牛 然

（河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 450000）

斷層對煤層氣的控制機(jī)理研究
——以鶴壁煤田F40斷層為例

牛 然

（河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 450000）

斷層封閉性最先在油氣領(lǐng)域得到應(yīng)用，而在煤層氣研究中，大家普遍認(rèn)為斷層是影響煤層氣賦存的一個重要因素，但是具體的控制機(jī)理和分析方法一直比較模糊。筆者通過以往研究進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)決定斷層封閉性好壞的主要因素為兩盤對接巖性、斷層規(guī)模和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場，并且提出了評價一條斷層對煤層氣封閉性好壞的一般方法，在受斷層控制明顯的地區(qū)，該方法可以為煤層氣勘查與評價提供理論指導(dǎo)。

斷層封閉性 煤層氣 鶴壁煤田

斷層對煤層氣賦存的控制作用主要體現(xiàn)在斷層的封閉性好壞，封閉性斷層透氣性差，有利于煤層氣的保存，開放性斷層具有良好的透氣性，使煤層氣容易逸散。根據(jù)研究，決定斷層到底是封閉還是開放的主要影響因素包括斷層性質(zhì)、斷層兩盤對接巖性、斷層規(guī)模、構(gòu)造應(yīng)力場的歷史變化及現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場。本文僅對正斷層進(jìn)行分析。

1 斷層兩盤對接巖性

斷層將煤層錯斷以后，兩盤煤層都會與對盤的一組巖層對接，對接巖層的透氣性直接影響了斷層對于該煤層的封閉性好壞。一般認(rèn)為，煤層與對盤泥巖配置時，斷層對煤層氣有封閉作用；而對盤巖性為砂巖或灰?guī)r含水層時，斷層對煤層氣是開放的。目前的研究方法有砂巖百分比含量、砂巖連通率、斷面剖面分析法、砂泥對接概率及簡易巖性配置法等，其中以斷面剖面分析法應(yīng)用最廣泛。

泥巖涂抹是評價斷層封閉性的一個重要定量指標(biāo)，它是通過泥巖層泥化后并進(jìn)入發(fā)育中的斷層帶而形成的。目前常用的定量研究泥巖涂抹封閉能力的算法有3種：泥巖涂抹因子（SSF斷距與泥巖層厚度比值）、泥巖涂抹潛勢（CSP泥巖層厚度平方與泥巖涂抹距離的比值）、斷層泥比率（SGR斷層距離內(nèi)泥巖層厚度與垂直斷距的比值）。但在實(shí)際應(yīng)用中，SSF和CSP都有一定局限性，所以本次采用SGR作為評價斷層泥巖涂抹好壞的指標(biāo)（圖1）。

2 斷層規(guī)模

斷層的規(guī)模主要是通過影響斷層帶的寬度、斷層巖特征及與地表的連通性來控制煤層氣的賦存的。一般依據(jù)斷層落差來對斷層規(guī)模進(jìn)行劃分，根據(jù)煤礦工作實(shí)踐，經(jīng)常將落差大于50m的斷層稱為特大型斷層，落差20～50m的稱為大型斷層，小于5～20m的稱為中型斷層，小于5m的稱為小型斷層。

研究證明，斷層附近煤層氣賦存的模式基本上相同，只是根據(jù)斷層規(guī)模而產(chǎn)生差異。斷層形成過程中，在斷層附近會出現(xiàn)兩個應(yīng)力分布帶，即地應(yīng)力釋放帶和集中帶，斷層兩盤煤層氣的賦存也隨之出現(xiàn)相應(yīng)的分帶現(xiàn)象，兩者間對應(yīng)關(guān)系如表1所示。在斷層面附近，應(yīng)力釋放，地應(yīng)力降低，部分煤層氣沿斷層帶逸散，出現(xiàn)谷值；由斷層面向兩盤，應(yīng)力集中，地應(yīng)力升高，出現(xiàn)煤層氣峰值；再向兩側(cè)，地應(yīng)力和煤層氣分布均起于正常。

圖1 SGR算法示意圖

表1 斷層附近煤層氣分布關(guān)系表

3 現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場

地應(yīng)力是指存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力。主要由巖石自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成，自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要來源。地應(yīng)力對煤層氣的富集成藏、運(yùn)移、井位部署、增產(chǎn)等起著至關(guān)重要的作用。

煤層經(jīng)過多期、不同性質(zhì)、不同強(qiáng)度的地應(yīng)力的疊加和改造作用，其厚度、分布和賦存狀態(tài)都會不斷的發(fā)生變化，間接的影響了煤層氣生、儲、蓋的潛勢。聚煤期后，構(gòu)造應(yīng)力場及其演化控制著煤儲層的埋藏史、熱演化史、生烴史、壓力史等，對煤層氣生成、儲存、蓋層、運(yùn)移、聚集、保存均產(chǎn)生不同性質(zhì)的影響。

斷層現(xiàn)在的形態(tài)及性質(zhì)是由斷層發(fā)生時的古構(gòu)造應(yīng)力場決定的，然而構(gòu)造應(yīng)力場會隨著時間推移而產(chǎn)生變化，古構(gòu)造應(yīng)力場的研究非常復(fù)雜，且斷層在過去的封閉性好壞對煤層氣賦存的影響非常小，因此，研究地應(yīng)力到底是有利于斷層封閉還是開放主要是看現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的大小和方向。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力值越大時，斷層面上的正應(yīng)力值也越大，斷層封閉性越強(qiáng)，相反則斷層的封閉性減弱，有利于煤層氣的運(yùn)移和逸散。

水平構(gòu)造應(yīng)力的方向?qū)鄬臃忾]性的影響取決于斷層走向與水平最大主應(yīng)力方向之間的銳夾角對正應(yīng)力及剪應(yīng)力大小的影響。當(dāng)最大主應(yīng)力方向與斷層小角度相交或與斷層走向近似于平行時，在靠近斷層處會發(fā)生明顯的應(yīng)力釋放，在斷層內(nèi)部有明顯的應(yīng)力降低，最大主應(yīng)力也部分降低，最小主應(yīng)力在斷層處明顯增大，因此，此類斷層有利于應(yīng)力釋放，煤層透氣性較好，有利于煤層氣逸散；但是在斷層尖滅端尤其是斷層下盤尖滅端會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤層氣保存條件相對較好。當(dāng)最大主應(yīng)力方向與斷層走向間夾角為45°左右時，應(yīng)力集中進(jìn)一步增大，且集中帶應(yīng)力值普遍增大，在斷層中部和尖滅段應(yīng)力較大；擠壓剪切形成局部應(yīng)力集中，煤體遭到破壞，煤層滲透性降低，煤層氣的運(yùn)移和逸散受到阻隔，有利于煤層氣保存。當(dāng)最大主應(yīng)力方向與斷層大角度相交或與斷層走向近似垂直時，在斷層中部和斷層尖滅端剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力較大，擠壓剪切應(yīng)力集中趨于平均分布，煤層滲透性低，有利于瓦斯保存，形成較大的瓦斯富集區(qū)煤與瓦斯突出的危險性也增大。構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向與斷層走向關(guān)系對斷層透氣性評價見表2。

表2 構(gòu)造應(yīng)力場與斷層走向?qū)鄬油笟庑栽u價表

4 實(shí)例分析

F40斷層位于太行山東麓斷壟帶鶴壁煤田之鶴壁六礦和五礦分界處，區(qū)內(nèi)走向長度5000m，走向?yàn)?0°，傾向290°，傾角75°，為一高角度正斷層，落差160m，控制程度較好。

本次研究中選擇了三個斷面做斷層兩盤煤層對接巖性剖面（圖2），從圖中可以看出與斷層上盤煤層對接的是上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r或奧陶系灰?guī)r，太原組灰?guī)r段與奧陶系灰?guī)r為本區(qū)主要含水層，裂隙較為發(fā)育，且連通性好，不僅為水的運(yùn)移提供了通道，也為煤層氣的運(yùn)移和逸散提供了通道，從而使斷層附近一定范圍內(nèi)煤層瓦斯含量減小，透氣性好。下盤煤層與上盤下石盒子組對接，巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，透氣性較差。因此，斷層下盤的巖性配置是有利于煤層氣賦存，而斷層上盤有利于煤層氣逸散。

圖2 F40斷層位置及兩盤煤層對接巖性示意圖

本區(qū)新生代以來地應(yīng)力作用強(qiáng)烈，據(jù)早期對太行構(gòu)造區(qū)小構(gòu)造的測量分析資料，構(gòu)造區(qū)內(nèi)共發(fā)育兩套共軛剪節(jié)理。第一套共軛剪節(jié)理：一組NNWNNE向，左型剪切；一組NWW向，右型剪切，最大主壓力指示NW向。第二套共軛剪節(jié)理：一組NNE向，右型剪切；一組NEE-SEE向，左型剪切，最大主壓力指示NE向。結(jié)合區(qū)內(nèi)構(gòu)造熱事件，配套歸位，得出本區(qū)主要發(fā)育了兩期應(yīng)力場，第一期應(yīng)力場為NW-SE向擠壓。在北西、南東向擠壓作用下，區(qū)內(nèi)發(fā)育了北東向張斷裂，該期應(yīng)力場歸燕山早期。第二期應(yīng)力場為NE向擠壓，是前期應(yīng)力場向北偏移形成的，并且在本區(qū)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，與區(qū)內(nèi)以青羊口斷層為代表的NNE、NE向張性斷裂相對應(yīng)，歸屬于燕山晚期。根據(jù)以往在此實(shí)測的地應(yīng)力結(jié)果（表3），鶴壁六礦的地應(yīng)力場屬于水平應(yīng)力場，以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)且地應(yīng)力較大，結(jié)合F40斷層產(chǎn)狀可知，現(xiàn)代主壓應(yīng)力方向與斷層走向近似垂直，有利于煤層氣的賦存。

斷層的泥巖涂抹能夠較直觀的反應(yīng)出斷層的封閉性好壞，本次研究選擇的參數(shù)為斷層泥比率（SGR），對F40斷層3個斷面進(jìn)行SGR計算，計算結(jié)果如表4所示。

表3 地應(yīng)力測量結(jié)果表

表4 F40斷層SGR計算結(jié)果

表5 斷層附近煤層氣含量表

結(jié)合斷層附近煤層氣含量實(shí)測數(shù)據(jù)分析（表5），F(xiàn)40號斷層附近煤層氣含量基本都在10m3／t以上，但下盤煤層氣含量均在20m3／t以上，而上盤煤層氣含量都在10m3／t左右。綜合之前的分析，F(xiàn)40號斷層下盤封閉性好，有利于煤層氣賦存；上盤封閉性差，不利于煤層氣賦存。

［1］ KNOTT SD.Fault seal analysis in the north sea［J］. AAPG，1993，77（1）：778－792.

［2］ 劉澤容，信荃麟，鄧俊國，等.斷塊群油氣藏形成機(jī)制和構(gòu)造模式［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998：23－26.

［3］ 呂延防，李國會，王躍文，等.斷層封閉性的定量研究方法［J］.石油學(xué)報，1996，17（3）：39－45.

［4］ KNIPER J.Juxtaposition and seal diagrams to help analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs［J］.American Associationof Petroleum Geologists Bulletin，1997，81（2），187－195.

［5］ 李連崇，唐春安，梁正召，等.含斷層煤層底板突水通道形成過程的仿真分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（2）：290－297.

［6］ 朱興珊，徐鳳銀.論構(gòu)造應(yīng)力場及其演化對煤和瓦斯突出的主控作用［J］.煤炭學(xué)報，1994，19（3）：304－314.

［7］ 曹運(yùn)興，彭立世.順煤斷層的基本類型及其對瓦斯突出帶的控制作用［J］.煤炭學(xué)報，1995，20（4）：413－417.

［8］ 賈天讓，王蔚，張子敏，等.現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場下斷層走向?qū)ν咚雇怀龅挠绊懀跩］.采礦與安全工程學(xué)報，2013，30（6）：930－934.

（責(zé)任編輯 黃 嵐）

Control Mechanism of Fault to Coalbed Methane—Taking F40Fault in Hebi Coalfiel as an Example

NIU Ran
（Henan Provincial Research Institute of Coal Geology and Exploration，Henan 450000）

Fault sealing property has been applied firstly in the field of oil and natural gas，and in the study of coalbed methane，it is generally believed that the fault is an important factor of coalbed methane occurrence，but the specific controlmechanism and analysismethod has been blurred.Based on the analysis and summary through the previous researches，the paper finds that the main factors to decide the fault sealing property include the lithology of the two walls of the fault，the size of the fault and themodern tectonic stress field，and also puts forward the general evaluation method of a fault to CBM sealing property.In the areas obviously controlled by fault，thismethod can provide theoretical guidance for coalbed methane exploration and evaluation.

Fault sealing property；coalbed methane；Hebi Coalfield

牛然，男，助工，研究生學(xué)歷，現(xiàn)從事煤層氣地質(zhì)和礦井地質(zhì)等方面的研究工作。