沁南东区块3 sup ＃ _sup 煤层构造煤发育对渗透率的影响_刘世奇.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 渗透率是评价煤层连通性和煤层气可采性的重 要指标， 在煤层气开发中至关重要[1-3]。研究表明， 决 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （41727801） ； 国家重点研发 计划资助项目 （2018YFB0605601） ； 江苏省基础研究计划 （自然科 学基金） 面上资助项目 （BK20171188） 沁南东区块 3＃煤层构造煤发育对渗透率的影响 刘世奇 1， 2， 桑树勋3， 杨恒林4， 桑广杰5， 乔茂坡5 （1．中国矿业大学 低碳能源研究院， 江苏 徐州 221116； 2．中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点 实验室， 江苏 徐州 221116； 3．中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116； 4．中国石油集团钻井工程技术研究院， 北京 102200； 5．中国石油华北油田公司 山西煤层气分公司， 山西 晋城 048000） 摘要 以沁南东区块 3＃煤层为研究对象， 基于煤层气井钻井取心描述结果， 获得构造煤垂向与 平面分布特征， 阐述了构造煤发育特征对煤层渗透率的影响。结果表明 平面上， 构造煤主要沿 断层发育， 距离断层越近构造煤发育程度越高， 原生结构煤主要发育于两断层条带之间距离断 层相对较远的区域； 垂向上， 碎粒结构煤和糜棱煤靠近煤层直接顶底板发育， 而碎裂结构煤多位 于煤层中部。沁南东区块 3＃煤层西北部、 中部和南部渗透率明显较高， 并向西南、 东南和东北方 向递减。原生结构煤和碎裂结构煤共同影响了 3＃煤层渗透率， 二者处于弹性、 弹塑性应变阶段， 割理、 裂隙的发育程度较高， 有利于提高煤层渗透率。 关键词 煤体结构； 断层； 割理； 裂隙； 连通性； 构造煤； 渗透率； 煤层气开发 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 04－0167-05 Characteristics of Tectonic Coal in 3Coal Seam of Eastern Qinnan Block and Its Influence on Permeability LIU Shiqi1,2, SANG Shuxun3, YANG Henglin4, SANG Guangjie5, QIAO Maopo5 （1. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Jiangsu Key Laboratory of Coal-based Greenhouse Gas Control and Utilization, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;3.School of Mineral Resource and Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;4.Drilling Research Institute, China National Petroleum Corporation, Beijing 102200, China;5.Petro China, Shanxi CBM Branch of Huabei Oilfield Company, Jincheng 048000, China） Abstract Taking 3coal seam of eastern Qinnan block as the research object, based on the description results of CBM well drilling coring, the vertical characteristics and horizontal distribution of tectonic coal were studied, the influence of tectonic coal on permeability was further analyzed. The results show that at horizontal direction, the tectonic coal develops along faults, and more developed closer to the fault. The primary structure coal develops between two fault bands, and is relatively far away from the fault. At vertical direction, the fragmented coal and mylonitic coal develop near the direct roof and floor of the coal seam, while the cataclastic coal is mostly located in the central of the coal seam. The permeability of 3coal seam is obviously higher in the northwest, middle and south of the research area, and decreases to the southwest, southeast and northeast. The primary structure coal and the cataclastic coal together affect the permeability of 3coal seam in the research area. They are in the elastic and elastic-plastic strain stages which promote the development of cleats and fractures in coal seam. That is the main reason for the high permeability of coal seam in the region primary structure coal and the cataclastic coal developed. Key words coal-body structure; fault; cleat; fracture; connectivity; tectonic coal; permeability; CBM development DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.036 刘世奇， 桑树勋， 杨恒林， 等．沁南东区块 3＃煤层构造煤发育对渗透率的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 167-171. LIU Shiqi, SANG Shuxun, YANG Henglin, et al. Characteristics of Tectonic Coal in 3Coal Seam of Eastern Qinnan Block and Its Influence on Permeability ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 167-171.移动扫码阅读 167 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 图 1沁南东区块 3煤层典型煤体结构柱状图 Fig．1Typical columnar sections of coal-body structure of 3coal seam in the east Qinnan block 定渗透率的首要因素是构造应力环境，构造应力集 中地区， 如构造挤压区、 逆冲推覆作用强烈地区、 不 同走向断裂的结合部位， 往往渗透率较低[4-8]； 构造 应力松弛、 转折端挠褶带、 与断层有关的次生裂隙、 破碎断层面等应力松弛地区， 渗透率一般较高[4-8]。 煤体变形导致煤的正常结构被破坏，使煤由原生结 构变为碎裂结构、碎粒结构或糜棱结构等。不同的 煤体结构具有不同的渗透率[9-12]， 间接反映了煤层渗 透率。一般认为原生结构煤、 碎裂煤渗透性较高， 而 碎粒煤、 糜棱煤渗透性差[13-15]。沁南东区块是沁水盆 地南部重要的煤层气开发区块[16]。目前对沁南东区 块 3煤层煤体结构发育特征、 渗透率分布规律等研 究较少，煤体结构与渗透率的关系尚不明确。基于 沁南东区块煤层气井钻井取心结果，结合试井分析 和测井解释渗透率，探讨构造煤发育特征对煤层渗 透率的影响， 为沁南东区块煤层气开发提供依据。 1地质背景 石炭-二叠系太原组和山西组为沁南东区块主 要含煤地层。山西组为发育于陆表海沉积背景之上 的三角洲沉积[17-18]， 含煤 4～7 层， 其中位于本组下部 的 3煤层是全区分布最稳定，单层厚度最大的煤 层， 为煤层气勘探开发的主要目的煤层。 沁南东区块总体为 NNE-NEE 走向、 向西倾斜、 倾角 4左右的单斜构造， 波状起伏普遍发育， 并伴 有紧闭褶曲。受燕山期构造运动影响，区内断层非 常发育， NE 向和 NEE 向张扭性断裂为主， 另受喜山 期构造运动影响发育近 NNW 向小断层。区内次级 褶皱发育， 以近 NE 向宽缓褶曲、 NNE 向和 NNW 向 紧闭褶曲为主。 2沁南东区块 3煤层构造煤发育特征 2．1构造煤垂向发育特征 根据区内煤层气井的钻井取心结果，将沁南东 区块 3煤层垂向上煤体结构发育特征分为 2 类 ① 以原生结构和碎裂结构煤为主，碎粒结构煤和糜棱 煤不发育， 碎裂结构煤多位于煤层中部， 2 层原生结 构煤之间， 碎粒结构煤和糜棱煤多位于煤层底部； ② 以构造煤为主， 原生结构煤不发育， 该类型碎裂结构 煤同样多位于煤层中部，靠近煤层直接顶底板处煤 体结构破碎较严重， 以碎粒结构煤和糜棱煤为主。 沁 南东区块 3煤层典型煤体结构柱状图如图1。 168 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 3煤层渗透率等值线图 Fig．3Isopleth map of permeability 图 2煤层构造煤厚度占比等值线图 Fig．2Isopleth map of tectonic coal thickness ratio 2．2构造煤平面分布特征 基于区内 34 口煤层气井的钻井取心描述结果， 绘制了构造煤厚度占比（构造煤厚度占煤层总厚度 的比例） 等值线图。煤层构造煤厚度占比等值线图 如图 2。 平面展布上， 3煤层构造煤发育程度相对较 低， 主要沿断层发育， 分布于断层附近。特别是 2 断 层条带之间的区域，越靠近断层则构造煤厚度占比 越高。原生结构煤同样沿断层发育方向分布，主要 发育于 2 断层条带之间距离断层相对较远的区域， 且离断层越近的区域发育程度越低。另外，西北部 和北部原生结构煤发育程度较高。构造煤平面分布 特征说明构造煤形成与张扭性断裂密切相关。 3研究区 3煤层构造煤对渗透率的影响 3．1沁南东区块 3煤层渗透率分布规律 研究所使用的渗透率主要来源于试井分析和测 井解释结果。平面展布上， 西北部、 中部和南部渗透 率明显较高， 渗透率向西南、 东南和东北方向递减， 煤层渗透率等值线图如图 3。 其中， 研究区西北部和 中部， 渗透率一般大于 1．0 mD （1 mD110-3μm2） ； 西部、 东北部和西南部渗透率低， 介于 0．1～1．0 mD， 甚至小于 0．1 mD。 3．2构造煤发育特征对渗透率的影响 垂向上， 区内 3煤层的原生结构、 碎裂结构、 以 及碎粒糜棱结构煤厚度占比与渗透率均无明显相 关性， 煤体结构占比与渗透率的关系如图 4。原生 碎裂结构煤厚度占比1 的区域，渗透率以＞1．0 mD 为主， 而碎粒糜棱结构煤厚度占比1 的区域， 渗透 率仅为 0．13 mD。说明原生结构和碎裂结构煤发育 的区域渗透率相对较高。区内 3煤层原生碎裂结 构煤厚度占比＜1 时，与渗透率具有显著的正相关 性， 且原生碎裂结构煤厚度占比1 时， 煤层渗透率 普遍较高， 以＞1 mD 为主。说明研究区 3煤层渗透 率受原生结构和碎裂结构煤发育程度的影响。 渗透率和原生结构煤厚度占比的平面分布吻合 程度不高，煤层原生结构煤厚度占比与渗透率的分 布特征如图 5。但研究区中部渗透率＞1．0 mD 的区 域， 原生结构煤厚度占比一般＞0．6； 而东部、 东北部 和西南部区域， 渗透率以＜0．1 mD 为主， 原生结构煤 占比却较高 （＞0．6） 。 渗透率和原生碎裂结构煤厚度 占比的平面分布较为吻合，原生碎裂结构煤厚度 占比与渗透率的分布特征如图 6。特别是西北部和 中部渗透率＞1．0 mD 的区域， 原生碎裂结构煤厚度 占比＞0．8； 而东南部和西南部区域渗透率以＜0．1 mD 为主， 原生碎裂结构煤厚度占比＜0．2。 上述说明， 平 面上研究区 3煤层渗透率同样表现出受原生结构 煤和碎裂结构煤发育程度的影响。 3．3构造煤发育特征对渗透率的作用机制 综上所述，原生结构和碎裂结构煤发育程度共 同影响了煤层渗透率，而单一的原生结构和碎裂结 构煤发育程度对渗透率的影响不明显。这种情况的 出现与割理裂隙发育有关。原生碎裂结构煤厚度 占比＜1 时， 与 3煤层外生裂隙呈显著的正相关性； 原生碎裂结构煤厚度占比1 时，外生裂隙密度相 对较高， 以＞9 条/m 为主， 原生碎裂结构煤厚度占 比与割理裂隙密度的关系如图 7。同样的， 原生碎 裂结构煤厚度占比1 时内生裂隙密度相对较低， 但 原生碎裂结构煤厚度占比＜1 时， 原生碎裂结构煤 厚度占比与内生裂隙密度也具有较明显的正相关 性，原生碎裂结构煤厚度占比与割理裂隙密度的 关系如图 7。 说明原生结构和碎裂结构煤促进了煤层割理裂 169 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 图 6原生碎裂结构煤厚度占比与渗透率的分布特征 Fig．6Distribution of thickness ratio of fragmented and mylonitic coal and permeability 图 4煤体结构占比与渗透率的关系 Fig．4Relationships between tectonic coal thickness ratio and permeability 隙的发育。结合煤体结构与渗透率对应关系的研究 发现， 原生结构煤以及处于弹性、 弹塑性应变阶段的 碎裂结构煤， 煤体整体保存较好， 煤体变形程度越大 越有利于割理裂隙的扩展， 煤储层渗透率也越大； 处 于破裂面破坏阶段的碎粒结构煤以及糜棱煤， 由于强 烈的构造应力作用， 煤体发生严重变形， 煤层内的割 理裂隙不复存在， 连通性变差， 煤层渗透性随之降低。 4结论 1） 沁南东区块 3煤层构造煤形成与张扭性断裂 密切相关。构造煤主要沿断层发育，靠近断层区域 发育程度较高； 垂向上， 碎粒结构煤和糜棱煤靠近煤 层直接顶底板发育， 而碎裂结构煤多位于煤层中部。 原生结构煤主要发育于两断层条带之间距离断层相 对较远的区域。 2） 沁南东区块 3煤层西北部、 中部和南部渗透 率较高， 渗透率向西南、 东南和东北方向递减。渗透 图 5煤层原生结构煤厚度占比与渗透率的分布特征 Fig．5Distributions of primary structure coal thickness ratio and permeability 170 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 率与原生碎裂结构煤厚度占比具有显著的正相关 性，且二者平面分布特征高度吻合，表明原生结构 和碎裂结构煤发育程度共同影响了煤层渗透率， 这 与原生结构和碎裂结构煤处于弹性、弹塑性应变阶 段， 割理裂隙发育程度较高有关。 参考文献 ［1］ 孙立东， 赵永军．沁水盆地煤储层渗透性影响因素研 究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2006， 34 （10） 74－78． ［2］ 傅雪海， 李大华， 秦勇， 等．煤基质收缩对渗透率影响 的实验研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2002， 31 （2） 129－131． ［3］ 张学彦， 刘世奇， 桑树勋， 等．煤粉产出对煤层气井压 裂裂缝渗透率的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 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（1984） ， 男， 山东昌乐人， 副研究 员， 博士， 主要从事煤层气开发地质与工程、 CO2地质存储 与 CH4强化开发等科研工作。 （收稿日期 2019-05-10； 责任编辑 王福厚） （b） 原生 碎裂结构煤厚度占比与内生裂隙密度的关系 （a ） 原生 碎裂结构煤厚度占比与外生裂隙密度的关系 171 ChaoXing