构造应力对阜新盆地煤层气成藏的影响

张晓丽 何金先

(1. 中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083; 2. 中国科学院兰州地质研究所, 甘肃 730000)

1 阜新盆地地质概况

阜新盆地位于辽宁省中西部, 为NNE 走向的狭长条状晚中生代典型陆相断陷盆地 (图1) , 以前震旦系或震旦系地层为基底, 接受了晚中生代地层的沉积。其中下白垩统沙海组沙三段为含煤段,下白垩统阜新组为阜新盆地主要含煤地层, 组内分上、中、下三个部分, 中部含有5 大可采煤层群。

阜新盆地位于中朝地台的东部、内蒙地轴南部的燕辽地台褶皱带。盆地东侧为大巴- 锦州断裂,西侧为兴隆沟- 敖拉嘛荒断裂, 北部与内蒙地轴二郎庙断裂相接, 盆地东西两侧的断裂构造对阜新盆地的生成、发展及演化起着决定性的作用。盆地次一级构造以褶皱为主, 从北向南依次有新邱- 哈拉哈背斜、刘家- 王营子向斜、东梁- 清河门背斜、李金- 九道岭向斜, 这些褶皱呈北东向雁行式排列[2]。盆地两侧的断裂均向盆地内倾斜, 呈阶梯状, 中央相对下降, 边缘相对抬升。盆地内断裂构造比较发育, 查明的断层百余条, 均为正断层, 其中一级断裂构造主要有4 组, 即NNE(34%) ,NNW(31%) , NW (20%) , NEE (15%) , 这4 组断裂构造对地层、煤层均有一定影响, 并把阜新煤田大体划分成5 个矿区井田[3](图2) 。

阜新盆地形成的动力和演化过程, 与亚洲的大地构造背景紧密相关。太平洋板块在三叠纪以后开始离散, 并产生区域的拉张作用, 产生了阜新盆地的两条盆缘断裂： 西部兴隆沟- 敖拉嘛荒断裂和东部大巴- 锦州断裂。在构造分异作用下, 盆地中部下降, 形成了底面向东南倾的盆地雏型; 晚侏罗世早期, 板块活动频繁, 出现火山喷发, 沉积了义县组地层, 岩性以火山碎屑岩为主, 之后形成断陷湖盆。盆地有张扭性阶段和压扭性阶段两个沉积阶段, 在张扭性初期, 盆地沉积了以浅- 深湖相为主的九佛堂组地层; 早白垩世, 沉积了沙海组, 至沙海组晚期, 盆地扩展到最大的范围。

图1 阜新盆地地震剖面 (据文献[1])

图2 阜新盆地构造位置与矿区分布示意图 (据文献[4]修改)

2 阜新盆地构造应力与煤层气生成

构造应力通常是指导致构造运动、产生构造形变、形成各种构造形迹的应力。在传统油气应力场研究中, 构造应力常指由于构造运动引起的地应力的增量[5], 地应力主要由重力应力、构造应力和流体压力等几种应力耦合而成[6]。

传统的煤层气理论认为煤层气是自生自储于煤层中的非常规天然气。近年来的研究表明, 煤层气是叠加成因的。煤层气的来源既有泥炭到低阶煤的原始生物成因和中高阶煤的正常热成因, 也有后期次生生物成因和煤型气- 油型气混合成因。因此,煤层气包括煤层自生的和其他气源岩中运移到煤层中的天然气, 是一种混合天然气。煤层气的成因有有机成因与无机成因之争, 目前多方面的证据证明大部分的煤层气为有机成因, 极少部分煤层气属于无机成因, 因此本文主要从有机成因的角度讨论阜新盆地煤层气的生成。

2．1 构造应力提供能量促使有机质向烃类转化

有机质的转化、烃类的生成是消耗巨大能量的化学过程。因此, 有机质的转化率也恰恰取决于能量的供给[7]。阜新盆地主要经历了燕山期与喜山期造山运动, 构造活动频繁, 活跃的构造应力为该区有机质的成烃转化提供了巨大的能量, 对盆地内有机质的热演化起着加速的作用, 在两个造山期中大量的有机质向烃类转化, 极大地促进了煤层气的生成。

盆地自阜新期末开始受到区域挤压应力的作用[8], 朱志敏等[9]研究发现阜新盆地阜新组和沙海组煤层的埋深最深也未超过2000m, 深成变质作用对煤层生气影响有限, 而现今煤层含气性却较好,因此认为构造应力使得阜新盆地煤中有机质直链化合物和侧链化合物基团断裂和脱落, 导致相对分子质量降低, 直接改变煤大分子的化学组成, 在低、中级煤化阶段明显表现为“动力生烃”。

2．2 褶皱构造、断裂构造对煤层气生成的影响

构造应力作用于地壳岩层, 岩层产生褶皱、发生断裂, 因此阜新盆地的褶皱和断裂是构造应力作用的产物, 褶皱 (背斜和向斜) 、断层对阜新盆地煤层气的生成都产生了明显的影响。

阜新盆地的褶皱构造中, 刘家- 王营子向斜为NE 走向, 两翼对称, 倾角舒缓, 核部地层厚度大,有巨厚的阜新组煤层赋存; 李金- 九道岭向斜为NW 走向, 宽缓, 核部地层厚度较大, 并有可采煤层赋存。这两个向斜构造的下部地层受张应力作用, 这使得下部煤系地层中的割理、节理、微孔隙等得以扩张, 扩大了煤层气的储集空间, 有利于煤层中吸附甲烷的解吸, 因此促进了煤层气的解吸产出, 而上部地层遭受挤压, 则有利于阻隔下部产出的煤层气向外逸散, 刘家区煤层气含量较高证实了这一点。新邱- 哈拉哈背斜为NE 走向, 向东倾伏, 轴部出露于地表, 地层为九佛堂组, 其NE 端略显向北突出的弧形; 东梁- 清河门背斜为NE 走向, 轴部出露为沙海组地层, 阜新组地层已被剥蚀, 在翼部赋存有沙海组煤层。这两个背斜构造翼部处于挤压状态, 裂隙系统很少发育, 不利于煤层气的解吸产出, 且轴部在张应力作用下, 发育大量裂隙系统, 生成的煤层气也极易散失, 清河门矿区煤层气含量较低证实了这一点。

由上分析可知道, 阜新盆地的2 个向斜褶皱总体上有利于煤层气的解吸产出; 2 个背斜褶皱总体上不利于煤层气的解吸产出。

阜新盆地断裂构造发育较多, 查明的断层有百余条, 均为正断层, 而且断层走向有6 个方向 (4个优势方向) , 这就使得盆地的各个煤层都有很大的机会经受断层切割。虽然煤层的断裂构造对煤层气的保存不利, 但是煤层的断裂构造可以使煤岩的裂隙系统得以广泛发育, 煤层的渗透率增大, 煤层附近前期生成的煤层气能较容易离开源岩层运移到其他层位富集成藏, 裂隙系统空间的扩大降低了解吸压力, 也有助于煤层中吸附气的析出, 促进了煤层气的解吸产出。因此, 阜新盆地的断裂构造对盆地内煤层气的产出起着促进的作用。

2．3 盆地升降对煤层气生成的影响

构造应力能够对沉积盆地进行改造, 使盆地抬升或者沉降, 从而控制着盆地内煤层的埋藏和受热史, 影响着煤层气的生成 (图3) 。阜新盆地在燕山期的造山运动中, 发生大幅度沉降, 有机质埋深增加, 埋藏温度增高, 有机质大量向烃类转化, 完成了第一次生烃, 该期生成的煤层气以热成因气为主; 后来阜新盆地又经历喜山期造山运动, 盆地没有发生明显的沉降, 有机质埋藏深度与埋藏温度变化不大, 但是喜山运动造成一定规模的岩浆侵入,与围岩发生接触变质作用, 造成局部煤阶增高并发生第二次生烃, 但生烃规模不大, 产出的煤层气数量并不多。白垩纪末至今阶段, 煤层气藏进入持续的次生生物生烃阶段, 持续的时间虽然很长, 但是生成的煤层气数量也很少。由上可见阜新盆地煤层气以燕山期第一次生烃形成的热成因气为主, 喜山期二次生烃和持续的次生生物生烃仅是少量的生烃补充。

图3 刘家- 王营煤层气藏埋藏史、热史和成熟度史(据文献[10])

3 阜新盆地构造应力与煤层气保存

煤层气保存主要受上覆岩层厚度、岩性、水文地质条件和构造应力场等共同作用的影响。一般情况下, 在挤压应力作用下的构造有利于煤层气的保存, 张应力作用下的构造则往往导致煤层气的逸散[11]。挤压应力作用下的构造部位, 主要是指背斜褶皱两翼和与轴部中和面以下部位、向斜褶皱两翼与轴部中和面以上部位、压性逆断层、逆冲推覆构造和不同走向断裂的结合部位, 均有利于煤层气的保存[12]。虽然阜新盆地发育的断层以正断层为主, 但是由于阜新盆地构造应力由前期的张性应力转化为后期的压性应力, 并延续至今, 这些正断层在挤压构造应力作用下, 断层带内充填有比较宽的糜棱岩化带、断层泥砾岩带, 因此上部地层的断层面呈紧闭状态, 部分正断层甚至转化为逆冲断层,这使得断层面密封性较好, 煤层气并不容易通过其向外逸散, 且阜新盆地内褶皱和断裂构造中有利于保存煤层气的处于挤压应力作用下的构造部位大量存在, 因此阜新盆地的压性构造应力总体上十分有利于盆地内煤层气的保存。

另外, 构造应力引起的构造升降运动可以改变地层的温压条件, 打破原有煤层气吸附平衡, 使吸附气与游离气相互转化, 从而影响煤层气的保存。如果发生构造沉降, 则随着煤层埋深的增加, 煤层气含量也增加, 这主要是因为随着煤层埋深增大,煤的演化程度增高, 生气条件变好, 同时随着埋深增大, 煤层压力增大, 封闭条件相对变好, 煤的吸附量随之增加; 如果发生构造抬升, 则会造成煤层的上覆地层 (特别是有效地层) 厚度变薄, 导致煤层气的散失, 另外还会造成地应力的下降, 煤层气发生解吸、扩散, 不利于煤层保存和气藏的形成。

阜新盆地成盆后形成的控煤构造主要是中、晚新华夏系和北北西系, 其对煤层埋藏的深浅起控制作用。中、晚新华夏系NNE- NE 背斜构造总体上使赋存的煤层变浅, 特别是与WNW- NW 背斜构造的叠加复合, 一方面WNW- NW 背斜构造本身是盆地最有利的聚煤构造, 常形成较多、较厚的煤层; 另一方面, 这种横跨、叠加、复合形成的构造弯隆或短轴背斜[13], 常常使煤层埋深更浅, 不利于煤层气保存, 这种情况在清河门矿区和东梁矿区表现得尤为明显。而中、晚新华夏系NNE- NE 向斜构造则使煤层埋深加大, 有利于煤层保存, 从而有利于煤层产出的煤层气保存, 从图4 可以看出,随着深度增大, 瓦斯涌出量增大, 证明了煤层深度增大有利于煤层气的保存) 。

图4 阜新煤田矿井瓦斯相对涌出量与深度关系图(据文献[3])

综上所述, 构造应力对阜新盆地煤层气保存的影响中, 个别构造应力造成的因素不利于煤层气的保存, 但是阜新盆地的压性构造应力总体上十分有利于盆地内煤层气的保存。

4 阜新盆地构造应力与煤层气运移

煤层气系统中气体的运移包括两种情况： 当煤层中的煤层气全部来自煤层自生 (生物化学和热作用) 气体时, 煤层气基本不发生初次和二次运移就直接赋存在煤中, 此时可不考虑煤层气的运移; 当煤层中的煤层气全部来自其他源岩, 则存在初次和二次运移, 这与常规天然气的运移并无差别。但现今保存下来的煤层气往往都是以上两个端元来源气体的混合产物, 既有自生的也有他源运移的, 因此还是有必要对煤层气的运移问题进行研究。

构造应力控制着阜新盆地煤层裂隙的发育程度、空间展布规律以及后期演化。阜新盆地内区域应力场产生区域性的裂隙系统控制着煤储层渗透率区域性分布, 而盆地内局部构造地带的应力集中和差异分布, 则是渗透率在不同区块存在差异的重要原因之一。外生裂隙是构造应力的直接产物, 内生裂隙 (割理) 是构造应力下煤化作用的结果, 两者都受构造应力场的影响, 且两者的发育方向都受古地应力方向控制。阜新盆地在区域构造应力场由张扭阶段转化为压扭阶段时, 沉积了阜新组地层, 所以该阶段煤层割理和外生裂隙系统极其发育, 具有高渗透率, 极有利于煤层气的运移。虽然阜新盆地断层非常发育, 且以正断层为主, 煤层气可通过断层面附近的裂隙系统, 散失到大气中, 但是由于断层系统影响了煤层的渗透率, 极大地增加了煤层气的运移通道, 因此阜新盆地内构造应力产生的裂隙系统总体上是有利于盆地内煤层气的运移到合适位置富集成藏。

5 构造应力与煤层气分布

构造应力场对阜新盆地煤层气的分布有明显的控制作用。这表现在两方面： 一是构造应力场控制着含阜新盆地的产生及其演化, 为煤层气提供了宏观的聚集部位; 二是盆地内构造应力场的分布及构造样式具体地控制了煤层气藏的分布。

孙平[10]对煤层气藏定义为： 由煤系地层产生,赋存于煤体及相邻岩层中的天然气藏, 即煤层气藏是煤层气聚集的最小单元。煤层气藏与常规天然气藏有较大差异, 国内很少人对煤层气藏进行分类,王红岩[12]根据煤层气藏形态及动力学特征对煤层气藏进行了分类 (表1) 。

表1 王红岩的煤层气藏分类方案

阜新盆地本身就是一个典型的陆相断陷盆地,背斜褶皱、向斜褶皱都有, 但是目前没有盆内发育有单斜褶皱的研究报道, 根据表1 的分类方案, 可以指导我们确定煤层气藏在阜新盆地内有利成藏构造位置为 (图5) ：

(1) 断陷盆地： 此分类是从阜新盆地整体上分析煤层气藏的分布位置。阜新盆地煤层及上覆地层厚度大, 以高角度正断层为主体, 多数是在断裂基础上发育起来的地垒、地堑、半地堑和复式断陷盆地等组合形式, 其在总体上是煤层气富集区, 但煤层气赋存存在不均一性, 煤层的连续性很差, 构造简单的块段面积小。张群生[14]认为阜新盆地煤层气资源总量大, 是我国煤层气开发的重要选区之一, 具有很好的勘探开发前景; 阜新盆地的煤层气藏探明区主要是在刘家区、东梁区、王营子区, 煤层气赋存不均一, 煤层被断层错断而连续性差, 这些事实与上述理论十分吻合。

(2) 向斜： 两翼地层倾角大的向斜, 由于张性断裂十分发育, 煤层气容易逸散, 不是煤层气成藏的有利区域, 但是两翼倾角舒缓的向斜的翼部则为煤层气极为有利的成藏构造位置。苏现波等[15]认为位于王营子- 刘家向斜的王营子矿区和刘家矿区的煤层气藏是阜新盆地最具开发前景的两个煤层气藏; 夏宝明[16]认为刘家矿区是煤层气开发的重点靶区; 这都证明阜新盆地的向斜构造是阜新盆地煤层气成藏的有利构造位置。

图5 煤层气在向斜和背斜中成藏有利位置示意图(A 为两翼倾角舒缓的向斜, 两翼部位为煤层气成藏有利位置; B 为不对称背斜, 倾角舒缓一翼为煤层气成藏的有利位置; C 为对称背斜, 其两翼部位为煤层气有利成藏位置)

(3) 背斜： 包括对称背斜和不对称背斜。

a．对称背斜： 其顶部裂隙密集发育, 是煤层气逸散的通道, 背斜轴部含气性差, 而两翼及倾伏段方向含气性变好, 为有利的煤层气藏成藏位置;阜新盆地成盆后期压扭性构造应力造成地层变形强度加大, 导致背斜轴部发育一些逆冲断层系统, 则更有利于煤层气保存, 其含气性更好, 也是煤层气成藏的有利位置。

b．不对称背斜： 其顶部多发育张性裂隙, 在缓翼有逆断层形成, 煤层气在陡翼顺层运移并从裂隙逸散, 在缓翼因受逆断层的阻隔而煤层气常得以较好保存, 因此不对称背斜的缓翼是煤层气藏的有利成藏位置。

c．次级背斜： 其常发育于大型宽缓复式向斜的两翼, 背斜幅度小, 两翼产状缓, 裂隙不太发育, 有利于形成小型构造“圈闭”, 因此次级背斜是在有利于煤层气成藏的向斜构造区中寻找煤层气富气地段和确定煤层气井位时优选考虑的构造部位。

何玉梅等[17]认为位于东梁- 清河门背斜的东梁矿区沙海组赋存有可观的煤层气, 具有良好的煤层气成藏条件; 朱志敏等[18]认为位于东梁- 清河门背斜的东梁区沙海组层位上发育有一个良好的局部背斜天然气圈闭, 为向东南延伸呈穹隆构造的圈闭, 面积达10km2; 这都证明了背斜构造是阜新盆地煤层气成藏的有利构造位置。

由上可见, 在阜新盆地内对煤层气进行上述分类, 具有一定的科学性, 并得到了很好的检验, 因此这种研究思路可以作为对阜新盆地乃至其他断陷型煤盆地煤层气成藏研究一个重要参考。

6 结论

(1) 构造应力对阜新盆地的演化起着控制作用, 并影响阜新盆地煤层气的生成、保存、运移和分布。

(2) 构造应力为阜新盆地有机质的热演化提供能量, 促进有机质转化为烃类, 构造应力还产生了力化学作用, 加快了有机质的热演化; 构造应力产生的褶皱、断裂以及引起的盆地升降, 都能影响有机质向烃类的转化。总体上, 构造应力促进了阜新盆地在低温条件下煤层气的生成。

(3) 阜新盆地是以正断层为主的断层系统, 对煤层气的保存不利, 但是其成盆后压扭性应力状态总体上有利于煤层气的保存。

(4) 构造应力使得阜新盆地内裂隙系统十分发育, 为煤层气的运移提供极好的运移通道, 有利于煤层气的运移, 但是也有些构造变形, 则对煤层气的运移起着阻隔的作用。

(5) 构造应力影响着阜新盆地内的构造形态,根据煤层气藏的构造属性分类, 得出了阜新盆地煤层气资源丰富, 具有很好的勘探开发前景, 向斜和背斜构造是阜新盆地煤层气成藏的有利构造位置的认识, 并得到很好的检验, 可以为进一步对阜新盆地煤层气成藏研究提供重点研究靶区。同时这种研究思路可以为阜新盆地乃至其他断陷型煤盆地煤层气成藏研究提供一个重要参考。

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