高煤階煤層氣富集機理的深化研究

桑樹勛，韓思杰，劉世奇，周效志，李夢溪，胡秋嘉，張 聰

(1. 中國礦業大學 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2. 中國礦業大學 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4. 中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；5. 中國石油天然氣股份有限公司 山西煤層氣勘探開發分公司，山西 長治 046000)

高煤階煤層氣資源相對豐富是中國煤層氣資源的重要稟賦特征之一，實現高煤階煤層氣大規模商業化開發是中國煤層氣產業的重大突破和世界貢獻，沁水盆地高煤階煤層氣是目前中國煤層氣產量的主體來源。我國高、中、低煤階煤層氣資源量占比較為接近，最新的煤層氣資源評價結果顯示，高煤階煤層氣地質資源量10.44×10m，占比35%，可采資源量4.04×10m，占比32%。沁水盆地南部高煤階煤層氣于2009年在我國率先進入商業化開發階段，目前沁南煤層氣示范工程生產規模已達到38×10m/a，沁水盆地已成為我國2個地質儲量千億級煤層氣產業基地之一。近幾年來川南—黔北地區高煤階煤層氣勘探開發也取得積極進展，在川南筠連地區已建成年產2×10m的煤層氣生產區塊，在川南地區正在開辟第3個煤層氣產業基地；黔北地區織金區塊等煤層氣開發示范工程取得成功，龍潭組高階煤儲層顯示出較好的產氣潛力，具備高產儲層條件。據朱慶忠等報道，目前高煤階煤層氣產量已占我國煤層氣總產量的90%以上。據自然資源部數據，2020年中國煤層氣年產量58×10m，其中沁水高煤階煤層氣年產量41×10m，占當年總產量的71%，在我國煤層氣產業發展中占有舉足輕重的地位。

已有的煤層氣理論認識和勘探開發實踐均表明，受限于高階煤的高變質程度和普遍低孔滲儲層特征，高煤階煤層氣富集需要獨特地質背景。這里煤層氣富集是指主力煤儲層或煤儲層組富氣高滲，也有學者稱之為煤層成藏，但煤層氣富集的富氣高滲下限是一個地質控制的技術邊界，顯然與具有自然邊界的常規油氣藏不同。相對于中低階煤儲層，高階煤儲層一般具有富氣低滲的顯著特征。高煤階煤層氣富集的發生在地質成因上顯然更為受限，這也是國際上已有煤層氣商業開發主要集中于中、低煤階煤層氣的根本原因。

關于高煤階煤層氣富集規律，前人在煤層氣成藏地質條件、地質控制因素、富集過程及模式等方面開展了大量有益探討并取得重要成果。高階煤儲層以區域巖漿熱變質成因和深成熱變質成因為主，其中區域熱變質成因常常與成煤期后區域巖漿作用和高異常地熱場發育有關，巖漿作用造成的煤的變質程度、孔裂隙結構、滲透率和應力場變化與深成熱變質的深埋作用顯著不同。生氣量大、吸附甲烷能力強是高階煤共有特征，也是高煤階煤層氣富集的物質基礎。葉建平等認為沁水盆地南部匯流型水動力條件和低地應力下煤儲層相對高滲透率是煤層氣有效富集的主控因素。秦勇等認為高煤階煤層氣富集主要是盆地演化、應力場、構造分異等多構造動力學條件綜合作用的結果。左銀卿等認為煤質、煤層埋深、頂底板封蓋性、構造、水動力條件等共同控制了高煤階煤層氣富集。基于對沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東南部典型高煤階煤層氣富集區主控地質因素的不同認識，前人提出了不同的高煤階煤層氣富集模式，如水動力控藏模式、向斜控藏模式、三元氣體圈閉散失模式、相對構造高位富集模式、斜坡帶與煤層變形破碎帶富集模式等。

近15 a來，我國高煤階煤層氣勘探開發實踐積累了大量研究、工程和生產數據，以沁水盆地為代表的高煤階煤層氣開發和研究程度顯著提高，為深化認識高階煤煤層氣富集機理提供了良好研究條件和可能；另一方面，對高煤階煤層氣富集機理認識的不足仍是制約我國高煤階煤層氣高效規模化開發的重要技術瓶頸，嚴重影響高煤階煤層氣地質適配性開發工藝技術的發展和煤層氣產量的提升。開展高煤階煤層氣富集機理的深化研究有很好的理論和現實意義。

1 高煤階煤層氣富集區分布與形成地質背景

1.1 高煤階煤層氣富集區分布

高煤階煤層氣富集區分布具有顯著的區域性，煤有機質熱演化條件和煤變質類型的不同是高煤階煤層氣富集區域性差異的直接原因，高階煤儲層的區域巖漿熱變質作用成因是高煤階煤層氣富集的基本地質背景。我國高煤階煤層氣資源主要分布在沁水盆地、鄂爾多斯盆地南緣、黔西—川南地區、太行山東麓中南部、豫北地區及湘贛地區等，其中沁水盆地南部晉城地區、沁水盆地北部壽陽—陽泉地區、鄂爾多斯盆地東南緣韓城—延川南地區和黔西川南織金—筠連地區為高煤階煤層氣主要富集區(圖1)，煤層氣勘探開發工程實踐亦證實這些地區煤層氣井總體具有較高的產氣能力或潛力。盡管這些高煤階煤層氣富集區形成的構造環境存在差異，但高階煤的成因類型非常一致，均以區域巖漿熱變質作用為主。重磁地球物理異常、成煤后古地溫高異常、零星緯向分布的燕山期巖漿巖體等均指示華北板塊北緯35°，38°左右可能存在緯向展布的大型深部隱伏巖漿巖體或地幔上隆，在華北石炭二疊紀聚煤盆地形成了對應的2個區域巖漿熱變質高階煤發育帶，晉城高煤階煤層氣富集區、韓城—延川南高煤階煤層氣富集區位于35°帶，沁北壽陽—陽泉高煤階煤層氣富集區位于38°帶，韓城地區可能同時疊加了較顯著的深成熱變質作用的影響。華南黔西川南二疊紀聚煤盆地更靠近板塊邊緣，晚二疊世含煤地層形成后長期處于洋盆閉合-碰撞造山活動的影響中，煤層熱演化受到深部巖漿活動及其伴生高溫熱液的廣泛影響，形成了織金—筠連高煤階煤層氣富集區，但長期的高擠壓應力作用造成黔西川南較其他地區構造煤更為發育。

1—晉城富集區；2—壽陽—陽泉富集區；3—韓城—延川南富集區；4—織金—筠連富集區圖1 中國主要高煤階煤層氣富集區分布(底圖據文獻[12])Fig.1 Main distribution of the high rank CBM enrichment area in China[12]

1.2 高煤階煤層氣富集區特征

(1)沁水盆地南部(晉城)、鄂爾多斯盆地東南緣(韓城—延川南)高煤階煤層氣富集區。沁水盆地整體為一軸向北東至南西向復式向斜構造，南北兩端石炭二疊系煤層賦存較淺，但受區域巖漿熱變質作用為主的影響，特別是燕山期高異常古地溫下煤的熱演化作用強烈，造成盆地南北兩端煤層埋深小但有機質成熟度高(平均最大鏡質組反射率>2.5%)，煤階普遍為無煙煤，局部達到無煙煤Ⅱ號，如沁水盆地南部晉城地區局部煤層平均最大鏡質組反射率>4.0%。沁水盆地南部晉城地區較盆地北端煤層經受的區域巖漿熱變質作用影響更為顯著，且構造、水文等相關煤層氣保存條件更好，整體為向北傾的單斜構造，煤層水無明顯徑流，埋深800 m以淺山西組3號煤層含氣量最高可達38.70 m/t，滲透率0.47×10～2.61×10m，已成為我國最主要的高煤階煤層氣商業開發區，晉城富集區潘莊、潘河、寺莊、樊莊、成莊、鄭莊區塊貢獻了沁水盆地煤層氣產量的80%以上。韓城—延川南高煤階煤層氣富集區位于與沁水盆地南部相鄰的鄂爾多斯盆地南緣，與晉城高煤階煤層氣富集區位于同一緯度帶，構造上整體為簡單的單斜構造，韓城區塊因受深成熱變質作用疊加的影響相對顯著，構造煤較為發育，煤階以貧煤和無煙煤為主(平均最大鏡質組反射率1.70%～3.05%)，埋深800 m以淺山西組3號、5號和太原組11號煤層含氣量介于5.87～19.73 m/t，平均為13.43 m/t，滲透率最大為0.48×10m；延川南區塊山西組2號煤層平均埋深1 280 m，平均最大鏡質組反射率>2.00%，煤層含氣量>12.00 m/t，滲透率最大為0.80×10m。

(2)沁水盆地北端(壽陽—陽泉)高煤階煤層氣富集區。沁水盆地北端煤層氣富集區受到差異性構造控制，西部的壽陽區塊構造發育相對簡單，總體為南傾單斜，而東部的陽泉區塊處于沁水盆地復式向斜軸部附近，NE—SW向正斷層極其發育，該富集區煤層熱演化程度和煤層含氣量總體低于沁水盆地南部煤儲層，且區內西部壽陽區塊煤層滲透率總體高于東部陽泉區塊煤儲層。壽陽區塊煤層主要為貧煤和III號無煙煤，山西組3號煤層含氣量在3.62～25.24 m/t，平均12.52 m/t，滲透率在0.02×10～56.31×10m，然而其較高的產水量可能抑制了煤層氣單井產量。陽泉區塊山西組3號煤層煤階略高于壽陽區塊，煤層含氣量在3.2～24.5 m/t，平均為13.3 m/t，主力煤儲層滲透率一般變化范圍0.50×10～6.70×10m，正斷層和構造煤相對發育，對煤層氣富集產生了負面影響。

(3)織金—筠連高煤階煤層氣富集區。黔北—川南高階煤是燕山期—喜馬拉雅造山期巖漿侵入作用引起的多期高溫熱液變質作用疊加的結果，同時受多期褶皺作用的影響，其煤層熱演化程度高，基本上都為III號無煙煤，煤體結構破壞嚴重，煤層含氣量普遍較高但煤層滲透率總體較低，織金—筠連富集區是其中相對富集高滲的區域。黔北的織納區塊龍潭組煤層含氣量0.48～32.69 m/t，平均為11.9 m/t，高含氣區分布在中心式凹陷的向斜翼部，煤層滲透率為0.11×10～0.50×10m。川南的筠連區塊煤層含氣量為10.64～24.87 m/t，高含氣區分布在背斜兩翼埋深較大的斜坡帶上，煤層滲透率為0.014×10～0.370×10m。

1.3 區域巖漿熱變質作用與高煤階煤層氣富集區形成

高階煤是較高溫度條件下煤變質作用的產物，主要煤變質作用成因類型或源于高異常地溫梯度淺埋條件下的區域巖漿熱變質作用，或源于正常地溫梯度深埋條件下的深成熱變質作用，或源于2者的疊加作用。不同煤變質作用成因可以形成有機質熱演化程度相同的高階煤儲層，同時均生成大量的熱成因氣，但不同成因高階煤儲層形成時的煤層埋深和地應力條件顯著不同，進而造成不同成因高階煤儲層孔裂隙結構特征的顯著差異。區域巖漿熱變質作用成因的高階煤，煤變質作用發生時對應的煤層埋深相對較淺，煤層有機質熱演化溫度高但地應力相對較低，煤層生烴時間短但強度大，煤巖孔裂隙構成發育且連通性好的多級孔裂隙結構網絡(圖2)，表現為外生裂隙發育、內生裂隙大量保存，脆性變形微裂隙、差異變形微裂隙(孔)、大分子定向排列微裂隙等常見，變質氣孔多且保存好，大分子結構尺度微孔發育，形成的煤儲層不僅富氣，也相對高滲。深成熱變質作用成因的高階煤，煤變質作用發生時對應的煤層埋藏深度大、地應力高，煤層受熱生烴經歷時間較長但強度較小，煤巖孔裂隙結構網絡不發育且連通性差，形成的煤儲層往往富氣但普遍低滲。例如，沁水盆地南端的晉城高煤階煤層氣富集區為典型區域巖漿熱變質作用成因，煤層氣富集程度和開發效果最好；盆地北端的壽陽—陽泉高階煤層氣富集區在煤的深成熱變質作用基礎上，疊加了區域巖漿熱變質作用的顯著影響，煤層氣富集程度和開發效果較好；盆地中部高階煤儲層以深成熱變質作用成因為主，疊加區域巖漿熱變質作用的影響，盡管煤階相對較低，但煤層氣富集程度和總體開發效果較差。

煤層富氣程度主要取決于煤層生氣能力、吸附能力和保存賦存條件，高階煤在生氣能力和吸附能力方面具有顯著優勢，這是導致高階煤儲層普遍富氣的本質原因。一方面，煤本身是聚集型有機質構成的優質氣源巖，在一定成熟度范圍內隨有機質熱演化其累計生氣量增大，無煙煤熱演化累計生氣量可達300 m/t，可供保存的有效生氣量也可達160 m/t；另一方面，微孔發育的煤巖具有很高的孔隙比表面積和氣體吸附能力，無煙煤實測理論最大吸附量(蘭氏體積)可達47.55 m/t。在地史熱演化過程中高階煤生氣量遠大于其吸附能力，因此煤巖吸附能力和吸附氣量對煤層富氣程度的影響更直接顯著。煤儲層的吸附能力(平衡水條件下)與煤階(鏡質組反射率小于4.0%)總體呈正相關關系，這是由于隨煤階升高，煤巖具有更發育的微孔和更大的孔比表面積。但對于煤階接近的不同高煤階煤層氣富集區，煤巖生氣能力和過程對煤層含氣性的影響仍不可忽視，例如，晉城高煤階煤層氣富集區煤儲層燕山期經歷了近300 ℃,5.5 ℃/hm或更高梯度的異常高地溫，使得當時煤變質程度快速升高，有效生氣階段煤巖生氣強度大，雖然中生代末期地殼大幅抬升與新近紀地下水運動造成部分煤層氣的逸散，但埋深較小(500 m)的煤層現今仍具有較高的含氣量(>20 m/t)，同時也與沁南地區煤層氣保存條件較好有關。而位于同一煤變質帶的韓城—延川南煤層氣富集區，煤變質經歷地溫梯度、受熱溫度、生氣量均不及晉城富集區，其煤層埋深較大但煤層平均含氣量只有13 m/t左右。

圖2 高煤階煤層氣富集區煤儲層孔裂隙結構網絡模型示意Fig.2 Schematic diagram of the pore-fracture structure network model of high rank coal in the high rank CBM enrichment area

高階煤儲層高滲主要是孔裂隙結構網絡發育的結果。對于不同變質作用成因的煤，其有機質熱演化過程會對煤儲層結構、特別是孔裂隙網絡造成差異性影響和不同程度改造，從而一定程度上控制煤儲層原始滲透率。區域巖漿熱變質成因的高階煤，孔裂隙結構發育且更易保存，煤層滲透率相對較高，一般0.1×10～1.0×10m，部分超過1.0×10m；深成熱變質成因的高階煤，煤層滲透率普遍較低，一般小于0.1×10m。特別是成煤期后巖漿侵入事件往往形成典型高煤階煤層氣富集區，巖漿侵入煤系必然導致煤層原始地應力的失衡，而應力場快速改變促使煤儲層發生體積應變甚至脆性破壞，產生構造熱演化成因的煤儲層微裂隙，從而提高煤層原始滲透率，如美國圣胡安盆地高煤階煤層氣的高產也得益于巖漿侵入作用。

2 高煤階煤層氣富集規律

2.1 高煤階煤層氣富集綜合模式

在不同的煤層埋深范圍，高煤階煤層氣富集規律不同。基于沁水盆地南部煤層氣井實測和生產數據，以煤層埋深范圍為線索，建立了高階煤煤層氣富集綜合模式(圖3)。

圖3 高煤階煤層氣富集綜合模式Fig.3 Comprehensive model of coalbed methane enrichment in high rank coal

這一綜合模式(圖3)可以很好地將前人建立的向斜煤層氣富集、褶曲翼部煤層氣富集、構造高點煤層氣富集等不同高煤階煤層氣富集模式統一起來。中低煤階煤層氣富集具有類似的規律，但高煤階煤層氣富集規律隨深度變化的現象更顯著，這與高階煤儲層滲透率的地應力變化敏感性和高煤階煤層氣富集機理的特殊性有關，詳見本文后述。

2.2 向斜煤層氣富集

煤層埋深較淺時高煤階煤層氣多在向斜核部富集，這是由于向斜核部相較于兩翼煤層埋深較大，地層壓力大有利于煤層吸附甲烷；向斜核部發育擠壓構造應力且上覆低滲透率的泥頁巖蓋層殘留厚度大，起到很好的封閉作用；同時地下水沿兩翼補給進入含煤地層也能夠形成水力封閉。然而煤層氣向斜富集模式僅適合于煤層埋深較淺地區，隨埋深增大煤層所受覆巖應力和有效應力顯著增大，會導致向斜核部煤層滲透率較低，因此高煤階煤層氣向斜富集多發生于煤層埋深500 m以淺。同時淺埋煤層煤層氣開發工程難度也小，富集區煤層氣直井普遍高產，例如，晉城富集區的潘莊、潘河、寺河、成莊等區塊等。

2.3 褶曲翼部煤層氣富集

大型褶曲翼部斜坡帶煤層氣富集是含煤盆地煤層氣富集的常見類型，且煤層氣富集程度隨煤層埋深變化的規律顯著，煤層富氣高滲發生于合適的深度范圍，這是由于在臨界深度前煤層含氣量隨煤層埋深增加而逐漸增加，而煤層滲透率與煤層埋深則呈顯著負指數關系。斜坡帶淺部煤層受大氣降水影響，水動力條件一般較強形成下限深度不同的甲烷風化帶；淺部測向封堵作用造成甲烷風化帶以下一定深度范圍發育緩流或靜流承壓水，有利于斜坡帶煤層氣保存；盡管斜坡帶深部煤層更為富氣，但煤層滲透率衰減嚴重，不利于煤層氣富集。SONG等建議將含氣性15 m/t和滲透率0.2×10m作為高煤階煤層氣富氣高滲(富集)的門限，在沁南地區煤層氣褶曲翼部富集對應的煤層埋深在500～800 m，例如，樊莊區塊。

2.4 構造高點煤層氣富集

隨著煤層埋深進一步增大，煤層含氣量不再明顯增大、甚至出現由增到減的轉折，而煤層滲透率則快速降低，因此，超過一定埋深煤層相對高滲的構造高點部位(背斜核部、鼻狀構造高點等)成為煤層氣富集的區域。構造高點部位的構造應力應為局部拉張環境，裂隙和微裂隙相對發育且開合度好，加之構造高點部位上覆地層厚度一般相對較小，覆巖應力較周邊煤層也相對小些，使得構造高點部位煤層滲透率顯著高于周邊。由于煤層埋深較大，煤層氣保存條件相對更好，特別是煤層超過臨界深度時，隨煤層埋深和儲層壓力增大，煤層吸附能力卻降低，煤層氣處于過飽和狀態，在這種相對封閉的系統中，游離煤層甲烷受浮力驅動可聚集于構造高位相對發育的煤儲層裂隙中。例如，沁水盆地南部鄭莊區塊煤層埋深普遍較大(>800 m)，直井低產較普遍，早期開發21口顯示工業氣流的煤層氣井基本都位于構造高點，單日產氣1 185～3 583 m(圖4)。在延川南區塊，深部煤層氣富集高產區不僅多與相對高滲的構造高點相關，同時往往需要一定的水動力封閉條件；但在地下水高壓封閉滯留區卻因深部煤層改造范圍受限，易造成煤層氣井低產低效，如深部2號煤層產出水礦化度大于1×10mg/L時，隨產出水礦化度增高煤層氣井產氣量急劇下降，低產井普遍。

圖4 沁南地區鄭莊區塊高煤階煤層氣構造高位富集示例Fig.4 CBM enrichment mode of relatively high structural part illustrated by Zhengzhuang Block,Qinshui Basin

3 關鍵主控地質因素

煤儲層富氣和高滲是高煤階煤層氣富集區的兩大核心特征，煤層氣富集是煤層氣井高產的地質條件。由于高階煤生氣量大、吸附能力強，相對富氣是高階煤的普遍特征，所以，對于高煤階煤層氣富集，煤層滲透率較煤層含氣量更為關鍵。一般而言，煤層滲透率越高，高煤階煤層氣井產氣能力也越高，例如，樊莊區塊煤層滲透率大于1×10m的直井，平均日產氣量1 700 m，而煤層滲透率0.5×10～1×10m和<0.5×10m的直井僅有1 384和1 120 m。因此，決定滲透率的主控地質因素即是高煤階煤層氣富集關鍵主控地質因素。

3.1 煤層埋深

..煤層埋深與高階煤儲層滲透率

沁水盆地主力煤儲層滲透率與埋深關系的統計數據表明(圖5(a))，高階煤儲層滲透率隨埋深增大呈指數減小的趨勢，埋深大于900 m時煤層滲透率普遍小于0.1×10m，600 m以深煤層滲透率隨埋深的衰減開始加快。然而埋深相似煤層的滲透率差異性仍然很大，可相差1～2個數量級，這一般是煤儲層本身非均質性和構造應力區域差異性造成的。

圖5 沁水盆地3號煤層滲透率、含氣量與埋深關系Fig.5 Relationship between depth with permeability and gas content of No.3 coal in the Qinshui Basin

..煤層埋深與高階煤儲層含氣量

從沁水盆地主力煤儲層數據統計來看(圖5(b))，煤層埋深影響煤層含氣量變化，但其相關性并不顯著，這與前人結果基本一致。最大煤層含氣量與煤層埋深的相關性更強，在800 m以淺變化規律不顯著，800～1 000 m最大煤層含氣量隨埋深增加而增加，1 000 m以深最大煤層含氣量隨埋深增加而呈減小。高階煤儲層含氣量與其吸附能力密切相關，在溫度負效應和壓力正效應疊加作用下煤巖吸附能力隨煤層埋深增大呈現先增后減趨勢，最大吸附能力對應煤層埋深在1 000 m左右，這與煤巖等溫吸附實驗模擬結果一致(圖6)，表明煤層埋深對高階煤含氣量的影響體現在溫度壓力共同約束下的煤巖吸附能力。

圖6 高煤階煤層吸附氣量與煤層埋深的變化關系[18,37,55-56]Fig.6 Relationship between adsorption capacity of high-rank coals and depth[18,37,55-56]

..煤層埋深與高煤階煤層氣富集

煤層埋深對高階煤含氣量和滲透率的影響不同，在中淺部(<1 000 m)，隨煤層埋深增大2者具有相反的變化趨勢，即高階煤含氣量逐漸增加而滲透率快速減小；但深部煤層含氣量和滲透率隨煤層埋深增大均呈減小趨勢，只是減小幅度不同且變化不夠明顯。顯然高階煤含氣量和滲透率隨煤層埋深的兩階段變化特征對不同深度煤層氣富集的影響不同。正因為中淺部煤層含氣量、滲透率隨煤層埋深增大呈截然相反的變化關系，因此存在一個平衡帶深度使得這2個參數值均能保持煤層相對富氣高滲。通過統計鄭莊—樊莊區塊和前人沁水3號煤與韓城5號煤煤層氣單井產量、含氣量和滲透率數據，可以看出高產煤層氣井的煤層埋深在300～800 m(圖7)，煤層含氣量的下限為15 m/t，滲透率的下限為0.2×10m。值得注意的是，深部煤層含氣量隨深度增大減小緩慢，1 000 m以深煤層含氣量仍然大于20 m/t，而煤層滲透率隨深度增大的快速衰減是限制煤層氣富集的主要原因。因此，在地質構造相對簡單(如寬緩的褶曲翼部或向斜軸部)，煤體結構以原生結構煤為主且較為均一的中淺部區域，高煤階煤層氣富集區預測應綜合考慮煤層埋深控制煤層含氣量和滲透率的平衡效應；而在地質構造相對復雜、地應力高的深部煤層發育區，在構造高位煤層可經受正面改造(孔裂隙增加)形成相對高滲儲層，這些構造高位就成為深部高階煤煤層氣富集區。

圖7 晉城富集區、韓城-延川南富集區煤層氣直井日產氣量與煤儲層埋深的關系Fig.7 Relationship between CBM gas production,gas content and permeability with depth in the Southern Qinshui and Hancheng areas

3.2 地質構造(含構造應力)

..構造與高階煤儲層滲透率

現今構造應力場與煤儲層滲透率關系密切，如圖8所示，水平最大主應力指示的構造應力越大，煤儲層滲透率越低；當最大主應力方向與煤層裂隙發育優勢方向一致或相近時，沿該方向則可能產生相對高的裂隙開度和煤層滲透率，垂直方向則煤層滲透率相對較低。不同構造樣式是不同古構造應力場作用的結果，因此不同性質古構造應力和構造發育對煤層滲透率也往往具有顯著且截然不同的影響，在逆沖推覆帶、逆斷層發育的構造擠壓帶等古構造應力集中區，煤層裂隙發育差、滲透率較低，而在正斷層發育的構造拉伸帶等應力松弛區，也是煤層裂隙相對發育和高滲透率分布區。沁水盆地山西組3號煤層滲透率總體表現為盆地軸部和深部較低，而兩翼和淺部較高，優勢滲透率展布呈NE方向，這是由于煤層主要發育NNW向優勢外生裂隙，與盆地內主要褶曲構造軸部跡線方向一致，亦與喜馬拉雅期最大主應力方向大體接近，同時煤層滲透率區域變化也受到淺部覆巖應力小、深部覆巖應力大的共同控制。盆地東南部煤層具有明顯的高滲透率特征，在高異常地熱場區域巖漿熱變質作用形成孔裂隙相對發育的煤儲層基礎上，疊加了NNE向高角度正斷層(寺頭斷層和晉獲斷裂帶)的影響。

圖8 沁南地區樊莊—鄭莊區塊水平應力與3號煤層滲透率的關系[58]Fig.8 Relationship between horizontal stress field and permeability of No.3 coals in Fanzhuang-Zhengzhuang Block,Southern Qinshui Basin

除了構造類型，褶曲的曲率也是影響煤層滲透率的重要表征參數。褶曲曲率過小，煤層破裂變形程度也低，裂隙不發育導致煤層滲透率低，相反如果曲率過大，煤層塑性變形強烈，甚至生成糜棱煤等構造煤，則會導致煤層滲透率顯著降低，因此適中曲率的褶曲發育有利于煤層氣富集。特別是隨著埋深增加，現今構造應力對煤層滲透率的控制作用逐漸減弱，曲率代表的構造形態對煤層滲透率的影響變得更為顯著。秦勇等研究表明沁水盆地高階煤儲層高滲區的構造曲率在0.05×10～0.20×10m，盆地東南部3號煤層構造曲率在0.1×10m左右，這也是該區域煤層滲透率相對較高的原因之一。

..構造與高階煤儲層含氣量

現今構造對高階煤儲層含氣性的影響主要體現在能否形成有利的保存條件上，構造及地層的有利配置是煤層氣富集的重要保存條件。向斜核部上覆地層處于受擠壓狀態(中和面以上)，張性斷層和裂隙不發育且緊閉，有利于煤層氣的保存，而背斜核部上覆巖層處于拉張狀態，張開裂隙發育，煤層氣不易保存聚集，因此對于埋深不大的煤層來說，向斜核部多為煤層氣富集區。例如，在沁水盆地淺部煤層含氣性好的煤層氣井分布在遠離背斜核部，靠近向斜核部與遠離斷層的部位，高含氣量部位與壓性構造密切相關。

..構造與高煤階煤層氣富集

構造形態對煤層氣富集的控制不是簡單的受褶曲或斷層的影響，本質上來說應是受構造引起的割理裂隙系統不均勻發育所控制。在已有高煤階煤層氣富集高產地質模式中，既有單斜構造、向斜構造，也有背斜構造，甚至在某些壓性斷層發育部位亦發現了高產井。這些現象說明，對于高煤階煤層氣富集的構造控制作用，應具體分析不同性質地質構造和地應力場控制煤層含氣性和滲透率變化的綜合效應。壓性構造中，擠壓應力使得煤層有效應力增大，煤中孔裂隙或裂隙開度不發育，尤其是起導流作用的裂隙基本處于受壓閉合狀態，因此煤層氣富集高產區往往出現在淺部或褶曲核部。張性構造中，由于先期形成的裂隙開度增大，對含煤層氣系統的封閉和保存能力卻起到一定的負面影響，因此煤層含氣量普遍較低，然而對煤層滲透率的激勵作用十分明顯，在保存條件相對好的地區往往易形成富集高產區，因此需要較大埋深或較為致密的上覆巖層，如正斷層發育區的半地塹構造，簡單的拉伸剪切作用易形成煤儲層連通裂隙，導致煤層氣高產井的分布。構造對高階煤煤層氣富集的控制作用不僅體現在盆地演化史和構造熱史等構造相關的賦煤盆地形成過程，同時還有現今構造格局和應力場分布特征。

3.3 煤體結構

高階煤形成過程表現為強烈的有機質熱演化和煤變質作用，同時煤層往往經歷了不同程度的構造變形，對煤層裂隙發育和滲透率產生非常顯著的影響，同時也影響煤層孔隙發育和含氣性。煤體結構是高煤階煤層氣富集不可忽視的主控地質因素。

..煤體結構特征

煤體結構是反映煤巖石力學強度和構造變形程度的重要煤儲層特征。在煤層形成后，煤層不可避免會受到后期構造運動的改造，原生結構煤受構造應力改造或破壞發生變形，從而改變原有的巖石物理結構甚至內部化學成分，形成構造變形煤(構造煤)。按變形機制，構造煤可分為脆性變形煤(碎裂煤)、脆性韌性疊加變形煤(碎粒煤)和韌性變形煤(片狀煤、糜棱煤)。根據不同變形環境和應力狀態，可以將構造煤細分為多種類型，構造煤與原生結構煤、不同構造煤間煤儲層物性特征均具有顯著差異。

..煤體結構與高階煤儲層滲透率

煤體結構是影響煤層滲透率的重要因素，甚至是主要因素，碎裂煤總體滲透率比原生結構煤高，比碎粒/糜棱煤高2個數量級左右，表明輕微的構造變形破壞產生的裂隙、微裂隙對滲透率有明顯的貢獻。原生結構煤經過輕微改造形成的碎裂煤，其裂隙系統擴展并相互連接能夠極大提高滲透率，有利于煤層解吸氣體釋放，碎裂煤發育區多是煤層氣富集高產區。而強烈構造應力和應變能使原生結構煤演變為糜棱結構煤，這種情況下煤原生割理裂隙系統不復存在，宏觀裂隙迂曲度增加，連通性極差，進而大幅降低了煤層原始滲透率。

圖9展示了原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的微觀裂隙發育特征。可以看到，原生結構煤微裂隙不甚發育且相互之間相對獨立，連通性不高；碎裂煤微裂隙發育且相互連通，形成了發育的滲流網絡，極大提高了滲透率；隨著煤體結構進一步破碎，裂隙之間相互交錯，寬度變窄，大中孔顯著減少，流體在裂隙中流動緩慢且相互影響，難以形成統一的滲流路徑，故降低了煤層總體滲透率。

..煤體結構與高階煤儲層含氣量

高階煤含氣量主要受控于煤巖吸附能力，而吸附能力則與煤基質孔隙，尤其是微孔發育程度有關。隨著煤體破壞程度增加，煤巖吸附量呈增大趨勢。這是由于隨著煤體破壞程度增加，不同孔徑段孔容和比表面積均有所增加，其中大中孔孔容增加幅度大于微孔。高階構造煤孔容和比表面積相對于原生結構煤均顯著增大，而隨著破碎變形程度的加劇，這種增大趨勢越明顯，這是造成構造煤含氣量普遍較高的根本原因。大量研究和生產實踐已證實，構造煤發育區一般為瓦斯突出礦井分布區，也是煤層高含氣量分布區。

..煤體結構與高煤階煤層氣富集

對于不同煤體結構的高階煤，即使是類似煤級或煤巖組分特征，顯著差異的孔裂隙結構決定了高階煤往往具有顯著不同的含氣性和滲透率。煤層經歷的脆性變形、韌性變形類型不同，對煤層孔裂隙改造的效果截然相反，必然對煤層氣富集產生不同的影響。脆性變形一般發生在覆巖應力和構造應力較小的煤層，擠壓或拉張應力作用下導致煤層多組裂隙發育，其貢獻主要體現在增強起連通作用的裂隙發育程度，因此能顯著提高煤層滲透率，而對吸附主要發生場所的微孔比表面積增加的貢獻較小，煤層含氣量較原生結構煤變化不大。韌性變形一般發生在較高地層溫度、壓力和地應力下，擠壓或剪切應力作用導致褶曲和煤巖流動變形構造發育，其影響一方面主要體現在增加微孔和小孔的比表面積，因而能增大煤層的吸附能力，而另一方面對起連通作用的原生裂隙，實際是破壞和壓實，導致煤層滲透率顯著降低。因此煤體結構對高煤階煤層氣富集的控制作用類似于埋深，對煤層滲透率、含氣量的影響顯示相反的方向。變形程度相對弱的碎裂煤有利于高階煤煤層氣的富集。

圖9 不同煤體結構煤顯微裂隙照片Fig.9 Micrographs of coal petrography of different coal body structures

4 基本控制機理

煤層滲透率隨埋深呈指數減小，其本質原因是覆巖應力的增加造成孔裂隙的閉合。不同構造部位下的構造應力場和地質構造特征通過影響煤層孔裂隙發育及其開合度來控制煤層滲透率。而煤體結構則是地質時期古地應力場作用導致煤層變形的具體表現，其對煤層滲透率的控制也是基于不同時期古地應力作用下煤儲層孔裂隙結構的改變性質或破壞程度。因此，埋深、地質構造、煤體結構等關鍵主控地質因素通過地應力、裂隙及應變破壞特征控制煤儲層滲透性是高煤階煤層氣富集的基本機理。

4.1 地應力控制

地應力控制煤層滲透率的實質是煤儲層應力應變導致孔裂隙發生改變從而影響煤層滲透率。地應力作用下的煤儲層孔裂隙改變有2種不同的結果：正向變化，孔裂隙增加，連通性變化變好，或裂隙開度變好；負向變化，孔裂隙減少，連通性變差，或裂隙開度變差。煤儲層應力場狀態主要由覆巖應力、構造應力和儲層壓力所決定，覆巖應力和地層壓力與煤層埋深的關系直接密切。垂向上主要為覆巖應力，水平方向上為構造應力和覆巖誘導應力，最大主應力方向存在垂向和水平方向2種不同的可能狀態，最大主應力的轉換是造成煤層滲透率變化的重要原因。沁水盆地南部高階煤儲層主節理與現今構造應力場最大主應力方向相近或一致，這就造成了裂隙的相對拉張，而主應力差越大，這種拉張效應也越強，從而顯著提高煤層滲透率。然而隨著煤層埋深增加和覆巖應力增大(>1 000 m)，垂向主應力可能成為最大主應力，即使處于相對拉張構造應力的正斷層發育區，也會造成孔裂隙閉合，從而降低煤層滲透率。儲層壓力可降低有效應力，對煤層滲透率具有正效應，即儲層壓力越大，煤儲層有效應力越小，起到撐開裂隙的作用，然而儲層壓力對滲透率的影響應小于覆巖應力和構造應力對滲透率的影響。有效應力增加往往會直接導致孔裂隙的變形甚至閉合，降低煤層滲透率，并且隨著煤階升高煤層滲透率降低更為顯著。低應力狀態下(<6 MPa)，有效應力增加導致裂隙和煤基質的大孔、微裂隙出現閉合現象，煤層滲透率顯著降低；而高應力狀態下(≥6 MPa)，煤層可壓縮性降低，有效應力增加主要導致中小孔閉合，對煤層滲透率的影響幅度變小(圖10)。由于應力場的方向性和應力大小的差異性，煤儲層滲透率的各向異性也十分顯著，總體而言，平行于張開主裂隙發育方向的煤層滲透率最大，垂直于張開主裂隙發育方向的煤層滲透率最小。

圖10 室內模擬實驗顯示有效應力與滲透率的關系[74]Fig.10 Laboratory investigations on the relationship between effective stress and permeability[74]

地應力對煤層含氣性也有一定的影響，但相對次要。一方面，覆巖應力、擠壓構造應力和有效應力增大，煤層受壓縮孔隙度顯著降低，不利于游離態甲烷的賦存；另一方面，地應力增大也往往伴隨著儲層壓力增大，根據Langmuir吸附理論，儲層壓力增大可促進煤層吸附更多甲烷。由于煤層氣主要以吸附態保存，地應力對煤層含氣性影響的負效應一般小于正效應，故應力集中區煤層含氣量普遍較高。

4.2 煤儲層裂隙及應變破壞特征控制

裂隙(割理)的發育特征直接影響滲透率的大小和方向，這是由于割理裂隙系統具有良好的連通性，面割理和端割理的連通性是影響煤巖滲透率的重要因素。煤基質滲透率(孔隙滲透率)遠小于裂隙滲透率，高階煤儲層更是如此。然而煤層在形成后普遍經歷多期構造變動，如沁水盆地高階煤先后經歷海西運動、燕山運動和喜馬拉雅運動，各期構造運動產生的應力場性質差異明顯，對煤層變形改造作用各異，必然導致煤層原生割理系統的破壞，因此煤巖的滲透率不僅受原生割理系統控制，還取決于割理系統形成后構造應力應變帶來的煤層外生裂隙和煤巖應變破壞特征，這就是煤體結構控制煤層氣富集的主要原因。煤巖應變破壞實驗表明：不同儲層條件下煤巖受應力作用會產生不同形態的裂隙系統；含水煤儲層流體壓力增大，煤巖從脆性剪切破壞逐漸變化為韌性破壞；煤巖應變破壞隨應力增加而逐漸增強，在強構造應力場發育區，煤巖裂隙系統受到破壞，甚至發育糜棱結構。

煤巖應變破壞的過程控制著滲透率的變化，其本質是煤巖變形造成的裂隙、微裂隙或孔喉的開合。具體來說在煤巖彈性變形階段，煤巖被壓縮，若原生裂隙發育，則煤巖滲透率降低；而對于裂隙不發育的煤，其滲透率基本無變化。在到達煤巖彈性極限后，隨著應力增加，煤巖發生脆性變形和裂縫的擴展，該階段滲透率先緩慢增加而后隨裂隙擴展而急劇增加。達到巖石強度后，煤巖在應力作用下發生軟化，煤巖破碎嚴重，裂隙被破壞或被煤粒/煤粉重新填充，滲透率急劇降低。隨著煤巖重新被壓實，滲透率逐漸趨于穩定。對于完整煤樣(裂隙不發育)，均存在滲透率陡增的過程，這是由于剪切破壞造成的大量裂隙、微裂隙所致，該階段裂隙結構可對應于碎裂煤。在應力-應變增加的實驗模擬過程中，伴隨著煤體結構未變形、脆性變形、韌性變形的連續變化，煤巖滲透率的變化規律與前文所述煤體結構對煤層滲透率的控制規律一致，因此在應力場的作用下煤巖應變破壞的過程對煤層中裂隙的改造作用是煤層滲透率改變的根本原因。

由于吸附作用主要是發生在煤基質微小孔隙內表面，且吸附量占煤層含氣量的絕大多數，因此煤巖比表面積的增加往往會使得煤層含氣量顯著增加。煤巖的應變過程是從彈性形變、脆性形變再到韌性形變的連續過程，彈性形變實質是對煤巖原生孔隙的壓縮，脆性形變產生新的裂隙，均對微孔影響較小，而韌性形變則是煤體軟化破碎，發生力化學作用，煤大分子側鏈脫落，芳香環縮合，微孔大量生成。因此，對于無顯著裂隙發育的煤巖來說，煤層含氣性在應變破壞的過程中先輕微減小或不變，而后緩慢增加，應變達到煤巖強度后，隨著煤體粉末化加劇，含氣量會顯著增加。

4.3 綜合控制

煤儲層裂隙發育、應變破壞特征與地應力相互緊密關聯。一般而言，煤層的裂隙發育與應變狀態是古地應力作用的結果，特別是構造復雜地區，古構造應力導致煤層應變破壞的現象尤為明顯。高階煤煤化程度高，失水收縮和含氧官能團裂解產生的部分煤巖內生裂隙在煤化作用后期壓實、填充和煤大分子重新縮聚過程中逐漸消失，因此，煤變質作用過程中覆巖應力(靜巖壓力)、流體壓力(儲層壓力)和構造應力對高階煤裂隙狀態和應變破壞的控制尤為重要。由于煤層的強烈非均質性，即使相同的應力場條件，煤體的變形程度和孔裂隙結構都不盡相同。因此，高階煤的滲透率主要由現今地應力狀態和裂隙與應變破壞狀態共同控制。

原始煤層在地應力作用下發生煤體結構的改變，不同裂隙發育程度的原始煤層在地應力增加的過程中發生不同的煤體應變和破壞特征。裂隙不發育的原始煤層在地應力作用下會先產生新裂隙與裂隙開度的增加造成滲透率顯著增加，而后在裂隙閉合和破壞下煤層滲透率急劇衰減；而裂隙發育的煤層在地應力增加過程中裂隙處于持續壓縮和破壞中，因此煤層滲透率不斷衰減(圖11)。因此，對于不同裂隙發育狀態的煤層，地應力與煤體應變、破壞特征共同控制煤層滲透率機理不同，原始煤層裂隙發育越復雜，煤層滲透率應力敏感性越明顯，隨地應力增加煤層滲透率減小越顯著，然而隨著地應力不斷增加，源于不同裂隙發育狀態原始煤層的煤體結構相似度變高，應力應變控制的滲透率變化規律趨于一致。值得注意的是，相較于應力狀態易受構造和埋深條件的不同變化影響，煤體形變和破壞程度是不可逆過程，但在煤體形變和破壞過程中，發生應力松弛或卸載都會導致煤層滲透率的增大。這是由于地應力減小導致煤體膨脹、孔裂隙及其開度增加，增加和改善了流體流動的路徑，煤體破壞程度越高應力釋放后煤層滲透率變化越大，此時煤層滲透率受卸載后地應力狀態和卸載前煤體最終應變破壞特征控制。糜棱煤等典型構造煤應力釋放時滲透率顯著改善的特征成為煤層氣應力釋放開發理論的重要地質依據。

圖11 地應力變化與煤體應變破壞過程對高階煤滲透率與含氣量的控制模式Fig.11 Coupling controlling of stress field and strain failure of coal body on gas content and permeability of high-rank coals

煤層含氣量的大小主要取決于煤層的吸附能力和儲層壓力，因此孔裂隙的發育程度，特別是微孔的發育程度直接影響該煤層的含氣量。煤層中的微裂隙和宏觀裂隙屬于大孔，對煤層吸附能力貢獻不大，煤體的脆性形變與破壞對含氣量幾乎無影響，反而是在地應力升高下部分孔裂隙的壓縮和閉合會導致含氣量有所減小；隨著應力的不斷增加，煤體發生揉皺和強烈韌性變形，甚至動力變質作用和力化學作用，煤中大分子結構的官能團、支鏈等斷裂、脫落，形成部分微孔；同時，煤的芳香環片層增大、間距減小，芳香片層間相互錯位堆積，使層間孔增多。因此在高地應力作用下的煤體強烈形變與破壞過程后期，形成碎粒煤、片狀煤、糜棱煤等典型的構造煤，煤層的含氣量會隨著微孔的增加而迅速增加，但原始地應力條件下構造煤的滲透率非常低。

5 結 論

(1)區域巖漿熱變質作用成因高階煤是高煤階煤層氣富集的基本地質背景。相對于富氣低滲的深成熱變質成因高階煤，區域巖漿熱變質成因高階煤具有富氣高滲特征。沁水盆地南部(晉城)、鄂爾多斯盆地東南緣(韓城—延川南)、沁水盆地北端(壽陽—陽泉)、黔北—川南(織金—筠連)等中國高煤階煤層氣富集區煤儲層均以區域巖漿熱變質成因為主。高煤階煤層氣富集區形成于高異常地熱場條件，甚至與成煤期后巖漿侵入體相關，煤層生氣能力和吸附能力大，且孔裂隙相對發育、滲透率較高。

(2)高煤階煤層氣富集規律是煤層含氣量和滲透率在不同埋深和構造條件下耦合配置的結果，以沁水盆地為例，煤層埋深500 m以淺，發育高階煤煤層氣向斜富集模式，煤層氣高產井多出現于向斜核部；煤層埋深500～800 m，發育高階煤煤層氣褶曲翼部斜坡帶富集模式，煤層氣高產井多位于寬緩褶曲翼部或單斜斜坡帶；煤層埋深800 m以深，發育高階煤煤層氣構造高位富集模式，煤層氣高產井主要位于背斜核部、鼻狀構造轉折端等構造高點部位。

(3)煤層埋深、地質構造(含構造應力場)、煤體結構等決定高階煤儲層滲透率的主控地質因素構成高煤階煤層氣富集關鍵主控地質因素。煤層甲烷風化帶下限深度至1 000 m埋深左右，煤層滲透率隨埋深呈負指數減小；地質構造和構造應力對煤層滲透率的控制作用相對復雜，煤層拉張裂隙發育且與現今最大主應力方向一致的構造部位煤層滲透率高；不同煤體結構高階煤中碎裂煤裂隙發育，連通性好，滲透率最高。高階煤煤層氣富集是煤層埋深、地質構造(含構造應力場)、煤體結構等主控地質因素共同作用和地質選擇的結果。

(4)埋深、地質構造、煤體結構等關鍵主控地質因素通過煤儲層地應力、裂隙與應變破壞耦合關系控制高階煤煤儲層滲透性是高煤階煤層氣富集的基本機理。地質構造和煤體結構是古地應力的主要表現，主要控制煤儲層裂隙發育；煤層埋深是現今覆巖應力和地層壓力的主要表現，和現今構造應力一起控制煤儲層裂隙的開合度和各向異性；在地應力場作用下煤巖應變破壞過程對煤層中裂隙的改造作用是高階煤煤層滲透率變化的根本原因。糜棱煤等典型構造煤應力釋放時滲透率顯著改善的特征成為煤層氣應力釋放開發理論的重要地質依據。

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