沁水盆地东南部寺头断层对煤层气藏的封闭性评价_工程实践

摘要

摘要：寺头断层是沁水盆地东南部煤层气藏的主要控制断层，其封闭性对于煤层气富集成藏具有重要意义。根据煤、油气、煤层气勘探开发资料，在分析寺头断层发育史的基础上，从断层两侧

摘要：寺头断层是沁水盆地东南部煤层气藏的主要控制断层，其封闭性对于煤层气富集成藏具有重要意义。根据煤、油气、煤层气勘探开发资料，在分析寺头断层发育史的基础上，从断层两侧岩性配置、泥岩涂抹效应，颗粒碎裂作用、胶结作用等方面对寺头断层的封闭机理进行了研究。结果表明：①当断层落差较小时，断层泥比率(SGR)和泥岩涂抹潜势(CSP)值较大，泥岩涂抹效应强烈，且与断层两侧煤层对接的岩石主要为泥岩类，此时起封闭作用的主要为泥岩涂抹作用和断层两侧岩性配置关系；②当断层落差较大，泥岩涂抹作用较弱时，对接越不利于封闭形成，但碎裂作用强烈，沿断层两侧形成的糜棱岩对煤层起到了封闭作用；③地下水活动导致的胶结作用对整个断层的封闭具有重要的意义；④断裂作用形成的糜棱煤沿断层两侧分布，此糜棱煤带是一种低渗透、高排替压力的特殊储层，其规模与断层的落差、性质、上下盘都有一定关系。对寺头断层而言，落差越大，糜棱煤的分布宽度越大。

关键词：沁水盆地；寺头断层；封闭机理；煤层气；聚集；糜棱煤；泥岩；涂抹效应

0 引言

断层的封闭性在油气领域研究相对深入^[1～7]，但在煤层气领域涉足者却甚少^[8]。煤层气领域中大量学者认为张性断层表现为正断层、拉张走滑断层或发生反转的逆断层，断层面为开放性，往往成为煤层气运移逸散的极好通道；压性断层表现为逆断层、压性走滑断层或发生反转的正断层，断层面为密闭性，煤层气很难透过断层面运移散失^[9～11]；也有人认为断层对煤层气藏而言只有破坏作用^[12]。油气领域中学者认为断层的封闭程度主要取决于断层两侧封闭物的毛细管压力，如果封闭物的毛细管压力或排驱压力大于或等于由烃水密度差造成的浮力时，就能有效阻止烃类的运移，断层的封闭性好，反之就差^[1、13]。

研究断层封闭性机理的方法有很多，像地质分析法、计算机模拟和数学法等^[14～16]。但其中地质分析法是分析和判断断层封闭机理简单、有效的方法。笔者主要运用地质学方法，通过研究断层的性质、年代、断层走向，断层两侧岩性配置，颗粒碎裂作用，成岩胶结作用和断层泥岩涂抹作用等对寺头断层封闭性机理进行探讨。

寺头断层位于沁水盆地东南部地区，断层走向变化较大，在端氏以北，走向为10°～25°，端氏以南变为60°左右，倾向NW，倾角为70°～85°。断层落差变化范围较大，在寺头一带最大，超过360m，向南北两端变小。以往研究与实际勘探资料表明寺头断层对其东西两侧的潘庄一樊庄煤层气藏和郑庄煤层气藏的水文地质条件j构造格局和煤层气的赋存都具有明显的控制作用^[17～19]。因此探讨寺头断层封闭机理对评价断层两侧的煤层气成藏具有重要的意义。

1 寺头断层封闭机理

1.1 断层活动与煤层气聚集的关系

通常认为处于活动期的断层具有开放性，构成了气体运移的通道；而活动比较微弱或不活动的断层具有封闭性有利于气体的保存。沁水盆地东南部经历了2次生烃，在三叠纪末期埋深达到最大值时，煤的镜质组反射率可达到1.2%左右，从而达到了第一次生烃高峰。晚侏罗世开始至白垩纪末，由于燕山期构造热事件影响，沁水盆地处于异常古地温阶段，石炭-二叠系煤层所处的温度已远远超过三叠纪末最大埋深时的温度，第二次煤化作用开始，并达到二次生烃高峰。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。燕山-喜马拉雅早期NW-SE向挤压应力场，在沁水盆地普遍存在^[20]。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。这一阶段由于断层活动性强，具有开放性，断层带附近两次生烃生成的大量的煤层气沿着断层扩散，从而导致断层带附近的煤层气含气量有所降低，现今含气饱和度较低。喜马拉雅晚期NNE-SSW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。第四系以来的新构造运动期，伴随着霍山和太行山的不断隆起，在沁水盆地中产生的NE-SW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。研究区内南北两个区块的新构造期应力场存在差异：研究区的北部(断层转折端以北)最大主压应力方向平均值为152°∠81°；南部(转折端以南)最大主压应力方向平均值为165°∠84°。这一阶段断层活动减弱，处于挤压状态，加上断层两侧的岩性对置关系、泥岩涂抹效应、成岩胶结作用和颗粒碎裂作用等，使得断层表现为封闭性^[8]，对煤层气保存有利。

1.2 断层两侧岩性配置

断层两侧岩性的配置是影响断层封闭性的一个重要因素。断层在活动的过程中引起断层两盘发生相对位移，断层两侧对置的岩性之间存在着压力差，排驱压力大的一侧对另一侧起封闭作用。

研究中选择了3个断面做断层两侧岩性配置剖面(图1)，当断距较小时，断层右侧与3^#煤层对接的主要为山西组顶部泥岩，与15^#煤层对接的主要为太原组顶部的石灰岩或煤层，具有较高的排驱压力，有利于封闭。断距较大时，与3^#煤层和15^#煤层对接的主要为下石盒子组顶部砂岩或砂质泥岩，排驱压力较低，不利于封闭。这一点从图2中也可以看出。

1.3 寺头断层泥岩涂抹分布特征

断层活动过程中，由于拖曳、挤压、研磨和塑性流动等作用，沿断裂分布的极细粒的非渗透性泥状物，敷着在断层面上，使断裂带具有高的排驱压力，增强了断层的封闭性。反映涂抹效应的常用指标有多种^{[1、21～22]}，主要为断层泥比率(SGR)、纵向封堵系数(R)和横向封堵系数(F)、泥岩涂抹潜势(CSP)等。其中：

研究中选取了寺头断层3个断面进行SGR和CSP计算，计算结果如表1所示。

表1 沁南寺头断层封闭性参数计算结果表

断层	煤层	CSP/m	SGP/%	封闭性
Ⅰ-Ⅱ′	山西组3^#煤下盘	21.086	46.78	好
Ⅰ-Ⅱ′	太原组15^#煤下盘	2.520	25.28	中等
Ⅱ-Ⅱ′	山西组3^#煤下盘	6.230	33.18	中等
Ⅱ-Ⅱ′	太原组15^#煤下盘	3.046	10.54	差
Ⅲ-Ⅲ′	山西组3^#煤下盘	2.152	10.52	差
Ⅲ-Ⅲ′	太原组15^#煤下盘	0.166	1.91	差

寺头断层封闭性在空间上具有较强的非均质性。从垂向分布来看，38煤层泥岩涂抹指数明显高于15^#煤层。这主要是因为3^#煤层顶底板主要为泥岩类，在断层活动的过程中更容易形成断层泥。从横向分布上来看，断层落差越小，断层泥比率和泥岩涂抹潜势值越大，泥岩涂抹引起的封闭性越好；断层落差越大，引起的封闭性越差。

1.4 寺头断层的其他封闭机理

断层在活动的过程中同样也对断层带内的岩石产生强烈的破碎作用。煤田地质勘探和煤层气开发钻孔显示，断层落差越大，破碎作用越强烈，形成糜棱岩，降低断层带内渗透率，对两侧煤层起封闭作用；断层落差越小，破碎作用越小，沿着断层两侧形成角砾岩和碎裂岩。

断层活动也导致断层两侧煤体结构发生变化。通过对固县地区寺头断层附近两口煤层气井对比发现，紧靠断层的E2煤层气井煤层气含气量为24.09m³/t，日产气量为168m³，裂缝检测指数为0.32，而且旁边较远离断层的E4井，煤层气含气量为24.02m³/t，日产气量高达3500m³，裂缝检测指数为0.296。这说明寺头断层在活动的过程中对其两侧的煤层产生较强烈的破坏作用，煤层在断层带附近形成糜棱煤带，从而对煤层起封闭作用，煤层气并未沿着断层带逸散。但由于断层的破坏作用，导致断层带附近煤储层渗透率大大降低，从而降低煤层气产量。与E4井距断层距离相似的E5井煤层气含气量为23.861m³/t，而日产气量为1090m³，远小于E4井。断层落差越大沿断层产生的碎坏作用越强烈，影响范围越大，从而使得沿断层发育的软煤带宽度越大，对煤层的封闭性越好。

另一个起封闭作用的主要因素为胶结作用。通过抽水试验和水化学分析发现断层两侧水质类型截然不同，矿化度有较大的差异，断层角砾岩裂隙充填的方解石未发现溶蚀现象^[3]，由此可以看出寺头断层起封闭作用，并且胶结作用较强。煤田钻井结果表明胶结作用在整个断层带内普遍存在，是断层封闭的重要因素^[3]。

2 结论

寺头断层为沁水盆地东南部煤层气藏的主要控制断层，其封闭性对断层两侧煤层气的扩散起着抑制作用。正是由于其封闭性将沁水盆地东南部地区分为2个煤层气藏——东部的潘庄-樊庄煤层气藏和西部的郑庄煤层气藏。断层对煤层气藏的封闭作用主要受控于断层的性质及断层落差的大小，主要表现在以下几方面：

1) 喜山期以前断层处于活动期，表现为开放性，成为煤层气运移的通道，使得三叠纪末期和燕山期生成的烃类发生了逸散，喜马拉雅晚期的构造运动使得断层由张性转化为压性，现今断层仍处于挤压状态，断层表现为封闭性。

2) 断层落差越小，断层两侧岩性对接关系上越有利，泥岩涂抹引起的封闭性越好。

3) 断层落差越大，与断层对接的主要为砂岩类，对接关系不利，泥岩涂抹效果越差，此时起封闭作用的主要为碎裂作用和糜棱化作用，由此产生的低渗透、高排驱压力的糜棱煤带分布宽度越大。

4) 无论断层落差大小，胶结作用在整个断层带内普遍存在，具有重要的意义。

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(本文作者：林晓英苏现波郭红玉河南理工大学)