圍巖與煤儲(chǔ)層構(gòu)造節(jié)理發(fā)育關(guān)系研究

張曉飛

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 030000)

煤儲(chǔ)層中的節(jié)理裂隙是煤層氣運(yùn)移到井筒的主要通道，對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透性具有極其重要的控制作用。一直以來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者很重視對(duì)煤儲(chǔ)層中裂隙的研究。Ramos抓住P波振幅隨方位角變化這一特征來對(duì)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育方向和密度進(jìn)行預(yù)測(cè)；李小彥等提出主裂隙與次裂隙的概念，為預(yù)測(cè)儲(chǔ)層滲透性提供了一種方法；秦勇等對(duì)沁水盆地煤儲(chǔ)層中外生裂隙進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層中的外生節(jié)理與其頂板中的優(yōu)勢(shì)節(jié)理發(fā)育方向近乎正交；馬財(cái)林等通過野外地質(zhì)剖面觀測(cè)、遙感地質(zhì)解釋及巖石聲發(fā)測(cè)試等手段來對(duì)研究區(qū)不同位置裂隙密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而對(duì)煤儲(chǔ)層高滲地區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)劃分；王生維、侯光久等根據(jù)成莊礦煤儲(chǔ)層中的節(jié)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律，提出煤儲(chǔ)層節(jié)理裂隙系統(tǒng)具有明顯的方向性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)研究方法和技術(shù)方面已經(jīng)探索出了一些方法，并在實(shí)際生產(chǎn)過程中取得了一定的效果，但是由于方法的單一性和研究區(qū)域的局限性，導(dǎo)致得到的理論成果所具有的普遍實(shí)用性和系統(tǒng)性還不夠，尚不能滿足我國(guó)大規(guī)模勘探開發(fā)煤層氣的需求。如何建立一種通用或者適合大多數(shù)煤層氣開發(fā)的裂隙系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，揭示圍巖與煤儲(chǔ)層節(jié)理裂隙對(duì)應(yīng)發(fā)育關(guān)系，對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)和煤層氣開發(fā)具有指導(dǎo)和實(shí)踐意義。

1 地質(zhì)背景

阜康白楊河礦區(qū)位于烏魯木齊市以東100km，礦區(qū)東以白楊河為界，與阜康市大黃山煤礦七號(hào)井相鄰。基巖呈半出露的狀態(tài)，地層傾角44°～54°，出露地層從老到新為中生界三疊系黃山街組、下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組和新生界第四系。構(gòu)造上位于博格多復(fù)背斜，北天山褶皺帶以北，準(zhǔn)噶爾坳陷區(qū)以南的黃山—二工河向斜的北翼，總體構(gòu)造為地層南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻麰W向，按構(gòu)造復(fù)雜程度的級(jí)別劃分為簡(jiǎn)單構(gòu)造。

2 研究方法

2.1 地表圍巖構(gòu)造節(jié)理填圖技術(shù)

在系統(tǒng)收集、整理區(qū)域地質(zhì)背景和構(gòu)造背景的基礎(chǔ)上，選取煤層露頭出露較好或基巖大片出露的區(qū)域，進(jìn)行地表構(gòu)造節(jié)理填圖，對(duì)選定測(cè)點(diǎn)的所有節(jié)理的產(chǎn)狀、密度、延伸長(zhǎng)度進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，以及對(duì)節(jié)理間的交切、互切、限制關(guān)系進(jìn)行精確的描述。本次選取450個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀察并測(cè)量節(jié)理4500余條，繪制區(qū)內(nèi)基巖中構(gòu)造節(jié)理玫瑰花圖。

2.2 礦井開采工作面觀測(cè)技術(shù)

沿井下工作面順槽對(duì)煤層斷面進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，觀察和測(cè)定工作面煤壁上的可見裂隙發(fā)育特征，如裂隙發(fā)育的規(guī)模、產(chǎn)狀(裂隙的傾向和傾角)，是否穿層，裂隙中是否被礦物充填等，最終繪制阜康礦區(qū)主采煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征圖。結(jié)合區(qū)內(nèi)構(gòu)造節(jié)理玫瑰花圖分析，從而確定研究區(qū)主要構(gòu)造裂隙發(fā)育的走向。

3 構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育關(guān)系

3.1 圍巖構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育特征

基于礦區(qū)地表巖層節(jié)理產(chǎn)狀的系統(tǒng)測(cè)量與數(shù)據(jù)整理，可見白楊河區(qū)塊地表發(fā)育的構(gòu)造節(jié)理面平直、以剪節(jié)理為主，張性節(jié)理發(fā)育較弱。主要以中、高傾角為主，直立或高傾角節(jié)理，占絕大多數(shù)，中低傾角的節(jié)理占少部分。

通過系統(tǒng)測(cè)量與整理研究區(qū)地表巖層中節(jié)理裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，得出本區(qū)走向?yàn)?0°～40°(NNE～NE)方向的節(jié)理最為發(fā)育，其次為走向?yàn)?50°～180°(NNW～NW)方向的節(jié)理，70°～110°(EW)節(jié)理發(fā)育相對(duì)較差。走向NNE～NE與走向NNW～NW節(jié)理為該區(qū)的優(yōu)勢(shì)節(jié)理。

圖1 圍巖節(jié)理走向玫瑰花圖

3.2 煤儲(chǔ)層構(gòu)造節(jié)理裂隙裂隙發(fā)育特征

本區(qū)地表露頭煤層中發(fā)育3組節(jié)理，其中走向NNE(平均36°)方向的節(jié)理最為發(fā)育，為優(yōu)勢(shì)節(jié)理；走向約為NNW(平均155°)方向的節(jié)理次之；近EW方向的節(jié)理相對(duì)較少。井下煤儲(chǔ)層中節(jié)理的走向?yàn)樽呦騈NE向(10°～50°)，NNW(155°～180°)及EW向(70°～90°)節(jié)理，其中，前兩組節(jié)理相對(duì)發(fā)育較多。

圖2 煤儲(chǔ)層構(gòu)造節(jié)理走向玫瑰花圖

對(duì)比采煤工作面與地表煤層露頭中的節(jié)理，發(fā)現(xiàn)地表煤層露頭與井下采煤工作面中節(jié)理的優(yōu)勢(shì)方向基本一致。

3.3 發(fā)育特征對(duì)比

3.3.1 優(yōu)勢(shì)方向?qū)Ρ?/p>

通過對(duì)比煤層與其上覆或下伏圍巖層中節(jié)理的產(chǎn)狀，發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)層與其圍巖層節(jié)理的優(yōu)勢(shì)基本一致，反映了煤儲(chǔ)層和圍巖層裂隙發(fā)育的相關(guān)性。因此，可根據(jù)地表圍巖層中節(jié)理發(fā)育的方向特征，來預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層中構(gòu)造節(jié)理裂隙方向的發(fā)育特征。

3.3.2 發(fā)育密度特征對(duì)比

節(jié)理的發(fā)育特征受到巖性、層厚及構(gòu)造應(yīng)力大小的影響。在構(gòu)造部位一定的情況下，巖性的發(fā)育密度受巖性及層厚的影響。由于白楊河礦區(qū)經(jīng)歷相同的構(gòu)造變形史，則相同層厚的煤層與砂巖層之間節(jié)理發(fā)育線密度的差異主要源于巖性的不同。對(duì)比圍巖與煤儲(chǔ)層中構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的密度，發(fā)現(xiàn)節(jié)理在煤儲(chǔ)層中更為發(fā)育。

3.3.3 實(shí)例解剖

野外圍巖與煤儲(chǔ)層露頭位于同一個(gè)構(gòu)造位置，受同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境影響。因此，通過觀測(cè)野外圍巖與煤儲(chǔ)層露頭中節(jié)理裂隙的發(fā)育特征，即可揭示同一構(gòu)造層背景下圍巖與煤儲(chǔ)層中構(gòu)造節(jié)理發(fā)育關(guān)系。

野外露頭1：地層傾角45°，可直觀地觀測(cè)倍面中各節(jié)理的發(fā)育特征。通過統(tǒng)計(jì)剖面中煤儲(chǔ)層及其上覆和下伏圍巖層不同巖性中節(jié)理產(chǎn)狀、線密度和巖層厚度，發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)層與頂、底板圍巖中構(gòu)造節(jié)理的產(chǎn)狀基本一致，但是煤儲(chǔ)層中構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的密度明顯的大于上覆或下伏的砂巖與泥巖層(表1)。

表1 剖面節(jié)理統(tǒng)計(jì)表

野外露頭2：中砂巖薄夾層與上覆和下伏的煤層露頭，巖層產(chǎn)狀176°∠46°，在上覆煤層中節(jié)理的產(chǎn)狀與發(fā)育密度為290°∠81°(13條/m)。在中砂巖中節(jié)理的產(chǎn)狀為295°∠79°(6條/m)。下伏薄煤層節(jié)理產(chǎn)狀與密度為312°∠58°(12條/m)。從露頭可見，節(jié)理在煤層與中砂巖層發(fā)育的產(chǎn)狀基本一致，在煤層中發(fā)育的密度較大。

經(jīng)過野外露頭觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在同一構(gòu)造層背景下，煤層中構(gòu)造節(jié)理與其圍巖層中節(jié)理的產(chǎn)狀基本一致，只是發(fā)育密度及延伸長(zhǎng)度的不同。煤儲(chǔ)層中節(jié)理發(fā)育更為密集，但延伸長(zhǎng)度小；砂巖層中節(jié)理延伸較長(zhǎng)，但大部分節(jié)理終止于煤層和圍巖層界面處，少部分節(jié)理進(jìn)入煤層繼續(xù)延伸。在野外露頭發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和理論上基本一致。因此可以通過地表露頭、礦井下巖層與煤層節(jié)理裂隙的觀察測(cè)量，對(duì)煤儲(chǔ)層節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3.3.4 煤儲(chǔ)層構(gòu)造節(jié)理裂隙預(yù)測(cè)

根據(jù)地表圍巖和煤儲(chǔ)層露頭中節(jié)理觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)煤儲(chǔ)層中節(jié)理發(fā)育NNE～NE、NNW～NW向和近EW向三組節(jié)理。節(jié)理發(fā)育較為密集，呈帶狀分布的特點(diǎn)，發(fā)育密度以30～40條/m常見。節(jié)理以層內(nèi)節(jié)理為主，延伸距離以0.1～2m的小型節(jié)理非常發(fā)育，而延伸長(zhǎng)度大于5m的節(jié)理非常少見。經(jīng)白楊河七號(hào)井煤礦39號(hào)、41號(hào)、42號(hào)煤儲(chǔ)層實(shí)際觀測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)基本一致。