圍巖與煤儲層構造節理發育關系研究

張曉飛

(中聯煤層氣有限責任公司太原分公司，山西 030000)

煤儲層中的節理裂隙是煤層氣運移到井筒的主要通道，對煤儲層的滲透性具有極其重要的控制作用。一直以來，國內外專家學者很重視對煤儲層中裂隙的研究。Ramos抓住P波振幅隨方位角變化這一特征來對儲層裂縫發育方向和密度進行預測；李小彥等提出主裂隙與次裂隙的概念，為預測儲層滲透性提供了一種方法；秦勇等對沁水盆地煤儲層中外生裂隙進行研究，發現儲層中的外生節理與其頂板中的優勢節理發育方向近乎正交；馬財林等通過野外地質剖面觀測、遙感地質解釋及巖石聲發測試等手段來對研究區不同位置裂隙密度進行統計，進而對煤儲層高滲地區進行預測劃分；王生維、侯光久等根據成莊礦煤儲層中的節理統計規律，提出煤儲層節理裂隙系統具有明顯的方向性。

綜上所述，國內外學者在儲層裂縫預測研究方法和技術方面已經探索出了一些方法，并在實際生產過程中取得了一定的效果，但是由于方法的單一性和研究區域的局限性，導致得到的理論成果所具有的普遍實用性和系統性還不夠，尚不能滿足我國大規模勘探開發煤層氣的需求。如何建立一種通用或者適合大多數煤層氣開發的裂隙系統預測模型，揭示圍巖與煤儲層節理裂隙對應發育關系，對煤儲層裂縫預測和煤層氣開發具有指導和實踐意義。

1 地質背景

阜康白楊河礦區位于烏魯木齊市以東100km，礦區東以白楊河為界，與阜康市大黃山煤礦七號井相鄰。基巖呈半出露的狀態，地層傾角44°～54°，出露地層從老到新為中生界三疊系黃山街組、下侏羅統八道灣組、三工河組和新生界第四系。構造上位于博格多復背斜，北天山褶皺帶以北，準噶爾坳陷區以南的黃山—二工河向斜的北翼，總體構造為地層南傾的單斜構造，走向為近EW向，按構造復雜程度的級別劃分為簡單構造。

2 研究方法

2.1 地表圍巖構造節理填圖技術

在系統收集、整理區域地質背景和構造背景的基礎上，選取煤層露頭出露較好或基巖大片出露的區域，進行地表構造節理填圖，對選定測點的所有節理的產狀、密度、延伸長度進行系統測量，以及對節理間的交切、互切、限制關系進行精確的描述。本次選取450個測點，觀察并測量節理4500余條，繪制區內基巖中構造節理玫瑰花圖。

2.2 礦井開采工作面觀測技術

沿井下工作面順槽對煤層斷面進行連續觀測，觀察和測定工作面煤壁上的可見裂隙發育特征，如裂隙發育的規模、產狀(裂隙的傾向和傾角)，是否穿層，裂隙中是否被礦物充填等，最終繪制阜康礦區主采煤儲層大裂隙系統發育特征圖。結合區內構造節理玫瑰花圖分析，從而確定研究區主要構造裂隙發育的走向。

3 構造節理裂隙發育關系

3.1 圍巖構造節理裂隙發育特征

基于礦區地表巖層節理產狀的系統測量與數據整理，可見白楊河區塊地表發育的構造節理面平直、以剪節理為主，張性節理發育較弱。主要以中、高傾角為主，直立或高傾角節理，占絕大多數，中低傾角的節理占少部分。

通過系統測量與整理研究區地表巖層中節理裂隙產狀數據，得出本區走向為10°～40°(NNE～NE)方向的節理最為發育，其次為走向為150°～180°(NNW～NW)方向的節理，70°～110°(EW)節理發育相對較差。走向NNE～NE與走向NNW～NW節理為該區的優勢節理。

圖1 圍巖節理走向玫瑰花圖

3.2 煤儲層構造節理裂隙裂隙發育特征

本區地表露頭煤層中發育3組節理，其中走向NNE(平均36°)方向的節理最為發育，為優勢節理；走向約為NNW(平均155°)方向的節理次之；近EW方向的節理相對較少。井下煤儲層中節理的走向為走向NNE向(10°～50°)，NNW(155°～180°)及EW向(70°～90°)節理，其中，前兩組節理相對發育較多。

圖2 煤儲層構造節理走向玫瑰花圖

對比采煤工作面與地表煤層露頭中的節理，發現地表煤層露頭與井下采煤工作面中節理的優勢方向基本一致。

3.3 發育特征對比

3.3.1 優勢方向對比

通過對比煤層與其上覆或下伏圍巖層中節理的產狀，發現煤儲層與其圍巖層節理的優勢基本一致，反映了煤儲層和圍巖層裂隙發育的相關性。因此，可根據地表圍巖層中節理發育的方向特征，來預測與評價煤儲層中構造節理裂隙方向的發育特征。

3.3.2 發育密度特征對比

節理的發育特征受到巖性、層厚及構造應力大小的影響。在構造部位一定的情況下，巖性的發育密度受巖性及層厚的影響。由于白楊河礦區經歷相同的構造變形史，則相同層厚的煤層與砂巖層之間節理發育線密度的差異主要源于巖性的不同。對比圍巖與煤儲層中構造節理發育的密度，發現節理在煤儲層中更為發育。

3.3.3 實例解剖

野外圍巖與煤儲層露頭位于同一個構造位置，受同一構造應力場環境影響。因此，通過觀測野外圍巖與煤儲層露頭中節理裂隙的發育特征，即可揭示同一構造層背景下圍巖與煤儲層中構造節理發育關系。

野外露頭1：地層傾角45°，可直觀地觀測倍面中各節理的發育特征。通過統計剖面中煤儲層及其上覆和下伏圍巖層不同巖性中節理產狀、線密度和巖層厚度，發現煤儲層與頂、底板圍巖中構造節理的產狀基本一致，但是煤儲層中構造節理發育的密度明顯的大于上覆或下伏的砂巖與泥巖層(表1)。

表1 剖面節理統計表

野外露頭2：中砂巖薄夾層與上覆和下伏的煤層露頭，巖層產狀176°∠46°，在上覆煤層中節理的產狀與發育密度為290°∠81°(13條/m)。在中砂巖中節理的產狀為295°∠79°(6條/m)。下伏薄煤層節理產狀與密度為312°∠58°(12條/m)。從露頭可見，節理在煤層與中砂巖層發育的產狀基本一致，在煤層中發育的密度較大。

經過野外露頭觀測發現，在同一構造層背景下，煤層中構造節理與其圍巖層中節理的產狀基本一致，只是發育密度及延伸長度的不同。煤儲層中節理發育更為密集，但延伸長度小；砂巖層中節理延伸較長，但大部分節理終止于煤層和圍巖層界面處，少部分節理進入煤層繼續延伸。在野外露頭發現的規律和理論上基本一致。因此可以通過地表露頭、礦井下巖層與煤層節理裂隙的觀察測量，對煤儲層節理裂隙發育規律進行預測與評價。

3.3.4 煤儲層構造節理裂隙預測

根據地表圍巖和煤儲層露頭中節理觀測統計，預測煤儲層中節理發育NNE～NE、NNW～NW向和近EW向三組節理。節理發育較為密集，呈帶狀分布的特點，發育密度以30～40條/m常見。節理以層內節理為主，延伸距離以0.1～2m的小型節理非常發育，而延伸長度大于5m的節理非常少見。經白楊河七號井煤礦39號、41號、42號煤儲層實際觀測，預測結果和實際觀測基本一致。