围岩与煤储层构造节理发育关系研究

张晓飞

(中联煤层气有限责任公司太原分公司，山西 030000)

煤储层中的节理裂隙是煤层气运移到井筒的主要通道，对煤储层的渗透性具有极其重要的控制作用。一直以来，国内外专家学者很重视对煤储层中裂隙的研究。Ramos抓住P波振幅随方位角变化这一特征来对储层裂缝发育方向和密度进行预测；李小彦等提出主裂隙与次裂隙的概念，为预测储层渗透性提供了一种方法；秦勇等对沁水盆地煤储层中外生裂隙进行研究，发现储层中的外生节理与其顶板中的优势节理发育方向近乎正交；马财林等通过野外地质剖面观测、遥感地质解释及岩石声发测试等手段来对研究区不同位置裂隙密度进行统计，进而对煤储层高渗地区进行预测划分；王生维、侯光久等根据成庄矿煤储层中的节理统计规律，提出煤储层节理裂隙系统具有明显的方向性。

综上所述，国内外学者在储层裂缝预测研究方法和技术方面已经探索出了一些方法，并在实际生产过程中取得了一定的效果，但是由于方法的单一性和研究区域的局限性，导致得到的理论成果所具有的普遍实用性和系统性还不够，尚不能满足我国大规模勘探开发煤层气的需求。如何建立一种通用或者适合大多数煤层气开发的裂隙系统预测模型，揭示围岩与煤储层节理裂隙对应发育关系，对煤储层裂缝预测和煤层气开发具有指导和实践意义。

1 地质背景

阜康白杨河矿区位于乌鲁木齐市以东100km，矿区东以白杨河为界，与阜康市大黄山煤矿七号井相邻。基岩呈半出露的状态，地层倾角44°～54°，出露地层从老到新为中生界三叠系黄山街组、下侏罗统八道湾组、三工河组和新生界第四系。构造上位于博格多复背斜，北天山褶皱带以北，准噶尔坳陷区以南的黄山—二工河向斜的北翼，总体构造为地层南倾的单斜构造，走向为近EW向，按构造复杂程度的级别划分为简单构造。

2 研究方法

2.1 地表围岩构造节理填图技术

在系统收集、整理区域地质背景和构造背景的基础上，选取煤层露头出露较好或基岩大片出露的区域，进行地表构造节理填图，对选定测点的所有节理的产状、密度、延伸长度进行系统测量，以及对节理间的交切、互切、限制关系进行精确的描述。本次选取450个测点，观察并测量节理4500余条，绘制区内基岩中构造节理玫瑰花图。

2.2 矿井开采工作面观测技术

沿井下工作面顺槽对煤层断面进行连续观测，观察和测定工作面煤壁上的可见裂隙发育特征，如裂隙发育的规模、产状(裂隙的倾向和倾角)，是否穿层，裂隙中是否被矿物充填等，最终绘制阜康矿区主采煤储层大裂隙系统发育特征图。结合区内构造节理玫瑰花图分析，从而确定研究区主要构造裂隙发育的走向。

3 构造节理裂隙发育关系

3.1 围岩构造节理裂隙发育特征

基于矿区地表岩层节理产状的系统测量与数据整理，可见白杨河区块地表发育的构造节理面平直、以剪节理为主，张性节理发育较弱。主要以中、高倾角为主，直立或高倾角节理，占绝大多数，中低倾角的节理占少部分。

通过系统测量与整理研究区地表岩层中节理裂隙产状数据，得出本区走向为10°～40°(NNE～NE)方向的节理最为发育，其次为走向为150°～180°(NNW～NW)方向的节理，70°～110°(EW)节理发育相对较差。走向NNE～NE与走向NNW～NW节理为该区的优势节理。

图1 围岩节理走向玫瑰花图

3.2 煤储层构造节理裂隙裂隙发育特征

本区地表露头煤层中发育3组节理，其中走向NNE(平均36°)方向的节理最为发育，为优势节理；走向约为NNW(平均155°)方向的节理次之；近EW方向的节理相对较少。井下煤储层中节理的走向为走向NNE向(10°～50°)，NNW(155°～180°)及EW向(70°～90°)节理，其中，前两组节理相对发育较多。

图2 煤储层构造节理走向玫瑰花图

对比采煤工作面与地表煤层露头中的节理，发现地表煤层露头与井下采煤工作面中节理的优势方向基本一致。

3.3 发育特征对比

3.3.1 优势方向对比

通过对比煤层与其上覆或下伏围岩层中节理的产状，发现煤储层与其围岩层节理的优势基本一致，反映了煤储层和围岩层裂隙发育的相关性。因此，可根据地表围岩层中节理发育的方向特征，来预测与评价煤储层中构造节理裂隙方向的发育特征。

3.3.2 发育密度特征对比

节理的发育特征受到岩性、层厚及构造应力大小的影响。在构造部位一定的情况下，岩性的发育密度受岩性及层厚的影响。由于白杨河矿区经历相同的构造变形史，则相同层厚的煤层与砂岩层之间节理发育线密度的差异主要源于岩性的不同。对比围岩与煤储层中构造节理发育的密度，发现节理在煤储层中更为发育。

3.3.3 实例解剖

野外围岩与煤储层露头位于同一个构造位置，受同一构造应力场环境影响。因此，通过观测野外围岩与煤储层露头中节理裂隙的发育特征，即可揭示同一构造层背景下围岩与煤储层中构造节理发育关系。

野外露头1：地层倾角45°，可直观地观测倍面中各节理的发育特征。通过统计剖面中煤储层及其上覆和下伏围岩层不同岩性中节理产状、线密度和岩层厚度，发现煤储层与顶、底板围岩中构造节理的产状基本一致，但是煤储层中构造节理发育的密度明显的大于上覆或下伏的砂岩与泥岩层(表1)。

表1 剖面节理统计表

野外露头2：中砂岩薄夹层与上覆和下伏的煤层露头，岩层产状176°∠46°，在上覆煤层中节理的产状与发育密度为290°∠81°(13条/m)。在中砂岩中节理的产状为295°∠79°(6条/m)。下伏薄煤层节理产状与密度为312°∠58°(12条/m)。从露头可见，节理在煤层与中砂岩层发育的产状基本一致，在煤层中发育的密度较大。

经过野外露头观测发现，在同一构造层背景下，煤层中构造节理与其围岩层中节理的产状基本一致，只是发育密度及延伸长度的不同。煤储层中节理发育更为密集，但延伸长度小；砂岩层中节理延伸较长，但大部分节理终止于煤层和围岩层界面处，少部分节理进入煤层继续延伸。在野外露头发现的规律和理论上基本一致。因此可以通过地表露头、矿井下岩层与煤层节理裂隙的观察测量，对煤储层节理裂隙发育规律进行预测与评价。

3.3.4 煤储层构造节理裂隙预测

根据地表围岩和煤储层露头中节理观测统计，预测煤储层中节理发育NNE～NE、NNW～NW向和近EW向三组节理。节理发育较为密集，呈带状分布的特点，发育密度以30～40条/m常见。节理以层内节理为主，延伸距离以0.1～2m的小型节理非常发育，而延伸长度大于5m的节理非常少见。经白杨河七号井煤矿39号、41号、42号煤储层实际观测，预测结果和实际观测基本一致。