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沁水盆地煤层气构造动力条件耦合控藏效应_图文

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沁水 盆地 煤层气 构造 动力 条件 耦合 效应 图文
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第 8 2 卷   第 1 0 期2 0 0 8 年 1 0 月     地   质   学   报     A  82   10   2 0 0 8注 :本 文 为 国 家 “ 973” 项 目 (编 号 2002、“ 863” 项 目 (编 号 2006和 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 (编 号 40730422) 资 助成 果 。收 稿 日 期 :2008205207 ;改 回 日 期 :2008207224 ;责 任 编 辑 :周 健 。作 者 简 介 :秦 勇 ,男 ,1957 年 生 。 博 士 ,教 授 ,从 事 煤 田 地 质 、 煤 层 气 地 质 研 究 。 电 话 :0516 - 83590091 ; 水 盆 地 煤 层 气 构 造 动 力 条 件 耦 合 控 藏 效 应秦 勇 ,姜 波 ,王 继 尧 ,吴 财 芳 ,傅 雪 海 ,韦 重 韬 ,侯 泉 林 ,琚 宜 文中 国 矿 业 大 学 资 源 与 地 球 科 学 学 院 ,江 苏 徐 州 , 221008内 容 提 要 :构 造 动 力 条 件 涵 盖 诸 多 要 素 ,综 合 分 析 这 些 要 素 与 煤 层 气 成 藏 效 应 之 间 关 系 ,是 全 面 认 识 构 造 动 力条 件 控 藏 效 应 的 基 础 。 为 此 ,本 文 采 用 盆 地 分 析 、 构 造 应 力 场 模 拟 、 镜 质 组 光 性 组 构 、 构 造 曲 率 等 方 法 ,分 析 了 盆 地构 造 演 化 、 构 造 应 力 场 、 盆 内 构 造 分 异 、 煤 储 层 构 造 变 动 等 与 煤 层 气 成 藏 效 应 之 间 关 系 ,探 讨 了 有 利 于 煤 层 气 富 集高 渗 条 件 发 育 的 构 造 动 力 特 点 。 研 究 表 明 :燕 山 期 是 控 制 煤 层 气 成 藏 的 关 键 时 期 ,该 期 近 水 平 挤 压 构造 应 力 场 作 用 下 形 成 的 次 级 褶 曲 和 高 角 度 正 断 层 ,奠 定 了 盆 地 煤 层 气 赋 存 规 律 的 总 体 格 局 ,使 - N E 向 次 级褶 曲 成 为 主 要 的 控 气 构 造 类 型 ;构 造 动 力 通 过 煤 储 层 改 造 程 度 对 煤 储 层 渗 透 性 发 育 特 点 的 控 制 ,不 仅 体 现 于 镜 质组 光 性 指 示 面 形 态 及 其 空 间 展 布 特 征 ,也 使 得 中 等 程 度 的 构 造 主 曲 率 可 能 提 供 最 有 利 于 煤 层 气 渗 流 的 构 造 条 件 ,导 致 现 代 构 造 应 力 场 高 主 应 力 差 有 利 于 煤 层 渗 透 率 的 发 育 。 耦 合 分 析 认 为 ,沁 水 盆 地 煤 层 气 成 藏 效 应 取 决 于 上 述构 造 动 力 学 因 素 之 间 的 合 理 配 置 ,南 部 仰 起 端 的 阳 城 北 、 中 南 部 西 段 的 安 泽 — 沁 水 、 中 部 西 侧 的 沁 源 周 围 、 东 部 中段 的 武 乡 西 北 等 4 个 地 段 ,可 能 存 在 有 利 于 煤 层 气 成 藏 的 构 造 动 力 学 条 件 。关 键 词 :煤 层 气 成 藏 ;构 造 动 力 条 件 ;耦 合 控 制煤 层 气 成 藏 受 控 于 诸 多 宏 观 地 质 动 力 学 条 件 ,如 构 造 动 力 、 热 动 力 、 地 下 水 动 力 等 。 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 2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 展 布 ,面 积 约 26000 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 ; et ,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 ;et ,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 构 造 条 件 对 煤 层 气 成 藏 的控 制 作 用1. 1   盆 地 演 化 关 键 时 期 对 煤 层 气 成 藏 的 构 造 控 制对 盆 地 构 造 及 其 演 化 历 史 的 研 究 显 示 ,控 制 沁地   质   学   报 2008 年水 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) 。图 1   沁 水 盆 地 南 部 上 古 生 界 煤 层 构 造 埋 藏 历 史1   in 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~ 141 间 ,主 峰 值 为 130~ 140 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 向 宽 缓 次 级 褶 曲 ,表 现 出 近 向的 构 造 挤 压 应 力 ;燕 山 期 的 构 造 运 动 ,产 生 了 一 系 列 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 , 一 般 相 对 较 陡 ,显 示 出 N W - 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 次 级 褶 曲 及 配 套 的 构 造 裂 隙 ,显 示 出 N E - 水平 挤 压 应 力 场 的 特 征 (图 2b) 。显 然 ,印 支 期 近 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 近 水 平挤 压 构 造 应 力 场 作 用 形 成 宽 缓 的 沁 水 盆 地 , 向 次 级 褶 曲 和 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 - N E 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   盆 内 构 造 分 异 对 煤 层 气 保 存 的 控 制 作 用研 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 高 角 度 正 断 层 为 主 ,东 部 主要 展 现 为 向 褶 皱 与 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 —N E 向 褶 皱 与 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   煤 储 层 构 造 变 形 程 度 与 煤 储 层 渗 透 性 发 育1. 3. 1   镜 质 组 反 射 率 光 性 组 构 与 煤 储 层 应 变 特 征煤 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 2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 2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6531第 10 期 秦 勇 等 :沁 水 盆 地 煤 层 气 构 造 动 力 条 件 耦 合 控 藏 效 应图 2   沁 水 盆 地 现 代 构 造 纲 要 及 不 同 地 质 历 史 时 期 构 造 应 力 场 有 限 元 模 拟 主 应 力 迹 线 图2   a) — 燕 山 期 ; (b) — 喜 马 拉 雅 期(a) — (b) — 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 (et ,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 延 展 ,显 示 出 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 N W 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 向 ,往 南 逐 渐 向 西 部 偏 转 ,至中 南 部 变 为 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 N E - N 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7531地   质   学   报 2008 年图 3   沁 水 盆 地 山 西 组 主 煤 层 镜 质 组反 射 率 光 性 组 构 及 平 面 应 变 型 式 分 布3   in 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   煤 储 层 构 造 曲 率 与 其 受 改 造 程 度曲 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 2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 2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 2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 2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 2柳 湾 和 漳 源 2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 2岳 家 庄 背 斜 构 造 带 ,主 曲 率 大 于 0. 1 ×10 - 4 / m ;南 端 阳 城 2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 - 3μ 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   现 代 构 造 应 力 场 主 应 力 差 与 煤 储 层 渗 透 性有 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 N 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. 01470416 △ σ ( r = 0. 7479)8531第 10 期 秦 勇 等 :沁 水 盆 地 煤 层 气 构 造 动 力 条 件 耦 合 控 藏 效 应图 4   沁 水 盆 地 上 古 生 界 主 煤 层 构 造 曲 率 等 值 线 图 (据 张 建 博 等 ,2003)4   et , 2003)图 5   沁 水 盆 地 主 煤 层 构 造 主 曲 率与 试 井 渗 透 率 之 间 关 系5   of to of 原 组 主 煤 层 中 为 :K = 0. 06680178 △ 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 > 100 150 ,渗 透 率也 较 高 ( K > 1 × 10 - 3μ ;双 中 类 别 ,即 主 应 力 差中 等 (85 △ σ < 100 110 △ σ <150 ,渗 透 率 也 中 等 (0. 5 × 10 - 3μ K < 1 ×10 - 3μ ;双 低 类 别 ,即 主 应 力 差 低 ( △ σ < 85 10 ,渗 透 率 也 较 低 ( K < 0. 5 × 10 - 3μ 。基 于 这 种 规 律 和 控 制 机 理 ,预 测 渗 透 率 大 于 0. 5 ×10 - 3μ 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 。9531地   质   学   报 2008 年图 6   沁 水 盆 地 现 代 构 造 应 力 场 有 限 元 模 拟 主 应 力 差等 值 线 图 (应 力 单 位 :6   of   构 造 动 力 条 件 耦 合 控 制 了 煤 层 气 成藏 效 应 分 布 格 局上 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 — N E 向 褶 皱与 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 1200 m 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 20 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   结 论从 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 近 水 平 挤 压 构 造 应 力 场 作 用 下 形成 的 - N E 向 次 级 褶 曲 和 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 - N E 向 次 级0631第 10 期 秦 勇 等 :沁 水 盆 地 煤 层 气 构 造 动 力 条 件 耦 合 控 藏 效 应褶 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 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 。(2)构 造 动 力 对 煤 储 层 改 造 程 度 显 著 影 响 到 煤储 层 渗 透 性 的 发 育 特 点 。 这 一 影 响 ,不 仅 体 现 于 受煤 大 分 子 基 本 结 构 单 元 发 育 程 度 和 排 列 方 向 所 控 制的 镜 质 组 光 性 指 示 面 形 态 及 其 长 轴 展 布 特 征 ,而 且通 过 构 造 曲 率 、 构 造 应 力 场 主 应 力 差 等 反 映 出 来 。沁 水 盆 地 中 等 程 度 的 构 造 主 曲 率 可 能 提 供 最 有 利 于煤 层 气 渗 流 的 构 造 条 件 ,构 造 曲 率 过 高 或 过 低 均 不利 于 煤 层 气 井 高 产 。 现 代 构 造 应 力 场 主 应 力 差 与 煤层 试 井 渗 透 率 之 间 呈 指 数 正 相 关 关 系 ,受 控 于 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 耦 合 机制 。 基 于 这 种 规 律 和 控 制 机 理 ,预 测 渗 透 率 大 于 0. 5× 10 - 3μ m2
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