沁水盆地煤與微裂隙發育關系及煤巖學控制機理

沁水盆地是中國煤炭貿易最活躍、最具前景的高煤炭地區。與其他中國其他高煤炭地區的作氣田、固井田和永夏田相比，該地區的油氣含量較高，而沁水盆地僅提供商業氣。造成這種差異的主要原因之一是，沁水盆地的煤炭儲存系統一般比其他地區發展，有利于天然氣的開發。因此，對該地區煤層的褶皺系統進行了分析具有重要的理論意義和現實意義。煤中的裂隙常被統稱為割理,它是煤層氣滲流的主要通道.王生維等和LAUBACH等系統研究了煤中裂隙的發育特征和成因機理.GAMSON等和YAO等研究發現,煤中的微裂隙(寬度在微米級)對煤儲層的滲透性和氣藏的開發具有重要意義.姚艷斌等研究發現我國華北部分礦區煤的微裂隙發育對煤層氣的滲流和開采具有重要意義.部分研究者也對沁水盆地煤的裂隙發育特征進行了初步研究,如WANG等研究了沁水盆地南部煤的大裂隙系統的發育方位和頻率;傅雪海等研究后認為該區煤的微裂隙的發育程度將可能成為影響該區煤層氣產出的“瓶頸”問題之一.然而,關于沁水盆地煤儲層微裂隙的發育特征及其成因和控制因素的研究卻少見報道.本文試圖通過對沁水盆地7個典型的礦區的30件煤樣的顯微裂隙和煤巖特征分析,總結該區煤的微裂隙特征及發育控制機理.1煤巖樣品采集和分析方法沁水盆地煤層主要賦存于石炭—二疊系,其中主采煤層主要有山西組的2,3號煤和太原組9,15號煤.煤的鏡質組反射率(Ro,m)一般都在1.3%~4.4%之間,除在中部沁源—襄垣—長治一帶存在中煤級外,其它地區均為高煤級煤.本研究對沁水盆地的主要礦區的進行了系統采樣,從北往南依次采集了壽陽開元礦、陽泉一礦和新景礦、沁源沁新礦、長治常村礦和經坊礦以及晉城寺河礦等7個礦的共30件樣品.所有樣品均采用刻槽取樣法,分別取自于各礦井的新鮮工作面.所有樣品在采集、運送和測試過程中均經小心處理,盡量避免了人為造成的煤巖裂隙破壞.對采集的樣品按照最新的國家標進行了煤巖顯微組分、鏡質組反射率、煤質和顯微裂隙測定(表1,表2).將煤巖樣品拋光制作成規格為30mm×30mm煤巖光片,然后在50倍物鏡的熒光顯微鏡下將該煤巖光片劃分成10mm×10mm的9個微區,分別統計各級別微裂隙的發育特征;同時統計各煤巖光片中各顯微組分的質量分數,用于對比研究.2盆地煤的微裂隙發育在研究沁水盆地煤的微裂隙時,這里按照鏡下的觀察結果將裂隙類型分為4類:1)類型A為較大微裂隙,其寬度(W)≥5μm且長度(L)≥10mm,連續性好,延伸遠;2)類型B和C為中等微裂隙,其中B型:W≥5μm且L<10mm,C型:W<5μm且L≥300μm.這2類多呈樹枝狀狀或羽狀組合出現,其中類型B寬度較大,多為樹枝狀裂隙的樹干部分,而裂隙C多較細而延伸遠,為樹枝狀裂隙的樹枝或樹杈部分,2種類型裂隙間的溝通和聯系較好;3)類型D為較小微裂隙,其寬度和長度都較小(W<5μm且L<300μm),多呈樹枝狀與其它3類裂隙溝通,該類裂隙的方向性和連通性相對其它類型較差.沁水盆地煤的微裂隙D型為主,C型和B型次之,而A型微裂隙極少見.裂隙間連通性普遍較好,僅在寺河礦樣品中發現有黃鐵礦的充填現象.測試煤樣的微裂隙密度一般都在10~50條/9cm2之間,部分地區可高達62條/9cm2.區域上,北部的陽泉和壽陽礦區的微裂隙最發育,其次是中部的沁源沁新礦和南部的晉城寺河礦.縱向上,對比盆地北部的太原組的15,9號煤和山西組的2,3號煤發現,下主煤層的微裂隙較發育.造成這種差別的可能原因是,太原組主要為海陸交互相沉積環境,覆水相對較深,相對滯留還原的環境,有利于煤的微裂隙較發育;而山西組已經過渡為陸相三角洲沉積,覆水變淺,成煤沼澤環境和植被都發生了變化,而微裂隙發育逐漸變差.分析造成煤的微裂隙在區域上和層域上的差異發育的原因,發現煤的煤質組成對煤的微裂隙沒有顯著的相關關系;相比較,煤的顯微煤巖組成和煤變質對煤的微裂隙的影響較大(表1,2,圖1).圖1a為研究區太原組和山西組煤的煤級與微裂隙發育密度的關系,發現對于山西組煤,隨煤級增高煤的微裂隙密度呈降低的趨勢,而太原組煤的規律不明顯.圖1b為煤的鏡質組含量與煤的微裂隙密度的關系,發現鏡質組含量與煤的微裂隙呈微弱的正相關關系,而太原組煤的這種規律更明顯.前人的研究認為,煤中鏡質組組分含量越高、惰質組組分含量越低,煤的微裂隙越發育.而文中對沁水盆地煤的研究發現,煤中的鏡質組總含量對煤的微裂隙的影響規律并不太明顯,卻與煤中各亞顯微組分具有很好的相關性.對此下文將進行進一步的深入探討.3煤的微裂隙發育煤的煤巖學特征是反映煤層成因最的直接、最可靠的標志之一,它包括煤的顯微組成、宏觀煤巖特征、顯微煤巖類型以及煤相等特征.下面將從這些角度分別討論他們與煤的微裂隙發育的關系.3.1煤的基質鏡質組亞組分含量與煤的裂隙密度的關系為了研究煤的微裂隙與煤巖組分組中各亞組分的關系,這里對各樣品的煤巖顯微組成進行了定量分析.研究煤樣的顯微煤巖組分組中以鏡質組為主,一般都在60%之上,惰質組其次,在10%~40%之間,礦物質和殼質組都很少(表2).考慮到沁水盆地中、高煤級煤巖組分的特點,這里重點研究了鏡質組和惰質組及其各亞組分與煤的微裂隙的關系.沁水盆地高煤級煤中的鏡質組主要以基質、均質、碎屑和團塊鏡質體為主,其它組分較少.其中盆地北部陽泉和壽陽礦區煤的基質鏡質體含量明顯較其它區要高.顯微鏡下統計結果顯示,微裂隙發育具有明顯的組分選擇性,即通常發育于以均質鏡質體為主的組分中,而在以基質鏡質體為主的組分中不甚發育或發育較差.同時,微裂隙的發育還受到內部成分均一性的制約,一般不切過殘留的細胞腔,更不穿過其它顯微組分紋層.圖2中統計了研究區山西組和太原組樣品的3種主要的鏡質組亞組分含量與煤的裂隙密度的關系,結果顯示2組煤的裂隙密度與均質鏡質體含量呈顯著的正相關關系(相關系數r=0.71;顯著性檢驗p=0.000),而與基質鏡質體和碎屑鏡質體呈微弱的負相關的關系.若將太原組和山西組分開討論,發現太原組煤的這種組分選擇性的規律尤其明顯.另外,鏡質組中的其它亞組分中,結構鏡質體和膠質鏡質體等對微裂隙發育有微弱影響,團塊鏡質體影響不大,但總體上這些亞組分由于含量非常少,所以對裂隙發育的影響可以忽略不計.沁水盆地煤的惰質組中主要以半絲質體、絲質體和碎屑惰質體為主,而微粒體、粗粒體和菌類體含量極少.分析發現,惰質組中的這些亞組分的含量均與煤的微裂隙發育呈微弱的負相關關系(圖3).若將太原組和山西組分開討論,太原組煤的微裂隙密度隨惰質組中各主要亞組分的含量增高而降低的規律較明顯.總體來看,沁水盆地煤中的惰質組亞組分均不利于煤的微裂隙的發育,其中尤以碎屑惰質體組分的含量影響最大.3.2顯微煤巖類型沁水盆地中高煤級煤儲層中的宏觀煤巖類型以半亮煤為主,光亮煤和半暗煤很少,幾乎無暗淡煤.對各種煤巖類型煤的微裂隙的比較發現,煤的亮度越大其微裂隙越發育.半暗煤的微裂隙發育非常差,其密度一般都在10條/9cm2之下;半亮煤中的裂隙密度平均為25條/9cm2左右;而光亮煤的裂隙密度非常發育,平均都在35條/9cm2之上(表1).據鏡下顯微煤巖類型統計,該區煤的顯微煤巖類型以微鏡煤和微鏡惰煤為主,其次為微惰煤和微惰鏡煤,其它類型很少.由顯微煤巖類型與微裂隙密度的關系(圖4)可知,盆地北部煤中“微鏡煤+微惰鏡煤”的相對比例在層域上沒有實質性差異,但在區域上要明顯比盆地中、南部的要高,特別是北區煤的微鏡煤比例非常高,一般都在50%之上.盆地中、南部只有上主煤層樣品,其“微鏡煤+微惰鏡煤”相對比例遠遠低于北部上主煤層,且以微惰鏡煤為主而微鏡煤較少(一般少于20%).煤巖顯微類型在區域上的發育特征總體上控制了微裂隙的發育規律.煤中的“微鏡煤+微惰鏡煤”含量,特別是微鏡煤含量與煤的微裂隙發育具有明顯的正相關關系,而微惰煤和微鏡惰煤與微裂隙呈負相關關系(圖4).其中,陽泉和壽陽地區的太原組煤的微裂隙明顯較其它區其它煤層的微裂隙發育,主要原因是煤中的微鏡煤比例相當高,大部分達到60%以上.以陽泉礦區的15號煤為例,除yqyk15-4號樣因微惰煤含量較高而微裂隙密度小于20條/9cm2外,其它高微鏡煤含量(>60%)的樣品的微裂隙密度大都在40條/9cm2之上.由此推斷,煤的微觀煤巖類型中微鏡煤的比例越大,微惰煤的比例越小,越有利于微裂隙的發育.3.3tdi值的計算煤裂隙發育的組分選擇性和煤巖類型選擇性主要煤的原始成因環境有關.據張鵬飛等的研究,這里采用幾個典型的煤相指數,即植物保存指數(TPI)、氧化指數(OI)和破碎指數(BI)來反映泥炭聚積期間的成煤植物、沼澤介質條件和沉積環境等信息.TPI表示表示植物組織的降解程度和原始成煤植物中木本植物所占的比例,其定義為:TPI=(T+C1+F+SF)/(C2+Ma+ID).TPI值越大,說明煤中木本植物所占比例越大,植物保存結構越完好.一般形成于干燥氧化或極端潮濕條件下的煤,TPI均較低;一般潮濕的弱氧化條件下形成的煤的TPI值多較高.TPI值與微裂隙的關系(圖5a)表明,TPI值在0.5以上的樣品其裂隙密度一般都在40條/9cm2之上,TPI值越低,煤的微裂隙越不發育.因此,潮濕的弱氧化條件下形成的煤,成煤植物結構保存好,有有利于微裂隙的發育.氧化指數的定義為:OI=(Ma+ID)/(100-Ma-ID),它直接反映了成煤泥炭沼澤的氧化、還原程度.OI值越高氧化性越強.從分析的沁水盆地的煤樣來看,該區成煤泥炭沼澤表面的氧化程度很低,OI值一般都小于0.2,而且氧化程度越高相應的微裂隙發育越差,二者呈一個負相關關系(圖5b).這進一步說明弱氧化的成煤環境有利于微裂隙的發育.破碎指數可反映沼澤的水動力條件,其定義為:BI=(ID+VD)/(100-ID-VD),也即煤中鏡屑體和惰屑體的相對豐度之比.BI值越高說明成煤沼澤的水動力條件越強.破碎指數與裂隙密度呈微弱的負相關關系(圖5c),說明水動力條件越弱越有利于煤的微裂隙發育,較強的沼澤水動力條件對煤的微裂隙發育有破壞作用.4煤中的氣孔和微裂隙是煤中的主要支柱條件之一.在研究煤的內生裂隙時,國內外學者提出了不同的成因假說,概括起來主要有“基質收縮假說”或“內張力”假說,“壓實成因”假說,“流體驅動”假說和綜合成因假說4種.據對沁水盆地煤的鏡下觀察,微裂隙主要為內生成因,其定向性、延伸性非常好.對比上述4種成因假說,單純的“基質收縮”或“內張力”作用僅能形成類似于“泥裂”狀的裂隙,卻不可能產生定性好、延伸遠的微裂隙.壓實作用產生的微裂隙一般方向性較差,同時也很難解釋該區煤的微裂隙的明顯的組分選擇性的特點.沁水盆地煤的微裂隙的成因按照“氣體積聚—體積膨脹—破裂”的假說來解釋.煤作為一種烴源巖,在煤化作用過程中隨著溫度的升高會生成大量的烴類氣體,三大煤巖組分中的生氣量由多到少的順序依次為:殼質組,鏡質組和惰質組.這些生成的氣體主要以吸附和游離狀態分別儲存于煤的微孔和中、大孔中.隨著大量的氣體的不斷生成,氣體便開始以擴散為主的運移,即等同于油氣生成時的初次運移.據KARACAN等對煤的動態吸附研究的結果,煤中的氣體最初以表面擴散和孔隙擴散2種方式進行運移,具體那種方式取決于煤的顯微組分特征和其它外界條件:在惰質組組分和礦物質組分中,主要以孔隙擴散為主,而鏡質組組中主要以表面擴散為主,原因為鏡質組以微小孔發育為主,從而限制了氣體分子進入微孔.在2種運移方式中,表面擴散的速率非常小,約比孔隙擴散速率低1~2個數量級.也就是說,以表面擴散運移為主的介質的流通性明顯較以孔隙擴散運移為主的介質要差.氣體擴散動力為煤中氣孔和裂隙的形成提供了最初的源動力.隨著烴類氣體的不斷增加,煤的孔隙壓力不斷增加,直到孔隙壓力大于煤的破裂壓力時,在應力場的控制下,煤中某些部位發生定向破裂,即生成各類氣孔和微裂隙.這時,局部氣孔或微裂隙的發育可能會平衡孔隙中一部分異常高壓,但總的來看,孔隙系統仍處于一個封閉的狀態,隨著氣體的不斷持續生成,裂隙中氣體壓力會進一步積聚,當較早產生的裂隙中的壓力大于周圍煤巖組的破裂臨界壓力時,原裂隙將得到了進一步的發展,并最終形成現今的微裂隙發育模式.如前所述,煤中異常高壓引起的間歇和突發性的氣體的運移導致了煤中氣孔和裂隙的形成.然而,何時生成氣孔或微裂隙取決于由不同煤巖組分組成的流體微單元的生氣能力及氣體在這些組分中的擴散規律.1)以絲質體、半絲質體、碎屑惰質體、碎屑鏡質體和粗粒體等為主的流體微單元的特點是生烴潛力較小,組分不均一且含較多的礦物質.這些組分的孔隙度較發育,具有較大的氣體儲存空間.一方面,組分的不均一性造成各種組分的產氣高峰不集中重疊,從而很難積累非常高的瞬時壓力;另一方面,氣體在這些組分中以孔擴散運動為主,而無機礦物的存在有利于氣體的孔擴散.由于本身生成的氣體量較少,同時孔隙擴散又有利于分散積累的高壓,因此,這種流體微單元最容易在組分的薄弱部位形成各種氣孔,卻很難形成延伸較長、連續性好的微裂隙.2)以結構鏡質體或某些成分復雜、包裹體較多的不均勻基質鏡質體組成的流體微單元,雖具可具備較高的生烴潛力,但由于孔隙特別發育,使得產生的氣體可及時有效得排除,所以不易形成微裂隙.3)以均質鏡質體為主的流體微單元一般不顯示植物細胞結構,其成分較均一、純凈,且孔隙不甚發育.在該微單元中,氣體多以吸附狀態賦存且以表面擴散運動為主.相對于其它顯微組分,均質鏡質體的特點是不僅具有較高的生氣潛力,同時氣體擴散不暢,極易造成這些組分的體積膨脹并積聚異常高的內部壓力,一旦流體微單元破裂便會形成微裂隙.這就是為什么微裂隙常發育于面積較大,且呈條帶狀的均質鏡質體中的主要原因.綜上可知,微裂隙發育的一般要具備2個主要條件,一是發育流體微單元的載體必須是有機質豐度高且具有集中生烴潛能;二是這些組分內較均一,孔隙不發育,與周圍其它煤類型結合部分缺乏通道.“氣體積聚—體積膨脹—破裂”假說很好解釋了微裂隙的組分選擇性的特點.同時,該假說也可以解釋煤的微裂隙與煤巖類型和煤相的關系.以條帶狀亮煤或微鏡煤為例,這些煤巖類型中一般鏡質組含量較高,且組分中多具有較高的均質鏡質體含量,較易生成大量的烴類氣體,同時這些組分內表面與氣體的接觸面之間具有較高的親合力,這使氣體擴散不暢,從而有利于微裂隙的發育.而暗淡的煤多含較高的惰質組或礦物質含量,不僅生氣量小,同時易于氣體擴散,因而不利于微裂隙的形成.一般沼澤水動力條件較弱,潮濕的弱氧化環境條件下的煤,植物結構保存較好,有利于微裂隙的定向突破,從而易于微裂隙發育;而水動力條件較強,植物結構保存不好的煤的各向非均質性較強,因此不易形成集中的應力積聚場,因而不利