構造曲率對煤儲層初始滲透率的影響研究
——以沁水盆地鄭莊-樊莊區塊為例

蔡 路 全貴龍 黃明勇 唐 龍 董艷杰

(貴州省地質礦產勘查開發局一一五地質大隊，貴州 551400)

煤層即是煤層氣的烴源巖，又是它的儲集層，有著不同于常規天然氣儲層的特性。煤層滲透率是影響煤層氣產量最重要的參數，滲透率的高低主要由煤中孔-裂隙的大小、形態、開度和連通性決定。有學者指出構造裂隙是煤層滲透率的主要貢獻者，認為構造裂隙受煤巖、煤階影響小，在煤層內部具有更好的穿透性、連通性和開放性。另有學者指出適中的構造破壞作用有利于改善煤層滲透率，但當煤層遭受強烈構造破壞達到糜棱結構時，裂隙連通性差，滲透率會降低。構造曲率是反映裂隙密度和分布規律的重要指標，本文通過構造曲率的計算，研究其對煤儲層初始滲透率的影響。

1 地質概況

沁水盆地位于山西省東南部，是中生代以來形成的復式向斜構造，長軸沿NNE方向延伸，南北兩翼翹起呈箕狀，東西向近似對稱，其中石炭系-二疊系煤系地層是我國北方煤炭資源的重要分布區之一，具有形成煤成氣藏的良好物質基礎。鄭莊-樊莊區塊位于沁水復向斜盆地的南端，以寺頭斷層為界，東部為樊莊區塊，西部為鄭莊區塊。區塊內全區可采的主力煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層，也是煤層氣開發的目標層位，但本次僅研究山西組3號煤層。鄭莊區塊3號煤層埋深515～1245m，平均865m。在寺頭斷層、后城腰斷層沿線和西北部地區煤層埋藏較深，一般大于1000m，區塊中部煤層埋藏較淺，小于1000m，煤層埋深總體呈“中部淺、周緣深”的格局。樊莊區塊3號煤層埋深370～837m，平均596m。在區塊的北部和南部地區埋藏較淺，一般小于500m，中部和寺頭斷層沿線埋藏相對較深，整體為一南北翹起的“向形”結構。

2 構造曲率的計算

2.1 計算方法

曲率是反映曲線、曲面彎曲程度的數學參數。目標層位構造曲率值的大小可反映構造裂縫的發育程度。該方法假設巖層是一個完全的彈性體，未考慮塑性變形，裂縫將產生于巖層曲率的最大處。因此，在相似的構造應力場環境中，同一套煤層的構造曲率值越大，煤層的彎曲程度越強，構造裂縫越發育。本次采用曲率分析的方法，對鄭莊、樊莊地區山西組3號煤層進行了研究，對這些地層中發育的裂縫及滲透性進行預測。具體的操作步驟如下：

將目標煤層的頂面標高等值線擬合成一個空間三維曲面，曲面方程：

f(x,y)=ax3+by3+cx2y+dxy2+exy+fx2+gy2+hx+iy+j

三維曲面上每一點的曲率值為：

進一步采用正方形網格差分法，在平面上對標高等值線進行切割(圖1)。采用菱形法則分別計算45、27方向的主曲率值，其中：

圖1 差分法計算網格示意圖

將其分別帶入K中分別求出K45、K27，計算所得0點處的最大主曲率值為：

Kmax=MAX{|K45|,|K27|}

2.2 計算結果

首先對鄭莊、樊莊區塊進行網格數據化，將區塊切割成93452個100m×100m的正方形網格，根據壓裂裂縫的監測數據(圖2)，將最大主應力的方向設置為45°，最大最小水平主應力比取1.6。

圖2 研究區人工裂縫方位監測玫瑰花圖

計算結果表明(圖3)，鄭莊-樊莊區塊內各點的最大主曲率值主要分布在0～4/km之間。曲率值在0.4～2的區域主要沿背斜、向斜的軸部分布，這些區域裂隙發育情況良好。曲率值小于0.4區域主要分布于平緩單斜構造地帶，這些區域裂隙發育程度低。在大型斷層附近，最大主曲率值會激增，出現異常，后期研究過程中可以剔除由于斷層影響出現的極大值。

圖3 最大主曲率與裂隙密度、寬度、長度和高度關系圖

區塊內由構造曲率形成裂縫的方位角在0°～180°均有分布。主要集中分布在60°～120°之間，在斷層面附近，裂縫的方位角與斷層的走向具有較好的一致性。

3 構造曲率對初始滲透率影響

3.1 最大主曲率值對滲透率的影響

巖層的曲面曲率是該點變形及其周圍構造特征的具體反映，可用來研究褶皺變形所形成的構造裂隙特征。因此，對巖層最大主曲率的計算可以估算構造裂縫有關的滲透率值。

構造曲率對煤層滲透率的控制，主要通過影響裂隙的密度、長度、寬度和高度等因素，進而影響裂縫的導流能力。求取的最大主曲率值與裂隙的密度、長度、寬度和高度等相關性關系表明(圖3)，最大主曲率值與裂隙密度和裂隙寬度表現為一定的正相關性，最大主曲率值與裂隙的長度和裂隙高度表現為一定的負相關性。

最大主曲率值與煤層試井滲透率的關系表明(圖4)，最大主曲率小于1時，滲透率值隨著最大主曲率值的增加而上升，這個階段最大主曲率值上升，在裂縫長度和寬度保持一定值的前提下，裂縫的密度和寬度逐漸上升，滲透率逐漸上升。最大主曲率值大于1時，裂隙密度上升，但長度、高度和連通性逐漸變成導致滲透率逐漸下降。

圖4 最大主曲率值與試井滲透率關系圖

按鄭莊、樊莊地區最大主曲率值與構造部位的相關性關系，可將研究區劃分劃分為以下三類：

(1)最大主曲率值為0.4～2的區域主要沿背斜、向斜的軸部分布。該區域煤層滲透性較好；

(2)最大主曲率值大于2的區域主要分布于斷層附近。構造破壞過于強烈，滲透性較差。

(3)最大主曲率值小于0.4區域主要分布于平緩單斜構造地帶。裂隙發育程度低，滲透率低。

3.2 裂縫方位角對滲透率的影響

裂縫的方位角與主應力方向之間的相對關系，會影響主應力作用于裂縫面的應力大小，進入影響裂縫的開度，控制裂縫的導流能力。根據裂縫的方位角與水平主應力的受力關系圖(圖5)，裂縫的垂直方向受到最大水平主應力作用大小為：

其中σF:裂縫面所受的力，MPa；σH：最大水平主應力，MPa；σh：最小水平主應力，MPa；θ：為裂縫的方位角。

圖5 裂縫面受力示意圖

當裂縫面垂直于最大水平主應力σh時，裂縫垂直面受力σF最大，裂縫的開度最小，導流能力越差，初始滲透率值較低。當裂縫面平行于最大水平主應力σh時，裂縫垂直面受力σF最小，裂縫的開度較大，導流能力強，初始滲透率值較高。

4 結論

(1)鄭莊-樊莊區塊內煤層各點的最大主曲率值主要分布在0～4/km之間。裂縫的方位角在0°～180°均有分布，主要集中分布在60°～120°之間，在斷層面附近，裂縫的方位角與斷層的走向具有較好的一致性。

(2)按鄭莊、樊莊地區最大主曲率值與構造部位的相關性關系，可將研究區劃分劃分為以下三類。一是最大主曲率值為0.4～2的區域煤層滲透性較好；二手最大主曲率值大于2的區域構造破壞過于強烈，滲透性較差；三是最大主曲率值小于0.4區域裂隙發育程度低，滲透率低。

(3)當裂縫面垂直于最大水平主應力σH時，裂縫導流能力越差，初始滲透率值較低。當裂縫面平行于最大水平主應力σH時，裂縫導流能力強，初始滲透率值較高。