構(gòu)造曲率對煤儲層初始滲透率的影響研究
——以沁水盆地鄭莊-樊莊區(qū)塊為例

蔡 路 全貴龍 黃明勇 唐 龍 董艷杰

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊，貴州 551400)

煤層即是煤層氣的烴源巖，又是它的儲集層，有著不同于常規(guī)天然氣儲層的特性。煤層滲透率是影響煤層氣產(chǎn)量最重要的參數(shù)，滲透率的高低主要由煤中孔-裂隙的大小、形態(tài)、開度和連通性決定。有學者指出構(gòu)造裂隙是煤層滲透率的主要貢獻者，認為構(gòu)造裂隙受煤巖、煤階影響小，在煤層內(nèi)部具有更好的穿透性、連通性和開放性。另有學者指出適中的構(gòu)造破壞作用有利于改善煤層滲透率，但當煤層遭受強烈構(gòu)造破壞達到糜棱結(jié)構(gòu)時，裂隙連通性差，滲透率會降低。構(gòu)造曲率是反映裂隙密度和分布規(guī)律的重要指標，本文通過構(gòu)造曲率的計算，研究其對煤儲層初始滲透率的影響。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部，是中生代以來形成的復(fù)式向斜構(gòu)造，長軸沿NNE方向延伸，南北兩翼翹起呈箕狀，東西向近似對稱，其中石炭系-二疊系煤系地層是我國北方煤炭資源的重要分布區(qū)之一，具有形成煤成氣藏的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。鄭莊-樊莊區(qū)塊位于沁水復(fù)向斜盆地的南端，以寺頭斷層為界，東部為樊莊區(qū)塊，西部為鄭莊區(qū)塊。區(qū)塊內(nèi)全區(qū)可采的主力煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層，也是煤層氣開發(fā)的目標層位，但本次僅研究山西組3號煤層。鄭莊區(qū)塊3號煤層埋深515～1245m，平均865m。在寺頭斷層、后城腰斷層沿線和西北部地區(qū)煤層埋藏較深，一般大于1000m，區(qū)塊中部煤層埋藏較淺，小于1000m，煤層埋深總體呈“中部淺、周緣深”的格局。樊莊區(qū)塊3號煤層埋深370～837m，平均596m。在區(qū)塊的北部和南部地區(qū)埋藏較淺，一般小于500m，中部和寺頭斷層沿線埋藏相對較深，整體為一南北翹起的“向形”結(jié)構(gòu)。

2 構(gòu)造曲率的計算

2.1 計算方法

曲率是反映曲線、曲面彎曲程度的數(shù)學參數(shù)。目標層位構(gòu)造曲率值的大小可反映構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度。該方法假設(shè)巖層是一個完全的彈性體，未考慮塑性變形，裂縫將產(chǎn)生于巖層曲率的最大處。因此，在相似的構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境中，同一套煤層的構(gòu)造曲率值越大，煤層的彎曲程度越強，構(gòu)造裂縫越發(fā)育。本次采用曲率分析的方法，對鄭莊、樊莊地區(qū)山西組3號煤層進行了研究，對這些地層中發(fā)育的裂縫及滲透性進行預(yù)測。具體的操作步驟如下：

將目標煤層的頂面標高等值線擬合成一個空間三維曲面，曲面方程：

f(x,y)=ax3+by3+cx2y+dxy2+exy+fx2+gy2+hx+iy+j

三維曲面上每一點的曲率值為：

進一步采用正方形網(wǎng)格差分法，在平面上對標高等值線進行切割(圖1)。采用菱形法則分別計算45、27方向的主曲率值，其中：

圖1 差分法計算網(wǎng)格示意圖

將其分別帶入K中分別求出K45、K27，計算所得0點處的最大主曲率值為：

Kmax=MAX{|K45|,|K27|}

2.2 計算結(jié)果

首先對鄭莊、樊莊區(qū)塊進行網(wǎng)格數(shù)據(jù)化，將區(qū)塊切割成93452個100m×100m的正方形網(wǎng)格，根據(jù)壓裂裂縫的監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖2)，將最大主應(yīng)力的方向設(shè)置為45°，最大最小水平主應(yīng)力比取1.6。

圖2 研究區(qū)人工裂縫方位監(jiān)測玫瑰花圖

計算結(jié)果表明(圖3)，鄭莊-樊莊區(qū)塊內(nèi)各點的最大主曲率值主要分布在0～4/km之間。曲率值在0.4～2的區(qū)域主要沿背斜、向斜的軸部分布，這些區(qū)域裂隙發(fā)育情況良好。曲率值小于0.4區(qū)域主要分布于平緩單斜構(gòu)造地帶，這些區(qū)域裂隙發(fā)育程度低。在大型斷層附近，最大主曲率值會激增，出現(xiàn)異常，后期研究過程中可以剔除由于斷層影響出現(xiàn)的極大值。

圖3 最大主曲率與裂隙密度、寬度、長度和高度關(guān)系圖

區(qū)塊內(nèi)由構(gòu)造曲率形成裂縫的方位角在0°～180°均有分布。主要集中分布在60°～120°之間，在斷層面附近，裂縫的方位角與斷層的走向具有較好的一致性。

3 構(gòu)造曲率對初始滲透率影響

3.1 最大主曲率值對滲透率的影響

巖層的曲面曲率是該點變形及其周圍構(gòu)造特征的具體反映，可用來研究褶皺變形所形成的構(gòu)造裂隙特征。因此，對巖層最大主曲率的計算可以估算構(gòu)造裂縫有關(guān)的滲透率值。

構(gòu)造曲率對煤層滲透率的控制，主要通過影響裂隙的密度、長度、寬度和高度等因素，進而影響裂縫的導流能力。求取的最大主曲率值與裂隙的密度、長度、寬度和高度等相關(guān)性關(guān)系表明(圖3)，最大主曲率值與裂隙密度和裂隙寬度表現(xiàn)為一定的正相關(guān)性，最大主曲率值與裂隙的長度和裂隙高度表現(xiàn)為一定的負相關(guān)性。

最大主曲率值與煤層試井滲透率的關(guān)系表明(圖4)，最大主曲率小于1時，滲透率值隨著最大主曲率值的增加而上升，這個階段最大主曲率值上升，在裂縫長度和寬度保持一定值的前提下，裂縫的密度和寬度逐漸上升，滲透率逐漸上升。最大主曲率值大于1時，裂隙密度上升，但長度、高度和連通性逐漸變成導致滲透率逐漸下降。

圖4 最大主曲率值與試井滲透率關(guān)系圖

按鄭莊、樊莊地區(qū)最大主曲率值與構(gòu)造部位的相關(guān)性關(guān)系，可將研究區(qū)劃分劃分為以下三類：

(1)最大主曲率值為0.4～2的區(qū)域主要沿背斜、向斜的軸部分布。該區(qū)域煤層滲透性較好；

(2)最大主曲率值大于2的區(qū)域主要分布于斷層附近。構(gòu)造破壞過于強烈，滲透性較差。

(3)最大主曲率值小于0.4區(qū)域主要分布于平緩單斜構(gòu)造地帶。裂隙發(fā)育程度低，滲透率低。

3.2 裂縫方位角對滲透率的影響

裂縫的方位角與主應(yīng)力方向之間的相對關(guān)系，會影響主應(yīng)力作用于裂縫面的應(yīng)力大小，進入影響裂縫的開度，控制裂縫的導流能力。根據(jù)裂縫的方位角與水平主應(yīng)力的受力關(guān)系圖(圖5)，裂縫的垂直方向受到最大水平主應(yīng)力作用大小為：

其中σF:裂縫面所受的力，MPa；σH：最大水平主應(yīng)力，MPa；σh：最小水平主應(yīng)力，MPa；θ：為裂縫的方位角。

圖5 裂縫面受力示意圖

當裂縫面垂直于最大水平主應(yīng)力σh時，裂縫垂直面受力σF最大，裂縫的開度最小，導流能力越差，初始滲透率值較低。當裂縫面平行于最大水平主應(yīng)力σh時，裂縫垂直面受力σF最小，裂縫的開度較大，導流能力強，初始滲透率值較高。

4 結(jié)論

(1)鄭莊-樊莊區(qū)塊內(nèi)煤層各點的最大主曲率值主要分布在0～4/km之間。裂縫的方位角在0°～180°均有分布，主要集中分布在60°～120°之間，在斷層面附近，裂縫的方位角與斷層的走向具有較好的一致性。

(2)按鄭莊、樊莊地區(qū)最大主曲率值與構(gòu)造部位的相關(guān)性關(guān)系，可將研究區(qū)劃分劃分為以下三類。一是最大主曲率值為0.4～2的區(qū)域煤層滲透性較好；二手最大主曲率值大于2的區(qū)域構(gòu)造破壞過于強烈，滲透性較差；三是最大主曲率值小于0.4區(qū)域裂隙發(fā)育程度低，滲透率低。

(3)當裂縫面垂直于最大水平主應(yīng)力σH時，裂縫導流能力越差，初始滲透率值較低。當裂縫面平行于最大水平主應(yīng)力σH時，裂縫導流能力強，初始滲透率值較高。