韓城礦區(qū)煤層氣富集的構(gòu)造控制與開發(fā)模式研究

鄭 超，馬東民，夏玉成，陳 躍，李衛(wèi)波

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；4.陜西省地質(zhì)科技中心，陜西 西安 710054)

與煤層相伴相生的煤層氣作為清潔能源越來越受到行業(yè)的重視。研究表明，控制煤層氣生儲富集的因素眾多。一般而言，構(gòu)造、水文和沉積條件被認(rèn)為是控制煤層氣賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素，其中構(gòu)造以及構(gòu)造動力條件制約著其他因素，是控制煤層氣富集成藏的根本要素[1-3]。

韓城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層氣(瓦斯)含量較高，礦井瓦斯是制約礦井綠色安全開采的關(guān)鍵因素，與此同時，韓城礦區(qū)亦是鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開發(fā)示范試點區(qū)。現(xiàn)有對韓城礦區(qū)煤層氣的研究成果主要集中在韓城礦區(qū)煤層氣的含氣性、儲層特征、富集條件及儲層強化技術(shù)等方面[4-8]，而韓城礦區(qū)最顯著的特點在于其構(gòu)造的復(fù)雜性，構(gòu)造控氣的特征明顯。構(gòu)造控氣主要表現(xiàn)為區(qū)域構(gòu)造背景及其演化控制著煤層氣聚集區(qū)帶的形成和分布[9]；不同構(gòu)造樣式及其所控制的保存條件是影響煤層氣富集的主導(dǎo)因素[10]；構(gòu)造動力通過對儲層孔隙-裂隙系統(tǒng)的影響，控制了煤儲層滲透性及開發(fā)難度[11]。構(gòu)造不僅可以通過構(gòu)造演化及構(gòu)造樣式[12]對煤層氣賦存具有直接控制作用，而且可以通過水文地質(zhì)條件間接控制煤層氣的賦存[13]。因此，本文以構(gòu)造為主線，分析韓城礦區(qū)構(gòu)造控氣的關(guān)鍵因素，揭示構(gòu)造與煤層氣富集成藏、開發(fā)的關(guān)系，提出合理的開發(fā)模式，以期為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域煤層氣科學(xué)高效開發(fā)及礦井瓦斯防治提供地質(zhì)依據(jù)和技術(shù)保障。

1 韓城礦區(qū)構(gòu)造控氣特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造賦存特征

韓城礦區(qū)的構(gòu)造條件深刻影響著煤層氣的富集與產(chǎn)出，以及礦井瓦斯地質(zhì)災(zāi)害。韓城礦區(qū)受區(qū)域構(gòu)造控制，整體為北西向傾斜的單斜構(gòu)造，其內(nèi)斷裂構(gòu)造與褶皺構(gòu)造均較發(fā)育，但空間分布差異明顯(圖1)。構(gòu)造格局呈現(xiàn)出“東西分帶，南北分塊”[14]，即東西向從東南邊淺部向北西向單斜深部，根據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度結(jié)合煤層埋藏深度劃分為：東南邊淺部隆起斷裂帶(<400m)、中部過渡帶(400～800m)、深部斜坡帶(>800m)[4]。南北向以薛峰北斷裂帶及文家?guī)X同沉積背斜為界分為南區(qū)和北區(qū)[5]。從斷裂構(gòu)造的發(fā)育形式看，北區(qū)擠壓構(gòu)造形跡發(fā)育較多、以層滑構(gòu)造為主，方向以北東-南西向為主；南區(qū)拉伸構(gòu)造形跡占據(jù)主導(dǎo)、以切層斷層為主，主導(dǎo)方向為北東-南西向和東西向，表現(xiàn)為“南斷北滑”的特點[6]。礦區(qū)主要構(gòu)造變形帶為分布在東南緣的逆沖推覆構(gòu)造，整體呈現(xiàn)出“東強西弱、南強北弱、邊淺部復(fù)雜、中深部簡單”的規(guī)律[14]。

圖1 韓城礦區(qū)構(gòu)造綱要

1.2 構(gòu)造對煤層氣成因的控制

聚煤盆地的沉降與抬升對煤層氣的富集成藏至關(guān)重要。韓城礦區(qū)先后經(jīng)歷了晚石炭世—中三疊世的區(qū)域性整體沉降、晚三疊世—中新世的不均勻抬升和上新世—第四紀(jì)的局部沉降。晚古生代以來，韓城礦區(qū)總沉降量在1300m以上(圖2)。晚三疊世開始的不均勻抬升運動表現(xiàn)出東強西弱、北早南晚的規(guī)律，總抬升量在600m以上。受同沉積構(gòu)造與深成變質(zhì)作用控制，由東南向西北方向變質(zhì)程度逐漸增加(圖2)，西北區(qū)域煤變質(zhì)程度高且分布范圍大，廣泛發(fā)育貧煤和無煙煤，東南與東北局部發(fā)育貧煤，中、南部地區(qū)發(fā)育瘦煤，焦煤少見，西南薛峰井田以貧煤為主。

圖2 韓城礦區(qū)鉆孔沉降史曲線

11#煤在中深部變質(zhì)程度高，普遍達(dá)到高階煤，以王峰和薛峰井田為代表；但是礦區(qū)東部邊淺部，尤其在東南與東北部分區(qū)域普遍存在較高煤級煤(圖3)。反映出東南邊淺部受復(fù)雜的構(gòu)造作用，即在深成變質(zhì)基礎(chǔ)上疊加了動力變質(zhì)作用。

圖3 11#煤層煤級分布

因此，韓城礦區(qū)石炭-二疊紀(jì)含煤巖系沉積之后，首先經(jīng)歷了大幅度的沉降，在地下深處較高溫壓環(huán)境下發(fā)生深成變質(zhì)作用、并伴生大量煤層氣。中生代中晚期以北西向擠壓為特征的燕山運動使本區(qū)形成沿北西向傾斜的單斜構(gòu)造，東南部的含煤巖系強烈抬升遭受剝蝕和變形[14]，大氣降水及地表水在邊淺部攜帶細(xì)菌沿煤層露頭下滲流經(jīng)煤層，生成次生生物煤層氣。根據(jù)甲烷碳同位素(δ13CPDB)判別指標(biāo)，韓城礦區(qū)桑樹坪、下峪口和象山井田碳同位素(δ13CPDB)在-70.1‰～-48.0‰(表1)，從煤層氣成因上看，這三大井田的煤層氣為熱成因氣疊加次生生物氣[15]，中深部的薛峰井田和王峰井田為典型的熱成因氣[4]。

表1 韓城礦區(qū)碳同位素測試結(jié)果

2 構(gòu)造對煤層氣儲保的作用

韓城礦區(qū)11#煤層作為主采煤層且全區(qū)分布，受控于“南斷北滑，東強西弱”構(gòu)造背景，煤層構(gòu)造變形強烈。北區(qū)普遍發(fā)育寬緩褶皺，煤層呈現(xiàn)波狀起伏，褶皺型層滑作用相對強烈，普遍發(fā)育較高煤級的構(gòu)造煤(圖4)。南區(qū)斷裂和褶皺構(gòu)造均比較發(fā)育(圖5)。斷層形成地壘和地塹等組合形式；褶皺構(gòu)造的波幅較大。斷層造成了煤層的減薄甚至斷失；背斜區(qū)構(gòu)造變形相對較強。小斷層多表現(xiàn)為頂斷底不斷和底斷頂不斷，因斷裂型層滑作用，局部形成構(gòu)造煤。

圖4 韓城礦區(qū)北區(qū)構(gòu)造控煤模式

圖5 韓城礦區(qū)南區(qū)構(gòu)造控煤模式

從11#煤的含氣量等值線可以看出(圖6)，含氣量分布與煤級分布表現(xiàn)出高度一致。聚煤盆地東強西弱、北早南晚的不均勻抬升運動造成的單斜構(gòu)造是控制含氣量區(qū)域分布規(guī)律的關(guān)鍵因素。東部邊淺區(qū)域煤層生氣能力不足及斷裂隆起構(gòu)造帶導(dǎo)致煤層抬升，造成水力運移逸散作用、次生生物煤層氣不足以彌補散失量，所以含氣量總體偏低。而中深部煤層變質(zhì)程度高，煤層氣生氣量大、且疊加水力封堵作用，導(dǎo)致中深部含氣量較邊淺部顯著增大，即含氣量表現(xiàn)為北高南低、西富東貧。但是東北區(qū)邊淺部11#煤頂板為石灰?guī)r，巖石性脆、小裂縫發(fā)育、并見有次生溶孔，頂板封蓋性不良，造成桑樹坪、下峪口的含氣量平均為5.65m3/t、4.51m3/t，普遍小于6m3/t；西北的王峰井田平均含氣量為11.99m3/t。東南區(qū)象山井田的平均含氣量分別為6.56m3/t，西南區(qū)薛峰井田的平均含氣量為11.28m3/t。

圖6 11#煤煤層含氣量等值線

分析含氣量與埋深的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖7)，埋深400m和800m兩個深度水平劃分了含氣量的垂向分異格局，淺于400m，含氣量多小于8m3/t，超過800m含氣量普遍大于8m3/t。400～800m則屬于過渡區(qū)域，含氣量較為分散。據(jù)此推測，400m和800m可能是控制韓城礦區(qū)煤層氣富集成藏的臨界埋深線，可依次劃分出淺、中、深三個垂向分帶，分別對應(yīng)貧氣帶、含氣帶和富氣帶。

圖7 11#煤含氣量與埋深的關(guān)系

總體而言，煤層氣含量賦存特征與“東西分帶，南北分塊”的構(gòu)造格式呈現(xiàn)一致性。以桑樹坪、下峪口和象山井田為代表，其中象山井田發(fā)育開放型斷層是造成含氣量較低的重要原因；桑樹坪、下峪口井田構(gòu)造類型以褶皺為主，在次生生物氣補充下，局部構(gòu)造高點或埋藏淺部可能成為有利富氣部位，比如上峪口背斜。次級控氣構(gòu)造類型中，向斜軸部與緩斜坡帶含氣量最大，背斜、邊淺隆起帶、正斷層依次減小[6]，但是東澤村構(gòu)造帶雖然為正斷層，但封閉性好，導(dǎo)致薛峰井田含氣量較高。

3 構(gòu)造對煤層氣開采的影響

地面煤層氣井通過排水降壓的方式使吸附在煤基質(zhì)孔隙表面的甲烷解吸，游離態(tài)的甲烷分子經(jīng)過煤儲層中的孔裂隙運移產(chǎn)出。煤層氣井的產(chǎn)氣量是地質(zhì)條件和開發(fā)方案相互匹配的結(jié)果，構(gòu)造因素成為煤層氣開采的先天條件，其中地質(zhì)構(gòu)造類型、地應(yīng)力等因素是控制煤層氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵[16]，具體表現(xiàn)在基于構(gòu)造類型控制的地下水流場分布及走勢與構(gòu)造應(yīng)力控制儲層滲透性優(yōu)劣。韓城礦區(qū)前期的擠壓應(yīng)力與后期張拉應(yīng)力相互疊加，造成北區(qū)煤體結(jié)構(gòu)主要為碎粒煤和碎裂煤，而南區(qū)主要以原生結(jié)構(gòu)煤為主；向斜部位以碎粒煤為主，背斜部位受張拉作用以碎裂煤為主[7]。因此基于含氣量與滲透性分析，韓城礦區(qū)北區(qū)的東南邊淺部隆起斷裂帶(<400m)含氣量相對較低，局部富集，層滑構(gòu)造導(dǎo)致的構(gòu)造煤發(fā)育、儲層滲透性差，壓裂改造難以形成有效的滲流裂隙，極不利于煤層氣開發(fā)。北西向傾斜的單斜構(gòu)造中部過渡帶(400～800m)含氣量明顯增加，煤體為輕微構(gòu)造應(yīng)力作用下的碎裂煤與原生結(jié)構(gòu)煤、滲透性較好，是煤層氣開發(fā)的最有利區(qū)域。而在深部斜坡帶(>800m)，煤層含氣量達(dá)到最大值，受深部地層垂向應(yīng)力的壓實作用、原生結(jié)構(gòu)煤體的滲透性一般，主要依靠后期對儲層的壓裂改造提升滲透性，因此該區(qū)域為相對有利開發(fā)區(qū)。考慮到韓城礦區(qū)作為一個單獨的水文地質(zhì)單元，東南邊淺部的韓城大斷裂為地下水補給區(qū)，在薛峰北斷裂等構(gòu)造交匯處，次生裂隙發(fā)育、斷層封閉性差、溝通了含水層，發(fā)生了竄流補給，導(dǎo)致部分煤層氣井只產(chǎn)水、產(chǎn)氣量低甚至不產(chǎn)氣[17]。另外，在該區(qū)域向斜核部等煤層氣富集區(qū)域，煤層氣井排水降壓效果差、煤層氣解吸緩慢，后期出現(xiàn)既不產(chǎn)水也不產(chǎn)氣的現(xiàn)象。構(gòu)造應(yīng)力除了對儲層滲透性的影響外，構(gòu)造煤引發(fā)的煤粉問題成為制約煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素[18]?；跇?gòu)造應(yīng)力對煤層氣井型的選擇，研究表明水平主應(yīng)力系數(shù)在0.5～0.8的區(qū)域，宜采用直井壓裂生產(chǎn)，其他建議選擇多分支水平井生產(chǎn)[8]。

針對韓城礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治存在的問題，綜合考慮礦區(qū)構(gòu)造分布與特征、煤層氣賦存與開采難度及礦井規(guī)劃部署等因素(表2)，韓城礦區(qū)邊淺部發(fā)育典型的應(yīng)力約束型氣藏，東北區(qū)的桑樹坪井田和下峪口井田構(gòu)造煤發(fā)育，是瓦斯災(zāi)害危險性最大的兩個井田，東南區(qū)的象山井田構(gòu)造煤較發(fā)育，單純依靠地面抽采無法奏效，需采用礦井卸壓手段通過應(yīng)力釋放抽采煤層氣。應(yīng)以采動區(qū)井下-地面聯(lián)合抽采、煤與瓦斯共采技術(shù)為主導(dǎo)，實現(xiàn)瓦斯的綜合防治和開發(fā)，概括為“壓力-應(yīng)力協(xié)同釋放為主的礦井卸壓抽采模式”(圖8)。西部的王峰和薛峰井田屬于煤礦遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)，加之含氣量高和煤體結(jié)構(gòu)相對完好，近期應(yīng)以地面煤層氣抽采作為主流技術(shù)，即概括為“排水降壓為主的地面井降壓開采模式”。

表2 韓城礦區(qū)各井田煤層氣要素

圖8 韓城礦區(qū)煤層氣開采模式圖

4 結(jié) 論

1)韓城礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，淺部受基地抬升與構(gòu)造應(yīng)力共同作用，煤層氣為次生生物成因氣疊合熱成因氣，深部經(jīng)歷深成變質(zhì)作用為典型的高煤階熱成因氣。受控于不同構(gòu)造樣式與現(xiàn)今埋深，北部層滑構(gòu)造導(dǎo)致的構(gòu)造煤發(fā)育，含氣量較南部高；中深部含氣量較淺部高。

2)從開發(fā)要素分析，東南邊淺部構(gòu)造煤發(fā)育，為煤層氣開采不利區(qū)；中深部是典型的熱成因氣。其中中部過渡帶含氣量好、滲透性好，是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)域；西北深部斜坡帶含氣量高、但是滲透性差，為煤層氣開發(fā)的相對有利區(qū)。

3)針對桑樹坪等井田煤層氣賦存特征、煤體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性，提出了不同井田煤層氣(礦井瓦斯)開采模式，即東北區(qū)的桑樹坪井田、下峪口井田，東南區(qū)的象山井田構(gòu)造煤發(fā)育，建議采用“壓力-應(yīng)力協(xié)同釋放為主的礦井卸壓抽采模式”；西部的王峰和薛峰井田含氣量高、煤體結(jié)構(gòu)相對完好，建議采用“排水降壓為主的地面井降壓開采模式”。