河南省煤田构造格局对煤层气储层物性和渗流特征的影响_赵发军.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Jiaozuo 454000, China; 3. Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety, Henan Province, Jiaozuo 454000 Abstract In order to find out the characteristics of gas flow characteristics in coal seams in different tectonic zones in Henan Province and to discover the uniqueness of the structure and deation of coal mass, based on the experimental data analysis and gas geology and seepage theory, the changes of pore volume distribution and pore sizes under the influence of stress as well as the deation and failure characteristics of coal strength in coalfield under the action of tectonic stress were studied. The results of the study show that the ranking of the dominant sequence of methane flow in coalbed is Taihang tectonic beltXiaoxiong tectonic beltSongqi tectonic belt. The differences of patterns of methane flow in coalbed were controlled by the regional tectonic deation system, the tensile strain of coal mass in Taihang tectonic zones caused wide distribution rang of strength of coal mass, higher porosity and largest max volumetric strain, the gravity slide and shearing and extension deation in Songqi tectonic belt brought out lowest strength of coal mass, lowest porosity and least maximum volumetric strain in the three coal seams, the maximum volumetric strain of coal mass in Xiaoxiong tectonic belt was between that of Taihang tectonic belt and Songqi tectonic belt. The conclusion has guiding significance for CBM development. Keywords coalfield structure; deation differentiation; methane flow; strength of coal body ChaoXing 62煤田地质与勘探第 46 卷 河南省跨越华北板块和秦岭大别山 2 个一级 构造单元，南北地区沉积环境和煤层赋存显著差异， 河南省内的确山息县断裂、 信阳舒城断裂和桐柏 桐城断裂先后被任纪舜等[1]、徐嘉炜[2]、徐贵中[3] 和颜怀学等[4]认定为华北板块的南界或古板块的缝 合线。河南省区域兼具了华南和华北聚煤期特点， 突出表现为南华北沉积二叠纪可采煤层，谢家荣[5]、 杨起等[6]、杜宽平等[7]将其称为“北型南相”，具有独 特的煤储层特征。研究河南省内煤体变形特征， 对查 明该区域内煤储层的物性和渗流特征有重要意义。 1构造特征 李万程等[8]研究河南省地质构造特征指出，“三 向、三线、三区”是河南板块内区的主要特点，“三 线”指 35构造带、 襄郏断裂带和栾川固始断裂带， 河南省被“三线”划分成“三区”太行构造区Ⅱ3、 嵩萁 构造区Ⅱ2和崤熊构造区Ⅱ1。牛然等[9]将崤熊构造 区再细分，形成了“四线、四区”。河南省构造分区 如图 1 所示。 Ⅰ秦岭–大别山构造带；华北板缘区；Ⅰ1南秦岭造山 带Ⅰ1-1海西褶皱带；Ⅰ1-2大别块体；Ⅰ1-3印支褶皱–逆 冲带；Ⅰ1-4南襄断陷；Ⅰ2北秦岭造山带Ⅰ2-1加里东褶 皱带； Ⅰ2-2信阳断陷； Ⅱ华北板块 Ⅱ1崤熊构造区； Ⅱ1-1 崤熊断隆区；Ⅱ1-2郏县–平顶山断陷区；Ⅱ1-3舞阳断陷； Ⅱ1-4上蔡–平舆断隆；Ⅱ1-5汝南断陷；Ⅱ2嵩箕构造区 Ⅱ2-1开封拗陷系；Ⅱ2-2洛阳断陷；Ⅱ2-3嵩箕断隆；Ⅱ2-4 太康断隆；Ⅱ2-5颜集断陷；Ⅱ2-6永城断隆；Ⅱ2-7周口拗陷 系； Ⅱ3太行构造区 Ⅱ3-1狂口断隆； Ⅱ3-2太行断隆； Ⅱ3-3 汤阴断陷；Ⅱ3-4内黄断隆；Ⅱ3-5东濮断陷；Ⅱ3-6菏泽断陷 图 1河南省构造分区图[8] Fig.1Tectonic subzones of Henan Province 河南省区域内赋煤构造特点为 Ⅱ3内 6 条相互 平行的主干断裂均为 NNE 高角度正断层， 配套断裂 为 NWW，组合成“三隆夹二坳”的掀斜格局；Ⅱ2主 导构造线为 EW，变形体制为多期叠加；Ⅱ1内构造 线方向为 NW，变形体制为压缩构造。Ⅰ内具有复 杂的岩石圈结构和流变学演化，侵蚀面见古老变质 岩系，如大别山杂岩和红安群等[10-12]。 河南省区域内不同地质区块之间以规模较大的 断裂带为界线，煤层受构造区块内应力影响，其结 构异变具有自相似性。构造区块内煤层中气体的储 存和流动受煤层变形影响，相同地质单元内呈现一 定的规律性。 2煤层赋存 河南省二1煤层全省发育，普遍可采，所在的山 西组含煤建造以滨海湖泊等过渡相为主[13]。邻近区 域古地理研究认为河南省古生界地层位于华北地台 南缘， NW 部为太行古隆起， 南部为秦岭淮阳平陆， 东北为鲁西古隆起。河南省成煤期内地势为 NW 高、 SE 低，河南煤田地质三队编制的主要成煤期地层沉 积等厚线图显示沉积从边缘向中间增厚，二1煤层演 化过程包括滨海潮坪、 沼泽和泻湖等阶段且经历了海 水进退旋回[14]，区内二1煤成煤期大体相近。 表 1 是“三区”内部分煤田二1煤层的厚度、煤 层倾角和已测定的应力等情况，因煤矿整合和产能 调整，图 1 的Ⅰ区内目前已无正常生产煤矿，本次 研究未涉及该区域。 表 1 中数据说明在埋深 500550 m，Ⅱ1的地应力最大，Ⅱ3的地应力最小。 3煤体特征参数 3.1煤体强度和变形 研究区内采集并测定煤的坚固性系数 109 个， 其中平顶山煤田 52 个、登封煤田 37 个，焦作煤田 20 个，如表 2 所示。在井下沿煤巷进行了煤体结构 观测，观测长度约 6 000 m，按煤矿瓦斯等级鉴定 暂行办法附录 D 的分类方法，登封煤田构造煤多 为Ⅳ或Ⅴ类，煤体呈团块状或揉皱状，宏观结构呈 片状或鳞片状，常见片状结构，单个片状煤粒为厘 米级至毫米级，钻屑呈粉粒状，手拭颗粒感不明显； 焦作煤田煤体多为Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ类，Ⅲ或Ⅳ类煤断口 呈参差状或粒状，Ⅴ类煤一般呈薄层分布于Ⅲ类或 Ⅳ类间，手捻成粉后无明显颗粒感，个别地点存在 Ⅱ类煤；平顶山煤为Ⅲ或Ⅳ类，节理不清或成黏块 状，煤体具有一定强度，手可掰成小块。 煤体的抗压实验采用 YAW-5000 型微机控制电 液伺服压力试验机。登封煤田的煤软无法加工原煤 试件，且考虑原煤试件中“内伤”不易探测、力学特 征离散性大，采用型煤试件测定三轴变形。该实验 ChaoXing 第 4 期赵发军等 河南省煤田构造格局对煤层气储层物性和渗流特征的影响63 表 1不同构造区煤层情况 Table 1Coal seam characteristics in different tectonic zones 煤田名称煤层名称所处区域煤种煤层厚度/m煤层倾角/孔隙度/地应力测点埋深/m地应力/MPa 平顶山煤田二1煤层Ⅱ11/3焦煤1.56.157387.419.6154710.1425.74/15.51 登封煤田二1煤层Ⅱ2贫煤026.735332.905.4250010.7216.91/13.15 焦作煤田二1煤层Ⅱ3无烟煤1.58.305256.308.205509.011.4/ 注表中 10.7216.91/13.15 表示最小最大/平均，其他数据同。 表 2不同构造区内煤体强度 Table 2Strength characteristics of coal in different tectonic zones 煤田名称 煤层 名称 煤坚固性 系数 煤坚固性系数 主要分布区间 单轴抗压/MPa 煤体结 构类型 备注 平顶山煤田二1煤0.350.650.600.65/47/520.150.50ⅢⅣ坚固性系数Ⅳ类煤0.350.36，Ⅲ类煤0.450.69 登封煤田二1煤0.040.360.100.19/21/37ⅣⅤ坚固性系数Ⅳ类煤0.210.36，Ⅴ类煤0.040.19 焦作煤田二1煤0.281.771.001.77/11/200.328.50ⅡⅤ 坚固性系数Ⅳ类煤0.36左右，Ⅲ类煤0.430.61，Ⅴ 类煤0.28左右 注表中 0.600.65/47/52表示最小最大/煤坚固性系数主要分布区域内样本数/测定样本数，其他数据相同。由表 2 对比可知， 登封煤田的Ⅴ类煤宏观鳞片为厘米级至毫米级，煤的坚固性系数一般 0.040.19，而焦作Ⅴ类煤宏观鳞片多为毫米级，坚固性系数 0.28 左右， 平顶山无Ⅴ类煤； 登封煤田的Ⅳ类煤的坚固性系数一般 0.210.36， 焦作Ⅳ类坚固性系数 0.36 左右， 平顶山Ⅳ类坚固性系数 0.350.36 左右；登封煤田几乎无Ⅲ类煤，焦作Ⅲ类煤坚固性系数 0.430.61，平顶山Ⅲ类煤坚固性系数 0.450.69。 方案测试的试件在力学强度方面虽有差异，但变形 特性趋势一致[15]， 在研究煤的变形分异规律时可行。 实验的围压取 5.0 MPa，试件先加围压后加轴压， 表 3 是体积应变关键点的参数，体积变形最大时， 登封煤田样品对应的应力最大。 3.2煤的孔隙率和孔径分布 采用低温氮吸附结合压汞实验来分析介质的孔 径分布可较全面反映孔径的分布情况[16]，但由于孔 的异质性，孔形状和表面差异，需要借助扫描电子 显微镜SEM或扫描隧道电子显微镜STEM加以分 析。国际精细化工联合会IUPAC将孔径分为 3 类 大孔50 nm，中孔 250 nm，微孔1.03.0 mm3.0 mm 平顶山 S10.36 23.5115.6910.35.136.822.525.3 登封 S10.15 15.2413.1422.17.630.329.810.2 焦作 S10.85 6.1211.2315.58.230.931.414.0 ChaoXing 64煤田地质与勘探第 46 卷 表 5煤样孔容分布 Table 5Pore volume distribution of coal samples 样品 不同孔径范围内的孔容/mLg-1及孔容体积百分比/ 孔容合计/ mLg-1 微孔中孔大孔 ＜2 nm 25 nm510 nm1020 nm2050 nm＞50 nm 平顶山 S10.018 1/27.85 0.0105/16.150.00 71/10.920.004 2/6.460.010 6/16.310.014 5/22.310.0650 登封 S10.012 0/35.09 0.007 5/21.930.002 0/5.850.002 7/7.890.007 7/22.510.002 3/6.720.0342 焦作 S10.011 1/21.06 0.007 1/13.470.005 5/10.440.007 0/13.280.012 9/24.480.009 1/17.270.0527 注0.018 1/27.85 表示孔容/孔容体积百分比，其他数据同。 4数据分析 甲烷在煤体中运移可能是连续流和非连续流 滑移流、过渡流和自由分子流的合成，可用 Knudsen 数Kn描述其运移特点。 B n 3 π2 k T K dd p  1 式中 λ为气体的平均自由程， m； d 为平均孔隙直径， m；KB为玻尔兹曼常数，1.380 648 810-23J/K；T 为温度，K；p 为压力，Pa。 表 6 前两列为文献[17]确定的 Knudsen 数对应 的不同流体型态，根据式 1 可计算出不同压力不同 流型对应的平均孔隙直径表 6 后三列，计算温度 为 300 K。 表 6流型与 Knudsen 数的关系 Table 6Relation between flow patterns and Knudsen number 流型Knudsen 数 Knudsen 数对应的平均孔隙直径/ nm 瓦斯压力1.0 MPa 瓦斯压力2.0 MPa 瓦斯压力3.0 MPa 连续流动Kn1.77.81.56.8 过渡流10-1≤Kn0.52.10.41.70.31.5 自由分子流Kn≥10≤0.5≤0.4≤0.3 从表 6 可以看出，随瓦斯压力增加，各流型对 应的平均孔隙直径均减小。表 6 中瓦斯压力为 1.0 MPa 时连续流动对应的平均孔隙直径大于 9.7 nm， 因此可认为 ① 平顶山 S1 煤样和焦作 S1 煤样中甲 烷在瓦斯压力小于 1.0 MPa 条件下流动的流型中约 4555为连续流动；瓦斯压力小于 1.0 MPa 条件 下登封 S1 煤样内甲烷流动的流型中约 37为连续 流动， 而滑移流、 过渡流和自由分子流占比近 63。 ②随瓦斯压力的增加，Knudsen 数对应的平均孔隙 直径减小，煤体中连续流动增加。 煤样受应力影响会产生变形，在无应力后这种 变形可能会部分恢复，可用压缩系数表达其特性。 实际上煤体内的骨架体积 Vs难以压缩，而孔隙体积 Vp易被压缩，自然态的煤体受内部应力和外部应力 作用，存在 6 个压缩系数，表示为式2。  1 1 j i ij ij V C Vp     2 式中 Cij为煤的压缩系数，MPa-1；i 取值分别为 0、 s 和 p，各自表示煤岩体积、骨架体积和孔隙体积， cm3；j 取值分别为 0 和 1，各自表示内应力和外应 力，MPa。 煤的压缩包括了孔隙的压缩和煤骨架的压缩， 孔隙的压缩影响孔隙度，根据孔隙度定义    p0p s0ss0 e t0tt0tt0 0 ss0 v 1/ 1 1/ 1 11/ 1 VVVVV V VVVVVV VV                3 式中 Ve为有效孔隙体积， cm3； V 为煤岩体积， cm3； Vt0为含瓦斯煤岩的初始总体积，cm3；ΔVt为总体积 变化， cm3； Vp0为含瓦斯煤岩的初始孔隙体积， cm3； ΔVp为含瓦斯煤岩的孔隙体积变化，cm3；ΔVs为含 瓦斯煤岩的骨架体积变化，cm3；Vs0为含瓦斯煤岩 的初始骨架体积， cm3； φ0为含瓦斯煤岩的初始孔隙 度，；εv为含瓦斯煤岩的体积应变，。 含瓦斯煤岩的骨架体积变化与含瓦斯煤岩的体 积应变近似相等时，则 svP s0B0P00 -1 V VVV      4 式中 VB0为初始条件多孔介质的外观体积，m3；εP 为单位煤岩的膨胀变形量，。由于瓦斯压力较小 时，煤岩的膨胀变形小，令εP0，根据式 3 可得 ChaoXing 第 4 期赵发军等 河南省煤田构造格局对煤层气储层物性和渗流特征的影响65 0v v 1       5 假设孔的形状是等比压缩的，由式 5、表 1 和 表 3 可得各煤田内煤的体应变最大时孔隙度和孔隙 直径的变化见表 7。 表 7煤体受力后的孔隙变化 Table 7Pore variation of coal mass under stress 煤田 名称 φ0/ 最大ε v/ 10-3 εv最大 对应φ/ 孔隙度 变化/ 孔径 变化/ 平顶山 7.419.61/8.510.336.6521.9 12 登封2.905.42/4.480.323.6318.810 焦作6.308.20/7.250.425.4025.514 注表中 7.419.61/8.51 表示最小最大/平均值，其他数据同。 影响煤体中气体运移和流体形态的主要因素为 孔隙直径和气体平均自由程。因此从式2导出的孔 隙体积随孔隙压力的变化意义最大。汪岗等[18]在实 验室测定应力与孔隙度之间的关系见表 8。 表 8应力与孔隙度的关系[18] Table 8Relation between stress and porosity 温度/℃ 不同上覆压力对应的孔隙度/ 15 MPa23 MPa31 MPa35 MPa40 MPa 3019.0017.0416.0614.0813.95 7018.0116.9916.1914.0112.87 对表 8 中数据进行回归分析，可得上覆压力与 孔隙度在不同温度时的关系式为 2 11 2 22 0.204821.5130.912130 0.209 222.050.956 470 pRT pRT         ，， ，， ℃ ℃ 6 式中 pσ1和 pσ2分别对应表 8 中 30℃和70℃时的上覆 压力，MPa； 1 和 2 为不同压力下的孔隙度，。 由式 6 可得，孔隙度随压力的变化率约为 0.2。 表 7 中煤体受力后孔隙度变化为 21.9、18.8和 25.5，平均值为 22.1，说明表 7 计算孔隙度变化 合理。 按表 7 中孔径变化将表 5 中孔径缩减，则表 5 中 3 个矿区煤中的大孔会因应力存在而缩小，转变 成中孔；部分中孔会因应力存在转变成微孔。式 1 中气体的平均自由程受气体压力影响也会发生变 化。对比表 6 中 Knudsen 数对应的平均孔隙直径， 在受应力影响后的煤层中，各煤田内连续流占比如 表 9。 煤层中的连续流易于抽采，而非连续流难于抽 采，因此煤层中连续流占比越高，煤层越易于抽采。 从表 9 可知① 在研究的 3 个煤田中抽采易难连续 流排序为太行构造区Ⅱ3焦作煤田＞崤熊构造区Ⅱ1 平顶山煤田＞嵩萁构造区Ⅱ2登封煤田。② 随瓦斯压 力的升高，连续流占比增加，有利于瓦斯抽采。 表 9应力影响煤层中不同流型特征 Table 9Flow type and average pore diameter under stress 煤田名称气体流型 最大ε v时不同瓦斯压力下不同气体流型占比/ 瓦斯压力1.0 MPa 瓦斯压力2.0 MPa 瓦斯压力3.0 MPa 平顶山煤田 连续流45.0845.8546.53 非连续流54.9254.1553.65 登封煤田 连续流37.1237.2137.25 非连续流72.8872.7972.75 焦作煤田 连续流55.0355.7156.22 非连续流44.9744.2943.78 5讨 论 李万程等[8]认为地表构造分异由基底断裂引 起，华北板块被分割后形成次一级断块，断块的形 态和大小会影响构造分区和区内煤层的变形分异。 河南省所处华北板块呈南北分带东西延长的特点， 35构造带以南至襄郏断裂带以北构造线呈 EW，该 区域以南构造线为 NW，以北构造线为 NE，北西向 构造线与扬子古板块和华北古板块的缝合线走向相 同，北东向构造线与太平洋板块俯冲欧亚陆块边界 线相近。 太行构造区Ⅱ3所处的北纬 35以北的北华北与 其南的南华北基底断裂构造线差异显著，北华北基 底断裂近南北而南华北基底断裂近东西。该赋煤构 造带内煤体坚固性系数值域分布较大，原生结构煤 和构造煤均存在。实验室测定该区内煤体的最大体 积应变最大，煤中瓦斯流型中连续流占比最大，原 因为该区内演化为伸展变形为主。 嵩萁构造区Ⅱ2主导构造线为东西向， 目前已查 明区内存在 100 多个滑动构造，统计表明断点的层 位均在二1煤层顶底板 60 m 的区间，其中煤层及其 底板 60 m 范围内占 71.6[19]。 实验室测定该区内煤 ChaoXing 66煤田地质与勘探第 46 卷 体的最大体积应变最小，煤中瓦斯流型中连续流占 比最少，原因为该区内演化中受重力滑动、剪切等 应力作用。 崤熊构造区Ⅱ1受秦岭大别山及前缘逆冲断 裂带影响，其动力可能是印度板块对欧亚板块的俯 冲[8]。因变形动力为俯冲，故煤体在缩短过程中会 沿动力法向膨胀，煤中的孔隙度在 3 个区块最高。 6结 论 a．．河南省煤层特点由构造变形体制决定，嵩箕 赋煤构造带受重力滑动、伸展和剪切共同影响，煤 体强度低、孔隙度小，煤体在应力作用下最大体积 应变小且煤中瓦斯流型中非连续流占优；太行山赋 煤构造带主要受伸展变形影响，保留了部分原生结 构煤，煤体强度值域分布范围广，煤体在应力作用 下最大体积应变大且煤层内连续流占比大；崤熊赋 煤构造受挤压变形影响，非构造煤较少，孔隙度大。 b．．煤体受力后的变形分异受煤田变形机制影 响，滑动构造和剪切应力控制的煤田煤体积应变较 小，拉应力控制的煤田煤体积应变较大。当煤体达 到最大体积应变时，随气体压力增大，煤体中连续 流占比增加。 参考文献 [1] 任纪舜，秦德余，张正坤，等. 从卫星照片初看中国断裂构造 格局[J]. 地质评论，1979，25278–81. 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