林曉英 蘇現波 郭紅玉

河南理工大學

沁水盆地東南部寺頭斷層對煤層氣藏的封閉性評價

林曉英 蘇現波 郭紅玉

河南理工大學

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)育史的基礎上,從斷層兩側巖性配置、泥巖涂抹效應,顆粒碎裂作用、膠結作用等方面對寺頭斷層的封閉機理進行了研究。結果表明: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,泥巖涂抹效應強烈,且與斷層兩側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巖性配置關系;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,沿斷層兩側形成的糜棱巖對煤層起到了封閉作用;③地下水活動導致的膠結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、上下盤都有一定關系。對寺頭斷層而言,落差越大,糜棱煤的分布寬度越大。

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

0 引言

斷層的封閉性在油氣領域研究相對深入[1-7],但在煤層氣領域涉足者卻甚少[8]。煤層氣領域中大量學者認為張性斷層表現為正斷層、拉張走滑斷層或發(fā)生反轉的逆斷層,斷層面為開放性,往往成為煤層氣運移逸散的極好通道;壓性斷層表現為逆斷層、壓性走滑斷層或發(fā)生反轉的正斷層,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]。油氣領域中學者認為斷層的封閉程度主要取決于斷層兩側封閉物的毛細管壓力,如果封閉物的毛細管壓力或排驅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,像地質分析法、計算機模擬和數學法等[14-16]。但其中地質分析法是分析和判斷斷層封閉機理簡單、有效的方法。筆者主要運用地質學方法,通過研究斷層的性質、年代、斷層走向,斷層兩側巖性配置,顆粒碎裂作用,成巖膠結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360 m,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的潘莊—樊莊煤層氣藏和鄭莊煤層氣藏的水文地質條件、構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系

通常認為處于活動期的斷層具有開放性,構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。沁水盆地東南部經歷了2次生烴,在三疊紀末期埋深達到最大值時,煤的鏡質組反射率可達到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開始發(fā)育。燕山—喜馬拉雅早期NW—SE向擠壓應力場,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,從而導致斷層帶附近的煤層氣含氣量有所降低,現今含氣飽和度較低。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化為壓性。第四系以來的新構造運動期,伴隨著霍山和太行山的不斷隆起,在沁水盆地中產生的NE—SW向的近水平擠壓應力場,形成了NW向小褶皺,這種構造應力場一直持續(xù)到現今。研究區(qū)內南北兩個區(qū)塊的新構造期應力場存在差異:研究區(qū)的北部(斷層轉折端以北)最大主壓應力方向平均值為152°∠81°;南部(轉折端以南)最大主壓應力方向平均值為165°∠84°。這一階段斷層活動減弱,處于擠壓狀態(tài),加上斷層兩側的巖性對置關系、泥巖涂抹效應、成巖膠結作用和顆粒碎裂作用等,使得斷層表現為封閉性[8],對煤層氣保存有利。

1.2 斷層兩側巖性配置

斷層兩側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,斷層兩側對置的巖性之間存在著壓力差,排驅壓力大的一側對另一側起封閉作用。

研究中選擇了3個斷面做斷層兩側巖性配置剖面(圖1),當斷距較小時,斷層右側與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泥巖,排驅壓力較低,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壓力,增強了斷層的封閉性。反映涂抹效應的常用指標有多種[1,21-22],主要為斷層泥比率(SGR)、縱向封堵系數(R)和橫向封堵系數(F)、泥巖涂抹潛勢(CSP)等。其中:

圖1 寺頭斷層位置及兩側巖性配置示意圖

圖2 沁南寺頭斷層沿斷層走向的橫向剖面圖

研究中選取了寺頭斷層3個斷面進行 SGR和CSP計算,計算結果如表1所示。

表1 沁南寺頭斷層封閉性參數計算結果表

寺頭斷層封閉性在空間上具有較強的非均質性。從垂向分布來看,3#煤層泥巖涂抹指數明顯高于15#煤層。這主要是因為3#煤層頂底板主要為泥巖類,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的巖石產生強烈的破碎作用。煤田地質勘探和煤層氣開發(fā)鉆孔顯示,斷層落差越大,破碎作用越強烈,形成糜棱巖,降低斷層帶內滲透率,對兩側煤層起封閉作用;斷層落差越小,破碎作用越小,沿著斷層兩側形成角礫巖和碎裂巖。

斷層活動也導致斷層兩側煤體結構發(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,緊靠斷層的E2煤層氣井煤層氣含氣量為24.09 m3/ t,日產氣量為168 m3,裂縫檢測指數為0.32,而且旁邊較遠離斷層的E4井,煤層氣含氣量為24.02 m3/t,日產氣量高達3 500 m3,裂縫檢測指數為0.296。這說明寺頭斷層在活動的過程中對其兩側的煤層產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,導致斷層帶附近煤儲層滲透率大大降低,從而降低煤層氣產量。與E4井距斷層距離相似的E5井煤層氣含氣量為23.861 m3/t,而日產氣量為1 090 m3,遠小于E4井。斷層落差越大沿斷層產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作用。通過抽水試驗和水化學分析發(fā)現斷層兩側水質類型截然不同,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)現溶蝕現象[3],由此可以看出寺頭斷層起封閉作用,并且膠結作用較強。煤田鉆井結果表明膠結作用在整個斷層帶內普遍存在,是斷層封閉的重要因素[3]。

2 結論

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及斷層落差的大小,主要表現在以下幾方面:

1)喜山期以前斷層處于活動期,表現為開放性,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,喜馬拉雅晚期的構造運動使得斷層由張性轉化為壓性,現今斷層仍處于擠壓狀態(tài),斷層表現為封閉性。

2)斷層落差越小,斷層兩側巖性對接關系上越有利,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,由此產生的低滲透、高排驅壓力的糜棱煤帶分布寬度越大。

4)無論斷層落差大小,膠結作用在整個斷層帶內普遍存在,具有重要的意義。

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An evaluation study on the sealingmechan ismsof Sitou fault to coalbed methane reservoirs in the Southeast Qinshui Basin

Lin Xiaoying,Su Xianbo,Guo Hongyu
(Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 4,pp.20-23,4/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The Sitou fault is themajo r fault controlling the coalbed methane reservoirs in the Southeast QinshuiBasin.Its sealing capacity is critical to the enrichment and accumulation of coalbed methane.According to the data in the exp lo ration and development of coal,petroleum and coalbed methane,and based on an analysis of the grow th histo ry of the Sitou fault,its sealing mechanisms are studied in respectof juxtaposition,clay smear,cataclasis,and cementation.When the fault throw is relatively small,the shale gouge ratio(SGR)and clay smear po tential(CSP)are relatively large and shale smear is strong.In addition,the coal layers on both sides of the fault aremainly juxtaposed against shale.Therefore,shale smear and juxtaposition p lay a key role in the sealing.In contrast, w hen the fault throw is relatively large and shale smear is relatively weak,juxtaposition is unfavo rable fo r sealing.However,the mylonite resulted from strong cataclasis can act as a sealof the coals.The cementation resulted from underground water activity isof great significance to the sealing ability of the fault.M ylonitic coal layers resulted from faulting occur on both sidesof the fault.They are unique reservoirs w ith low permeability and high disp lacement p ressure and their scales depend,to some extent,on the fault throw,fault p roperties,the hanging wall and footwall.As to the Sitou fault,the larger the fault throw,the w ider themylonitic coal layers.

Qinshui Basin,Sitou fault,sealing mechanism,caolbed methane,accum ulation,mylonitic coal,shale,smear effect

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(973計劃)(編號:2009CB219601)、國家自然科學基金重點項目(編號:50534070-104)、河南省重大公益項目(編號:081100910500)。

林曉英,女,1980年生,講師,博士研究生;從事煤層氣地質學與勘探開發(fā)領域的研究工作。地址:(454003)河南省焦作市河南理工大學能源科學與工程學院。電話:(0391)3987981。E-mail:lxy2002199@126.com

林曉英等.沁水盆地東南部寺頭斷層對煤層氣藏的封閉性評價.天然氣工業(yè),2010,30(4):20-23.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.004

(修改回稿日期 2010-01-18 編輯 羅冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.004

L in Xiaoying,lecturer,was born in 1980.He is studying for a Ph.D degree w ith research interest in coalbed methane geology and exp lo ration and development.

Add:Jiaozuo,Henan 454000,P.R.China

Tel:+86-391-3987 981 E-mail:lxy2002199@126.com