近直立煤储层裂隙系统及优势渗流通道特征研究

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摘   要：为系统研究近直立煤储层裂隙系统发育特征，利用新疆库拜煤田中部近直立煤储层地表出露良好和生产矿井煤储层裂隙便于观测的有利条件，采用地表高精度构造裂隙填图和矿井煤储层裂隙观测技术，结合实验室扫描电镜和偏光显微镜观测方法，研究了近直立煤储层宏观和微观裂隙系统的发育特征。研究发现该区层面裂隙和外生裂隙延伸长、宽度大，是煤层气运移的优势渗流通道。同时分析了不同埋深条件下地应力场状态，阐明了研究区3种优势渗流通道分布特征为：①670 m以浅，优势渗流方向为NNW、NNE向;②670 m左右，优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;③670 m以深，优势渗流方向为近EW向。解释了层面裂隙、外生裂隙、内生裂隙和微裂隙的形成原因，揭示了渗流通道的形成模式，为研究区煤层气的勘探开发提供了地质依据。

关键词：库拜煤田;煤层气;裂隙;渗流通道;优势方向;近直立煤储层

新疆库拜煤田是重要的煤层气新开发区块，经多期次构造运动[1]，中部地区煤层近直立分布，与研究较为深入的沁南和鄂东区块近水平煤层有显著区别。前人认为煤层气的渗流通道即为煤层裂隙系统，主要由外生裂隙、内生裂隙和微裂隙构成，其优势分布特征对储层渗透性、井位布置、井型选择、裂隙延展、煤层气井产量有重要影响[2-3]。常采用的方法有应力分析、地震波方法、分形研究、数值模拟等[4-8]，研究成果主要集中在裂隙成因、分类、矿物充填、裂隙描述、对渗透性、含气量或产能的影响等方面。库拜煤田煤层气地质研究基础薄弱，前人尚未对近直立煤储层裂隙系统、优势渗流通道分布特征和形成模式进行系统阐述。

库拜煤田中部煤层天然露头良好，且有正在开采的矿井，为该区储层裂隙系统的研究提供了有利条件。在地表采用高精度构造裂隙填图技术，在矿井下采用储层裂隙精细对比解剖技术研究裂隙系统中的宏观裂隙[9];同时采集煤岩样品在室内采用扫描电镜和偏光显微镜研究微观裂隙;结合研究区煤层气井原地应力测试资料，阐明近直立煤储层优势渗流通道不同埋深的分布特征，为研究区煤层气的勘探开发提供地质依据。

1  研究区地质背景

库拜煤田中部地区地层走向近EW向，倾向178°～184°，倾角80°～89°，近直立分布。煤田由F1逆断层和F2正断层构成边界，南部有大型褶皱。主采煤层为下侏罗统塔里奇克组（J1t）A5、A7煤层，其中A5煤层厚度为2.06～10.72 m，平均7.96 m;A7煤层厚度为1.85～7.02 m，平均2.95 m。研究区煤储层天然露头良好，为研究裂隙系统提供了有利条件（图1）。

2  煤层裂隙系统特征

本文研究的煤储层裂隙系统为天然裂隙系统，由外生裂隙（构造裂隙）、层面裂隙、内生裂隙（面割理和端割理）和微裂隙构成。这4种裂隙发育尺度由大到小，从宏观到微观，构成了煤层气的天然渗流通道。

2.1  外生裂隙

库拜煤田中部矿区A5、A7煤层的产状约为175°∠85°;在地表采用高精度的构造裂隙填图技术，测量煤储层天然露头中外生裂隙的产状;在矿井下（采深350 m）测量煤壁上外生裂隙的产状进行对比分析，发现地表与井下外生裂隙发育的优势方向相同，在A5煤层中外生裂隙可见3组：255°∠86°，115°∠44°，2～4条/m，延伸性好，发育规则，几乎贯穿可见范围，另1组外生裂隙产状为20°∠30°，发育较少。在A7煤层中外生裂隙主要发育3组：261°∠83°，   105°∠55°，发育形态规则，延伸远，而35°∠45°，较少见，在局部地方裂隙有略微变形（图2-C，D）。

从外生裂隙产状的统计中得到，研究区A5、A7煤层中，无论地表还是井下构造裂隙各个方向都有发育，但其优势方向为NNE向和NNW向。

2.2  内生裂隙

煤中的内生裂隙又称为割理，分为端割理和面割理，主要发育于镜煤和亮煤中。内生裂隙长度为厘米级，可测量其长度，产状和密度。通过煤储层地表露头和矿井下的测量，发现A5、A7煤储层内生裂隙发育主要为2个方向：273°∠83°，232°∠15°，密度为5～20条/10 cm，长1～10 cm（图2-A，B）。

2.3  微裂隙

在研究区的温州矿和大宛其矿井下采集A5和A7煤储层样品，在室内采用FEIQuanta 250场发射扫描电镜和偏光显微镜Zeiss Axioskop 40研究煤儲层中微裂隙。A5和A7样品在扫描电镜下可见微裂隙截切错动现象（图3-A），微裂隙追踪现象（图3-B），部分微裂隙的截切与错动构成了网格状微裂隙系统   （图3-C），部分微裂隙构成了树枝状微裂隙系统        （图3-D），提高了渗流通道的导流能力;此外，部分微裂隙被黄铁矿充填（图3-E），部分微裂隙被方解石充填（图3-F），这对煤层气的渗流不利，但在煤样镜下观测中，微裂隙充填的比例只占9%（表1），对煤层气的运移影响不大。

在偏光显微镜下观测微裂隙的长度和宽度，可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4类（表1）[10]。研究区A5、A7煤储层微裂隙密度为246～386条/9 cm2，平均323条/9 cm2，主要发育Ⅲ、Ⅳ型微裂隙，占比为40%和49%;Ⅰ型和Ⅱ型发育较少，或不发育，占比为1%和11%。在镜下观察，约9%微裂隙被方解石和黄铁矿等充填，较少见到煤粉充填，对煤层气开发较有利。

2.4  层面裂隙

在研究区地表和煤矿井下煤储层中，层面裂隙极发育，主要为不同煤岩分层形成的层面裂隙。层面裂隙产状与煤层产状近似一致，约为175°∠85°，在局部地方会有变形（图1）。

在沁南和鄂东地区近水平煤储层中层面裂隙在上覆岩层的压力下，一般是处于闭合的状态;但在研究区煤储层近似直立，延伸性好，贯通可见范围内的煤层，层面裂隙的密度一般为5～20条/m，宽度为1～5 mm，发育规模和发育密度远大于其他类型裂隙，是煤层气运移的主要通道，优势方向为近EW向。

3  渗流通道形成原因

研究区层面裂隙和外生裂隙是渗流通道的主干，内生裂隙是分支，微裂隙是细枝，各种裂隙相互连接构成了煤层气流体的运移通道。煤岩中最小的裂隙为微裂隙，长度为微米级。微裂隙不是渗流通道的主干通道，但为孔隙与宏观裂隙之间的桥梁。微裂隙在镜质组中发育广泛，形态各异，有呈直线状或折线状，有呈树枝状或网格状，有时相互平行或相交;微裂隙以张性裂隙为主。微裂隙的发育受多种因素影响，但最主要的还是受煤岩显微組分的控制作用[11-12]。图4中蓝色区域为镜煤条带，微裂隙较发育，当出了该条带后，微裂隙急剧减少。

内生裂隙的形成过程为：煤变质过程中在镜煤条带上的均质镜质体形成高压流体不能有效排出，从而形成异常高压流体微单元，此时的高压流体将集中选择合适的路径和最薄弱的环节逸出，因此高压流体沿着垂直于层理面的微裂隙大量散逸，微裂隙在高流体压力下破碎并汇合成宏观的内生裂隙。外生裂隙为构造应力对煤体作用的产物，发育于煤层的任何部位及任何煤级中，其产状由构造应力控制。研究区由构造应力产生的外生裂隙，无论是在地表还是矿井下，煤岩或围岩中，优势方向都为NNW向、NNE向。

煤岩作为沉积岩的一种，具典型的沉积岩层理构造，根据煤的颜色、光泽、硬度、密度、煤岩成分等物理性质，划分宏观煤岩类型小分层。小分层之间的层面是煤岩的构造软弱面，在应力条件合适的条件下，容易破裂形成层面裂隙。

4  煤储层优势渗流通道分布特征

煤层气井获得高产的必要条件是高含气量和高渗透性，其中高渗透性的条件是裂隙发育适中且地应力状态有利于主干裂隙的张开[13]。为研究不同埋深地应力状态，通过收集研究区现有的3口煤层气井原地应力测试资料（表2），分析深部地应力状态。通过研究区的原地应力测试资料，埋深在572～947 m间的煤储层，储层压力，破裂压力，闭合压力总体规律为随着埋深的增加而增大。依据收集到的资料，对地应力进行计算，结果见表3。

从研究区地应力计算结果得到，埋深从浅到深，地应力状态从σH>σV>σh即大地动力场（地应力状态为压缩状态）逐步变化为σH≈σV>σh即大地准静水压力场（地应力状态从压缩向拉张状态过渡），然后再逐步变化为σV>σH>σh即大地静力场（地应力状态为拉张状态）。

煤储层中发育近EW向的层面裂隙和近NNW、NNE向的外生裂隙，但储层压力远小于闭合压力，即储层中存在的各种裂隙均处于闭合状态，该状态防止了煤层气散逸，保证了深部煤储层中煤层气的赋存与富集;随着埋深增加，储层压力增加，含气量增大。天然存在的层面裂隙和外生裂隙及不同埋深的地应力状态控制了储层优势渗流通道的3种分布特征：①670 m以浅，近NS向的最大水平主应力为最大主应力方向，垂直于层面裂隙，表现为大地动力场，外生裂隙是其主要渗流通道，优势渗流方向为NNW、NNE向;②约670 m，最大水平主应力近似等于垂直主应力，表现为大地准静水压力场，主要渗流通道是层面裂隙和外生裂隙，优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;③670 m以深，垂直主应力为最大主应力，表现为大地静力场，有利于层面裂隙张开，因此层面裂隙是主要渗流通道，优势渗流方向为近EW向。

5  结论

（1） 在新疆库拜煤田中部地区采用地表高精度构造裂隙填图技术和煤矿井下煤储层裂隙观测技术结合实验室扫描电镜和偏光显微镜观测，研究了煤储层裂隙系统的发育特征，分析了微裂隙、内生裂隙、外生裂隙和层面裂隙的发育特征及形成原因，发现了层面裂隙和外生裂隙延伸长、宽度大，是优势渗流通道。

（2） 研究了层面裂隙和外生裂隙的优势方向和不同埋深条件下地应力场状态，阐明了研究区3种优势渗流通道分布特征：①670 m以浅，优势渗流方向为NNW、NNE向;②670 m左右，优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;③670 m以深，优势渗流方向为近EW向;为研究区的煤层气勘探开发提供了地质依据。

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Abstract：Taking advantage of the favorable conditions of good surface exposure of near vertical coal reservoir in the central Kuba coalfield in Xinjiang and the favorable condition of producing coal reservoir fissures for easy observation， the surface high precision structural fissures mapping and the observation technique of coal reservoir fissures are adopted.Based on the observation methods of scanning electron microscope and polarizing microscope in laboratory，the development characteristics of macroscopic and microscopic fracture systems in near-vertical coal reservoirs are studied.It is found that the extension and width of layer fracture and exogenetic fissure in the study area are long and wide， which is the dominant seepage channel. At the same time，the state of in-situ stress field under different buried depths is analyzed. The distribution characteristics of three dominant seepage channels in the study area are： ①lessthan 670 m，dominant direction is NNW，NNE;② around 670 m，dominant direction is EW， NNW and NNE;③ deeper than 670 m，dominant seepage direction is near EW direction.

Key words：Kubai coal field;Coalbed Methane;Fracture;Seepage channel;Dominant direction;Near vertical coal reser    voir

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