沁水盆地東南部寺頭斷層對煤層氣藏的封閉性評價

摘 要

摘要：寺頭斷層是沁水盆地東南部煤層氣藏的主要控制斷層，其封閉性對于煤層氣富集成藏具有重要意義。根據(jù)煤、油氣、煤層氣勘探開發(fā)資料，在分析寺頭斷層發(fā)育史的基礎(chǔ)上，從斷層兩側(cè)
摘要：寺頭斷層是沁水盆地東南部煤層氣藏的主要控制斷層，其封閉性對于煤層氣富集成藏具有重要意義。根據(jù)煤、油氣、煤層氣勘探開發(fā)資料，在分析寺頭斷層發(fā)育史的基礎(chǔ)上，從斷層兩側(cè)巖性配置、泥巖涂抹效應(yīng)，顆粒碎裂作用、膠結(jié)作用等方面對寺頭斷層的封閉機理進行了研究。結(jié)果表明：①當斷層落差較小時，斷層泥比率(SGR)和泥巖涂抹潛勢(CSP)值較大，泥巖涂抹效應(yīng)強烈，且與斷層兩側(cè)煤層對接的巖石主要為泥巖類，此時起封閉作用的主要為泥巖涂抹作用和斷層兩側(cè)巖性配置關(guān)系；②當斷層落差較大，泥巖涂抹作用較弱時，對接越不利于封閉形成，但碎裂作用強烈，沿斷層兩側(cè)形成的糜棱巖對煤層起到了封閉作用；③地下水活動導(dǎo)致的膠結(jié)作用對整個斷層的封閉具有重要的意義；④斷裂作用形成的糜棱煤沿斷層兩側(cè)分布，此糜棱煤帶是一種低滲透、高排替壓力的特殊儲層，其規(guī)模與斷層的落差、性質(zhì)、上下盤都有一定關(guān)系。對寺頭斷層而言，落差越大，糜棱煤的分布寬度越大。
關(guān)鍵詞：沁水盆地；寺頭斷層；封閉機理；煤層氣；聚集；糜棱煤；泥巖；涂抹效應(yīng)
0 引言
    斷層的封閉性在油氣領(lǐng)域研究相對深入[1～7]，但在煤層氣領(lǐng)域涉足者卻甚少[8]。煤層氣領(lǐng)域中大量學(xué)者認為張性斷層表現(xiàn)為正斷層、拉張走滑斷層或發(fā)生反轉(zhuǎn)的逆斷層，斷層面為開放性，往往成為煤層氣運移逸散的極好通道；壓性斷層表現(xiàn)為逆斷層、壓性走滑斷層或發(fā)生反轉(zhuǎn)的正斷層，斷層面為密閉性，煤層氣很難透過斷層面運移散失[9～11]；也有人認為斷層對煤層氣藏而言只有破壞作用[12]。油氣領(lǐng)域中學(xué)者認為斷層的封閉程度主要取決于斷層兩側(cè)封閉物的毛細管壓力，如果封閉物的毛細管壓力或排驅(qū)壓力大于或等于由烴水密度差造成的浮力時，就能有效阻止烴類的運移，斷層的封閉性好，反之就差[1、13]。
    研究斷層封閉性機理的方法有很多，像地質(zhì)分析法、計算機模擬和數(shù)學(xué)法等[14～16]。但其中地質(zhì)分析法是分析和判斷斷層封閉機理簡單、有效的方法。筆者主要運用地質(zhì)學(xué)方法，通過研究斷層的性質(zhì)、年代、斷層走向，斷層兩側(cè)巖性配置，顆粒碎裂作用，成巖膠結(jié)作用和斷層泥巖涂抹作用等對寺頭斷層封閉性機理進行探討。
    寺頭斷層位于沁水盆地東南部地區(qū)，斷層走向變化較大，在端氏以北，走向為10°～25°，端氏以南變?yōu)?0°左右，傾向NW，傾角為70°～85°。斷層落差變化范圍較大，在寺頭一帶最大，超過360m，向南北兩端變小。以往研究與實際勘探資料表明寺頭斷層對其東西兩側(cè)的潘莊一樊莊煤層氣藏和鄭莊煤層氣藏的水文地質(zhì)條件j構(gòu)造格局和煤層氣的賦存都具有明顯的控制作用[17～19]。因此探討寺頭斷層封閉機理對評價斷層兩側(cè)的煤層氣成藏具有重要的意義。
1 寺頭斷層封閉機理
1.1 斷層活動與煤層氣聚集的關(guān)系
通常認為處于活動期的斷層具有開放性，構(gòu)成了氣體運移的通道；而活動比較微弱或不活動的斷層具有封閉性有利于氣體的保存。沁水盆地東南部經(jīng)歷了2次生烴，在三疊紀末期埋深達到最大值時，煤的鏡質(zhì)組反射率可達到1.2%左右，從而達到了第一次生烴高峰。晚侏羅世開始至白堊紀末，由于燕山期構(gòu)造熱事件影響，沁水盆地處于異常古地溫階段，石炭-二疊系煤層所處的溫度已遠遠超過三疊紀末最大埋深時的溫度，第二次煤化作用開始，并達到二次生烴高峰。印支期近SN方向的擠壓作用，形成近EW向褶皺，伸展作用表現(xiàn)為近NE和NS向的正斷層，褶皺和斷層規(guī)模都很小，此時的寺頭斷層已經(jīng)開始發(fā)育。燕山-喜馬拉雅早期NW-SE向擠壓應(yīng)力場，在沁水盆地普遍存在[20]。擠壓作用使本區(qū)整體成為NE向向斜，西部的寺頭正斷層進一步強化，與之平行的近NE、NNE向的、規(guī)模較小的正斷層形成。這一階段由于斷層活動性強，具有開放性，斷層帶附近兩次生烴生成的大量的煤層氣沿著斷層擴散，從而導(dǎo)致斷層帶附近的煤層氣含氣量有所降低，現(xiàn)今含氣飽和度較低。喜馬拉雅晚期NNE-SSW方向的擠壓作用，形成區(qū)內(nèi)規(guī)模較大、疊加在燕山-喜馬拉雅早期NE向褶皺之上的NW向褶皺，此時的寺頭斷層由原來的張性逐漸轉(zhuǎn)化為壓性。第四系以來的新構(gòu)造運動期，伴隨著霍山和太行山的不斷隆起，在沁水盆地中產(chǎn)生的NE-SW向的近水平擠壓應(yīng)力場，形成了NW向小褶皺，這種構(gòu)造應(yīng)力場一直持續(xù)到現(xiàn)今。研究區(qū)內(nèi)南北兩個區(qū)塊的新構(gòu)造期應(yīng)力場存在差異：研究區(qū)的北部(斷層轉(zhuǎn)折端以北)最大主壓應(yīng)力方向平均值為152°∠81°；南部(轉(zhuǎn)折端以南)最大主壓應(yīng)力方向平均值為165°∠84°。這一階段斷層活動減弱，處于擠壓狀態(tài)，加上斷層兩側(cè)的巖性對置關(guān)系、泥巖涂抹效應(yīng)、成巖膠結(jié)作用和顆粒碎裂作用等，使得斷層表現(xiàn)為封閉性[8]，對煤層氣保存有利。
1.2 斷層兩側(cè)巖性配置
斷層兩側(cè)巖性的配置是影響斷層封閉性的一個重要因素。斷層在活動的過程中引起斷層兩盤發(fā)生相對位移，斷層兩側(cè)對置的巖性之間存在著壓力差，排驅(qū)壓力大的一側(cè)對另一側(cè)起封閉作用。
研究中選擇了3個斷面做斷層兩側(cè)巖性配置剖面(圖1)，當斷距較小時，斷層右側(cè)與3#煤層對接的主要為山西組頂部泥巖，與15#煤層對接的主要為太原組頂部的石灰?guī)r或煤層，具有較高的排驅(qū)壓力，有利于封閉。斷距較大時，與3#煤層和15#煤層對接的主要為下石盒子組頂部砂巖或砂質(zhì)泥巖，排驅(qū)壓力較低，不利于封閉。這一點從圖2中也可以看出。
 

1.3 寺頭斷層泥巖涂抹分布特征
斷層活動過程中，由于拖曳、擠壓、研磨和塑性流動等作用，沿斷裂分布的極細粒的非滲透性泥狀物，敷著在斷層面上，使斷裂帶具有高的排驅(qū)壓力，增強了斷層的封閉性。反映涂抹效應(yīng)的常用指標有多種[1、21～22]，主要為斷層泥比率(SGR)、縱向封堵系數(shù)(R)和橫向封堵系數(shù)(F)、泥巖涂抹潛勢(CSP)等。其中：
 
    研究中選取了寺頭斷層3個斷面進行SGR和CSP計算，計算結(jié)果如表1所示。
表1 沁南寺頭斷層封閉性參數(shù)計算結(jié)果表
斷層
煤層
CSP/m
SGP/%
封閉性
Ⅰ-Ⅱ′
山西組3#煤下盤
21.086
46.78
好
太原組15#煤下盤
2.520
25.28
中等
Ⅱ-Ⅱ′
山西組3#煤下盤
6.230
33.18
中等
太原組15#煤下盤
3.046
10.54
差
Ⅲ-Ⅲ′
山西組3#煤下盤
2.152
10.52
差
太原組15#煤下盤
0.166
1.91
差
  寺頭斷層封閉性在空間上具有較強的非均質(zhì)性。從垂向分布來看，38煤層泥巖涂抹指數(shù)明顯高于15#煤層。這主要是因為3#煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r類，在斷層活動的過程中更容易形成斷層泥。從橫向分布上來看，斷層落差越小，斷層泥比率和泥巖涂抹潛勢值越大，泥巖涂抹引起的封閉性越好；斷層落差越大，引起的封閉性越差。
1.4 寺頭斷層的其他封閉機理
    斷層在活動的過程中同樣也對斷層帶內(nèi)的巖石產(chǎn)生強烈的破碎作用。煤田地質(zhì)勘探和煤層氣開發(fā)鉆孔顯示，斷層落差越大，破碎作用越強烈，形成糜棱巖，降低斷層帶內(nèi)滲透率，對兩側(cè)煤層起封閉作用；斷層落差越小，破碎作用越小，沿著斷層兩側(cè)形成角礫巖和碎裂巖。
    斷層活動也導(dǎo)致斷層兩側(cè)煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。通過對固縣地區(qū)寺頭斷層附近兩口煤層氣井對比發(fā)現(xiàn)，緊靠斷層的E2煤層氣井煤層氣含氣量為24.09m3/t，日產(chǎn)氣量為168m3，裂縫檢測指數(shù)為0.32，而且旁邊較遠離斷層的E4井，煤層氣含氣量為24.02m3/t，日產(chǎn)氣量高達3500m3，裂縫檢測指數(shù)為0.296。這說明寺頭斷層在活動的過程中對其兩側(cè)的煤層產(chǎn)生較強烈的破壞作用，煤層在斷層帶附近形成糜棱煤帶，從而對煤層起封閉作用，煤層氣并未沿著斷層帶逸散。但由于斷層的破壞作用，導(dǎo)致斷層帶附近煤儲層滲透率大大降低，從而降低煤層氣產(chǎn)量。與E4井距斷層距離相似的E5井煤層氣含氣量為23.861m3/t，而日產(chǎn)氣量為1090m3，遠小于E4井。斷層落差越大沿斷層產(chǎn)生的碎壞作用越強烈，影響范圍越大，從而使得沿斷層發(fā)育的軟煤帶寬度越大，對煤層的封閉性越好。
    另一個起封閉作用的主要因素為膠結(jié)作用。通過抽水試驗和水化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)斷層兩側(cè)水質(zhì)類型截然不同，礦化度有較大的差異，斷層角礫巖裂隙充填的方解石未發(fā)現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象[3]，由此可以看出寺頭斷層起封閉作用，并且膠結(jié)作用較強。煤田鉆井結(jié)果表明膠結(jié)作用在整個斷層帶內(nèi)普遍存在，是斷層封閉的重要因素[3]。
2 結(jié)論
    寺頭斷層為沁水盆地東南部煤層氣藏的主要控制斷層，其封閉性對斷層兩側(cè)煤層氣的擴散起著抑制作用。正是由于其封閉性將沁水盆地東南部地區(qū)分為2個煤層氣藏——東部的潘莊-樊莊煤層氣藏和西部的鄭莊煤層氣藏。斷層對煤層氣藏的封閉作用主要受控于斷層的性質(zhì)及斷層落差的大小，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
    1) 喜山期以前斷層處于活動期，表現(xiàn)為開放性，成為煤層氣運移的通道，使得三疊紀末期和燕山期生成的烴類發(fā)生了逸散，喜馬拉雅晚期的構(gòu)造運動使得斷層由張性轉(zhuǎn)化為壓性，現(xiàn)今斷層仍處于擠壓狀態(tài)，斷層表現(xiàn)為封閉性。
    2) 斷層落差越小，斷層兩側(cè)巖性對接關(guān)系上越有利，泥巖涂抹引起的封閉性越好。
    3) 斷層落差越大，與斷層對接的主要為砂巖類，對接關(guān)系不利，泥巖涂抹效果越差，此時起封閉作用的主要為碎裂作用和糜棱化作用，由此產(chǎn)生的低滲透、高排驅(qū)壓力的糜棱煤帶分布寬度越大。
    4) 無論斷層落差大小，膠結(jié)作用在整個斷層帶內(nèi)普遍存在，具有重要的意義。
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(本文作者：林曉英蘇現(xiàn)波 郭紅玉 河南理工大學(xué))