構造應力對阜新盆地煤層氣成藏的影響

張曉麗 何金先

(1. 中國地質大學 (北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 2. 中國科學院蘭州地質研究所, 甘肅 730000)

1 阜新盆地地質概況

阜新盆地位于遼寧省中西部, 為NNE 走向的狹長條狀晚中生代典型陸相斷陷盆地 (圖1) , 以前震旦系或震旦系地層為基底, 接受了晚中生代地層的沉積。其中下白堊統沙海組沙三段為含煤段,下白堊統阜新組為阜新盆地主要含煤地層, 組內分上、中、下三個部分, 中部含有5 大可采煤層群。

阜新盆地位于中朝地臺的東部、內蒙地軸南部的燕遼地臺褶皺帶。盆地東側為大巴- 錦州斷裂,西側為興隆溝- 敖拉嘛荒斷裂, 北部與內蒙地軸二郎廟斷裂相接, 盆地東西兩側的斷裂構造對阜新盆地的生成、發展及演化起著決定性的作用。盆地次一級構造以褶皺為主, 從北向南依次有新邱- 哈拉哈背斜、劉家- 王營子向斜、東梁- 清河門背斜、李金- 九道嶺向斜, 這些褶皺呈北東向雁行式排列[2]。盆地兩側的斷裂均向盆地內傾斜, 呈階梯狀, 中央相對下降, 邊緣相對抬升。盆地內斷裂構造比較發育, 查明的斷層百余條, 均為正斷層, 其中一級斷裂構造主要有4 組, 即NNE(34%) ,NNW(31%) , NW (20%) , NEE (15%) , 這4 組斷裂構造對地層、煤層均有一定影響, 并把阜新煤田大體劃分成5 個礦區井田[3](圖2) 。

阜新盆地形成的動力和演化過程, 與亞洲的大地構造背景緊密相關。太平洋板塊在三疊紀以后開始離散, 并產生區域的拉張作用, 產生了阜新盆地的兩條盆緣斷裂： 西部興隆溝- 敖拉嘛荒斷裂和東部大巴- 錦州斷裂。在構造分異作用下, 盆地中部下降, 形成了底面向東南傾的盆地雛型; 晚侏羅世早期, 板塊活動頻繁, 出現火山噴發, 沉積了義縣組地層, 巖性以火山碎屑巖為主, 之后形成斷陷湖盆。盆地有張扭性階段和壓扭性階段兩個沉積階段, 在張扭性初期, 盆地沉積了以淺- 深湖相為主的九佛堂組地層; 早白堊世, 沉積了沙海組, 至沙海組晚期, 盆地擴展到最大的范圍。

圖1 阜新盆地地震剖面 (據文獻[1])

圖2 阜新盆地構造位置與礦區分布示意圖 (據文獻[4]修改)

2 阜新盆地構造應力與煤層氣生成

構造應力通常是指導致構造運動、產生構造形變、形成各種構造形跡的應力。在傳統油氣應力場研究中, 構造應力常指由于構造運動引起的地應力的增量[5], 地應力主要由重力應力、構造應力和流體壓力等幾種應力耦合而成[6]。

傳統的煤層氣理論認為煤層氣是自生自儲于煤層中的非常規天然氣。近年來的研究表明, 煤層氣是疊加成因的。煤層氣的來源既有泥炭到低階煤的原始生物成因和中高階煤的正常熱成因, 也有后期次生生物成因和煤型氣- 油型氣混合成因。因此,煤層氣包括煤層自生的和其他氣源巖中運移到煤層中的天然氣, 是一種混合天然氣。煤層氣的成因有有機成因與無機成因之爭, 目前多方面的證據證明大部分的煤層氣為有機成因, 極少部分煤層氣屬于無機成因, 因此本文主要從有機成因的角度討論阜新盆地煤層氣的生成。

2．1 構造應力提供能量促使有機質向烴類轉化

有機質的轉化、烴類的生成是消耗巨大能量的化學過程。因此, 有機質的轉化率也恰恰取決于能量的供給[7]。阜新盆地主要經歷了燕山期與喜山期造山運動, 構造活動頻繁, 活躍的構造應力為該區有機質的成烴轉化提供了巨大的能量, 對盆地內有機質的熱演化起著加速的作用, 在兩個造山期中大量的有機質向烴類轉化, 極大地促進了煤層氣的生成。

盆地自阜新期末開始受到區域擠壓應力的作用[8], 朱志敏等[9]研究發現阜新盆地阜新組和沙海組煤層的埋深最深也未超過2000m, 深成變質作用對煤層生氣影響有限, 而現今煤層含氣性卻較好,因此認為構造應力使得阜新盆地煤中有機質直鏈化合物和側鏈化合物基團斷裂和脫落, 導致相對分子質量降低, 直接改變煤大分子的化學組成, 在低、中級煤化階段明顯表現為“動力生烴”。

2．2 褶皺構造、斷裂構造對煤層氣生成的影響

構造應力作用于地殼巖層, 巖層產生褶皺、發生斷裂, 因此阜新盆地的褶皺和斷裂是構造應力作用的產物, 褶皺 (背斜和向斜) 、斷層對阜新盆地煤層氣的生成都產生了明顯的影響。

阜新盆地的褶皺構造中, 劉家- 王營子向斜為NE 走向, 兩翼對稱, 傾角舒緩, 核部地層厚度大,有巨厚的阜新組煤層賦存; 李金- 九道嶺向斜為NW 走向, 寬緩, 核部地層厚度較大, 并有可采煤層賦存。這兩個向斜構造的下部地層受張應力作用, 這使得下部煤系地層中的割理、節理、微孔隙等得以擴張, 擴大了煤層氣的儲集空間, 有利于煤層中吸附甲烷的解吸, 因此促進了煤層氣的解吸產出, 而上部地層遭受擠壓, 則有利于阻隔下部產出的煤層氣向外逸散, 劉家區煤層氣含量較高證實了這一點。新邱- 哈拉哈背斜為NE 走向, 向東傾伏, 軸部出露于地表, 地層為九佛堂組, 其NE 端略顯向北突出的弧形; 東梁- 清河門背斜為NE 走向, 軸部出露為沙海組地層, 阜新組地層已被剝蝕, 在翼部賦存有沙海組煤層。這兩個背斜構造翼部處于擠壓狀態, 裂隙系統很少發育, 不利于煤層氣的解吸產出, 且軸部在張應力作用下, 發育大量裂隙系統, 生成的煤層氣也極易散失, 清河門礦區煤層氣含量較低證實了這一點。

由上分析可知道, 阜新盆地的2 個向斜褶皺總體上有利于煤層氣的解吸產出; 2 個背斜褶皺總體上不利于煤層氣的解吸產出。

阜新盆地斷裂構造發育較多, 查明的斷層有百余條, 均為正斷層, 而且斷層走向有6 個方向 (4個優勢方向) , 這就使得盆地的各個煤層都有很大的機會經受斷層切割。雖然煤層的斷裂構造對煤層氣的保存不利, 但是煤層的斷裂構造可以使煤巖的裂隙系統得以廣泛發育, 煤層的滲透率增大, 煤層附近前期生成的煤層氣能較容易離開源巖層運移到其他層位富集成藏, 裂隙系統空間的擴大降低了解吸壓力, 也有助于煤層中吸附氣的析出, 促進了煤層氣的解吸產出。因此, 阜新盆地的斷裂構造對盆地內煤層氣的產出起著促進的作用。

2．3 盆地升降對煤層氣生成的影響

構造應力能夠對沉積盆地進行改造, 使盆地抬升或者沉降, 從而控制著盆地內煤層的埋藏和受熱史, 影響著煤層氣的生成 (圖3) 。阜新盆地在燕山期的造山運動中, 發生大幅度沉降, 有機質埋深增加, 埋藏溫度增高, 有機質大量向烴類轉化, 完成了第一次生烴, 該期生成的煤層氣以熱成因氣為主; 后來阜新盆地又經歷喜山期造山運動, 盆地沒有發生明顯的沉降, 有機質埋藏深度與埋藏溫度變化不大, 但是喜山運動造成一定規模的巖漿侵入,與圍巖發生接觸變質作用, 造成局部煤階增高并發生第二次生烴, 但生烴規模不大, 產出的煤層氣數量并不多。白堊紀末至今階段, 煤層氣藏進入持續的次生生物生烴階段, 持續的時間雖然很長, 但是生成的煤層氣數量也很少。由上可見阜新盆地煤層氣以燕山期第一次生烴形成的熱成因氣為主, 喜山期二次生烴和持續的次生生物生烴僅是少量的生烴補充。

圖3 劉家- 王營煤層氣藏埋藏史、熱史和成熟度史(據文獻[10])

3 阜新盆地構造應力與煤層氣保存

煤層氣保存主要受上覆巖層厚度、巖性、水文地質條件和構造應力場等共同作用的影響。一般情況下, 在擠壓應力作用下的構造有利于煤層氣的保存, 張應力作用下的構造則往往導致煤層氣的逸散[11]。擠壓應力作用下的構造部位, 主要是指背斜褶皺兩翼和與軸部中和面以下部位、向斜褶皺兩翼與軸部中和面以上部位、壓性逆斷層、逆沖推覆構造和不同走向斷裂的結合部位, 均有利于煤層氣的保存[12]。雖然阜新盆地發育的斷層以正斷層為主, 但是由于阜新盆地構造應力由前期的張性應力轉化為后期的壓性應力, 并延續至今, 這些正斷層在擠壓構造應力作用下, 斷層帶內充填有比較寬的糜棱巖化帶、斷層泥礫巖帶, 因此上部地層的斷層面呈緊閉狀態, 部分正斷層甚至轉化為逆沖斷層,這使得斷層面密封性較好, 煤層氣并不容易通過其向外逸散, 且阜新盆地內褶皺和斷裂構造中有利于保存煤層氣的處于擠壓應力作用下的構造部位大量存在, 因此阜新盆地的壓性構造應力總體上十分有利于盆地內煤層氣的保存。

另外, 構造應力引起的構造升降運動可以改變地層的溫壓條件, 打破原有煤層氣吸附平衡, 使吸附氣與游離氣相互轉化, 從而影響煤層氣的保存。如果發生構造沉降, 則隨著煤層埋深的增加, 煤層氣含量也增加, 這主要是因為隨著煤層埋深增大,煤的演化程度增高, 生氣條件變好, 同時隨著埋深增大, 煤層壓力增大, 封閉條件相對變好, 煤的吸附量隨之增加; 如果發生構造抬升, 則會造成煤層的上覆地層 (特別是有效地層) 厚度變薄, 導致煤層氣的散失, 另外還會造成地應力的下降, 煤層氣發生解吸、擴散, 不利于煤層保存和氣藏的形成。

阜新盆地成盆后形成的控煤構造主要是中、晚新華夏系和北北西系, 其對煤層埋藏的深淺起控制作用。中、晚新華夏系NNE- NE 背斜構造總體上使賦存的煤層變淺, 特別是與WNW- NW 背斜構造的疊加復合, 一方面WNW- NW 背斜構造本身是盆地最有利的聚煤構造, 常形成較多、較厚的煤層; 另一方面, 這種橫跨、疊加、復合形成的構造彎隆或短軸背斜[13], 常常使煤層埋深更淺, 不利于煤層氣保存, 這種情況在清河門礦區和東梁礦區表現得尤為明顯。而中、晚新華夏系NNE- NE 向斜構造則使煤層埋深加大, 有利于煤層保存, 從而有利于煤層產出的煤層氣保存, 從圖4 可以看出,隨著深度增大, 瓦斯涌出量增大, 證明了煤層深度增大有利于煤層氣的保存) 。

圖4 阜新煤田礦井瓦斯相對涌出量與深度關系圖(據文獻[3])

綜上所述, 構造應力對阜新盆地煤層氣保存的影響中, 個別構造應力造成的因素不利于煤層氣的保存, 但是阜新盆地的壓性構造應力總體上十分有利于盆地內煤層氣的保存。

4 阜新盆地構造應力與煤層氣運移

煤層氣系統中氣體的運移包括兩種情況： 當煤層中的煤層氣全部來自煤層自生 (生物化學和熱作用) 氣體時, 煤層氣基本不發生初次和二次運移就直接賦存在煤中, 此時可不考慮煤層氣的運移; 當煤層中的煤層氣全部來自其他源巖, 則存在初次和二次運移, 這與常規天然氣的運移并無差別。但現今保存下來的煤層氣往往都是以上兩個端元來源氣體的混合產物, 既有自生的也有他源運移的, 因此還是有必要對煤層氣的運移問題進行研究。

構造應力控制著阜新盆地煤層裂隙的發育程度、空間展布規律以及后期演化。阜新盆地內區域應力場產生區域性的裂隙系統控制著煤儲層滲透率區域性分布, 而盆地內局部構造地帶的應力集中和差異分布, 則是滲透率在不同區塊存在差異的重要原因之一。外生裂隙是構造應力的直接產物, 內生裂隙 (割理) 是構造應力下煤化作用的結果, 兩者都受構造應力場的影響, 且兩者的發育方向都受古地應力方向控制。阜新盆地在區域構造應力場由張扭階段轉化為壓扭階段時, 沉積了阜新組地層, 所以該階段煤層割理和外生裂隙系統極其發育, 具有高滲透率, 極有利于煤層氣的運移。雖然阜新盆地斷層非常發育, 且以正斷層為主, 煤層氣可通過斷層面附近的裂隙系統, 散失到大氣中, 但是由于斷層系統影響了煤層的滲透率, 極大地增加了煤層氣的運移通道, 因此阜新盆地內構造應力產生的裂隙系統總體上是有利于盆地內煤層氣的運移到合適位置富集成藏。

5 構造應力與煤層氣分布

構造應力場對阜新盆地煤層氣的分布有明顯的控制作用。這表現在兩方面： 一是構造應力場控制著含阜新盆地的產生及其演化, 為煤層氣提供了宏觀的聚集部位; 二是盆地內構造應力場的分布及構造樣式具體地控制了煤層氣藏的分布。

孫平[10]對煤層氣藏定義為： 由煤系地層產生,賦存于煤體及相鄰巖層中的天然氣藏, 即煤層氣藏是煤層氣聚集的最小單元。煤層氣藏與常規天然氣藏有較大差異, 國內很少人對煤層氣藏進行分類,王紅巖[12]根據煤層氣藏形態及動力學特征對煤層氣藏進行了分類 (表1) 。

表1 王紅巖的煤層氣藏分類方案

阜新盆地本身就是一個典型的陸相斷陷盆地,背斜褶皺、向斜褶皺都有, 但是目前沒有盆內發育有單斜褶皺的研究報道, 根據表1 的分類方案, 可以指導我們確定煤層氣藏在阜新盆地內有利成藏構造位置為 (圖5) ：

(1) 斷陷盆地： 此分類是從阜新盆地整體上分析煤層氣藏的分布位置。阜新盆地煤層及上覆地層厚度大, 以高角度正斷層為主體, 多數是在斷裂基礎上發育起來的地壘、地塹、半地塹和復式斷陷盆地等組合形式, 其在總體上是煤層氣富集區, 但煤層氣賦存存在不均一性, 煤層的連續性很差, 構造簡單的塊段面積小。張群生[14]認為阜新盆地煤層氣資源總量大, 是我國煤層氣開發的重要選區之一, 具有很好的勘探開發前景; 阜新盆地的煤層氣藏探明區主要是在劉家區、東梁區、王營子區, 煤層氣賦存不均一, 煤層被斷層錯斷而連續性差, 這些事實與上述理論十分吻合。

(2) 向斜： 兩翼地層傾角大的向斜, 由于張性斷裂十分發育, 煤層氣容易逸散, 不是煤層氣成藏的有利區域, 但是兩翼傾角舒緩的向斜的翼部則為煤層氣極為有利的成藏構造位置。蘇現波等[15]認為位于王營子- 劉家向斜的王營子礦區和劉家礦區的煤層氣藏是阜新盆地最具開發前景的兩個煤層氣藏; 夏寶明[16]認為劉家礦區是煤層氣開發的重點靶區; 這都證明阜新盆地的向斜構造是阜新盆地煤層氣成藏的有利構造位置。

圖5 煤層氣在向斜和背斜中成藏有利位置示意圖(A 為兩翼傾角舒緩的向斜, 兩翼部位為煤層氣成藏有利位置; B 為不對稱背斜, 傾角舒緩一翼為煤層氣成藏的有利位置; C 為對稱背斜, 其兩翼部位為煤層氣有利成藏位置)

(3) 背斜： 包括對稱背斜和不對稱背斜。

a．對稱背斜： 其頂部裂隙密集發育, 是煤層氣逸散的通道, 背斜軸部含氣性差, 而兩翼及傾伏段方向含氣性變好, 為有利的煤層氣藏成藏位置;阜新盆地成盆后期壓扭性構造應力造成地層變形強度加大, 導致背斜軸部發育一些逆沖斷層系統, 則更有利于煤層氣保存, 其含氣性更好, 也是煤層氣成藏的有利位置。

b．不對稱背斜： 其頂部多發育張性裂隙, 在緩翼有逆斷層形成, 煤層氣在陡翼順層運移并從裂隙逸散, 在緩翼因受逆斷層的阻隔而煤層氣常得以較好保存, 因此不對稱背斜的緩翼是煤層氣藏的有利成藏位置。

c．次級背斜： 其常發育于大型寬緩復式向斜的兩翼, 背斜幅度小, 兩翼產狀緩, 裂隙不太發育, 有利于形成小型構造“圈閉”, 因此次級背斜是在有利于煤層氣成藏的向斜構造區中尋找煤層氣富氣地段和確定煤層氣井位時優選考慮的構造部位。

何玉梅等[17]認為位于東梁- 清河門背斜的東梁礦區沙海組賦存有可觀的煤層氣, 具有良好的煤層氣成藏條件; 朱志敏等[18]認為位于東梁- 清河門背斜的東梁區沙海組層位上發育有一個良好的局部背斜天然氣圈閉, 為向東南延伸呈穹隆構造的圈閉, 面積達10km2; 這都證明了背斜構造是阜新盆地煤層氣成藏的有利構造位置。

由上可見, 在阜新盆地內對煤層氣進行上述分類, 具有一定的科學性, 并得到了很好的檢驗, 因此這種研究思路可以作為對阜新盆地乃至其他斷陷型煤盆地煤層氣成藏研究一個重要參考。

6 結論

(1) 構造應力對阜新盆地的演化起著控制作用, 并影響阜新盆地煤層氣的生成、保存、運移和分布。

(2) 構造應力為阜新盆地有機質的熱演化提供能量, 促進有機質轉化為烴類, 構造應力還產生了力化學作用, 加快了有機質的熱演化; 構造應力產生的褶皺、斷裂以及引起的盆地升降, 都能影響有機質向烴類的轉化。總體上, 構造應力促進了阜新盆地在低溫條件下煤層氣的生成。

(3) 阜新盆地是以正斷層為主的斷層系統, 對煤層氣的保存不利, 但是其成盆后壓扭性應力狀態總體上有利于煤層氣的保存。

(4) 構造應力使得阜新盆地內裂隙系統十分發育, 為煤層氣的運移提供極好的運移通道, 有利于煤層氣的運移, 但是也有些構造變形, 則對煤層氣的運移起著阻隔的作用。

(5) 構造應力影響著阜新盆地內的構造形態,根據煤層氣藏的構造屬性分類, 得出了阜新盆地煤層氣資源豐富, 具有很好的勘探開發前景, 向斜和背斜構造是阜新盆地煤層氣成藏的有利構造位置的認識, 并得到很好的檢驗, 可以為進一步對阜新盆地煤層氣成藏研究提供重點研究靶區。同時這種研究思路可以為阜新盆地乃至其他斷陷型煤盆地煤層氣成藏研究提供一個重要參考。

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