陈振宏1 王一兵1 苏现波2
(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊065007;2.河南理工大学资源环境工程学院，焦作454000)
摘要:煤体变形与煤层气储层渗透性存在密切联系。查明含煤岩系岩体结构，定量评价煤岩体变形，对煤储层渗透性预测具有重要指导意义。通过大量野外观测、结合室内扫描电镜、光学显微镜及原子力显微镜探测，研究了沁水盆地南部煤层气藏储层变形特征及空间展布，探讨了构造形迹、煤体变形程度与岩体结构之间的内在关系，并揭示了其成因。研究结果认为，沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理大部分被方解石充填，对储层渗透性贡献不大;煤岩体变形取决于岩体强度与结构，特别是软煤发育厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。同时研究发现，含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE－SW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。在煤层气下一步开发施工中，应尽力避免在软煤强烈发育区布井。
关键词:煤层气 岩体结构 脆性变形 强度因子 软煤
基金项目: 国家 973 项目 “高丰度煤层富集机制及提高开采效率基础研究”( 2009CB219607) 。
作者简介: 陈振宏，男，1979 年生，湖南桃源人，博士，主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研究。地址: 河北省廊坊市万庄廊坊分院煤层气研究所。电话: 010 － 69213542 137930613041 E － mail: cbmjimcoco@126. com
Deformation Characters and Formation Mechanism of Coal Seams in South Qinshui Basin
CHEN Zhenhong1，WANG Yibing1，SU Xianbo2
( 1. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development， CNPC，Langfang 065007，China; 2. Institute of Resource and Environment Engineering; Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)
Abstract: The coal deformation is a critical controlling factor of coal reservoir permeability. Researching the coal construction and quantitatively evaluating coal deformation，essential parts of the reservoir permeability pre- diction，are significant. Through abundant field reconnalssance，SEM，OM and AFM，the reservoir deformation characters，spatial distribution＆ formation mechanism of coalbed methane and the relationship between the region- al structure ＆ coal deformation and rocks construction，were analyzed＆discussed here. It was proved that in the south，Qinshui basin，the brittle deformation was dominant and cleat permeability was litter，in which filled cal- cite. The coal deformation was decided by the strength and construction of rock mass. Especially，the soft coal thickness and rate are associated with strength divisor＆fractal dimensionality. Moreover， the strike of coal fractures＆joints is main NE － SW，as current main stress field，and Sitou fault litter affects the coal deforma- tion. So in the future CBM developing，wells in the intense soft coal area were avoided.
Keywords: coalbed methane; construction of rock mass; brittle deformation; strength divisor; soft coal
引言
煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊岩石，发生韧性变形所需的温度、压力远远低于无机岩石。正是由于煤的这种特殊的变形行为，使得煤体变形与煤层气储层渗透性和煤与瓦斯突出存在密切联系。煤岩体在地质演化过程中的变形受岩体强度、构造应力场、温度和边界条件等的控制［1～4］。在同一构造应力场中不同岩性岩层或岩性组合的岩体会表现不同的岩体力学性质和形变特征，即在局部范围内控制煤岩体变形的主导因素是岩体结构。
对于沁南地区无烟煤储层，割理严重闭合或被矿物质充填，外生裂隙是煤层气运移产出的通道［5～8］。而外生裂隙是煤体变形的结果，适中的煤体变形形成的碎裂煤是本区渗透性最好的储层。因此，根据勘探、开发阶段的煤层气井资料，查明含煤岩系的岩体结构，定量评价煤岩体变形特征，可以为煤储层渗透性评价做出借鉴，预测未开发区储层渗透性，为勘探开发部署提供依据。
1 沁水盆地南部地区煤岩宏观变形特征
沁南地区山西组3#煤层下部通常发育有一层不足1m的软煤，多为鳞片状的糜棱煤，局部发育碎粒煤，个别地区还存在整层均为糜棱煤的透镜体，透镜体一般不超过20m×50m。
图1 沁水盆地南部煤岩割理发育特征
通过钻井煤心、井下煤壁观测，结合测井响应，发现煤体宏观变形以脆性变形为主，其主要变形标志为割理形成初始阶段的格里菲斯裂隙(图1a)、被方解石充填的雁行排列的割理(图1b)。割理成因很复杂，一般认为是同沉积压实作用、成岩作用、侧向古构造应力、干缩作用和煤化作用等综合作用的结果［9～12］。
煤中另一种脆性变形标志是外生裂隙。当外生裂隙不发育时，煤体保持原生结构;当外生裂隙发育时，煤体破坏为碎裂煤，这类煤的煤心往往为碎块状，但碎块有强度。
2 沁南地区煤岩微观变形特征
借助扫描电镜，系统观测煤的微观孔隙结构，发现煤岩割理被方解石充填(图2a)，或者割理闭合(图2b)，基质孔隙(气孔)发育(图2c)。
图2 沁南地区煤岩的微观特征(SEM)
光学显微镜下，煤体脆性变形标志主要为一些外生裂隙(图3)。
图3 光学显微镜下沁南地区煤岩外生裂隙，反光，×15。
扫描电镜下，煤中韧性变形标志主要为褶皱、残斑和SC构造等(图4)。
值得注意的是，煤岩脆韧性变形识别与观测尺度有关，宏观上观测的韧性变形，在微观上仍可发现脆性变形现象(图5)。但在超微条件下，很难观测到韧性变形现象。
3 沁南地区煤岩变形空间展布
煤心观测和测井响应显示，沁南地区樊庄区块软煤普遍发育在煤层的下部，夹矸层将其与上部的硬煤隔开，厚度0～1.15m，平均0.7m，所占煤层总厚的比率为0～0.177，平均0.114(图6)。
北部的固县地区软煤厚度和比率最高，特别是从G12－9～G7－12软煤厚度超过1m、比率超过0.15，向东软煤发育程度逐渐降低，其软煤相对发育的主要控制因素为褶皱的影响，软煤发育基本沿着背斜的轴部展布。寺头断层并没有对煤体结构造成严重影响，位于寺头断层附近的G4－7，G2－7，G2－6等井软煤的厚度和比率还没有褶皱轴部高，且北西向褶皱与软煤发育的关系最密切。固县地区是整个樊庄区块软煤最发育的地区，且分布在本区的煤层气井距寺头断层最近，可见寺头断层或多或少对煤体变形有一定影响。
图4 煤体韧性变形微观标志(SEM)
图5 煤体韧脆性变形标志(SEM)
樊庄地区软煤发育受北西向褶皱控制，厚度一般不超过1m，比率多在0.15之下，最发育区位于褶皱轴部(F14－13，F13－14)，翼部最低(F12－9)。
图6 沁南地区樊庄区块软煤厚度等值线图
蒲池玉溪地区软煤最不发育，软煤厚度一般不超过1m，多数在0.5m以下，比率多在0.1以下。同样沿北西向褶皱轴部软煤发育，但因近东西向褶皱的叠加使得软煤分布复杂化。
总体上，整个樊庄区块固县软煤最发育，其次为樊庄，蒲池玉溪地区最不发育。软煤发育程度与北西向褶皱关系最为密切，多位于褶皱轴部。寺头断层对煤体结构有一定的影响，但不严重。
4 成因分析
4.1 岩体结构对煤岩变形的控制作用
研究区除了边界断层—寺头断层外，区内稀疏分布三组小断层:近南北向、近东西向和北东向。褶皱非常发育，大体可区分出北西向和近东西向两类。这些褶皱的形成与岩体结构有着密切关系。褶皱的形成严格受岩体强度和结构的控制，易于发生强烈变形的低强度因子和分形维数岩体均位于褶皱的轴部。强度因子最高的蒲池玉溪地区，通过断层形式来吸收应力，形成了密集的褶皱;强度因子最低的固县地区褶皱不如蒲池玉溪发育，这是该地区通过形成软煤的顺煤层剪切吸收应力的结果。
煤层具有低杨氏模量、高泊松比，相对含煤岩系统计层段内其他岩层，在相对较低的温度和较弱的构造应力作用下也可达到较深的变形程度。因此煤层中记录的构造应力场演化信息要比其围岩详细和全面。对比软煤厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数和褶皱的关系，发现:
Ⅰ:低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区，含煤岩系以韧性变形为主，位于多褶皱轴部，煤体变形程度深，以顺煤层剪切使煤体发生韧性变形、形成“软煤”来消减构造应力。
Ⅱ:高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区，一般位于褶皱的轴部，含煤岩系以脆性变形为主，软煤不发育。
Ⅲ:区域上，固县地区强度因子和分形维数最低，但褶皱和断层不发育，唯一吸收构造应力的途径是顺煤层剪切变形形成软煤。因此，固县地区是本区软煤最发育的地区。蒲池玉溪地区强度因子和分形维数最高，但吸收构造应力的途径不是形成断层，而是密集发育的褶皱，软煤最不发育。樊庄地区介于二者之间。
也就是说，在局部范围内构造应力的性质与大小基本一致的前提下，岩体强度与结构决定了煤岩体的变形，不同地区的煤岩体可通过不同的变形途径来吸收应力。
4.2 应力场对煤岩变形的影响
4.2.1节理发育特征
通过对樊庄区块含煤岩系露头大量野外观测，发现本区含煤岩系，尤其是二叠系下石盒子组中细砂岩、上石盒子组粉砂岩发育多组高角度共轭剪节理，以NESW向和NWSE向为主，倾角平均为82°，甚至有些节理倾角达90°。节理沿走向延伸有从几个厘米到几米的，部分达几十米。节理密度从2条/米到20条/米不等，平均密度为10条/米。一般来说，脆性岩层中的节理密度要比同一厚度的韧性岩层中的节理密度大，节理密度的大小直接受到岩层所受构造应力大小的控制，在构造应力集中的地带，如褶曲转折部位及断层带附近，节理的密度相对要大得多。
节理之间多有切割，反映出力学性质的多样性和形成的多阶段性。据节理的切割关系、分期配套分析结果，厘定为四套共轭剪节理(图7)。第一期共轭剪节理由Ⅰ组和Ⅱ组配套组成，锐夹角指示近SN向的挤压，形成最早;第二期由Ⅰ组和Ⅲ组配套组成，锐夹角指示NWSE向的挤压;第三期由Ⅰ组和Ⅳ组配套组成，锐夹角指示NNESSW向的挤压;第四期由Ⅱ组和Ⅴ组配套组成，锐夹角指示NESW向的挤压，形成时间最晚。
图7 节理的分期配套
4.2.2 构造应力场分析
通过大量的野外观测，在上述含煤岩系节理特征系统描述的基础上，综合前人的研究成果［13～16］，恢复了中生代以来构造应力场期次:
①印支期近SN向挤压应力场
印支期近SN方向的挤压作用，形成近EW向褶皱，伸展作用表现为近NE和NS向的正断层，褶皱和断层规模都很小，此时的寺头断层已经开始发育。
②燕山喜马拉雅早期的NWSE向的水平挤压应力场
燕山喜马拉雅早期NWSE向挤压应力场，在沁水盆地普遍存在。挤压作用使本区整体成为NE向向斜，西部的寺头正断层进一步强化，与之平行的近NE、NNE向的、规模较小的正断层形成。
③喜马拉雅晚期的NNESSW向的近于水平的挤压应力场
喜马拉雅晚期NNESSW方向的挤压作用，形成区内规模较大、叠加在燕山喜马拉雅早期NE向褶皱之上的NW向褶皱，此时的寺头断层由原来的张性逐渐转化为压性。
④第四纪以来新构造期的NESW向的近水平挤压应力场。
第四纪以来的新构造运动期，伴随着霍山和太行山的不断隆起，在沁水块坳中产生的NESW向的近水平挤压应力场，形成了NW向小褶皱，这种构造应力场一直持续到现今。
本区岩石节理和煤层裂隙NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致。
4.2.3 应力场对煤岩变形的影响
煤层中外生裂隙的产状与上下围岩中的节理产状基本一致。山西组3号煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性，表现为NESW和NWSE两个优势方向，且以NESW向更为发育。这与岩石节理走向的优势方向基本一致，煤层主裂隙的方向与现今应力场最大主应力的方向也基本一致。
这一裂隙与应力场的耦合关系，造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中，裂隙张开度逐渐增加，进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增大而呈现数量级的增大现象。
这正是本区煤层气井稳定高产的主要控制因素之一。
4.3 断层对煤体变形的影响
根据固县地区寺头断层附近煤层气井的揭露情况，发现该断层对煤体严重变形的影响有限。
(1)紧靠断层的煤层气井显示煤体没有严重破坏为软煤;
(2)北部固79井，储层压力还有1.5MPa，产能就达2700m3/d，而且周围的井固610、固710、固711、固712、固89产能都达2000m3/d以上。但固78、固88的产能较低，不足400m3/d。由产能分析可知寺头断层对煤体变形有影响，在固县地区，由于断层落差较小，影响范围有限，一般不超过100m。随断层落差的增加，影响范围将增加;
(3)寺头断层影响构造应力场在本区的展布，进而控制着区内构造的形成和展布。对煤体变形的影响为:沿断层形成软煤条带，其宽度与断层的落差有关，落差越大，软煤宽度越大，一般不超过500;向东逐渐过渡为碎裂煤分布区，也是储层渗透性最佳区，这一区域的宽度难以准确确定。根据目前煤层气井的测试和排采资料，这个条带的宽度在1～2km左右;进一步向东为基本不受影响的带，原生结构煤发育。
结论与建议
(1)沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理被方解石充填，对储层渗透性贡献不大;韧性变形标志包括褶皱、残斑和SC构造等。
(2)岩体强度与结构决定了煤岩体的变形。软煤发育程度与北西向褶皱关系密切，其厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。
(3)含煤岩系节理和煤层裂隙走向NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。
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杨晓杰 杨晓杰 教授编辑本段中国矿业大学教授、博士生导师 男，1968年9月生，山西万荣人，中共党员，博士。 教授、博士生导师。 1993年7月和1996年7月分别在中国矿业大学北京研究生部获工学硕士和工学博士学位，毕业后留校任教。 在中国矿业大学（北京）岩土工程研究所从事科研和教学工作至今。 现任国家重点学科岩土工程研究中心书记，国家973项目（No.2006CB2022)子课题负责人，兼任中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会副主任委员、国际岩石力学学会会员、中国建筑业协会技术施工专委会副秘书长、中国涂料工业协会专家委员会委员和中国塑料加工工业学会常务理事。 主要从事深部岩体力学及其工程灾害控制、软岩工程粘土矿物学、滑坡灾害成灾机理及其监测预报技术等方面的教学和科研工作。 相关研究成果获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖3项，出版专著《中国煤矿软岩黏土矿物特征》一部，在科学通报、煤炭学报、岩石力学与工程学报、地球学报、中国矿业大学学报等国内一级期刊上发表学术论文50余篇。荣获第十七届孙越崎青年科技奖，入选教育部新世纪人才支持计划。
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