少。在A7煤層中外生裂隙主要發(fā)育3組：261°∠83°， ? 105°∠55°，發(fā)育形態(tài)規(guī)則，延伸遠(yuǎn)，而35°∠45°，較少見，在局部地方裂隙有略微變形（圖2-C，D）。

從外生裂隙產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)中得到，研究區(qū)A5、A7煤層中，無論地表還是井下構(gòu)造裂隙各個(gè)方向都有發(fā)育，但其優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NE向和NNW向。

2.2 ?內(nèi)生裂隙

煤中的內(nèi)生裂隙又稱為割理，分為端割理和面割理，主要發(fā)育于鏡煤和亮煤中。內(nèi)生裂隙長度為厘米級(jí)，可測量其長度，產(chǎn)狀和密度。通過煤儲(chǔ)層地表露頭和礦井下的測量，發(fā)現(xiàn)A5、A7煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙發(fā)育主要為2個(gè)方向：273°∠83°，232°∠15°，密度為5～20條/10 cm，長1～10 cm（圖2-A，B）。

2.3 ?微裂隙

在研究區(qū)的溫州礦和大宛其礦井下采集A5和A7煤儲(chǔ)層樣品，在室內(nèi)采用FEIQuanta 250場發(fā)射掃描電鏡和偏光顯微鏡Zeiss Axioskop 40研究煤儲(chǔ)層中微裂隙。A5和A7樣品在掃描電鏡下可見微裂隙截切錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象（圖3-A），微裂隙追蹤現(xiàn)象（圖3-B），部分微裂隙的截切與錯(cuò)動(dòng)構(gòu)成了網(wǎng)格狀微裂隙系統(tǒng) ? （圖3-C），部分微裂隙構(gòu)成了樹枝狀微裂隙系統(tǒng) ? ? ? ?（圖3-D），提高了滲流通道的導(dǎo)流能力;此外，部分微裂隙被黃鐵礦充填（圖3-E），部分微裂隙被方解石充填（圖3-F），這對(duì)煤層氣的滲流不利，但在煤樣鏡下觀測中，微裂隙充填的比例只占9%（表1），對(duì)煤層氣的運(yùn)移影響不大。

在偏光顯微鏡下觀測微裂隙的長度和寬度，可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4類（表1）[10]。研究區(qū)A5、A7煤儲(chǔ)層微裂隙密度為246～386條/9 cm2，平均323條/9 cm2，主要發(fā)育Ⅲ、Ⅳ型微裂隙，占比為40%和49%;Ⅰ型和Ⅱ型發(fā)育較少，或不發(fā)育，占比為1%和11%。在鏡下觀察，約9%微裂隙被方解石和黃鐵礦等充填，較少見到煤粉充填，對(duì)煤層氣開發(fā)較有利。

2.4 ?層面裂隙

在研究區(qū)地表和煤礦井下煤儲(chǔ)層中，層面裂隙極發(fā)育，主要為不同煤巖分層形成的層面裂隙。層面裂隙產(chǎn)狀與煤層產(chǎn)狀近似一致，約為175°∠85°，在局部地方會(huì)有變形（圖1）。

在沁南和鄂東地區(qū)近水平煤儲(chǔ)層中層面裂隙在上覆巖層的壓力下，一般是處于閉合的狀態(tài);但在研究區(qū)煤儲(chǔ)層近似直立，延伸性好，貫通可見范圍內(nèi)的煤層，層面裂隙的密度一般為5～20條/m，寬度為1～5 mm，發(fā)育規(guī)模和發(fā)育密度遠(yuǎn)大于其他類型裂隙，是煤層氣運(yùn)移的主要通道，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麰W向。

3 ?滲流通道形成原因

研究區(qū)層面裂隙和外生裂隙是滲流通道的主干，內(nèi)生裂隙是分支，微裂隙是細(xì)枝，各種裂隙相互連接構(gòu)成了煤層氣流體的運(yùn)移通道。煤巖中最小的裂隙為微裂隙，長度為微米級(jí)。微裂隙不是滲流通道的主干通道，但為孔隙與宏觀裂隙之間的橋梁。微裂隙在鏡質(zhì)組中發(fā)育廣泛，形態(tài)各異，有呈直線狀或折線狀，有呈樹枝狀或網(wǎng)格狀，有時(shí)相互平行或相交;微裂隙以張性裂隙為主。微裂隙的發(fā)育受多種因素影響，但最主要的還是受煤巖顯微組分的控制作用[11-12]。圖4中藍(lán)色區(qū)域?yàn)殓R煤條帶，微裂隙較發(fā)育，當(dāng)出了該條帶后，微裂隙急劇減少。

內(nèi)生裂隙的形成過程為：煤變質(zhì)過程中在鏡煤條帶上的均質(zhì)鏡質(zhì)體形成高壓流體不能有效排出，從而形成異常高壓流體微單元，此時(shí)的高壓流體將集中選擇合適的路徑和最薄弱的環(huán)節(jié)逸出，因此高壓流體沿著垂直于層理面的微裂隙大量散逸，微裂隙在高流體壓力下破碎并匯合成宏觀的內(nèi)生裂隙。外生裂隙為構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤體作用的產(chǎn)物，發(fā)育于煤層的任何部位及任何煤級(jí)中，其產(chǎn)狀由構(gòu)造應(yīng)力控制。研究區(qū)由構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的外生裂隙，無論是在地表還是礦井下，煤巖或圍巖中，優(yōu)勢(shì)方向都為NNW向、NNE向。

煤巖作為沉積巖的一種，具典型的沉積巖層理構(gòu)造，根據(jù)煤的顏色、光澤、硬度、密度、煤巖成分等物理性質(zhì)，劃分宏觀煤巖類型小分層。小分層之間的層面是煤巖的構(gòu)造軟弱面，在應(yīng)力條件合適的條件下，容易破裂形成層面裂隙。

4 ?煤儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)滲流通道分布特征

煤層氣井獲得高產(chǎn)的必要條件是高含氣量和高滲透性，其中高滲透性的條件是裂隙發(fā)育適中且地應(yīng)力狀態(tài)有利于主干裂隙的張開[13]。為研究不同埋深地應(yīng)力狀態(tài)，通過收集研究區(qū)現(xiàn)有的3口煤層氣井原地應(yīng)力測試資料（表2），分析深部地應(yīng)力狀態(tài)。通過研究區(qū)的原地應(yīng)力測試資料，埋深在572～947 m間的煤儲(chǔ)層，儲(chǔ)層壓力，破裂壓力，閉合壓力總體規(guī)律為隨著埋深的增加而增大。依據(jù)收集到的資料，對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

從研究區(qū)地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果得到，埋深從淺到深，地應(yīng)力狀態(tài)從σH>σV>σh即大地動(dòng)力場（地應(yīng)力狀態(tài)為壓縮狀態(tài)）逐步變化為σH≈σV>σh即大地準(zhǔn)靜水壓力場（地應(yīng)力狀態(tài)從壓縮向拉張狀態(tài)過渡），然后再逐步變化為σV>σH>σh即大地靜力場（地應(yīng)力狀態(tài)為拉張狀態(tài)）。

煤儲(chǔ)層中發(fā)育近EW向的層面裂隙和近NNW、NNE向的外生裂隙，但儲(chǔ)層壓力遠(yuǎn)小于閉合壓力，即儲(chǔ)層中存在的各種裂隙均處于閉合狀態(tài)，該狀態(tài)防止了煤層氣散逸，保證了深部煤儲(chǔ)層中煤層氣的賦存與富集;隨著埋深增加，儲(chǔ)層壓力增加，含氣量增大。天然存在的層面裂隙和外生裂隙及不同埋深的地應(yīng)力狀態(tài)控制了儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)滲流通道的3種分布特征：①670 m以淺，近NS向的最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力方向，垂直于層面裂隙，表現(xiàn)為大地動(dòng)力場，外生裂隙是其主要滲流通道，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)镹NW、NNE向;②約670 m，最大水平主應(yīng)力近似等于垂直主應(yīng)力，表現(xiàn)為大地準(zhǔn)靜水壓力場，主要滲流通道是層面裂隙和外生裂隙，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W、NNW和NNE向;③670 m以深，垂直主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，表現(xiàn)為大地靜力場，有利于層面裂隙張開，因此層面裂隙是主要滲流通道，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W向。

5 ?結(jié)論

（1） 在新疆庫拜煤田中部地區(qū)采用地表高精度構(gòu)造裂隙填圖技術(shù)和煤礦井下煤儲(chǔ)層裂隙觀測技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室掃描電鏡和偏光顯微鏡觀測，研究了煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)的發(fā)育特征，分析了微裂隙、內(nèi)生裂隙、外生裂隙和層面裂隙的發(fā)育特征及形成原因，發(fā)現(xiàn)了層面裂隙和外生裂隙延伸長、寬度大，是優(yōu)勢(shì)滲流通道。

（2） 研究了層面裂隙和外生裂隙的優(yōu)勢(shì)方向和不同埋深條件下地應(yīng)力場狀態(tài)，闡明了研究區(qū)3種優(yōu)勢(shì)滲流通道分布特征：①670 m以淺，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)镹NW、NNE向;②670 m左右，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W、NNW和NNE向;③670 m以深，優(yōu)勢(shì)滲流方向?yàn)榻麰W向;為研究區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供了地質(zhì)依據(jù)。

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Abstract：Taking advantage of the favorable conditions of good surface exposure of near vertical coal reservoir in the central Kuba coalfield in Xinjiang and the favorable condition of producing coal reservoir fissures for easy observation， the surface high precision structural fissures mapping and the observation technique of coal reservoir fissures are adopted.Based on the observation methods of scanning electron microscope and polarizing microscope in laboratory，the development characteristics of macroscopic and microscopic fracture systems in near-vertical coal reservoirs are studied.It is found that the extension and width of layer fracture and exogenetic fissure in the study area are long and wide， which is the dominant seepage channel. At the same time，the state of in-situ stress field under different buried depths is analyzed. The distribution characteristics of three dominant seepage channels in the study area are： ①lessthan 670 m，dominant direction is NNW，NNE;② around 670 m，dominant direction is EW， NNW and NNE;③ deeper than 670 m，dominant seepage direction is near EW direction.

Key words：Kubai coal field;Coalbed Methane;Fracture;Seepage channel;Dominant direction;Near vertical coal reser ? ?voir