河?xùn)|煤田南部中生代構(gòu)造與煤層氣的關(guān)系

＊米 然

（山西地寶能源有限公司 山西 030045）

引言

河?xùn)|煤田位于鄂爾多斯盆地東部邊緣地帶。區(qū)域基本構(gòu)造主要形成于中生代。河?xùn)|煤田不同地段的構(gòu)造發(fā)育程度、展布形式呈現(xiàn)出南北分區(qū)、東西分帶的地質(zhì)景觀。

研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造特征：南北向上，在離石—柳林構(gòu)造帶以北，構(gòu)造變形較弱且稀疏。南部則構(gòu)造變形明顯且密集，在中部離石—柳林構(gòu)造帶附近則呈現(xiàn)傾向W的鼻翼構(gòu)造。在東西向上，盆地西部是平緩的單斜構(gòu)造，中部為寬緩的褶皺構(gòu)造，東部盆地邊緣則斷裂發(fā)育。

本文著重論述河?xùn)|煤田南部中生代構(gòu)造與煤層氣的關(guān)系。

1.研究區(qū)主要構(gòu)造

(1)紫荊山斷裂帶

斷裂帶位于研究區(qū)東面邊界附近，在研究區(qū)內(nèi)長度約45km。是研究區(qū)的自然邊界。斷裂帶近南北向延伸，南部略向西偏，寬約3km，主要為一系列逆沖斷層平行組合而成，至少有三條以上較大的斷層。均為向東傾斜的均緩波狀斷層，傾角在40°～80°。東側(cè)上盤上升，西側(cè)下盤下降。在斷裂帶內(nèi)，表現(xiàn)為強(qiáng)擠壓、陡傾角，一般為70°～80°，局部垂直。斷裂東側(cè)為奧陶系灰?guī)r形成的高大山峰，斷層較多。西側(cè)斷層很少，地表多被黃土覆蓋，局部有三疊系地層露出。

(2)褶皺

區(qū)內(nèi)褶皺軸向南部為北北東向，北部為南北向，大多為軸面略向西或北西西傾的平緩開闊褶皺。研究區(qū)內(nèi)的主要背斜有：王家莊向斜、石樓背斜、黑龍溝背斜、下李背斜、朱家峪背斜、古驛-窯渠背斜。主要向斜有：暖泉-羅村向斜、解家河向斜。除此之外，還有薛關(guān)-峪口撓曲等構(gòu)造。

2.斷裂和褶皺浱生的裂隙特征

裂隙在研究區(qū)廣泛發(fā)育。在煤中的裂隙稱為割理，在巖石層中稱之為節(jié)理。

(1)節(jié)理

通過對(duì)紫金山斷裂所帶采集的巖石標(biāo)本進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)，在砂巖中可見變形文，與走向和斷面平行，垂直于變形紋可見有張裂紋發(fā)育，張裂紋中有方解石脈充填。在局部逆斷層發(fā)育密集區(qū)域，可見有扭裂紋發(fā)育。

區(qū)域內(nèi)的節(jié)理一般垂直于層理，等距性較好，多出現(xiàn)在脆性的巖層中（白云巖、石灰?guī)r、砂巖等），很少進(jìn)入相鄰的相對(duì)韌性的巖層中（頁巖、泥巖等），節(jié)理面較為光滑平整，開度一般小于0.5mm，大多未被填充，本次通過對(duì)節(jié)理表面觀察，發(fā)現(xiàn)有一層上覆一層鐵銹膜。節(jié)理延伸穩(wěn)定，小的數(shù)十厘米，大的能達(dá)到數(shù)十米，末端常與垂直的節(jié)理相交或是尖滅。區(qū)域內(nèi)的兩組節(jié)理互相垂直相交，一組與平行于地層走向，另一組層平行于地層傾向，彼此互相限制。

(2)割理

割理的特征與上述節(jié)理的特征相似，由于野外觀察受限，本次根據(jù)現(xiàn)有資料進(jìn)行了簡單的研究分析。區(qū)域內(nèi)割理發(fā)育更為密集。通過對(duì)研究區(qū)北部鼻狀構(gòu)造區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)割理延伸穩(wěn)定，一般垂直層面且等距性較好。割理的方向與相鄰的地層中的節(jié)理正好對(duì)應(yīng)，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育兩組割理，主割理與地層傾向平行，且延伸穩(wěn)定相對(duì)密集，端割理平行于地層走向，兩組割理互相相交限制。

3.裂隙與斷裂、褶皺的關(guān)系

查明煤系地層中的裂隙系統(tǒng)的形成和分布狀態(tài)，是預(yù)測煤層氣能否高產(chǎn)富集的關(guān)鍵所在。一般煤系地層的各類巖石受到應(yīng)力后都可產(chǎn)生變形，有彈性變形、塑性變形和破壞變形，當(dāng)應(yīng)力超過某一定的值時(shí)，煤系地層就會(huì)產(chǎn)生斷裂或節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙的空間分布和產(chǎn)出特征影響煤層的非均質(zhì)性和甲烷氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而最終影響煤層甲烷的采收率。而褶皺與斷裂構(gòu)造的形成，直接影響著裂隙系統(tǒng)的分布。

(1)裂隙與斷裂的關(guān)系

大量的裂隙特征表明，在研究區(qū)內(nèi)的裂隙多為張力所形成的，裂隙發(fā)育在相對(duì)脆性的地層中，而未向韌性地層延伸擴(kuò)展，由此可以看出，在研究區(qū)內(nèi)形成裂隙成因與構(gòu)造成因在區(qū)域應(yīng)該是一致的。在研究區(qū)范圍內(nèi)，裂隙方向未受地層產(chǎn)狀的影響，兩組裂隙方向依然是與地層走向和傾向相平行。這一特征表明裂隙構(gòu)造主要形成在區(qū)內(nèi)斷裂與褶皺形成的同一時(shí)期，并且受它控制。

在區(qū)域內(nèi)交口、石樓一帶進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時(shí)，共取可14個(gè)測點(diǎn)，對(duì)62條節(jié)理進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，節(jié)理走向的優(yōu)勢(shì)方位為：40°～50°、10°～20°、285°～295°、345°～360°（見圖1），由此得出：節(jié)理所反映的應(yīng)力場是東西擠壓，南北向伸展，該應(yīng)力場方向與區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂所受的應(yīng)力場是一致的。

圖1 節(jié)理走向玫瑰花圖

以往地質(zhì)調(diào)查資料顯示，該區(qū)域不同地層中發(fā)育節(jié)理的方位及組合方式相似，應(yīng)為中生代時(shí)期同一應(yīng)力場作用下形成的。區(qū)域內(nèi)的裂隙及節(jié)理大體分為四組，即EW向、SN向NE向和NW向（見圖2）。SN向節(jié)理在紫荊山斷裂附近特別發(fā)育，常與一組EW向陡立的節(jié)理伴生，兩組節(jié)理的節(jié)理面上常有擦痕，這兩組列里呈現(xiàn)為一對(duì)區(qū)域性共軛X型剪節(jié)理（見表1、圖3），通過這些現(xiàn)象可知主壓應(yīng)力軸為近EW向，主張力軸近SN向，中間應(yīng)力軸產(chǎn)狀陡立，這些現(xiàn)象結(jié)合區(qū)域內(nèi)SN向的壓扭性斷層和褶皺狀態(tài)，可以看出區(qū)域的主應(yīng)力場為近EW向擠壓應(yīng)力，并伴有SN向的滑動(dòng)。節(jié)理反映的應(yīng)力場與區(qū)域斷裂反映的相一致。

表1 NE、NW向共軛剪節(jié)理及主應(yīng)力軸方位表

圖2 節(jié)理等密圖

圖3

(2)裂隙與褶皺的關(guān)系

我們采用了Robinson和Lisle在1995提出的曲率摩爾圓法，總共處理區(qū)內(nèi)110個(gè)下二疊系山西組內(nèi)層位穩(wěn)定的2號(hào)煤底高程數(shù)據(jù)。從總體上看，研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造曲率值一般在0.1×10-4m-1左右，也有達(dá)到0.2×10-4m-1及以上的地段。向斜處的構(gòu)造曲率為負(fù)值，背斜處為正值，褶皺作用相對(duì)強(qiáng)烈的地區(qū)則反映為高曲率值。因此，區(qū)域內(nèi)曲率值大于0.1×10-4m-1的地段構(gòu)造裂隙相對(duì)發(fā)育。區(qū)內(nèi)構(gòu)造曲率絕對(duì)值大者與紫荊山斷裂西側(cè)盆緣斷坳、區(qū)內(nèi)褶皺相對(duì)應(yīng)。

4.裂隙與煤層氣的關(guān)系

應(yīng)力作用和區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造形變對(duì)煤層氣的儲(chǔ)存能力具有重要影響。如層間滑動(dòng)構(gòu)造會(huì)破壞煤層的原始結(jié)構(gòu)，形成“構(gòu)造煤”，從而影響煤層滲透性。構(gòu)造應(yīng)力的性質(zhì)、大小和方向直接決定煤層割理的開啟程度及方向，也決定煤層氣的壓力大小、富集程度及逸散能力。

裂隙系統(tǒng)和煤體結(jié)構(gòu)直接影響著煤儲(chǔ)層的滲透性。多孔介質(zhì)流體通過能力則體現(xiàn)在滲透率上，因此煤層氣產(chǎn)出量的高低可直接通過滲透率反映出來。

含煤地層中的外生構(gòu)造裂隙體系和內(nèi)生的割理體系是煤層滲透率的決定因素，內(nèi)生割理體系是煤層在煤化過程中脫水、脫氣體積收縮而形成的。而在構(gòu)造變形中，它往往會(huì)被改造。外生裂縫體系是巖層（包括煤層）受到構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生，其規(guī)模大、延伸長、貫通性好，對(duì)煤層滲透性影響較大。查明煤系地層中的裂縫體系的形成和分布狀態(tài)，是預(yù)測煤層氣高產(chǎn)富集的關(guān)鍵所在。煤層是雙重孔隙介質(zhì)（基質(zhì)孔隙和割理）。基質(zhì)孔隙平均直徑通常小于20?，滲透率很低，為10-9～10-12μm2，可視為零；而割理系統(tǒng)的滲透率一般在0.1×10-3～50×10-3μm2之間。因此割理系統(tǒng)的滲透性決定了煤儲(chǔ)層的滲透性。煤層滲透率各向異性很強(qiáng)，一般面割理方向滲透性大于端割理方向。

裂隙對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響主要表現(xiàn)在對(duì)煤層氣富集和運(yùn)移，一方面是裂隙提供了煤層氣的富集空間。研究區(qū)內(nèi)地表出露的裂隙大多沒有被充填，有不少裂隙斷裂面上有地下流體的跡痕（方解面膜和鐵銹膜），因此這些裂隙提供了天然氣貯存的空間，裂隙密度越大，該區(qū)域天然氣貯存空間往往也越大。研究區(qū)內(nèi)總體裂隙密度較低，對(duì)煤層氣的儲(chǔ)存空間有限。然而在一些褶皺、撓曲發(fā)育區(qū)，裂隙發(fā)育密度較大，這些可能會(huì)是煤層氣的富集區(qū)域，因此，區(qū)域構(gòu)造的研究、裂隙特征的分析，是勘探開發(fā)煤層氣重要的工作。

另一方面，地下裂隙有利于煤層氣的逸散和運(yùn)移。裂隙的性質(zhì)、系、產(chǎn)狀、密度、開度、延伸長度、型式、空間分布、連通性等，均影響著煤層氣的貯存情況，研究區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，且裂隙相交，地下連通性好，但研究區(qū)內(nèi)地表出露的裂隙大多沒有被充填，因此裂隙密集處不利于天然氣的貯存。研究區(qū)內(nèi)的平行走向和平行傾向的兩組裂隙構(gòu)成棋盤狀，單條裂隙可達(dá)10多米。同組或相鄰組的裂隙可互相貫通鏈接，該裂隙規(guī)模大、連通性好，這是今后該區(qū)域內(nèi)天然氣開發(fā)重點(diǎn)觀察的現(xiàn)象。

5.結(jié)語

裂隙研究對(duì)煤層氣勘探和開發(fā)具有重要的意義，裂隙系統(tǒng)和煤體結(jié)構(gòu)直接影響著煤儲(chǔ)層的滲透性，在含煤地層中割理系統(tǒng)的滲透率決定了煤儲(chǔ)層的滲透性，而地下裂隙提供了煤層氣貯存的空間的同時(shí)，也提供了逸散和運(yùn)移的通道，因此尋找天然裂隙密集區(qū)（帶）是勘探開發(fā)煤層氣必要的工作。只有對(duì)地下裂隙的特征有一個(gè)接近實(shí)際的認(rèn)識(shí)，我們才能夠去合理地評(píng)價(jià)選區(qū)、布置鉆孔和制定開發(fā)方案。