高煤階煤層氣富集機(jī)理的深化研究

桑樹(shù)勛，韓思杰，劉世奇，周效志，李夢(mèng)溪，胡秋嘉，張 聰

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 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；5. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

高煤階煤層氣資源相對(duì)豐富是中國(guó)煤層氣資源的重要稟賦特征之一，實(shí)現(xiàn)高煤階煤層氣大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)是中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的重大突破和世界貢獻(xiàn)，沁水盆地高煤階煤層氣是目前中國(guó)煤層氣產(chǎn)量的主體來(lái)源。我國(guó)高、中、低煤階煤層氣資源量占比較為接近，最新的煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，高煤階煤層氣地質(zhì)資源量10.44×10m，占比35%，可采資源量4.04×10m，占比32%。沁水盆地南部高煤階煤層氣于2009年在我國(guó)率先進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段，目前沁南煤層氣示范工程生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)到38×10m/a，沁水盆地已成為我國(guó)2個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)量千億級(jí)煤層氣產(chǎn)業(yè)基地之一。近幾年來(lái)川南—黔北地區(qū)高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)也取得積極進(jìn)展，在川南筠連地區(qū)已建成年產(chǎn)2×10m的煤層氣生產(chǎn)區(qū)塊，在川南地區(qū)正在開(kāi)辟第3個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)基地；黔北地區(qū)織金區(qū)塊等煤層氣開(kāi)發(fā)示范工程取得成功，龍?zhí)督M高階煤儲(chǔ)層顯示出較好的產(chǎn)氣潛力，具備高產(chǎn)儲(chǔ)層條件。據(jù)朱慶忠等報(bào)道，目前高煤階煤層氣產(chǎn)量已占我國(guó)煤層氣總產(chǎn)量的90%以上。據(jù)自然資源部數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)煤層氣年產(chǎn)量58×10m，其中沁水高煤階煤層氣年產(chǎn)量41×10m，占當(dāng)年總產(chǎn)量的71%，在我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。

已有的煤層氣理論認(rèn)識(shí)和勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐均表明，受限于高階煤的高變質(zhì)程度和普遍低孔滲儲(chǔ)層特征，高煤階煤層氣富集需要獨(dú)特地質(zhì)背景。這里煤層氣富集是指主力煤儲(chǔ)層或煤儲(chǔ)層組富氣高滲，也有學(xué)者稱之為煤層成藏，但煤層氣富集的富氣高滲下限是一個(gè)地質(zhì)控制的技術(shù)邊界，顯然與具有自然邊界的常規(guī)油氣藏不同。相對(duì)于中低階煤儲(chǔ)層，高階煤儲(chǔ)層一般具有富氣低滲的顯著特征。高煤階煤層氣富集的發(fā)生在地質(zhì)成因上顯然更為受限，這也是國(guó)際上已有煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)主要集中于中、低煤階煤層氣的根本原因。

關(guān)于高煤階煤層氣富集規(guī)律，前人在煤層氣成藏地質(zhì)條件、地質(zhì)控制因素、富集過(guò)程及模式等方面開(kāi)展了大量有益探討并取得重要成果。高階煤儲(chǔ)層以區(qū)域巖漿熱變質(zhì)成因和深成熱變質(zhì)成因?yàn)橹鳎渲袇^(qū)域熱變質(zhì)成因常常與成煤期后區(qū)域巖漿作用和高異常地?zé)釄?chǎng)發(fā)育有關(guān)，巖漿作用造成的煤的變質(zhì)程度、孔裂隙結(jié)構(gòu)、滲透率和應(yīng)力場(chǎng)變化與深成熱變質(zhì)的深埋作用顯著不同。生氣量大、吸附甲烷能力強(qiáng)是高階煤共有特征，也是高煤階煤層氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。葉建平等認(rèn)為沁水盆地南部匯流型水動(dòng)力條件和低地應(yīng)力下煤儲(chǔ)層相對(duì)高滲透率是煤層氣有效富集的主控因素。秦勇等認(rèn)為高煤階煤層氣富集主要是盆地演化、應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造分異等多構(gòu)造動(dòng)力學(xué)條件綜合作用的結(jié)果。左銀卿等認(rèn)為煤質(zhì)、煤層埋深、頂?shù)装宸馍w性、構(gòu)造、水動(dòng)力條件等共同控制了高煤階煤層氣富集?；趯?duì)沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東南部典型高煤階煤層氣富集區(qū)主控地質(zhì)因素的不同認(rèn)識(shí)，前人提出了不同的高煤階煤層氣富集模式，如水動(dòng)力控藏模式、向斜控藏模式、三元?dú)怏w圈閉散失模式、相對(duì)構(gòu)造高位富集模式、斜坡帶與煤層變形破碎帶富集模式等。

近15 a來(lái)，我國(guó)高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐積累了大量研究、工程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以沁水盆地為代表的高煤階煤層氣開(kāi)發(fā)和研究程度顯著提高，為深化認(rèn)識(shí)高階煤煤層氣富集機(jī)理提供了良好研究條件和可能；另一方面，對(duì)高煤階煤層氣富集機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足仍是制約我國(guó)高煤階煤層氣高效規(guī)模化開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重影響高煤階煤層氣地質(zhì)適配性開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)的發(fā)展和煤層氣產(chǎn)量的提升。開(kāi)展高煤階煤層氣富集機(jī)理的深化研究有很好的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 高煤階煤層氣富集區(qū)分布與形成地質(zhì)背景

1.1 高煤階煤層氣富集區(qū)分布

高煤階煤層氣富集區(qū)分布具有顯著的區(qū)域性，煤有機(jī)質(zhì)熱演化條件和煤變質(zhì)類型的不同是高煤階煤層氣富集區(qū)域性差異的直接原因，高階煤儲(chǔ)層的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用成因是高煤階煤層氣富集的基本地質(zhì)背景。我國(guó)高煤階煤層氣資源主要分布在沁水盆地、鄂爾多斯盆地南緣、黔西—川南地區(qū)、太行山東麓中南部、豫北地區(qū)及湘贛地區(qū)等，其中沁水盆地南部晉城地區(qū)、沁水盆地北部壽陽(yáng)—陽(yáng)泉地區(qū)、鄂爾多斯盆地東南緣韓城—延川南地區(qū)和黔西川南織金—筠連地區(qū)為高煤階煤層氣主要富集區(qū)(圖1)，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐亦證實(shí)這些地區(qū)煤層氣井總體具有較高的產(chǎn)氣能力或潛力。盡管這些高煤階煤層氣富集區(qū)形成的構(gòu)造環(huán)境存在差異，但高階煤的成因類型非常一致，均以區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用為主。重磁地球物理異常、成煤后古地溫高異常、零星緯向分布的燕山期巖漿巖體等均指示華北板塊北緯35°，38°左右可能存在緯向展布的大型深部隱伏巖漿巖體或地幔上隆，在華北石炭二疊紀(jì)聚煤盆地形成了對(duì)應(yīng)的2個(gè)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)高階煤發(fā)育帶，晉城高煤階煤層氣富集區(qū)、韓城—延川南高煤階煤層氣富集區(qū)位于35°帶，沁北壽陽(yáng)—陽(yáng)泉高煤階煤層氣富集區(qū)位于38°帶，韓城地區(qū)可能同時(shí)疊加了較顯著的深成熱變質(zhì)作用的影響。華南黔西川南二疊紀(jì)聚煤盆地更靠近板塊邊緣，晚二疊世含煤地層形成后長(zhǎng)期處于洋盆閉合-碰撞造山活動(dòng)的影響中，煤層熱演化受到深部巖漿活動(dòng)及其伴生高溫?zé)嵋旱膹V泛影響，形成了織金—筠連高煤階煤層氣富集區(qū)，但長(zhǎng)期的高擠壓應(yīng)力作用造成黔西川南較其他地區(qū)構(gòu)造煤更為發(fā)育。

1—晉城富集區(qū)；2—壽陽(yáng)—陽(yáng)泉富集區(qū)；3—韓城—延川南富集區(qū)；4—織金—筠連富集區(qū)圖1 中國(guó)主要高煤階煤層氣富集區(qū)分布(底圖據(jù)文獻(xiàn)[12])Fig.1 Main distribution of the high rank CBM enrichment area in China[12]

1.2 高煤階煤層氣富集區(qū)特征

(1)沁水盆地南部(晉城)、鄂爾多斯盆地東南緣(韓城—延川南)高煤階煤層氣富集區(qū)。沁水盆地整體為一軸向北東至南西向復(fù)式向斜構(gòu)造，南北兩端石炭二疊系煤層賦存較淺，但受區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用為主的影響，特別是燕山期高異常古地溫下煤的熱演化作用強(qiáng)烈，造成盆地南北兩端煤層埋深小但有機(jī)質(zhì)成熟度高(平均最大鏡質(zhì)組反射率>2.5%)，煤階普遍為無(wú)煙煤，局部達(dá)到無(wú)煙煤Ⅱ號(hào)，如沁水盆地南部晉城地區(qū)局部煤層平均最大鏡質(zhì)組反射率>4.0%。沁水盆地南部晉城地區(qū)較盆地北端煤層經(jīng)受的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用影響更為顯著，且構(gòu)造、水文等相關(guān)煤層氣保存條件更好，整體為向北傾的單斜構(gòu)造，煤層水無(wú)明顯徑流，埋深800 m以淺山西組3號(hào)煤層含氣量最高可達(dá)38.70 m/t，滲透率0.47×10～2.61×10m，已成為我國(guó)最主要的高煤階煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，晉城富集區(qū)潘莊、潘河、寺莊、樊莊、成莊、鄭莊區(qū)塊貢獻(xiàn)了沁水盆地煤層氣產(chǎn)量的80%以上。韓城—延川南高煤階煤層氣富集區(qū)位于與沁水盆地南部相鄰的鄂爾多斯盆地南緣，與晉城高煤階煤層氣富集區(qū)位于同一緯度帶，構(gòu)造上整體為簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，韓城區(qū)塊因受深成熱變質(zhì)作用疊加的影響相對(duì)顯著，構(gòu)造煤較為發(fā)育，煤階以貧煤和無(wú)煙煤為主(平均最大鏡質(zhì)組反射率1.70%～3.05%)，埋深800 m以淺山西組3號(hào)、5號(hào)和太原組11號(hào)煤層含氣量介于5.87～19.73 m/t，平均為13.43 m/t，滲透率最大為0.48×10m；延川南區(qū)塊山西組2號(hào)煤層平均埋深1 280 m，平均最大鏡質(zhì)組反射率>2.00%，煤層含氣量>12.00 m/t，滲透率最大為0.80×10m。

(2)沁水盆地北端(壽陽(yáng)—陽(yáng)泉)高煤階煤層氣富集區(qū)。沁水盆地北端煤層氣富集區(qū)受到差異性構(gòu)造控制，西部的壽陽(yáng)區(qū)塊構(gòu)造發(fā)育相對(duì)簡(jiǎn)單，總體為南傾單斜，而東部的陽(yáng)泉區(qū)塊處于沁水盆地復(fù)式向斜軸部附近，NE—SW向正斷層極其發(fā)育，該富集區(qū)煤層熱演化程度和煤層含氣量總體低于沁水盆地南部煤儲(chǔ)層，且區(qū)內(nèi)西部壽陽(yáng)區(qū)塊煤層滲透率總體高于東部陽(yáng)泉區(qū)塊煤儲(chǔ)層。壽陽(yáng)區(qū)塊煤層主要為貧煤和III號(hào)無(wú)煙煤，山西組3號(hào)煤層含氣量在3.62～25.24 m/t，平均12.52 m/t，滲透率在0.02×10～56.31×10m，然而其較高的產(chǎn)水量可能抑制了煤層氣單井產(chǎn)量。陽(yáng)泉區(qū)塊山西組3號(hào)煤層煤階略高于壽陽(yáng)區(qū)塊，煤層含氣量在3.2～24.5 m/t，平均為13.3 m/t，主力煤儲(chǔ)層滲透率一般變化范圍0.50×10～6.70×10m，正斷層和構(gòu)造煤相對(duì)發(fā)育，對(duì)煤層氣富集產(chǎn)生了負(fù)面影響。

(3)織金—筠連高煤階煤層氣富集區(qū)。黔北—川南高階煤是燕山期—喜馬拉雅造山期巖漿侵入作用引起的多期高溫?zé)嵋鹤冑|(zhì)作用疊加的結(jié)果，同時(shí)受多期褶皺作用的影響，其煤層熱演化程度高，基本上都為III號(hào)無(wú)煙煤，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，煤層含氣量普遍較高但煤層滲透率總體較低，織金—筠連富集區(qū)是其中相對(duì)富集高滲的區(qū)域。黔北的織納區(qū)塊龍?zhí)督M煤層含氣量0.48～32.69 m/t，平均為11.9 m/t，高含氣區(qū)分布在中心式凹陷的向斜翼部，煤層滲透率為0.11×10～0.50×10m。川南的筠連區(qū)塊煤層含氣量為10.64～24.87 m/t，高含氣區(qū)分布在背斜兩翼埋深較大的斜坡帶上，煤層滲透率為0.014×10～0.370×10m。

1.3 區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用與高煤階煤層氣富集區(qū)形成

高階煤是較高溫度條件下煤變質(zhì)作用的產(chǎn)物，主要煤變質(zhì)作用成因類型或源于高異常地溫梯度淺埋條件下的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用，或源于正常地溫梯度深埋條件下的深成熱變質(zhì)作用，或源于2者的疊加作用。不同煤變質(zhì)作用成因可以形成有機(jī)質(zhì)熱演化程度相同的高階煤儲(chǔ)層，同時(shí)均生成大量的熱成因氣，但不同成因高階煤儲(chǔ)層形成時(shí)的煤層埋深和地應(yīng)力條件顯著不同，進(jìn)而造成不同成因高階煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)特征的顯著差異。區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用成因的高階煤，煤變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的煤層埋深相對(duì)較淺，煤層有機(jī)質(zhì)熱演化溫度高但地應(yīng)力相對(duì)較低，煤層生烴時(shí)間短但強(qiáng)度大，煤巖孔裂隙構(gòu)成發(fā)育且連通性好的多級(jí)孔裂隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(圖2)，表現(xiàn)為外生裂隙發(fā)育、內(nèi)生裂隙大量保存，脆性變形微裂隙、差異變形微裂隙(孔)、大分子定向排列微裂隙等常見(jiàn)，變質(zhì)氣孔多且保存好，大分子結(jié)構(gòu)尺度微孔發(fā)育，形成的煤儲(chǔ)層不僅富氣，也相對(duì)高滲。深成熱變質(zhì)作用成因的高階煤，煤變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的煤層埋藏深度大、地應(yīng)力高，煤層受熱生烴經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)但強(qiáng)度較小，煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育且連通性差，形成的煤儲(chǔ)層往往富氣但普遍低滲。例如，沁水盆地南端的晉城高煤階煤層氣富集區(qū)為典型區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用成因，煤層氣富集程度和開(kāi)發(fā)效果最好；盆地北端的壽陽(yáng)—陽(yáng)泉高階煤層氣富集區(qū)在煤的深成熱變質(zhì)作用基礎(chǔ)上，疊加了區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用的顯著影響，煤層氣富集程度和開(kāi)發(fā)效果較好；盆地中部高階煤儲(chǔ)層以深成熱變質(zhì)作用成因?yàn)橹?，疊加區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用的影響，盡管煤階相對(duì)較低，但煤層氣富集程度和總體開(kāi)發(fā)效果較差。

煤層富氣程度主要取決于煤層生氣能力、吸附能力和保存賦存條件，高階煤在生氣能力和吸附能力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這是導(dǎo)致高階煤儲(chǔ)層普遍富氣的本質(zhì)原因。一方面，煤本身是聚集型有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的優(yōu)質(zhì)氣源巖，在一定成熟度范圍內(nèi)隨有機(jī)質(zhì)熱演化其累計(jì)生氣量增大，無(wú)煙煤熱演化累計(jì)生氣量可達(dá)300 m/t，可供保存的有效生氣量也可達(dá)160 m/t；另一方面，微孔發(fā)育的煤巖具有很高的孔隙比表面積和氣體吸附能力，無(wú)煙煤實(shí)測(cè)理論最大吸附量(蘭氏體積)可達(dá)47.55 m/t。在地史熱演化過(guò)程中高階煤生氣量遠(yuǎn)大于其吸附能力，因此煤巖吸附能力和吸附氣量對(duì)煤層富氣程度的影響更直接顯著。煤儲(chǔ)層的吸附能力(平衡水條件下)與煤階(鏡質(zhì)組反射率小于4.0%)總體呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于隨煤階升高，煤巖具有更發(fā)育的微孔和更大的孔比表面積。但對(duì)于煤階接近的不同高煤階煤層氣富集區(qū)，煤巖生氣能力和過(guò)程對(duì)煤層含氣性的影響仍不可忽視，例如，晉城高煤階煤層氣富集區(qū)煤儲(chǔ)層燕山期經(jīng)歷了近300 ℃,5.5 ℃/hm或更高梯度的異常高地溫，使得當(dāng)時(shí)煤變質(zhì)程度快速升高，有效生氣階段煤巖生氣強(qiáng)度大，雖然中生代末期地殼大幅抬升與新近紀(jì)地下水運(yùn)動(dòng)造成部分煤層氣的逸散，但埋深較小(500 m)的煤層現(xiàn)今仍具有較高的含氣量(>20 m/t)，同時(shí)也與沁南地區(qū)煤層氣保存條件較好有關(guān)。而位于同一煤變質(zhì)帶的韓城—延川南煤層氣富集區(qū)，煤變質(zhì)經(jīng)歷地溫梯度、受熱溫度、生氣量均不及晉城富集區(qū)，其煤層埋深較大但煤層平均含氣量只有13 m/t左右。

圖2 高煤階煤層氣富集區(qū)煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型示意Fig.2 Schematic diagram of the pore-fracture structure network model of high rank coal in the high rank CBM enrichment area

高階煤儲(chǔ)層高滲主要是孔裂隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的結(jié)果。對(duì)于不同變質(zhì)作用成因的煤，其有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、特別是孔裂隙網(wǎng)絡(luò)造成差異性影響和不同程度改造，從而一定程度上控制煤儲(chǔ)層原始滲透率。區(qū)域巖漿熱變質(zhì)成因的高階煤，孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育且更易保存，煤層滲透率相對(duì)較高，一般0.1×10～1.0×10m，部分超過(guò)1.0×10m；深成熱變質(zhì)成因的高階煤，煤層滲透率普遍較低，一般小于0.1×10m。特別是成煤期后巖漿侵入事件往往形成典型高煤階煤層氣富集區(qū)，巖漿侵入煤系必然導(dǎo)致煤層原始地應(yīng)力的失衡，而應(yīng)力場(chǎng)快速改變促使煤儲(chǔ)層發(fā)生體積應(yīng)變甚至脆性破壞，產(chǎn)生構(gòu)造熱演化成因的煤儲(chǔ)層微裂隙，從而提高煤層原始滲透率，如美國(guó)圣胡安盆地高煤階煤層氣的高產(chǎn)也得益于巖漿侵入作用。

2 高煤階煤層氣富集規(guī)律

2.1 高煤階煤層氣富集綜合模式

在不同的煤層埋深范圍，高煤階煤層氣富集規(guī)律不同?；谇咚璧啬喜棵簩託饩畬?shí)測(cè)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以煤層埋深范圍為線索，建立了高階煤煤層氣富集綜合模式(圖3)。

圖3 高煤階煤層氣富集綜合模式Fig.3 Comprehensive model of coalbed methane enrichment in high rank coal

這一綜合模式(圖3)可以很好地將前人建立的向斜煤層氣富集、褶曲翼部煤層氣富集、構(gòu)造高點(diǎn)煤層氣富集等不同高煤階煤層氣富集模式統(tǒng)一起來(lái)。中低煤階煤層氣富集具有類似的規(guī)律，但高煤階煤層氣富集規(guī)律隨深度變化的現(xiàn)象更顯著，這與高階煤儲(chǔ)層滲透率的地應(yīng)力變化敏感性和高煤階煤層氣富集機(jī)理的特殊性有關(guān)，詳見(jiàn)本文后述。

2.2 向斜煤層氣富集

煤層埋深較淺時(shí)高煤階煤層氣多在向斜核部富集，這是由于向斜核部相較于兩翼煤層埋深較大，地層壓力大有利于煤層吸附甲烷；向斜核部發(fā)育擠壓構(gòu)造應(yīng)力且上覆低滲透率的泥頁(yè)巖蓋層殘留厚度大，起到很好的封閉作用；同時(shí)地下水沿兩翼補(bǔ)給進(jìn)入含煤地層也能夠形成水力封閉。然而煤層氣向斜富集模式僅適合于煤層埋深較淺地區(qū)，隨埋深增大煤層所受覆巖應(yīng)力和有效應(yīng)力顯著增大，會(huì)導(dǎo)致向斜核部煤層滲透率較低，因此高煤階煤層氣向斜富集多發(fā)生于煤層埋深500 m以淺。同時(shí)淺埋煤層煤層氣開(kāi)發(fā)工程難度也小，富集區(qū)煤層氣直井普遍高產(chǎn)，例如，晉城富集區(qū)的潘莊、潘河、寺河、成莊等區(qū)塊等。

2.3 褶曲翼部煤層氣富集

大型褶曲翼部斜坡帶煤層氣富集是含煤盆地煤層氣富集的常見(jiàn)類型，且煤層氣富集程度隨煤層埋深變化的規(guī)律顯著，煤層富氣高滲發(fā)生于合適的深度范圍，這是由于在臨界深度前煤層含氣量隨煤層埋深增加而逐漸增加，而煤層滲透率與煤層埋深則呈顯著負(fù)指數(shù)關(guān)系。斜坡帶淺部煤層受大氣降水影響，水動(dòng)力條件一般較強(qiáng)形成下限深度不同的甲烷風(fēng)化帶；淺部測(cè)向封堵作用造成甲烷風(fēng)化帶以下一定深度范圍發(fā)育緩流或靜流承壓水，有利于斜坡帶煤層氣保存；盡管斜坡帶深部煤層更為富氣，但煤層滲透率衰減嚴(yán)重，不利于煤層氣富集。SONG等建議將含氣性15 m/t和滲透率0.2×10m作為高煤階煤層氣富氣高滲(富集)的門限，在沁南地區(qū)煤層氣褶曲翼部富集對(duì)應(yīng)的煤層埋深在500～800 m，例如，樊莊區(qū)塊。

2.4 構(gòu)造高點(diǎn)煤層氣富集

隨著煤層埋深進(jìn)一步增大，煤層含氣量不再明顯增大、甚至出現(xiàn)由增到減的轉(zhuǎn)折，而煤層滲透率則快速降低，因此，超過(guò)一定埋深煤層相對(duì)高滲的構(gòu)造高點(diǎn)部位(背斜核部、鼻狀構(gòu)造高點(diǎn)等)成為煤層氣富集的區(qū)域。構(gòu)造高點(diǎn)部位的構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)為局部拉張環(huán)境，裂隙和微裂隙相對(duì)發(fā)育且開(kāi)合度好，加之構(gòu)造高點(diǎn)部位上覆地層厚度一般相對(duì)較小，覆巖應(yīng)力較周邊煤層也相對(duì)小些，使得構(gòu)造高點(diǎn)部位煤層滲透率顯著高于周邊。由于煤層埋深較大，煤層氣保存條件相對(duì)更好，特別是煤層超過(guò)臨界深度時(shí)，隨煤層埋深和儲(chǔ)層壓力增大，煤層吸附能力卻降低，煤層氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，在這種相對(duì)封閉的系統(tǒng)中，游離煤層甲烷受浮力驅(qū)動(dòng)可聚集于構(gòu)造高位相對(duì)發(fā)育的煤儲(chǔ)層裂隙中。例如，沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊煤層埋深普遍較大(>800 m)，直井低產(chǎn)較普遍，早期開(kāi)發(fā)21口顯示工業(yè)氣流的煤層氣井基本都位于構(gòu)造高點(diǎn)，單日產(chǎn)氣1 185～3 583 m(圖4)。在延川南區(qū)塊，深部煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)不僅多與相對(duì)高滲的構(gòu)造高點(diǎn)相關(guān)，同時(shí)往往需要一定的水動(dòng)力封閉條件；但在地下水高壓封閉滯留區(qū)卻因深部煤層改造范圍受限，易造成煤層氣井低產(chǎn)低效，如深部2號(hào)煤層產(chǎn)出水礦化度大于1×10mg/L時(shí)，隨產(chǎn)出水礦化度增高煤層氣井產(chǎn)氣量急劇下降，低產(chǎn)井普遍。

圖4 沁南地區(qū)鄭莊區(qū)塊高煤階煤層氣構(gòu)造高位富集示例Fig.4 CBM enrichment mode of relatively high structural part illustrated by Zhengzhuang Block,Qinshui Basin

3 關(guān)鍵主控地質(zhì)因素

煤儲(chǔ)層富氣和高滲是高煤階煤層氣富集區(qū)的兩大核心特征，煤層氣富集是煤層氣井高產(chǎn)的地質(zhì)條件。由于高階煤生氣量大、吸附能力強(qiáng)，相對(duì)富氣是高階煤的普遍特征，所以，對(duì)于高煤階煤層氣富集，煤層滲透率較煤層含氣量更為關(guān)鍵。一般而言，煤層滲透率越高，高煤階煤層氣井產(chǎn)氣能力也越高，例如，樊莊區(qū)塊煤層滲透率大于1×10m的直井，平均日產(chǎn)氣量1 700 m，而煤層滲透率0.5×10～1×10m和<0.5×10m的直井僅有1 384和1 120 m。因此，決定滲透率的主控地質(zhì)因素即是高煤階煤層氣富集關(guān)鍵主控地質(zhì)因素。

3.1 煤層埋深

..煤層埋深與高階煤儲(chǔ)層滲透率

沁水盆地主力煤儲(chǔ)層滲透率與埋深關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明(圖5(a))，高階煤儲(chǔ)層滲透率隨埋深增大呈指數(shù)減小的趨勢(shì)，埋深大于900 m時(shí)煤層滲透率普遍小于0.1×10m，600 m以深煤層滲透率隨埋深的衰減開(kāi)始加快。然而埋深相似煤層的滲透率差異性仍然很大，可相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這一般是煤儲(chǔ)層本身非均質(zhì)性和構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域差異性造成的。

圖5 沁水盆地3號(hào)煤層滲透率、含氣量與埋深關(guān)系Fig.5 Relationship between depth with permeability and gas content of No.3 coal in the Qinshui Basin

..煤層埋深與高階煤儲(chǔ)層含氣量

從沁水盆地主力煤儲(chǔ)層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看(圖5(b))，煤層埋深影響煤層含氣量變化，但其相關(guān)性并不顯著，這與前人結(jié)果基本一致。最大煤層含氣量與煤層埋深的相關(guān)性更強(qiáng)，在800 m以淺變化規(guī)律不顯著，800～1 000 m最大煤層含氣量隨埋深增加而增加，1 000 m以深最大煤層含氣量隨埋深增加而呈減小。高階煤儲(chǔ)層含氣量與其吸附能力密切相關(guān)，在溫度負(fù)效應(yīng)和壓力正效應(yīng)疊加作用下煤巖吸附能力隨煤層埋深增大呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，最大吸附能力對(duì)應(yīng)煤層埋深在1 000 m左右，這與煤巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果一致(圖6)，表明煤層埋深對(duì)高階煤含氣量的影響體現(xiàn)在溫度壓力共同約束下的煤巖吸附能力。

圖6 高煤階煤層吸附氣量與煤層埋深的變化關(guān)系[18,37,55-56]Fig.6 Relationship between adsorption capacity of high-rank coals and depth[18,37,55-56]

..煤層埋深與高煤階煤層氣富集

煤層埋深對(duì)高階煤含氣量和滲透率的影響不同，在中淺部(<1 000 m)，隨煤層埋深增大2者具有相反的變化趨勢(shì)，即高階煤含氣量逐漸增加而滲透率快速減?。坏畈棵簩雍瑲饬亢蜐B透率隨煤層埋深增大均呈減小趨勢(shì)，只是減小幅度不同且變化不夠明顯。顯然高階煤含氣量和滲透率隨煤層埋深的兩階段變化特征對(duì)不同深度煤層氣富集的影響不同。正因?yàn)橹袦\部煤層含氣量、滲透率隨煤層埋深增大呈截然相反的變化關(guān)系，因此存在一個(gè)平衡帶深度使得這2個(gè)參數(shù)值均能保持煤層相對(duì)富氣高滲。通過(guò)統(tǒng)計(jì)鄭莊—樊莊區(qū)塊和前人沁水3號(hào)煤與韓城5號(hào)煤煤層氣單井產(chǎn)量、含氣量和滲透率數(shù)據(jù)，可以看出高產(chǎn)煤層氣井的煤層埋深在300～800 m(圖7)，煤層含氣量的下限為15 m/t，滲透率的下限為0.2×10m。值得注意的是，深部煤層含氣量隨深度增大減小緩慢，1 000 m以深煤層含氣量仍然大于20 m/t，而煤層滲透率隨深度增大的快速衰減是限制煤層氣富集的主要原因。因此，在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單(如寬緩的褶曲翼部或向斜軸部)，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主且較為均一的中淺部區(qū)域，高煤階煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)應(yīng)綜合考慮煤層埋深控制煤層含氣量和滲透率的平衡效應(yīng)；而在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、地應(yīng)力高的深部煤層發(fā)育區(qū)，在構(gòu)造高位煤層可經(jīng)受正面改造(孔裂隙增加)形成相對(duì)高滲儲(chǔ)層，這些構(gòu)造高位就成為深部高階煤煤層氣富集區(qū)。

圖7 晉城富集區(qū)、韓城-延川南富集區(qū)煤層氣直井日產(chǎn)氣量與煤儲(chǔ)層埋深的關(guān)系Fig.7 Relationship between CBM gas production,gas content and permeability with depth in the Southern Qinshui and Hancheng areas

3.2 地質(zhì)構(gòu)造(含構(gòu)造應(yīng)力)

..構(gòu)造與高階煤儲(chǔ)層滲透率

現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與煤儲(chǔ)層滲透率關(guān)系密切，如圖8所示，水平最大主應(yīng)力指示的構(gòu)造應(yīng)力越大，煤儲(chǔ)層滲透率越低；當(dāng)最大主應(yīng)力方向與煤層裂隙發(fā)育優(yōu)勢(shì)方向一致或相近時(shí)，沿該方向則可能產(chǎn)生相對(duì)高的裂隙開(kāi)度和煤層滲透率，垂直方向則煤層滲透率相對(duì)較低。不同構(gòu)造樣式是不同古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果，因此不同性質(zhì)古構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造發(fā)育對(duì)煤層滲透率也往往具有顯著且截然不同的影響，在逆沖推覆帶、逆斷層發(fā)育的構(gòu)造擠壓帶等古構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，煤層裂隙發(fā)育差、滲透率較低，而在正斷層發(fā)育的構(gòu)造拉伸帶等應(yīng)力松弛區(qū)，也是煤層裂隙相對(duì)發(fā)育和高滲透率分布區(qū)。沁水盆地山西組3號(hào)煤層滲透率總體表現(xiàn)為盆地軸部和深部較低，而兩翼和淺部較高，優(yōu)勢(shì)滲透率展布呈NE方向，這是由于煤層主要發(fā)育NNW向優(yōu)勢(shì)外生裂隙，與盆地內(nèi)主要褶曲構(gòu)造軸部跡線方向一致，亦與喜馬拉雅期最大主應(yīng)力方向大體接近，同時(shí)煤層滲透率區(qū)域變化也受到淺部覆巖應(yīng)力小、深部覆巖應(yīng)力大的共同控制。盆地東南部煤層具有明顯的高滲透率特征，在高異常地?zé)釄?chǎng)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用形成孔裂隙相對(duì)發(fā)育的煤儲(chǔ)層基礎(chǔ)上，疊加了NNE向高角度正斷層(寺頭斷層和晉獲斷裂帶)的影響。

圖8 沁南地區(qū)樊莊—鄭莊區(qū)塊水平應(yīng)力與3號(hào)煤層滲透率的關(guān)系[58]Fig.8 Relationship between horizontal stress field and permeability of No.3 coals in Fanzhuang-Zhengzhuang Block,Southern Qinshui Basin

除了構(gòu)造類型，褶曲的曲率也是影響煤層滲透率的重要表征參數(shù)。褶曲曲率過(guò)小，煤層破裂變形程度也低，裂隙不發(fā)育導(dǎo)致煤層滲透率低，相反如果曲率過(guò)大，煤層塑性變形強(qiáng)烈，甚至生成糜棱煤等構(gòu)造煤，則會(huì)導(dǎo)致煤層滲透率顯著降低，因此適中曲率的褶曲發(fā)育有利于煤層氣富集。特別是隨著埋深增加，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤層滲透率的控制作用逐漸減弱，曲率代表的構(gòu)造形態(tài)對(duì)煤層滲透率的影響變得更為顯著。秦勇等研究表明沁水盆地高階煤儲(chǔ)層高滲區(qū)的構(gòu)造曲率在0.05×10～0.20×10m，盆地東南部3號(hào)煤層構(gòu)造曲率在0.1×10m左右，這也是該區(qū)域煤層滲透率相對(duì)較高的原因之一。

..構(gòu)造與高階煤儲(chǔ)層含氣量

現(xiàn)今構(gòu)造對(duì)高階煤儲(chǔ)層含氣性的影響主要體現(xiàn)在能否形成有利的保存條件上，構(gòu)造及地層的有利配置是煤層氣富集的重要保存條件。向斜核部上覆地層處于受擠壓狀態(tài)(中和面以上)，張性斷層和裂隙不發(fā)育且緊閉，有利于煤層氣的保存，而背斜核部上覆巖層處于拉張狀態(tài)，張開(kāi)裂隙發(fā)育，煤層氣不易保存聚集，因此對(duì)于埋深不大的煤層來(lái)說(shuō)，向斜核部多為煤層氣富集區(qū)。例如，在沁水盆地淺部煤層含氣性好的煤層氣井分布在遠(yuǎn)離背斜核部，靠近向斜核部與遠(yuǎn)離斷層的部位，高含氣量部位與壓性構(gòu)造密切相關(guān)。

..構(gòu)造與高煤階煤層氣富集

構(gòu)造形態(tài)對(duì)煤層氣富集的控制不是簡(jiǎn)單的受褶曲或斷層的影響，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)應(yīng)是受構(gòu)造引起的割理裂隙系統(tǒng)不均勻發(fā)育所控制。在已有高煤階煤層氣富集高產(chǎn)地質(zhì)模式中，既有單斜構(gòu)造、向斜構(gòu)造，也有背斜構(gòu)造，甚至在某些壓性斷層發(fā)育部位亦發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)井。這些現(xiàn)象說(shuō)明，對(duì)于高煤階煤層氣富集的構(gòu)造控制作用，應(yīng)具體分析不同性質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力場(chǎng)控制煤層含氣性和滲透率變化的綜合效應(yīng)。壓性構(gòu)造中，擠壓應(yīng)力使得煤層有效應(yīng)力增大，煤中孔裂隙或裂隙開(kāi)度不發(fā)育，尤其是起導(dǎo)流作用的裂隙基本處于受壓閉合狀態(tài)，因此煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)往往出現(xiàn)在淺部或褶曲核部。張性構(gòu)造中，由于先期形成的裂隙開(kāi)度增大，對(duì)含煤層氣系統(tǒng)的封閉和保存能力卻起到一定的負(fù)面影響，因此煤層含氣量普遍較低，然而對(duì)煤層滲透率的激勵(lì)作用十分明顯，在保存條件相對(duì)好的地區(qū)往往易形成富集高產(chǎn)區(qū)，因此需要較大埋深或較為致密的上覆巖層，如正斷層發(fā)育區(qū)的半地塹構(gòu)造，簡(jiǎn)單的拉伸剪切作用易形成煤儲(chǔ)層連通裂隙，導(dǎo)致煤層氣高產(chǎn)井的分布。構(gòu)造對(duì)高階煤煤層氣富集的控制作用不僅體現(xiàn)在盆地演化史和構(gòu)造熱史等構(gòu)造相關(guān)的賦煤盆地形成過(guò)程，同時(shí)還有現(xiàn)今構(gòu)造格局和應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

3.3 煤體結(jié)構(gòu)

高階煤形成過(guò)程表現(xiàn)為強(qiáng)烈的有機(jī)質(zhì)熱演化和煤變質(zhì)作用，同時(shí)煤層往往經(jīng)歷了不同程度的構(gòu)造變形，對(duì)煤層裂隙發(fā)育和滲透率產(chǎn)生非常顯著的影響，同時(shí)也影響煤層孔隙發(fā)育和含氣性。煤體結(jié)構(gòu)是高煤階煤層氣富集不可忽視的主控地質(zhì)因素。

..煤體結(jié)構(gòu)特征

煤體結(jié)構(gòu)是反映煤巖石力學(xué)強(qiáng)度和構(gòu)造變形程度的重要煤儲(chǔ)層特征。在煤層形成后，煤層不可避免會(huì)受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，原生結(jié)構(gòu)煤受構(gòu)造應(yīng)力改造或破壞發(fā)生變形，從而改變?cè)械膸r石物理結(jié)構(gòu)甚至內(nèi)部化學(xué)成分，形成構(gòu)造變形煤(構(gòu)造煤)。按變形機(jī)制，構(gòu)造煤可分為脆性變形煤(碎裂煤)、脆性韌性疊加變形煤(碎粒煤)和韌性變形煤(片狀煤、糜棱煤)。根據(jù)不同變形環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)，可以將構(gòu)造煤細(xì)分為多種類型，構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤、不同構(gòu)造煤間煤儲(chǔ)層物性特征均具有顯著差異。

..煤體結(jié)構(gòu)與高階煤儲(chǔ)層滲透率

煤體結(jié)構(gòu)是影響煤層滲透率的重要因素，甚至是主要因素，碎裂煤總體滲透率比原生結(jié)構(gòu)煤高，比碎粒/糜棱煤高2個(gè)數(shù)量級(jí)左右，表明輕微的構(gòu)造變形破壞產(chǎn)生的裂隙、微裂隙對(duì)滲透率有明顯的貢獻(xiàn)。原生結(jié)構(gòu)煤經(jīng)過(guò)輕微改造形成的碎裂煤，其裂隙系統(tǒng)擴(kuò)展并相互連接能夠極大提高滲透率，有利于煤層解吸氣體釋放，碎裂煤發(fā)育區(qū)多是煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)。而強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力和應(yīng)變能使原生結(jié)構(gòu)煤演變?yōu)槊永饨Y(jié)構(gòu)煤，這種情況下煤原生割理裂隙系統(tǒng)不復(fù)存在，宏觀裂隙迂曲度增加，連通性極差，進(jìn)而大幅降低了煤層原始滲透率。

圖9展示了原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的微觀裂隙發(fā)育特征?？梢钥吹剑Y(jié)構(gòu)煤微裂隙不甚發(fā)育且相互之間相對(duì)獨(dú)立，連通性不高；碎裂煤微裂隙發(fā)育且相互連通，形成了發(fā)育的滲流網(wǎng)絡(luò)，極大提高了滲透率；隨著煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破碎，裂隙之間相互交錯(cuò)，寬度變窄，大中孔顯著減少，流體在裂隙中流動(dòng)緩慢且相互影響，難以形成統(tǒng)一的滲流路徑，故降低了煤層總體滲透率。

..煤體結(jié)構(gòu)與高階煤儲(chǔ)層含氣量

高階煤含氣量主要受控于煤巖吸附能力，而吸附能力則與煤基質(zhì)孔隙，尤其是微孔發(fā)育程度有關(guān)。隨著煤體破壞程度增加，煤巖吸附量呈增大趨勢(shì)。這是由于隨著煤體破壞程度增加，不同孔徑段孔容和比表面積均有所增加，其中大中孔孔容增加幅度大于微孔。高階構(gòu)造煤孔容和比表面積相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤均顯著增大，而隨著破碎變形程度的加劇，這種增大趨勢(shì)越明顯，這是造成構(gòu)造煤含氣量普遍較高的根本原因。大量研究和生產(chǎn)實(shí)踐已證實(shí)，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)一般為瓦斯突出礦井分布區(qū)，也是煤層高含氣量分布區(qū)。

..煤體結(jié)構(gòu)與高煤階煤層氣富集

對(duì)于不同煤體結(jié)構(gòu)的高階煤，即使是類似煤級(jí)或煤巖組分特征，顯著差異的孔裂隙結(jié)構(gòu)決定了高階煤往往具有顯著不同的含氣性和滲透率。煤層經(jīng)歷的脆性變形、韌性變形類型不同，對(duì)煤層孔裂隙改造的效果截然相反，必然對(duì)煤層氣富集產(chǎn)生不同的影響。脆性變形一般發(fā)生在覆巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力較小的煤層，擠壓或拉張應(yīng)力作用下導(dǎo)致煤層多組裂隙發(fā)育，其貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在增強(qiáng)起連通作用的裂隙發(fā)育程度，因此能顯著提高煤層滲透率，而對(duì)吸附主要發(fā)生場(chǎng)所的微孔比表面積增加的貢獻(xiàn)較小，煤層含氣量較原生結(jié)構(gòu)煤變化不大。韌性變形一般發(fā)生在較高地層溫度、壓力和地應(yīng)力下，擠壓或剪切應(yīng)力作用導(dǎo)致褶曲和煤巖流動(dòng)變形構(gòu)造發(fā)育，其影響一方面主要體現(xiàn)在增加微孔和小孔的比表面積，因而能增大煤層的吸附能力，而另一方面對(duì)起連通作用的原生裂隙，實(shí)際是破壞和壓實(shí)，導(dǎo)致煤層滲透率顯著降低。因此煤體結(jié)構(gòu)對(duì)高煤階煤層氣富集的控制作用類似于埋深，對(duì)煤層滲透率、含氣量的影響顯示相反的方向。變形程度相對(duì)弱的碎裂煤有利于高階煤煤層氣的富集。

圖9 不同煤體結(jié)構(gòu)煤顯微裂隙照片F(xiàn)ig.9 Micrographs of coal petrography of different coal body structures

4 基本控制機(jī)理

煤層滲透率隨埋深呈指數(shù)減小，其本質(zhì)原因是覆巖應(yīng)力的增加造成孔裂隙的閉合。不同構(gòu)造部位下的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造特征通過(guò)影響煤層孔裂隙發(fā)育及其開(kāi)合度來(lái)控制煤層滲透率。而煤體結(jié)構(gòu)則是地質(zhì)時(shí)期古地應(yīng)力場(chǎng)作用導(dǎo)致煤層變形的具體表現(xiàn)，其對(duì)煤層滲透率的控制也是基于不同時(shí)期古地應(yīng)力作用下煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)的改變性質(zhì)或破壞程度。因此，埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵主控地質(zhì)因素通過(guò)地應(yīng)力、裂隙及應(yīng)變破壞特征控制煤儲(chǔ)層滲透性是高煤階煤層氣富集的基本機(jī)理。

4.1 地應(yīng)力控制

地應(yīng)力控制煤層滲透率的實(shí)質(zhì)是煤儲(chǔ)層應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致孔裂隙發(fā)生改變從而影響煤層滲透率。地應(yīng)力作用下的煤儲(chǔ)層孔裂隙改變有2種不同的結(jié)果：正向變化，孔裂隙增加，連通性變化變好，或裂隙開(kāi)度變好；負(fù)向變化，孔裂隙減少，連通性變差，或裂隙開(kāi)度變差。煤儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)主要由覆巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力所決定，覆巖應(yīng)力和地層壓力與煤層埋深的關(guān)系直接密切。垂向上主要為覆巖應(yīng)力，水平方向上為構(gòu)造應(yīng)力和覆巖誘導(dǎo)應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向存在垂向和水平方向2種不同的可能狀態(tài)，最大主應(yīng)力的轉(zhuǎn)換是造成煤層滲透率變化的重要原因。沁水盆地南部高階煤儲(chǔ)層主節(jié)理與現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向相近或一致，這就造成了裂隙的相對(duì)拉張，而主應(yīng)力差越大，這種拉張效應(yīng)也越強(qiáng)，從而顯著提高煤層滲透率。然而隨著煤層埋深增加和覆巖應(yīng)力增大(>1 000 m)，垂向主應(yīng)力可能成為最大主應(yīng)力，即使處于相對(duì)拉張構(gòu)造應(yīng)力的正斷層發(fā)育區(qū)，也會(huì)造成孔裂隙閉合，從而降低煤層滲透率。儲(chǔ)層壓力可降低有效應(yīng)力，對(duì)煤層滲透率具有正效應(yīng)，即儲(chǔ)層壓力越大，煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力越小，起到撐開(kāi)裂隙的作用，然而儲(chǔ)層壓力對(duì)滲透率的影響應(yīng)小于覆巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力對(duì)滲透率的影響。有效應(yīng)力增加往往會(huì)直接導(dǎo)致孔裂隙的變形甚至閉合，降低煤層滲透率，并且隨著煤階升高煤層滲透率降低更為顯著。低應(yīng)力狀態(tài)下(<6 MPa)，有效應(yīng)力增加導(dǎo)致裂隙和煤基質(zhì)的大孔、微裂隙出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，煤層滲透率顯著降低；而高應(yīng)力狀態(tài)下(≥6 MPa)，煤層可壓縮性降低，有效應(yīng)力增加主要導(dǎo)致中小孔閉合，對(duì)煤層滲透率的影響幅度變小(圖10)。由于應(yīng)力場(chǎng)的方向性和應(yīng)力大小的差異性，煤儲(chǔ)層滲透率的各向異性也十分顯著，總體而言，平行于張開(kāi)主裂隙發(fā)育方向的煤層滲透率最大，垂直于張開(kāi)主裂隙發(fā)育方向的煤層滲透率最小。

圖10 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)顯示有效應(yīng)力與滲透率的關(guān)系[74]Fig.10 Laboratory investigations on the relationship between effective stress and permeability[74]

地應(yīng)力對(duì)煤層含氣性也有一定的影響，但相對(duì)次要。一方面，覆巖應(yīng)力、擠壓構(gòu)造應(yīng)力和有效應(yīng)力增大，煤層受壓縮孔隙度顯著降低，不利于游離態(tài)甲烷的賦存；另一方面，地應(yīng)力增大也往往伴隨著儲(chǔ)層壓力增大，根據(jù)Langmuir吸附理論，儲(chǔ)層壓力增大可促進(jìn)煤層吸附更多甲烷。由于煤層氣主要以吸附態(tài)保存，地應(yīng)力對(duì)煤層含氣性影響的負(fù)效應(yīng)一般小于正效應(yīng)，故應(yīng)力集中區(qū)煤層含氣量普遍較高。

4.2 煤儲(chǔ)層裂隙及應(yīng)變破壞特征控制

裂隙(割理)的發(fā)育特征直接影響滲透率的大小和方向，這是由于割理裂隙系統(tǒng)具有良好的連通性，面割理和端割理的連通性是影響煤巖滲透率的重要因素。煤基質(zhì)滲透率(孔隙滲透率)遠(yuǎn)小于裂隙滲透率，高階煤儲(chǔ)層更是如此。然而煤層在形成后普遍經(jīng)歷多期構(gòu)造變動(dòng)，如沁水盆地高階煤先后經(jīng)歷海西運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)差異明顯，對(duì)煤層變形改造作用各異，必然導(dǎo)致煤層原生割理系統(tǒng)的破壞，因此煤巖的滲透率不僅受原生割理系統(tǒng)控制，還取決于割理系統(tǒng)形成后構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變帶來(lái)的煤層外生裂隙和煤巖應(yīng)變破壞特征，這就是煤體結(jié)構(gòu)控制煤層氣富集的主要原因。煤巖應(yīng)變破壞實(shí)驗(yàn)表明：不同儲(chǔ)層條件下煤巖受應(yīng)力作用會(huì)產(chǎn)生不同形態(tài)的裂隙系統(tǒng)；含水煤儲(chǔ)層流體壓力增大，煤巖從脆性剪切破壞逐漸變化為韌性破壞；煤巖應(yīng)變破壞隨應(yīng)力增加而逐漸增強(qiáng)，在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)育區(qū)，煤巖裂隙系統(tǒng)受到破壞，甚至發(fā)育糜棱結(jié)構(gòu)。

煤巖應(yīng)變破壞的過(guò)程控制著滲透率的變化，其本質(zhì)是煤巖變形造成的裂隙、微裂隙或孔喉的開(kāi)合。具體來(lái)說(shuō)在煤巖彈性變形階段，煤巖被壓縮，若原生裂隙發(fā)育，則煤巖滲透率降低；而對(duì)于裂隙不發(fā)育的煤，其滲透率基本無(wú)變化。在到達(dá)煤巖彈性極限后，隨著應(yīng)力增加，煤巖發(fā)生脆性變形和裂縫的擴(kuò)展，該階段滲透率先緩慢增加而后隨裂隙擴(kuò)展而急劇增加。達(dá)到巖石強(qiáng)度后，煤巖在應(yīng)力作用下發(fā)生軟化，煤巖破碎嚴(yán)重，裂隙被破壞或被煤粒/煤粉重新填充，滲透率急劇降低。隨著煤巖重新被壓實(shí)，滲透率逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于完整煤樣(裂隙不發(fā)育)，均存在滲透率陡增的過(guò)程，這是由于剪切破壞造成的大量裂隙、微裂隙所致，該階段裂隙結(jié)構(gòu)可對(duì)應(yīng)于碎裂煤。在應(yīng)力-應(yīng)變?cè)黾拥膶?shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中，伴隨著煤體結(jié)構(gòu)未變形、脆性變形、韌性變形的連續(xù)變化，煤巖滲透率的變化規(guī)律與前文所述煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤層滲透率的控制規(guī)律一致，因此在應(yīng)力場(chǎng)的作用下煤巖應(yīng)變破壞的過(guò)程對(duì)煤層中裂隙的改造作用是煤層滲透率改變的根本原因。

由于吸附作用主要是發(fā)生在煤基質(zhì)微小孔隙內(nèi)表面，且吸附量占煤層含氣量的絕大多數(shù)，因此煤巖比表面積的增加往往會(huì)使得煤層含氣量顯著增加。煤巖的應(yīng)變過(guò)程是從彈性形變、脆性形變?cè)俚巾g性形變的連續(xù)過(guò)程，彈性形變實(shí)質(zhì)是對(duì)煤巖原生孔隙的壓縮，脆性形變產(chǎn)生新的裂隙，均對(duì)微孔影響較小，而韌性形變則是煤體軟化破碎，發(fā)生力化學(xué)作用，煤大分子側(cè)鏈脫落，芳香環(huán)縮合，微孔大量生成。因此，對(duì)于無(wú)顯著裂隙發(fā)育的煤巖來(lái)說(shuō)，煤層含氣性在應(yīng)變破壞的過(guò)程中先輕微減小或不變，而后緩慢增加，應(yīng)變達(dá)到煤巖強(qiáng)度后，隨著煤體粉末化加劇，含氣量會(huì)顯著增加。

4.3 綜合控制

煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育、應(yīng)變破壞特征與地應(yīng)力相互緊密關(guān)聯(lián)。一般而言，煤層的裂隙發(fā)育與應(yīng)變狀態(tài)是古地應(yīng)力作用的結(jié)果，特別是構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，古構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致煤層應(yīng)變破壞的現(xiàn)象尤為明顯。高階煤煤化程度高，失水收縮和含氧官能團(tuán)裂解產(chǎn)生的部分煤巖內(nèi)生裂隙在煤化作用后期壓實(shí)、填充和煤大分子重新縮聚過(guò)程中逐漸消失，因此，煤變質(zhì)作用過(guò)程中覆巖應(yīng)力(靜巖壓力)、流體壓力(儲(chǔ)層壓力)和構(gòu)造應(yīng)力對(duì)高階煤裂隙狀態(tài)和應(yīng)變破壞的控制尤為重要。由于煤層的強(qiáng)烈非均質(zhì)性，即使相同的應(yīng)力場(chǎng)條件，煤體的變形程度和孔裂隙結(jié)構(gòu)都不盡相同。因此，高階煤的滲透率主要由現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)和裂隙與應(yīng)變破壞狀態(tài)共同控制。

原始煤層在地應(yīng)力作用下發(fā)生煤體結(jié)構(gòu)的改變，不同裂隙發(fā)育程度的原始煤層在地應(yīng)力增加的過(guò)程中發(fā)生不同的煤體應(yīng)變和破壞特征。裂隙不發(fā)育的原始煤層在地應(yīng)力作用下會(huì)先產(chǎn)生新裂隙與裂隙開(kāi)度的增加造成滲透率顯著增加，而后在裂隙閉合和破壞下煤層滲透率急劇衰減；而裂隙發(fā)育的煤層在地應(yīng)力增加過(guò)程中裂隙處于持續(xù)壓縮和破壞中，因此煤層滲透率不斷衰減(圖11)。因此，對(duì)于不同裂隙發(fā)育狀態(tài)的煤層，地應(yīng)力與煤體應(yīng)變、破壞特征共同控制煤層滲透率機(jī)理不同，原始煤層裂隙發(fā)育越復(fù)雜，煤層滲透率應(yīng)力敏感性越明顯，隨地應(yīng)力增加煤層滲透率減小越顯著，然而隨著地應(yīng)力不斷增加，源于不同裂隙發(fā)育狀態(tài)原始煤層的煤體結(jié)構(gòu)相似度變高，應(yīng)力應(yīng)變控制的滲透率變化規(guī)律趨于一致。值得注意的是，相較于應(yīng)力狀態(tài)易受構(gòu)造和埋深條件的不同變化影響，煤體形變和破壞程度是不可逆過(guò)程，但在煤體形變和破壞過(guò)程中，發(fā)生應(yīng)力松弛或卸載都會(huì)導(dǎo)致煤層滲透率的增大。這是由于地應(yīng)力減小導(dǎo)致煤體膨脹、孔裂隙及其開(kāi)度增加，增加和改善了流體流動(dòng)的路徑，煤體破壞程度越高應(yīng)力釋放后煤層滲透率變化越大，此時(shí)煤層滲透率受卸載后地應(yīng)力狀態(tài)和卸載前煤體最終應(yīng)變破壞特征控制。糜棱煤等典型構(gòu)造煤應(yīng)力釋放時(shí)滲透率顯著改善的特征成為煤層氣應(yīng)力釋放開(kāi)發(fā)理論的重要地質(zhì)依據(jù)。

圖11 地應(yīng)力變化與煤體應(yīng)變破壞過(guò)程對(duì)高階煤滲透率與含氣量的控制模式Fig.11 Coupling controlling of stress field and strain failure of coal body on gas content and permeability of high-rank coals

煤層含氣量的大小主要取決于煤層的吸附能力和儲(chǔ)層壓力，因此孔裂隙的發(fā)育程度，特別是微孔的發(fā)育程度直接影響該煤層的含氣量。煤層中的微裂隙和宏觀裂隙屬于大孔，對(duì)煤層吸附能力貢獻(xiàn)不大，煤體的脆性形變與破壞對(duì)含氣量幾乎無(wú)影響，反而是在地應(yīng)力升高下部分孔裂隙的壓縮和閉合會(huì)導(dǎo)致含氣量有所減??；隨著應(yīng)力的不斷增加，煤體發(fā)生揉皺和強(qiáng)烈韌性變形，甚至動(dòng)力變質(zhì)作用和力化學(xué)作用，煤中大分子結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)、支鏈等斷裂、脫落，形成部分微孔；同時(shí)，煤的芳香環(huán)片層增大、間距減小，芳香片層間相互錯(cuò)位堆積，使層間孔增多。因此在高地應(yīng)力作用下的煤體強(qiáng)烈形變與破壞過(guò)程后期，形成碎粒煤、片狀煤、糜棱煤等典型的構(gòu)造煤，煤層的含氣量會(huì)隨著微孔的增加而迅速增加，但原始地應(yīng)力條件下構(gòu)造煤的滲透率非常低。

5 結(jié) 論

(1)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用成因高階煤是高煤階煤層氣富集的基本地質(zhì)背景。相對(duì)于富氣低滲的深成熱變質(zhì)成因高階煤，區(qū)域巖漿熱變質(zhì)成因高階煤具有富氣高滲特征。沁水盆地南部(晉城)、鄂爾多斯盆地東南緣(韓城—延川南)、沁水盆地北端(壽陽(yáng)—陽(yáng)泉)、黔北—川南(織金—筠連)等中國(guó)高煤階煤層氣富集區(qū)煤儲(chǔ)層均以區(qū)域巖漿熱變質(zhì)成因?yàn)橹鳌８呙弘A煤層氣富集區(qū)形成于高異常地?zé)釄?chǎng)條件，甚至與成煤期后巖漿侵入體相關(guān)，煤層生氣能力和吸附能力大，且孔裂隙相對(duì)發(fā)育、滲透率較高。

(2)高煤階煤層氣富集規(guī)律是煤層含氣量和滲透率在不同埋深和構(gòu)造條件下耦合配置的結(jié)果，以沁水盆地為例，煤層埋深500 m以淺，發(fā)育高階煤煤層氣向斜富集模式，煤層氣高產(chǎn)井多出現(xiàn)于向斜核部；煤層埋深500～800 m，發(fā)育高階煤煤層氣褶曲翼部斜坡帶富集模式，煤層氣高產(chǎn)井多位于寬緩褶曲翼部或單斜斜坡帶；煤層埋深800 m以深，發(fā)育高階煤煤層氣構(gòu)造高位富集模式，煤層氣高產(chǎn)井主要位于背斜核部、鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折端等構(gòu)造高點(diǎn)部位。

(3)煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造(含構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng))、煤體結(jié)構(gòu)等決定高階煤儲(chǔ)層滲透率的主控地質(zhì)因素構(gòu)成高煤階煤層氣富集關(guān)鍵主控地質(zhì)因素。煤層甲烷風(fēng)化帶下限深度至1 000 m埋深左右，煤層滲透率隨埋深呈負(fù)指數(shù)減?。坏刭|(zhì)構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤層滲透率的控制作用相對(duì)復(fù)雜，煤層拉張裂隙發(fā)育且與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向一致的構(gòu)造部位煤層滲透率高；不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤中碎裂煤裂隙發(fā)育，連通性好，滲透率最高。高階煤煤層氣富集是煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造(含構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng))、煤體結(jié)構(gòu)等主控地質(zhì)因素共同作用和地質(zhì)選擇的結(jié)果。

(4)埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵主控地質(zhì)因素通過(guò)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力、裂隙與應(yīng)變破壞耦合關(guān)系控制高階煤煤儲(chǔ)層滲透性是高煤階煤層氣富集的基本機(jī)理。地質(zhì)構(gòu)造和煤體結(jié)構(gòu)是古地應(yīng)力的主要表現(xiàn)，主要控制煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育；煤層埋深是現(xiàn)今覆巖應(yīng)力和地層壓力的主要表現(xiàn)，和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力一起控制煤儲(chǔ)層裂隙的開(kāi)合度和各向異性；在地應(yīng)力場(chǎng)作用下煤巖應(yīng)變破壞過(guò)程對(duì)煤層中裂隙的改造作用是高階煤煤層滲透率變化的根本原因。糜棱煤等典型構(gòu)造煤應(yīng)力釋放時(shí)滲透率顯著改善的特征成為煤層氣應(yīng)力釋放開(kāi)發(fā)理論的重要地質(zhì)依據(jù)。

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