構造動力與煤層氣成藏效應關系研究

頂板層受到許多宏觀地質動力學條件的影響，如結構動態、熱動態和地下水動態。成藏效應的基本衡量標志在于兩個方面,即煤層氣的富集程度及煤儲層允許地下流體快速滲流的能力。其中,構造動力條件制衡著其他動力學條件,地熱場、地下水等動力條件極大程度上受到構造動力條件的控制。換言之,構造動力條件是控制煤層氣成藏效應的根本要素。進一步而言,構造動力及其作用結果在不同空間層次上控制著煤層氣成藏效應。在盆地層次上,區域構造背景及其演化控制著煤層氣聚集區帶的形成和分布。在盆內構造層次上,不同構造樣式及其所控制的保存條件是影響煤層氣富集的主導因素。從煤儲層層次來看,構造動力通過對儲層孔隙-裂隙系統的影響,控制了煤儲層滲透性及其非均質性特征。沁水盆地位于山西省東南部,是一個主要形成于中生代的大型復式向斜,軸向總體上呈NNE-SSW向展布,面積約26000km2,主要含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組。該盆地是我國煤層氣資源勘探開發活動最為活躍的地區,煤層氣地質研究最為廣泛和深入,在構造條件與煤層氣成藏作用關系方面取得了豐富研究成果(王純信等,1996;秦勇等,1997,1998,1999;王一兵等,1997;徐志斌等,1998;Qinetal.,2001;張建博等,2003;魏書宏等,2003;劉升貴等,2004;崔思華等,2004;李貴中等,2004;任戰利等,2005;韋重韜等,2005;張尚虎等,2005;侯光久等,2005;張麗萍等,2005;琚宜文等,2005;Weietal.,2007)。然而,構造動力條件涵蓋諸多要素,前期研究往往只注重到沁水盆地單一或某幾個構造動力要素的控藏效應,未能從耦合層次上綜合分析構造動力條件對煤層氣成藏效應的影響,難以全面認識構造動力條件的控藏特征。有鑒于此,本文從盆地構造演化歷史、盆內構造分異、煤儲層構造變動等方面,耦合分析了構造動力條件與對煤層氣成藏效應之間關系,進一步探討了有利于煤層氣富集高滲條件發育的構造動力特點。1不同層次結構條件對油氣藏的控制1.1地質背景及構造應力場特征對盆地構造及其演化歷史的研究顯示,控制沁水盆地煤層氣成藏的重要構造因素在于燕山期以來的構造分異。沁水盆地屬于構造活動相對較弱的克拉通內斷陷盆地,但它既有別于其西側的鄂爾多斯盆地(石炭紀—二疊紀煤系沉積之后長期持續穩定沉降,上覆地層巨厚,構造相對簡單),也有別于其東側太行山以東石炭系-二疊系被后期構造運動強烈改造的華北東部斷塊含煤區。顯然,沁水盆地這一構造背景,即可能由于改造相對較弱而利于煤層氣富集,又可能由于后期構造抬升而利于煤儲層滲透性發展(圖1)。野外考察及區調資料表明:沁水盆地構造變形強度由盆緣向盆內明顯減弱,邊緣斷層多具逆沖性質,尤其是在東、西兩側邊緣分別向外側逆沖,顯示了水平擠壓的特征;東側太行山塊隆在海西期、印支期、燕山期均發生構造巖漿活動,其中以燕山期最為強烈,絕對年齡為110～141Ma之間,主峰值為130～140Ma,晚古生代煤的煤級分布格局基本上定型于這一時期(秦勇等,1998)。次級褶曲分析、斷層和節理配套、有限元數值模擬等結果進一步揭示,沁水盆地自晚古生代以來的構造應力場經歷了3個演化階段或兩次轉型時期。其中:印支期構造運動在盆地南部產生逆掩斷層和一系列EW走向寬緩次級褶曲,表現出近SN方向的構造擠壓應力;燕山期的構造運動,產生了一系列NNE向為主的高角度正斷層,平行雁列不對稱次級褶曲廣泛發育,褶曲走向優勢方位在290°～330°之間,NW翼一般相對較陡,顯示出NW-SE向擠壓且具有一定左行走滑性質的強烈構造應力場的作用(圖2a);喜馬拉雅期構造運動的產物主要為NW向次級褶曲及配套的構造裂隙,顯示出NE-SW向水平擠壓應力場的特征(圖2b)。顯然,印支期近SN向水平擠壓應力場對盆地煤層氣成藏的影響相對較弱,燕山期是控制盆內煤層氣成藏的關鍵時期。燕山期NW-SE向近水平擠壓構造應力場作用形成寬緩的沁水盆地,NNE-NE向次級褶曲和NNE向高角度正斷層奠定了盆地煤層氣賦存規律的總體格局,構造演化與生氣作用的有利配置使得NNE-NE向次級褶曲成為主要的控氣構造類型。喜馬拉雅期構造應力及其形跡疊加在燕山期構造產物之上,最終奠定了盆地煤層氣成藏的現代分布格局。1.2下盆地內構造格局研究揭示,沁水盆地作為一個大型復向斜,盡管構造在總體上較為簡單,但內部的構造分異依然十分明顯,導致控氣構造動力條件復雜化。在盆地南部,以寺頭斷裂為界,斷裂西部的沁水—翼城地區以EW向高角度正斷層為主,東部主要展現為NNE向褶皺與EW向褶皺疊加的構造格局,斷裂不甚發育;在盆地中部,復向斜東翼的潞安地區和西翼北段的沁源地區塊斷構造發育,西翼南段的安澤地區卻構造變形相對較弱,次級褶曲不明顯,斷層稀少;在盆地北部,以陷落柱形式出現的正斷構造相對發育,北緣的陽曲—陽城一線以NNE—NE向褶皺與EW向構造疊加的格局為主,東南部左權—和順一帶構造相對簡單(劉煥杰等,1997)。因此,在盆地東南部地區、北緣地區和復向斜轉折端的安澤地區可能存在有利于煤層氣富集的構造分異條件。1.3巖屑層結構變形程度和巖屑層滲透發育1.3.1煤中光性組反射率與相關系數的關系煤中有機質由長程無序而短程有序的大分子基本結構單元構成(秦勇,1994)。在受地殼深部熱結構控制的構造-熱應力作用之下,這些基本結構單元逐漸發生定向排列,使得煤中鏡質組反射率呈現出各向異性,其光性組構定型于煤化作用或生氣作用終止時期。也就是說,煤中鏡質組反射率光性組構是熱力-應力綜合作用的結果。因此,通過對鏡質組反射率光性組構的研究,可獲得構造動力條件與煤儲層改造特征之間關系的有用信息。基于山西組主煤層16個地點煤樣3個互垂光面360°鏡質組油浸反射率的測量數據,采用專用軟件求出煤磚光面內鏡質組反射率光性指示面(橢圓)的光性參數并恢復其構造產狀,進而得到與煤儲層平面有限應變相關的構造應力場信息。其中:光性指示面長軸(視最大反射率)代表平面伸長應變或相對拉張應力方向,短軸(視最小反射率)代表平面縮短應變或相對擠壓應力方向;通過分析視最大反射率與視最小反射率之間的關系,也有可能為構造應變量研究提供有用數據(Levineetal.,1984)。如圖3所示,煤中鏡質組反射率光性組構產出特點反映的構造動力條件信息,對沁水盆地煤層氣成藏演化研究極有意義:首先,絕大多數煤樣(11件)光性指示面長軸呈NE方向延展,顯示出SE向收縮型應變的總體特征,不僅與采樣點附近構造線走向基本一致,并與燕山期構造應力場特征相互協調,揭示出盆地上古生界煤的生氣作用主要終止于燕山期,而且也意味著鏡質組反射率應變分布是區域應變場中的重要組成部分,即煤層構造變形與生氣作用主要發生在燕山期。第二,在盆地不同部位,長軸呈NW向的鏡質組反射率光性組構特征也有所不同。北部地區的光性指示面長軸呈NNW向,往南逐漸向西部偏轉,至中南部變為WNW向。這一趨勢,與燕山期構造應力跡線分布規律一致,一方面表明局部構造應力場變化對煤儲層的改造起著更為重要的作用,另一方面為沁水盆地上古生界煤生氣作用主要終止于燕山期的認識提供了更進一步的佐證。第三,在盆地南緣及東緣中段所采的5件煤樣,其鏡質組反射率光性指示面顯示出NE-NEE向的收縮型應變特征,且由北往南長軸方向略有向北偏轉的變化趨勢。造成鏡質組光性組構這一“異常”分布的原因可能在于兩個方面,或是產生于燕山期盆地構造應力場的局部變化,或是這些地段上古生界煤的煤化(生氣)作用在喜馬拉雅期又有新的發展。前一假設需要進一步的構造應力場精細分析成果來加以支持,后一假設成立的前提是這些地段附近在新生代又獲得了強大的熱源,但這兩方面假設目前均無相關資料支持,值得進一步深入探討。1.3.2盆地主煤層主轉化率與主煤儲層滲透率的關系曲率是反映線或面彎曲程度的量化參數,構造曲率是構造應力場作用的結果,曲率值反映彎曲巖層中由于派生拉張應力而形成的張性裂縫的相對發育程度。構造曲率在向斜部位為負值,在背斜部位為正值,高曲率值位于褶皺作用相對強烈的地區。因此,分析煤層構造曲率的分布特征,是研究煤層氣成藏構造動力條件的一種重要手段。基于地層厚度、地層面高程等數據資料,采用極值主曲率法,計算出沁水盆地主煤層12500個結點的曲率值,進而繪制出構造曲率等值線圖(圖4)。結果表明,沁水盆地主煤層構造曲率一般在0.1×10-4/m左右,最高可達5×10-4/m以上。以一般值0.1×10-4/m為標準,大于此值的構造帶中煤層改造相對強烈,煤儲層具有發育高滲透率的構造裂隙基礎。盆地內共有8個構造帶符合這一標準,即:北部東側的沾尚-北橫嶺鼻狀撓褶帶和昔陽撓曲構造帶,主曲率一般為0.1×10-4～0.5×10-4/m;中北部中心的橫嶺-南馬會背斜構造帶中段,主曲率大于0.1×10-4/m;中北部東側的秋樹嶺-狼臥溝背斜構造帶,主曲率大于0.5×10-4/m;中部東側的監漳-磨盤垴背斜構造帶,主曲率大于0.1×10-4/m;中部西側的分水嶺-柳灣和漳源-王家莊背斜帶,主曲率為-0.3×10-4～0.5×10-4/m;中南部西側的雙廟溝背斜構造帶,主曲率大于0.1×10-4/m;南部東側的豐宜-岳家莊背斜構造帶,主曲率大于0.1×10-4/m;南端陽城-晉城仰起端,主曲率在0.1×10-4～0.3×10-4/m之間。顯而易見,構造曲率過小,煤層改造程度過弱,裂隙系統不發育,則煤儲層滲透率偏低。但是,構造曲率越大,煤儲層滲透率并不一定就越大。對比煤儲層構造主曲率與主煤儲層試井滲透率發現,中等的煤層改造程度或構造主曲率可能為煤層氣高產提供較有利的構造條件。煤儲層滲透率大于0.5×10-3μm2對應的構造曲率分布于0.05×10-4～0.2×10-4/m之間,構造曲率低于0.05×10-4/m或高于0.2×10-4/m時,煤儲層滲透率反而降低,從而對煤層氣滲流具有較大阻礙作用(圖5)。1.3.3煤中滲透率與應力場主應力差的關系有限元法數值模擬結果表明:沁水盆地現代構造應力場主應力為壓應力,方向NEE-SWW,產狀近于水平;構造應力場主應力差值較高的區域分布于3個地段,包括南部的陽城地區、中南部的潞城與沁源一帶、中部的武鄉與左權一帶(圖6)。根據筆者前期研究,沁水盆地現代構造應力場主應力差(△σ)增大,主煤儲層試井滲透率(K)呈指數形式急劇增高(秦勇等,1999)。兩者之間關系,在山西組主煤層中表現為:K=0.0147e0.0416△σ(r=0.7479)在太原組主煤層中為:K=0.0668e0.0178△σ(r=0.4040)由此,將沁水盆地主煤儲層滲透率與現代構造應力場主應力差之間關系分為3個層次:雙高類別,即主應力差高(△σ>100MPa或150MPa),滲透率也較高(K>1×10-3μm2);雙中類別,即主應力差中等(85MPa<△σ<100MPa或110MPa<△σ<150MPa),滲透率也中等(0.5×10-3μm2<K<1×10-3μm2);雙低類別,即主應力差低(△σ<85MPa或110MPa),滲透率也較低(K<0.5×10-3μm2)。基于這種規律和控制機理,預測滲透率大于0.5×10-3μm2的山西組煤儲層可能主要分布于盆地內的陽城北、沁源—安澤東、武鄉—左權之間3個地帶。造成這一耦合關系的原因,在于沁水盆地現代構造應力場主應力方向、煤儲層天然裂隙優勢發育方向、煤儲層頂板節理優勢發育方向三者之間的相互關系(秦勇等,1999)。前兩組方向近于平行,但與煤儲層頂板節理則近于正交。由此,導致煤儲層天然裂隙處于相對拉張狀態,而頂板天然裂隙處于擠壓狀態,主應力差越大,相對拉張(擠壓)效應就越顯著。2有利構造背景上述分析表明,就構造動力條件而言,沁水盆地煤層氣成藏效應取決于構造背景(構造演化史和構造分異特征)、構造曲率、現代構造應力場主應力差等因素之間的合理配置。這種配置關系主要表現為:具有構造變形相對較弱或NNE—NE向褶皺與EW向構造疊加背景的地區,可能有利于煤層氣富集;高構造曲率與上述有利構造背景的結合,可指示煤儲層天然裂隙相對發育且煤層氣相對富集的地段;現代構造應力場主應力差較高的地段,則煤儲層裂隙可能被相對拉張,從而有利于煤儲層滲透性的發育。如果僅有較高的構造曲率,而主應力差相對較小,則雖然煤儲層構造裂隙可能較為發育,但裂隙處于閉合狀態,煤儲層的滲透性仍然相對較低。因此,高構造曲率和有利構造背景是煤儲層天然裂隙發育的必要條件,高主應力差是煤儲層裂隙張開的構造應力條件,只有在三者有利匹配的地段,煤儲層才有可能出現較高的滲透率。在盆地深部,煤層埋深增大雖然可能導致含氣量增高,但這一情況在沁水盆地并不具有普遍意義,且還可能導致煤儲層滲透性降低。例如,根據大量勘探資料,盆地南端的煤層含氣量中心在寺河井田—潘莊井田一帶,往北至樊莊井田雖然煤層埋深顯著加大,但平均含氣量確有明顯降低。又如,由于儲層溫度與儲層壓力綜合作用的結果,隨埋深增大,煤層含氣量在“臨界深度”附近會達到最大值,然后隨埋深進一步加大而降低;這一“臨界深度”對于貧煤在1200m左右,對于無煙煤還會有所減小(秦勇等,2005)。基于上述認識,疊加分析主應力差分布圖與構造曲率分布圖、構造綱要圖,可知沁水盆地煤層氣成藏有利構造動力條件主要發育在4個地段:其一,盆地南部仰起端的陽城北地區,包括目前的潘莊、潘河、寺河、鄭莊、樊莊等煤層氣開發區,其中位于最大主應力差區域中心地帶的潘莊—潘河一帶成藏效應最好;其二,中南部西段安澤—沁水之間的雙廟溝背斜構造帶;其三,中部西側沁源周圍的柳灣背斜帶;其四,盆地東部中段的武鄉西北區。4個地段均為次級背斜構造,具有中等程度構造曲率與高主應力差條件。上述4個地段中,陽城北地區煤層氣富集高滲條件已為近年來的開發實踐所證實,其他3個區域有待進一步的勘探開發活動予以驗證。從另一角度來看,盆地北部中段的壽陽南地區現代構造應力場主應力差低達20MPa以下(圖6);次級褶曲不甚發育,構造變形極弱(圖3)。國內外多家機構對該區進行了長達10余年的勘探開發試驗,雖然證實煤層氣有相當程度的富集,但工業性氣流始終沒有突破。這一現象,與該區現代構造應力場主應力差明顯偏小所可能導致的煤儲層滲流條件惡化似乎具有較為密切的因果關系。3關于地質構造背景的認識從構造動力條件來看,沁水盆地煤層氣成藏效應取決于構造背景(構造演化史和構造分異特征)、構造曲率、現代構造應力場主應力差等因素之間的合理配置:(1)燕山期是控制盆內煤層氣成藏的關鍵時期。該期NW-SE向近水平擠壓構造應力場作用下形成的NNE-NE向次級褶曲和NNE向高角度正斷層,奠定了盆地煤層氣賦存規律的總體格局;構造演化與生氣作用的有利配置,使得NNE-NE向次級褶曲成為主要的控氣構造類型。鏡質組反射率光性指示面長軸展布趨勢與燕山期構造應力跡線分布規律一致,為燕山期構造動力對盆地煤層氣成藏效應起著關鍵控制作用的認識提供了進一步佐證。進一步結合構造形跡區域分布特點,認為盆地東南部地區、北緣