沁南東區塊3＃煤層構造煤發育對滲透率的影響

劉世奇，桑樹勛，楊恒林，桑廣杰，喬茂坡

（1.中國礦業大學 低碳能源研究院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 102200；5.中國石油華北油田公司 山西煤層氣分公司，山西 晉城 048000）

滲透率是評價煤層連通性和煤層氣可采性的重要指標，在煤層氣開發中至關重要[1-3]。研究表明，決定滲透率的首要因素是構造應力環境，構造應力集中地區，如構造擠壓區、逆沖推覆作用強烈地區、不同走向斷裂的結合部位，往往滲透率較低[4-8]；構造應力松弛、轉折端撓褶帶、與斷層有關的次生裂隙、破碎斷層面等應力松弛地區，滲透率一般較高[4-8]。煤體變形導致煤的正常結構被破壞，使煤由原生結構變為碎裂結構、碎粒結構或糜棱結構等。不同的煤體結構具有不同的滲透率[9-12]，間接反映了煤層滲透率。一般認為原生結構煤、碎裂煤滲透性較高，而碎粒煤、糜棱煤滲透性差[13-15]。沁南東區塊是沁水盆地南部重要的煤層氣開發區塊[16]。目前對沁南東區塊3#煤層煤體結構發育特征、滲透率分布規律等研究較少，煤體結構與滲透率的關系尚不明確。基于沁南東區塊煤層氣井鉆井取心結果，結合試井分析和測井解釋滲透率，探討構造煤發育特征對煤層滲透率的影響，為沁南東區塊煤層氣開發提供依據。

1 地質背景

石炭-二疊系太原組和山西組為沁南東區塊主要含煤地層。山西組為發育于陸表海沉積背景之上的三角洲沉積[17-18]，含煤4～7 層，其中位于本組下部的3#煤層是全區分布最穩定，單層厚度最大的煤層，為煤層氣勘探開發的主要目的煤層。

沁南東區塊總體為NNE-NEE 走向、向西傾斜、傾角4°左右的單斜構造，波狀起伏普遍發育，并伴有緊閉褶曲。受燕山期構造運動影響，區內斷層非常發育，NE 向和NEE 向張扭性斷裂為主，另受喜山期構造運動影響發育近NNW 向小斷層。區內次級褶皺發育，以近NE 向寬緩褶曲、NNE 向和NNW 向緊閉褶曲為主。

2 沁南東區塊3#煤層構造煤發育特征

2.1 構造煤垂向發育特征

根據區內煤層氣井的鉆井取心結果，將沁南東區塊3#煤層垂向上煤體結構發育特征分為2 類：①以原生結構和碎裂結構煤為主，碎粒結構煤和糜棱煤不發育，碎裂結構煤多位于煤層中部，2 層原生結構煤之間，碎粒結構煤和糜棱煤多位于煤層底部；②以構造煤為主，原生結構煤不發育，該類型碎裂結構煤同樣多位于煤層中部，靠近煤層直接頂底板處煤體結構破碎較嚴重，以碎粒結構煤和糜棱煤為主。沁南東區塊3#煤層典型煤體結構柱狀圖如圖1。

圖1 沁南東區塊3#煤層典型煤體結構柱狀圖Fig.1 Typical columnar sections of coal-body structure of 3# coal seam in the east Qinnan block

2.2 構造煤平面分布特征

基于區內34 口煤層氣井的鉆井取心描述結果，繪制了構造煤厚度占比（構造煤厚度占煤層總厚度的比例）等值線圖。煤層構造煤厚度占比等值線圖如圖2。平面展布上，3#煤層構造煤發育程度相對較低，主要沿斷層發育，分布于斷層附近。特別是2 斷層條帶之間的區域，越靠近斷層則構造煤厚度占比越高。原生結構煤同樣沿斷層發育方向分布，主要發育于2 斷層條帶之間距離斷層相對較遠的區域，且離斷層越近的區域發育程度越低。另外，西北部和北部原生結構煤發育程度較高。構造煤平面分布特征說明構造煤形成與張扭性斷裂密切相關。

圖2 煤層構造煤厚度占比等值線圖Fig.2 Isopleth map of tectonic coal thickness ratio

3 研究區3#煤層構造煤對滲透率的影響

3.1 沁南東區塊3#煤層滲透率分布規律

研究所使用的滲透率主要來源于試井分析和測井解釋結果。平面展布上，西北部、中部和南部滲透率明顯較高，滲透率向西南、東南和東北方向遞減，煤層滲透率等值線圖如圖3。其中，研究區西北部和中部，滲透率一般大于 1.0 mD（1 mD=1×10-3μm2）；西部、東北部和西南部滲透率低，介于 0.1～1.0 mD，甚至小于 0.1 mD。

3.2 構造煤發育特征對滲透率的影響

垂向上，區內3#煤層的原生結構、碎裂結構、以及碎粒+糜棱結構煤厚度占比與滲透率均無明顯相關性，煤體結構占比與滲透率的關系如圖4。原生+碎裂結構煤厚度占比=1 的區域，滲透率以＞1.0 mD為主，而碎粒+糜棱結構煤厚度占比=1 的區域，滲透率僅為0.13 mD。說明原生結構和碎裂結構煤發育的區域滲透率相對較高。區內3#煤層原生+碎裂結構煤厚度占比＜1 時，與滲透率具有顯著的正相關性，且原生+碎裂結構煤厚度占比=1 時，煤層滲透率普遍較高，以＞1 mD 為主。說明研究區3#煤層滲透率受原生結構和碎裂結構煤發育程度的影響。

圖3 煤層滲透率等值線圖Fig.3 Isopleth map of permeability

滲透率和原生結構煤厚度占比的平面分布吻合程度不高，煤層原生結構煤厚度占比與滲透率的分布特征如圖5。但研究區中部滲透率＞1.0 mD 的區域，原生結構煤厚度占比一般＞0.6；而東部、東北部和西南部區域，滲透率以＜0.1 mD 為主，原生結構煤占比卻較高（＞0.6）。滲透率和原生+碎裂結構煤厚度占比的平面分布較為吻合，原生+碎裂結構煤厚度占比與滲透率的分布特征如圖6。特別是西北部和中部滲透率＞1.0 mD 的區域，原生+碎裂結構煤厚度占比＞0.8；而東南部和西南部區域滲透率以＜0.1 mD為主，原生+碎裂結構煤厚度占比＜0.2。上述說明，平面上研究區3#煤層滲透率同樣表現出受原生結構煤和碎裂結構煤發育程度的影響。

3.3 構造煤發育特征對滲透率的作用機制

綜上所述，原生結構和碎裂結構煤發育程度共同影響了煤層滲透率，而單一的原生結構和碎裂結構煤發育程度對滲透率的影響不明顯。這種情況的出現與割理裂隙發育有關。原生+碎裂結構煤厚度占比＜1 時，與3#煤層外生裂隙呈顯著的正相關性；原生+碎裂結構煤厚度占比=1 時，外生裂隙密度相對較高，以＞9 條/m 為主，原生+碎裂結構煤厚度占比與割理裂隙密度的關系如圖7。同樣的，原生+碎裂結構煤厚度占比=1 時內生裂隙密度相對較低，但原生+碎裂結構煤厚度占比＜1 時，原生+碎裂結構煤厚度占比與內生裂隙密度也具有較明顯的正相關性，原生+碎裂結構煤厚度占比與割理裂隙密度的關系如圖7。

圖4 煤體結構占比與滲透率的關系Fig.4 Relationships between tectonic coal thickness ratio and permeability

圖5 煤層原生結構煤厚度占比與滲透率的分布特征Fig.5 Distributions of primary structure coal thickness ratio and permeability

圖6 原生+碎裂結構煤厚度占比與滲透率的分布特征Fig.6 Distribution of thickness ratio of fragmented and mylonitic coal and permeability

說明原生結構和碎裂結構煤促進了煤層割理裂隙的發育。結合煤體結構與滲透率對應關系的研究發現，原生結構煤以及處于彈性、彈塑性應變階段的碎裂結構煤，煤體整體保存較好，煤體變形程度越大越有利于割理裂隙的擴展，煤儲層滲透率也越大；處于破裂面破壞階段的碎粒結構煤以及糜棱煤，由于強烈的構造應力作用，煤體發生嚴重變形，煤層內的割理裂隙不復存在，連通性變差，煤層滲透性隨之降低。

4 結 論

1）沁南東區塊3#煤層構造煤形成與張扭性斷裂密切相關。構造煤主要沿斷層發育，靠近斷層區域發育程度較高；垂向上，碎粒結構煤和糜棱煤靠近煤層直接頂底板發育，而碎裂結構煤多位于煤層中部。原生結構煤主要發育于兩斷層條帶之間距離斷層相對較遠的區域。

圖7 原生+碎裂結構煤厚度占比與割理裂隙密度的關系Fig.7 Relationship between thickness ratio of primary structure and cataclastic coal and density of cleats and fractures

2）沁南東區塊3#煤層西北部、中部和南部滲透率較高，滲透率向西南、東南和東北方向遞減。滲透率與原生+碎裂結構煤厚度占比具有顯著的正相關性，且二者平面分布特征高度吻合，表明原生結構和碎裂結構煤發育程度共同影響了煤層滲透率，這與原生結構和碎裂結構煤處于彈性、彈塑性應變階段，割理裂隙發育程度較高有關。