构造动力与煤层气成藏效应关系研究

构造动力与煤层气成藏效应关系研究

顶板层受到许多宏观地质动力学条件的影响，如结构动态、热动态和地下水动态。成藏效应的基本衡量标志在于两个方面,即煤层气的富集程度及煤储层允许地下流体快速渗流的能力。其中,构造动力条件制衡着其他动力学条件,地热场、地下水等动力条件极大程度上受到构造动力条件的控制。换言之,构造动力条件是控制煤层气成藏效应的根本要素。进一步而言,构造动力及其作用结果在不同空间层次上控制着煤层气成藏效应。在盆地层次上,区域构造背景及其演化控制着煤层气聚集区带的形成和分布。在盆内构造层次上,不同构造样式及其所控制的保存条件是影响煤层气富集的主导因素。从煤储层层次来看,构造动力通过对储层孔隙-裂隙系统的影响,控制了煤储层渗透性及其非均质性特征。沁水盆地位于山西省东南部,是一个主要形成于中生代的大型复式向斜,轴向总体上呈NNE-SSW向展布,面积约26000km2,主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。该盆地是我国煤层气资源勘探开发活动最为活跃的地区,煤层气地质研究最为广泛和深入,在构造条件与煤层气成藏作用关系方面取得了丰富研究成果(王纯信等,1996;秦勇等,1997,1998,1999;王一兵等,1997;徐志斌等,1998;Qinetal.,2001;张建博等,2003;魏书宏等,2003;刘升贵等,2004;崔思华等,2004;李贵中等,2004;任战利等,2005;韦重韬等,2005;张尚虎等,2005;侯光久等,2005;张丽萍等,2005;琚宜文等,2005;Weietal.,2007)。然而,构造动力条件涵盖诸多要素,前期研究往往只注重到沁水盆地单一或某几个构造动力要素的控藏效应,未能从耦合层次上综合分析构造动力条件对煤层气成藏效应的影响,难以全面认识构造动力条件的控藏特征。有鉴于此,本文从盆地构造演化历史、盆内构造分异、煤储层构造变动等方面,耦合分析了构造动力条件与对煤层气成藏效应之间关系,进一步探讨了有利于煤层气富集高渗条件发育的构造动力特点。1不同层次结构条件对油气藏的控制1.1地质背景及构造应力场特征对盆地构造及其演化历史的研究显示,控制沁水盆地煤层气成藏的重要构造因素在于燕山期以来的构造分异。沁水盆地属于构造活动相对较弱的克拉通内断陷盆地,但它既有别于其西侧的鄂尔多斯盆地(石炭纪—二叠纪煤系沉积之后长期持续稳定沉降,上覆地层巨厚,构造相对简单),也有别于其东侧太行山以东石炭系-二叠系被后期构造运动强烈改造的华北东部断块含煤区。显然,沁水盆地这一构造背景,即可能由于改造相对较弱而利于煤层气富集,又可能由于后期构造抬升而利于煤储层渗透性发展(图1)。野外考察及区调资料表明:沁水盆地构造变形强度由盆缘向盆内明显减弱,边缘断层多具逆冲性质,尤其是在东、西两侧边缘分别向外侧逆冲,显示了水平挤压的特征;东侧太行山块隆在海西期、印支期、燕山期均发生构造岩浆活动,其中以燕山期最为强烈,绝对年龄为110～141Ma之间,主峰值为130～140Ma,晚古生代煤的煤级分布格局基本上定型于这一时期(秦勇等,1998)。次级褶曲分析、断层和节理配套、有限元数值模拟等结果进一步揭示,沁水盆地自晚古生代以来的构造应力场经历了3个演化阶段或两次转型时期。其中:印支期构造运动在盆地南部产生逆掩断层和一系列EW走向宽缓次级褶曲,表现出近SN方向的构造挤压应力;燕山期的构造运动,产生了一系列NNE向为主的高角度正断层,平行雁列不对称次级褶曲广泛发育,褶曲走向优势方位在290°～330°之间,NW翼一般相对较陡,显示出NW-SE向挤压且具有一定左行走滑性质的强烈构造应力场的作用(图2a);喜马拉雅期构造运动的产物主要为NW向次级褶曲及配套的构造裂隙,显示出NE-SW向水平挤压应力场的特征(图2b)。显然,印支期近SN向水平挤压应力场对盆地煤层气成藏的影响相对较弱,燕山期是控制盆内煤层气成藏的关键时期。燕山期NW-SE向近水平挤压构造应力场作用形成宽缓的沁水盆地,NNE-NE向次级褶曲和NNE向高角度正断层奠定了盆地煤层气赋存规律的总体格局,构造演化与生气作用的有利配置使得NNE-NE向次级褶曲成为主要的控气构造类型。喜马拉雅期构造应力及其形迹叠加在燕山期构造产物之上,最终奠定了盆地煤层气成藏的现代分布格局。1.2下盆地内构造格局研究揭示,沁水盆地作为一个大型复向斜,尽管构造在总体上较为简单,但内部的构造分异依然十分明显,导致控气构造动力条件复杂化。在盆地南部,以寺头断裂为界,断裂西部的沁水—翼城地区以EW向高角度正断层为主,东部主要展现为NNE向褶皱与EW向褶皱叠加的构造格局,断裂不甚发育;在盆地中部,复向斜东翼的潞安地区和西翼北段的沁源地区块断构造发育,西翼南段的安泽地区却构造变形相对较弱,次级褶曲不明显,断层稀少;在盆地北部,以陷落柱形式出现的正断构造相对发育,北缘的阳曲—阳城一线以NNE—NE向褶皱与EW向构造叠加的格局为主,东南部左权—和顺一带构造相对简单(刘焕杰等,1997)。因此,在盆地东南部地区、北缘地区和复向斜转折端的安泽地区可能存在有利于煤层气富集的构造分异条件。1.3岩屑层结构变形程度和岩屑层渗透发育1.3.1煤中光性组反射率与相关系数的关系煤中有机质由长程无序而短程有序的大分子基本结构单元构成(秦勇,1994)。在受地壳深部热结构控制的构造-热应力作用之下,这些基本结构单元逐渐发生定向排列,使得煤中镜质组反射率呈现出各向异性,其光性组构定型于煤化作用或生气作用终止时期。也就是说,煤中镜质组反射率光性组构是热力-应力综合作用的结果。因此,通过对镜质组反射率光性组构的研究,可获得构造动力条件与煤储层改造特征之间关系的有用信息。基于山西组主煤层16个地点煤样3个互垂光面360°镜质组油浸反射率的测量数据,采用专用软件求出煤砖光面内镜质组反射率光性指示面(椭圆)的光性参数并恢复其构造产状,进而得到与煤储层平面有限应变相关的构造应力场信息。其中:光性指示面长轴(视最大反射率)代表平面伸长应变或相对拉张应力方向,短轴(视最小反射率)代表平面缩短应变或相对挤压应力方向;通过分析视最大反射率与视最小反射率之间的关系,也有可能为构造应变量研究提供有用数据(Levineetal.,1984)。如图3所示,煤中镜质组反射率光性组构产出特点反映的构造动力条件信息,对沁水盆地煤层气成藏演化研究极有意义:首先,绝大多数煤样(11件)光性指示面长轴呈NE方向延展,显示出SE向收缩型应变的总体特征,不仅与采样点附近构造线走向基本一致,并与燕山期构造应力场特征相互协调,揭示出盆地上古生界煤的生气作用主要终止于燕山期,而且也意味着镜质组反射率应变分布是区域应变场中的重要组成部分,即煤层构造变形与生气作用主要发生在燕山期。第二,在盆地不同部位,长轴呈NW向的镜质组反射率光性组构特征也有所不同。北部地区的光性指示面长轴呈NNW向,往南逐渐向西部偏转,至中南部变为WNW向。这一趋势,与燕山期构造应力迹线分布规律一致,一方面表明局部构造应力场变化对煤储层的改造起着更为重要的作用,另一方面为沁水盆地上古生界煤生气作用主要终止于燕山期的认识提供了更进一步的佐证。第三,在盆地南缘及东缘中段所采的5件煤样,其镜质组反射率光性指示面显示出NE-NEE向的收缩型应变特征,且由北往南长轴方向略有向北偏转的变化趋势。造成镜质组光性组构这一“异常”分布的原因可能在于两个方面,或是产生于燕山期盆地构造应力场的局部变化,或是这些地段上古生界煤的煤化(生气)作用在喜马拉雅期又有新的发展。前一假设需要进一步的构造应力场精细分析成果来加以支持,后一假设成立的前提是这些地段附近在新生代又获得了强大的热源,但这两方面假设目前均无相关资料支持,值得进一步深入探讨。1.3.2盆地主煤层主转化率与主煤储层渗透率的关系曲率是反映线或面弯曲程度的量化参数,构造曲率是构造应力场作用的结果,曲率值反映弯曲岩层中由于派生拉张应力而形成的张性裂缝的相对发育程度。构造曲率在向斜部位为负值,在背斜部位为正值,高曲率值位于褶皱作用相对强烈的地区。因此,分析煤层构造曲率的分布特征,是研究煤层气成藏构造动力条件的一种重要手段。基于地层厚度、地层面高程等数据资料,采用极值主曲率法,计算出沁水盆地主煤层12500个结点的曲率值,进而绘制出构造曲率等值线图(图4)。结果表明,沁水盆地主煤层构造曲率一般在0.1×10-4/m左右,最高可达5×10-4/m以上。以一般值0.1×10-4/m为标准,大于此值的构造带中煤层改造相对强烈,煤储层具有发育高渗透率的构造裂隙基础。盆地内共有8个构造带符合这一标准,即:北部东侧的沾尚-北横岭鼻状挠褶带和昔阳挠曲构造带,主曲率一般为0.1×10-4～0.5×10-4/m;中北部中心的横岭-南马会背斜构造带中段,主曲率大于0.1×10-4/m;中北部东侧的秋树岭-狼卧沟背斜构造带,主曲率大于0.5×10-4/m;中部东侧的监漳-磨盘垴背斜构造带,主曲率大于0.1×10-4/m;中部西侧的分水岭-柳湾和漳源-王家庄背斜带,主曲率为-0.3×10-4～0.5×10-4/m;中南部西侧的双庙沟背斜构造带,主曲率大于0.1×10-4/m;南部东侧的丰宜-岳家庄背斜构造带,主曲率大于0.1×10-4/m;南端阳城-晋城仰起端,主曲率在0.1×10-4～0.3×10-4/m之间。显而易见,构造曲率过小,煤层改造程度过弱,裂隙系统不发育,则煤储层渗透率偏低。但是,构造曲率越大,煤储层渗透率并不一定就越大。对比煤储层构造主曲率与主煤储层试井渗透率发现,中等的煤层改造程度或构造主曲率可能为煤层气高产提供较有利的构造条件。煤储层渗透率大于0.5×10-3μm2对应的构造曲率分布于0.05×10-4～0.2×10-4/m之间,构造曲率低于0.05×10-4/m或高于0.2×10-4/m时,煤储层渗透率反而降低,从而对煤层气渗流具有较大阻碍作用(图5)。1.3.3煤中渗透率与应力场主应力差的关系有限元法数值模拟结果表明:沁水盆地现代构造应力场主应力为压应力,方向NEE-SWW,产状近于水平;构造应力场主应力差值较高的区域分布于3个地段,包括南部的阳城地区、中南部的潞城与沁源一带、中部的武乡与左权一带(图6)。根据笔者前期研究,沁水盆地现代构造应力场主应力差(△σ)增大,主煤储层试井渗透率(K)呈指数形式急剧增高(秦勇等,1999)。两者之间关系,在山西组主煤层中表现为:K=0.0147e0.0416△σ(r=0.7479)在太原组主煤层中为:K=0.0668e0.0178△σ(r=0.4040)由此,将沁水盆地主煤储层渗透率与现代构造应力场主应力差之间关系分为3个层次:双高类别,即主应力差高(△σ>100MPa或150MPa),渗透率也较高(K>1×10-3μm2);双中类别,即主应力差中等(85MPa<△σ<100MPa或110MPa<△σ<150MPa),渗透率也中等(0.5×10-3μm2<K<1×10-3μm2);双低类别,即主应力差低(△σ<85MPa或110MPa),渗透率也较低(K<0.5×10-3μm2)。基于这种规律和控制机理,预测渗透率大于0.5×10-3μm2的山西组煤储层可能主要分布于盆地内的阳城北、沁源—安泽东、武乡—左权之间3个地带。造成这一耦合关系的原因,在于沁水盆地现代构造应力场主应力方向、煤储层天然裂隙优势发育方向、煤储层顶板节理优势发育方向三者之间的相互关系(秦勇等,1999)。前两组方向近于平行,但与煤储层顶板节理则近于正交。由此,导致煤储层天然裂隙处于相对拉张状态,而顶板天然裂隙处于挤压状态,主应力差越大,相对拉张(挤压)效应就越显著。2有利构造背景上述分析表明,就构造动力条件而言,沁水盆地煤层气成藏效应取决于构造背景(构造演化史和构造分异特征)、构造曲率、现代构造应力场主应力差等因素之间的合理配置。这种配置关系主要表现为:具有构造变形相对较弱或NNE—NE向褶皱与EW向构造叠加背景的地区,可能有利于煤层气富集;高构造曲率与上述有利构造背景的结合,可指示煤储层天然裂隙相对发育且煤层气相对富集的地段;现代构造应力场主应力差较高的地段,则煤储层裂隙可能被相对拉张,从而有利于煤储层渗透性的发育。如果仅有较高的构造曲率,而主应力差相对较小,则虽然煤储层构造裂隙可能较为发育,但裂隙处于闭合状态,煤储层的渗透性仍然相对较低。因此,高构造曲率和有利构造背景是煤储层天然裂隙发育的必要条件,高主应力差是煤储层裂隙张开的构造应力条件,只有在三者有利匹配的地段,煤储层才有可能出现较高的渗透率。在盆地深部,煤层埋深增大虽然可能导致含气量增高,但这一情况在沁水盆地并不具有普遍意义,且还可能导致煤储层渗透性降低。例如,根据大量勘探资料,盆地南端的煤层含气量中心在寺河井田—潘庄井田一带,往北至樊庄井田虽然煤层埋深显著加大,但平均含气量确有明显降低。又如,由于储层温度与储层压力综合作用的结果,随埋深增大,煤层含气量在“临界深度”附近会达到最大值,然后随埋深进一步加大而降低;这一“临界深度”对于贫煤在1200m左右,对于无烟煤还会有所减小(秦勇等,2005)。基于上述认识,叠加分析主应力差分布图与构造曲率分布图、构造纲要图,可知沁水盆地煤层气成藏有利构造动力条件主要发育在4个地段:其一,盆地南部仰起端的阳城北地区,包括目前的潘庄、潘河、寺河、郑庄、樊庄等煤层气开发区,其中位于最大主应力差区域中心地带的潘庄—潘河一带成藏效应最好;其二,中南部西段安泽—沁水之间的双庙沟背斜构造带;其三,中部西侧沁源周围的柳湾背斜带;其四,盆地东部中段的武乡西北区。4个地段均为次级背斜构造,具有中等程度构造曲率与高主应力差条件。上述4个地段中,阳城北地区煤层气富集高渗条件已为近年来的开发实践所证实,其他3个区域有待进一步的勘探开发活动予以验证。从另一角度来看,盆地北部中段的寿阳南地区现代构造应力场主应力差低达20MPa以下(图6);次级褶曲不甚发育,构造变形极弱(图3)。国内外多家机构对该区进行了长达10余年的勘探开发试验,虽然证实煤层气有相当程度的富集,但工业性气流始终没有突破。这一现象,与该区现代构造应力场主应力差明显偏小所可能导致的煤储层渗流条件恶化似乎具有较为密切的因果关系。3关于地质构造背景的认识从构造动力条件来看,沁水盆地煤层气成藏效应取决于构造背景(构造演化史和构造分异特征)、构造曲率、现代构造应力场主应力差等因素之间的合理配置:(1)燕山期是控制盆内煤层气成藏的关键时期。该期NW-SE向近水平挤压构造应力场作用下形成的NNE-NE向次级褶曲和NNE向高角度正断层,奠定了盆地煤层气赋存规律的总体格局;构造演化与生气作用的有利配置,使得NNE-NE向次级褶曲成为主要的控气构造类型。镜质组反射率光性指示面长轴展布趋势与燕山期构造应力迹线分布规律一致,为燕山期构造动力对盆地煤层气成藏效应起着关键控制作用的认识提供了进一步佐证。进一步结合构造形迹区域分布特点,认为盆地东南部地区、北缘