盆地煤層氣條件及開發(fā)

PAGEPAGE3沁水盆地煤層氣成藏條件及開發(fā)規(guī)劃（開發(fā)規(guī)劃）中聯(lián)煤層氣有限責任公司中國礦業(yè)大學（北京）二○○六年八月沁水盆地煤層氣成藏條件及開發(fā)規(guī)劃（開發(fā)規(guī)劃）項目承擔單位：中聯(lián)煤層氣有限責任公司中國礦業(yè)大學（北京）項目負責人：安里千接銘訓項目顧問：楊陸武項目參加人：胡愛梅徐文軍劉升貴毛靈濤宮偉力宋向生魏峰王超王志剛譚禮平計算機制圖：郭海英岳守峰王莉趙振華田張麗何岷張叔存劉娟盛瑞瑞郭冰項目研究時間：2004年1月—2006年8月目錄TOC\o"1-3"\h\z1區(qū)域地質條件總結 11.1沁水盆地概況 11.2區(qū)域地質與構造演化 12、煤層氣藏基本特征及其控制條件 42.1煤層賦存特征 42.1.1煤系煤層總厚度分布特征 42.1.215號煤層厚度分布特征 42.1.33號煤層厚度分布特征 52.2煤層埋藏深度 62.3煤層變質和結構變異 72.4煤層含氣格局 102.5地層起伏沉降運動與含氣總格局的關系 122.6地溫變化與含氣總格局的關系 142.7水動力環(huán)境對煤層氣富集的再分配 152.8煤層含氣格局及其控制因素研究對勘探的啟示 203、應力滲透率預測模型 223.1構造應力研究 223.1.1古構造應力場對煤儲層裂隙分布的控制 223.1.2現(xiàn)代構造應力場對煤儲層滲透性的控制 223.2煤儲層高滲透性區(qū)域預測 233.2.1煤層裂隙發(fā)育區(qū)預測 243.2.2現(xiàn)代構造應力場分布特征 303.2.3高滲區(qū)與最大主應力差、高斯曲率的耦合關系 313.3基于應力場的滲透率預測對勘探開發(fā)的意義 354沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評估 364.1煤層氣資源評價 364.2沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力 365沁水盆地煤層氣產(chǎn)能預測及開發(fā)技術優(yōu)選 405.1基本思路 405.2模擬參數(shù) 405.3模擬結果分析 415.4煤層氣開發(fā)技術優(yōu)選 485.4.1開發(fā)技術概述 485.4.2技術參數(shù)與經(jīng)濟指標的對比 495.4.2模擬產(chǎn)能對比 505.4.3煤層氣井試采情況 525.4.4不同氣藏開發(fā)策略和技術方案建議 536沁水盆地煤層氣勘探開發(fā)規(guī)劃 556.1勘探和開發(fā)的原則 556.2勘探規(guī)劃 556.3遠期產(chǎn)能建設方案 576.4沁水盆地南部煤層氣開發(fā)規(guī)劃 586.4.1沁南煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀 586.4.2沁水盆地南部開發(fā)部署 597總結 637.1基本學術認識 637.2基本結論 63PAGEPAGE281區(qū)域地質條件總結1.1沁水盆地概況沁水盆地位于山西地臺的南部，東鄰華北盆地西接鄂爾多斯盆地。沁水盆地是向斜構造盆地,被出露的寒武系、奧陶系高山或高地所環(huán)繞,西緣的霍山(海拔2.0～2.5km)是區(qū)域性高地勢區(qū)。盆地內(nèi)多為上古生界及中、新生界構成的低山、丘陵,少部分為平原區(qū)。盆地表現(xiàn)為一個巨型淺碟狀構造，盆緣具系列相互平行的小型褶曲，向軸部緩慢傾斜，盆底相對平坦?？傮w構造在受到一系列地史上相互切割的構造作用整合而最后定型，這些構造包括東西向的秦嶺褶皺帶、北北東-南南西的山西地臺和太行山斷裂、北北東-南南西向的華北復合盆地等。盆內(nèi)構造細分為北北東-南南西和北東東-南西西兩個主要走向。區(qū)內(nèi)共發(fā)育有13個煤層，包括1#,2#,3#,5#,6#,7#,8#,9#,14#,15#,16#,和17#，但其中僅#3和15#煤層全區(qū)穩(wěn)定，兩層煤平均厚度8m。煤系地層主要表現(xiàn)為山西組典型的砂巖和泥巖組合和太原組的砂泥巖及石灰?guī)r組合。山西組和太原組分別發(fā)育有3#和15#煤層。1.2區(qū)域地質與構造演化山西省東南部位于中朝準地臺內(nèi)二級構造單元內(nèi)，位于呂梁隆起帶東側、太行復背斜西側、五臺隆起帶以南、中條隆起帶以北，是中生代形成的大型復式向斜盆地（圖1.1）。與廣大華北地區(qū)一樣，研究區(qū)在寒武紀至中奧陶世時，地殼穩(wěn)定沉降，在古老結晶基底上形成了淺海相碳酸鹽為主的沉積。中奧陶世以后，由于加里東地殼運動，使華北地臺整體隆起，致使研究區(qū)缺失了晚奧陶世至早石炭世的沉積。到中石炭世，海西運動使本區(qū)地殼再次沉降，沉積了石炭二疊紀海陸交互相含煤地層，奠定了形成煤層氣的物質基礎。沁水盆地自中石炭世開始接受沉積以后，先后經(jīng)歷了四次構造運動，即海西期、印支期、燕山期和喜山期運動，這幾次構造運動均對沁水盆地產(chǎn)生了顯著的影響。①海西運動使盆地持續(xù)沉降接受沉積。這期間在太原組沉積的早期處于近水平狀態(tài)，并與西北海連通，整個運動對盆地表現(xiàn)為地殼呈整體緩慢變動形式，沒有給盆地造成明顯的斷裂和褶曲。②在印支運動的早期，本區(qū)地殼沉降速率加大，形成厚度巨大的早三疊世至晚三疊世地層，自印支運動晚期的三疊紀末期開始，使華北地臺逐漸解體，沁水盆地開始整體抬升，遭受風化剝蝕，結束了從石炭紀至三疊紀的連續(xù)沉積歷程。③燕山運動期，華北板塊受太平洋和歐亞板塊的擠壓，在自西向東擠壓應力作用下，石炭、二疊系及三疊系等地層隨山西隆起的上升而抬升、褶皺，形成了軸向近南北的沁水復式向斜，向斜軸走向呈NNE向，并伴隨形成一系列NE、NEE及NW向的短軸背、向斜及規(guī)模不等的斷裂構造。在沁水復向斜兩翼進一步翹起時，向斜軸部地區(qū)相對沉陷。至燕山晚期沁水盆地的形態(tài)已基本定型。④喜山運動使燕山運動形成的褶曲及斷裂構造進一步深化。區(qū)域構造應力方式發(fā)生了改變，相應的構造運動以改變先期變形為主，其構造類型以斷裂為主，褶皺次之。在沁南地區(qū)形成了東西向北東向斷層組成的弧形斷裂帶，其中的寺頭正斷層構成了沁南煤層氣田的西部邊界。由于煤層沉積后擠壓應力作用并不強烈，而且自燕山晚期以來主要以拉張應力為主，使煤層保持了較好的原生結構，割理裂隙得以保留并在局部地區(qū)得到強化；同時，由于構造相對簡單，沒有造成大面積的斷裂逸散，使煤層氣得以在一個較好的構造環(huán)境中保存下來。圖1.1沁水盆地構造綱要圖2、煤層氣藏基本特征及其控制條件2.1煤層賦存特征2.1.1煤系煤層總厚度分布特征沁水盆地主要煤層主要賦存在太原組和山西組，煤系煤層總厚度變化在3.65～23.8m之間。其平面展布規(guī)律在南北方向上，總體是由北向南煤層增厚，在東西方向上，總體上是由西向東煤層變厚。就地區(qū)而言，在壽陽地區(qū)，主要煤系煤層總厚度在0～16m之間，平均10.64m。在陽泉地區(qū)，出現(xiàn)一個局部厚煤區(qū)，煤層平均厚度為13.71m。在和-佐區(qū)及襄垣地區(qū)，主要煤系煤層總厚度在8.7～15.79m之間，平均12.21m。在屯留-長子地區(qū)，此區(qū)煤層厚度差異比較大，主要煤系煤層總厚度在3.65～18.5m之間，平均厚度在11.05m。在這一地區(qū)的西北部有一個低值區(qū)，最小厚度僅為3.65m。在高平-樊莊區(qū)，主要煤系煤層總厚度在9.7～14.97m之間，平均11.51m左右。在沁源地區(qū)，主要煤系煤層總厚度變化比較明顯，北部地區(qū)的煤層厚度明顯高于南部地區(qū)，厚度變化范圍在4.35～11.79m之間，平均5.79m。在晉城地區(qū)，主要煤系煤層總厚度在10.24～15.3m之間，平均13.03m。在沁北-霍東地區(qū)，主要煤系煤層總厚度相對來說比較薄，一般在4～9m之間，平均8.98m。沁水盆地主要煤系煤層總厚度分布圖2-1所示。圖2-1沁水盆地主要煤系煤層總厚度分布2.1.215號煤層厚度分布特征太原組主要可采煤層（15煤）厚度變化在0～10.3m之間。其平面展布規(guī)律（圖2-2）總體上表現(xiàn)為北厚南薄，在盆地的北部地區(qū)，總體上表現(xiàn)為東厚西薄，在盆地南部地區(qū)，這種趨勢不明顯。就地區(qū)而言，在壽陽地區(qū)，煤層的厚度變化在0.27～5m，平均厚度也在3.5m左右。在陽泉地區(qū)，煤層厚度變化在4.18～10.3m之間，平均厚度在5m左右。在和-佐及襄垣地區(qū)，煤層厚度變化在0.5～8.05m之間，平均厚度在3.0m左右。在屯留-長子地區(qū)，煤層變化范圍在0.84～6.4m之間，平均厚度在3.5m左右。在高平-樊莊地區(qū)，煤層厚度變化在1.15～5.53m之間，平均厚度為2.5m左右。在沁源地區(qū)，煤層厚度變化在0～4.67m之間，平均厚度在2m左右。在沁北-霍東地區(qū)，煤層平均厚度在1.8m左右。在大寧-寺河礦區(qū)，煤層厚度在1.08～3.94m之間，平均厚度在2.6m左右。圖2-2沁水盆地15號煤層厚度2.1.33號煤層厚度分布特征山西組主要主采煤層（3煤）厚度變化在0～8m之間。其總體變化趨勢與太原組主要可采煤層（15煤）呈現(xiàn)出相反的趨勢，是由北向南煤層厚度逐漸變厚，并且在盆地南部，由西向東煤層變厚的趨勢比較明顯。就不同地區(qū)來說，地區(qū)間煤層厚度差異比較大。在壽陽地區(qū)，煤層厚度在0～5m之間，平均厚度僅1.5m左右。在和-左及襄垣地區(qū)，煤層厚度在0.3～2.75m之間，平均厚度在1.5m左右。在屯留-長子地區(qū)，煤層厚度在1.2～8m之間，煤層厚度變化范圍大，但主要集中在5m左右，平均厚度在5m左右。在高平-樊莊地區(qū)，煤層厚度在1.5～6.92m之間，平均厚度在5.5m左右。在沁北-霍東地區(qū)，越往東南，煤層越厚，煤層厚度在0.15～3.69m之間，平均厚度在2m左右。在沁源地區(qū)，煤層相對比較薄，厚度在0～1.73m之間，平均厚度在1m左右。在大寧-寺河礦區(qū)，越往東，煤層越厚，煤層厚度一般在2.7～7.59之間，平均厚度在6m圖2-3沁水盆地3號煤厚度分布圖2.2煤層埋藏深度區(qū)內(nèi)太原組、山西組煤層埋深受環(huán)形向斜構造盆地和局部新生代斷陷控制，埋深由邊緣露頭向盆地中部增大，石炭系底埋深0—5000余m。其中西北部平遙、祁縣、太谷一帶的晉中斷陷，煤層埋深達2000—5000余m，是埋深最大的地區(qū)，沁縣一帶是向斜軸部，煤層埋深2000—3000m。埋深小于1000m區(qū)分布于盆地邊部，分布面積14750km2，占總含煤面積的52％，以太原—陽泉、襄垣—長治、沁水—陽城和沁源—安澤四個地區(qū)面積較大。埋深1000—2000m含煤帶呈環(huán)帶狀分布于前兩者之間，面積9950km2，占總含煤面積的35%，以中南部和東北部分布面積較大。從沁水盆地山西組和太原組主要可采煤層（3煤和15煤）埋藏深度等值線圖（圖2-4和圖2-5）可見，3煤和15煤的埋深規(guī)律一致，在盆地周圍有太原組和山西組出露，從煤層露頭線向盆地中央煤層埋藏深度逐漸增大，以白壁為中心的地區(qū)，煤層埋深超過2000m。在晉中斷陷，煤層埋藏深度一般在2000—4000m。綜觀沁水盆地煤層埋藏深度變化，埋深2000m以淺地區(qū)約占盆地總面積的五分之四，煤層埋深梯度變化在盆地周邊大，向深部逐漸變??；西部大，東部小。從埋深等值線的走向及密度看，盆地東部和南部較西部規(guī)律性好，這說明東部和南部地區(qū)的地層由淺部向深部呈舒緩狀傾斜，構造也比較簡單，西部地區(qū)則相反。圖2-43號煤層埋藏深度等值線圖圖2-515號煤層埋藏深度等值線圖2.3煤層變質和結構變異沁水盆地煤種的平面展布具明顯的分帶性，煤變質分帶是埋藏深度的不同引起的深成變質差異與區(qū)域巖漿熱變質的綜合產(chǎn)物，但深成變質作用占有相當重要的地位，在三疊紀末已形成低煤級的煙煤，至中生代由于古地溫的升高，導致深成變質作用的進一步加強，它是影響沁水煤田現(xiàn)今煤級分帶的主導因素，燕山運動以后，由于強烈的構造活動及深部巖漿活動是煤田南北兩端高變質帶形成的重要因素。喜山期構造活動產(chǎn)生新生代斷陷盆地使煤層埋深又一次加大，從而導致深成變質作用的繼續(xù)。晚古生代和中生代早期，華北板塊在持續(xù)沉降的穩(wěn)定時期，聚煤盆地廣泛沉積了晚古生代含煤地層和三疊紀地層，煤層在此期間經(jīng)受了深成變質作用。變質程度如何，取決于煤層上覆地層厚度。深成變質形成的煤類是不同埋藏類型多次疊加作用的結果，其中對全區(qū)起主導作用的是P＋T的沉降，它促成研究區(qū)煤層煤類平面分布的整體規(guī)律性。前人曾利用沉積速率等方法恢復出沁水盆地二疊系和三疊系原始沉積厚度(表2-1)，從中可以看出，沁水盆地含煤巖系在燕山運動前埋深曾經(jīng)達到4000m以上。楊起等(1988)對華北石炭二疊紀煤變質研究指出，三疊紀后期沁水盆地煤層上覆巖系厚度為2200—4200m，南部侯馬、晉城一帶最厚，向北逐漸減薄，北部陽泉一帶2200m左右，依據(jù)正常地溫增率(3℃／100m)推測，此深度下的煤化溫度大約為80—140表2-1沁水盆地二疊系、三疊系厚度表（據(jù)尚冠雄，1997）地區(qū)厚度(m)PTP+T交城70417302434洪洞68623963082陽泉81815002338左權81617532570武鄉(xiāng)78026493429沁源64224923132晉城86133014162長治104622203266侯馬69235804272臨汾73230023734總觀盆地煤變質作用，具備以下特點：①變質分帶呈半環(huán)狀分帶性明顯。西山西部的狐堰山由于二長巖的侵入，使煤層變?yōu)樘烊唤梗驏|南部依次為無煙煤、貧煤、瘦煤、焦煤和肥煤構成的煤級環(huán)帶。盆地北部的陽泉地區(qū)，自北東向西南方向煤級依次為無煙煤、貧煤、瘦煤。南部的翼城、晉城向北部依次為無煙煤、貧煤、瘦煤。圍繞著高變質地區(qū)呈半環(huán)帶狀分布是本區(qū)煤變質分帶的一個特點。②煤級變化距離短在深成變質作用下，垂向上每增高一個煤級，煤的埋藏深度要增大1000m。但沁水盆地山西組主采層與太原組主采層間距在100m左右，但反射率和揮發(fā)份差值大多都高出一個煤級；平面上延伸不遠則出現(xiàn)煤級變化。③地溫梯度和變質梯度高從盆地變質指標的垂向變化(表2-1)看，沁水盆地煤的反射率梯度大于0.1%／100m，揮發(fā)份梯度大于1%／100m。從我們以往對西北地區(qū)煤變質研究成果看，正常地溫下的深成變質作用的反射率梯度遠小于0.1%／100m，揮發(fā)份梯度也只有每百m百分之零點幾。而本區(qū)煤的變質指標的梯度較正常深成變質作用要高出一個數(shù)量級。變質梯度高可歸結到地溫梯度的變化。從沁水盆地構造熱演化史研究結果看，燕山運動以后，太行隆起、太岳隆起及沁水向斜的形成，改變了原有的均衡熱演化條件，尤其是太行隆起引起莫霍面深度的改變，造成大地熱流背景值升高。此外，構造運動使巖漿活動加劇，形成丁一些規(guī)模不等的侵入體，也使局部地溫背景值升高，如陽泉、晉城等地的煤系基底侵入體的存在，使這些地區(qū)地溫背景值異常高，煤的變質作用加劇，變質指標垂向上變化大，變質梯度高(圖2－6)。

圖2-6山西組3煤層的鏡質組反射率等值線圖④煤中熱變組分發(fā)育煤巖測定發(fā)現(xiàn)，煤中存在諸如中間相小球體、熱解碳、各向異性體等次生的熱變組分，而且煤級越高出現(xiàn)的機率越大，煤巖學研究認為，各向異性熱變組分是煤層經(jīng)受巖漿熱變質作用的證據(jù)。綜上所述，深成變質作用是構成沁水盆地煤的變質格局的基礎。區(qū)域巖漿熱變質作用是導致部分地區(qū)煤變質程度增高的原因。2.4煤層含氣格局沁水盆地煤層含氣量較高，但受復雜的地質因素影響，不同區(qū)域含氣量變化較大。總體來說，地溫變化與地層起伏沉降運動是構建煤層氣生成與保存總格局的基本動力，靜水壓力和水動力環(huán)境是對含氣總格局進行富集再分配的主要地質動力，在地下水水位較低且礦化度較高的滯留區(qū)域，有利于煤層氣的富集和保存。研究工作收集到煤田地質勘探工作中所測定的煤層含氣量數(shù)據(jù)300余個，采樣深度主要在400-700m之間。山西組3號煤層含氣量0.30~24.5m3/t，一般在4~16m3/t，平均10.0m3/t（圖2-7）；太原組15號煤層含氣量0.15~35.13m3/t，一般在4~22m3/t，平均表2-2沁水盆地區(qū)域含氣量變化特征區(qū)域含氣量分布（m3/t）平均含氣量（m3/t）壽陽4.53~29.6913.02潞安1.21~21.28.50晉城3.67~35.1314.77沁源0.5~16.995.67由于煤變質及其演化、煤層的埋藏深度、抬升剝蝕作用和地質構造等因素的影響，使本區(qū)煤層氣含量分布具有明顯的差異性。壽陽地區(qū)3.21～24.5m3/t，陽泉地區(qū)煤層含氣量為6～25m3/t；潞安地區(qū)8～21m3/t；長治詳查區(qū)1.60～13.56m3/t，晉城地區(qū)為8～29m3/t，樊莊地區(qū)煤含氣量為8~23m3/t，這些反映出煤層氣含量在盆地內(nèi)由淺部向深部有逐漸增高的趨勢，但到一定深度，深度繼續(xù)增加而氣含量增加甚小，一般向斜軸部含氣量為16～本區(qū)煤層氣含量相對較高，且煤層含氣量主要受盆地構造和煤層埋藏深度所控制，其平面分布特征與煤層埋藏深度的變化密切相關，表現(xiàn)為自盆地周邊煤層露頭線向盆地腹地，煤層含氣量增大。且在局部斷塊內(nèi)煤層氣含量亦由淺部向深部有逐漸增高的趨勢；在煤層埋藏深度小于300m地帶，含氣量一般低于8.00m3/t，但在晉城地區(qū)由于煤變質程度高，含氣量可以達10~12m3/t；煤層埋藏深度在300－600m間，含氣量一般在10-16m3/t；在600-1000m深度范圍內(nèi)，含氣量變化于14~22m3/t之間；圖2-7沁水盆地山西組3煤層含氣量等值線圖圖2-8沁水盆地太原組15煤層含氣量等值線整個盆地從南到北分布存在一定的差異，表現(xiàn)為北部煤層含氣量高，3煤層一般18~22m3/t，15煤層一般18~24m3/t，其中位于壽陽以南、榆社縣的西北部和榆次市的東南部的區(qū)域煤層含氣量最高，中南部，即沁縣以南和豐1井附近及其以北的區(qū)域，煤層含氣量相對較低，一般16~18m3/t；南部相對較高，煤層含氣量一般182.5地層起伏沉降運動與含氣總格局的關系本區(qū)在海西期屬于華北巨型聚煤盆地的一個組成部分，構造運動表現(xiàn)為地殼緩慢沉降并接受沉積，形成了石炭系至二疊系，厚度在區(qū)域上較為穩(wěn)定，顯示出典型的地臺型沉積特征。印支期構造運動繼承了海西期的特點，地殼繼續(xù)沉降，三疊系與二疊系連續(xù)沉積，但沉積速率和幅度劇增，在區(qū)域上沉陷幅度出現(xiàn)分異，結果是形成了厚度巨大且有明顯變化的沉積地層，暗示著地殼構造活動性開始增強或地臺開始活化。在燕山早期，區(qū)內(nèi)構造運動具有波動性的特征，地殼既有抬升遭受剝蝕又有沉降接受沉積，表明大地構造活動性進一步增強。燕山期是包括本區(qū)在內(nèi)的華北地區(qū)晚古生代以來構造演化史上的重要地質時期，區(qū)域構造應力場由擠壓體制轉變?yōu)閿鄩K差異運動，同時深部物質上涌，巖漿活動強烈，所形成的區(qū)域異常地熱場對上古生界煤層的生烴演化造成深刻的影響。喜馬拉雅期以來，區(qū)內(nèi)構造分異進一步加劇，局部地殼再度沉降，由此影響到不同地區(qū)晚古生代煤層中煤層氣的保存和逸散特征。秦勇等人（1998）根據(jù)區(qū)內(nèi)構造運動發(fā)展階段以及地層厚度、古埋藏深度的恢復結果，可知晚古生代煤層經(jīng)歷了五個埋藏階段(圖2-9，表2-3)。圖2-9山西南部晚古生代煤層埋藏歷史曲線(秦勇等人，1998)表2-3山西南部晚古生代煤層埋藏歷史及階段(秦勇等人，1998）埋藏階段地質時代構造運動期次最大埋深(m)階段特征第五階段新第三紀—第四紀喜馬拉雅中、晚期＞3000煤層埋深減小或增大，構造分異加劇第四階段晚白堊世—老第三紀燕山晚期—喜馬拉雅早期＜1500煤層埋深減小第三階段晚侏羅世一早白堊世燕山中期3200煤層埋深顯著減小，構造分異顯著第二階段早侏羅世—中侏羅世燕山早期3900煤層埋深穩(wěn)定或波動第一階段晚石炭世—晚三疊世海西后期—印支期4330煤層快速埋藏第一階段，從晚石炭世到晚三疊世，經(jīng)歷了海西后期和印支期。海西期沉積速率約為14m／Ma，煤系上覆地層厚度緩慢增加，進入三疊紀后地殼沉積速度急劇增加，達到95m／Ma，導致煤層埋深急劇增大，故可將該期稱為煤層快速埋藏時期。第二階段，屬于燕山早期。下侏羅統(tǒng)沉積在區(qū)內(nèi)沒有見及，中侏羅統(tǒng)厚度不大，其與三疊系之間僅缺失上三疊統(tǒng)延長群上段，故可認為該階段地殼在相對穩(wěn)定的背景下有所波動，可稱為煤層埋深的穩(wěn)定或波動時期。第三階段，出現(xiàn)在晚侏羅世至早白堊世，屬燕山運動的中期階段。據(jù)含煤地層中形成于該期的流體包裹體的壓力測定結果可知，煤層埋深減小的幅度約為230~1600m，表明本區(qū)地殼在該期處于構造隆起狀態(tài)，抬升速率約在3~27m／Ma之間，可稱為煤層埋深顯著減小階段。第四階段，晚白堊世至老第三紀，相當于燕山晚期至喜馬拉雅早期，地殼長期隆起，地層不斷遭受剝蝕，煤層埋深持續(xù)減小。在研究區(qū)西北部的霍州至汾孝一帶，新第三系和第四系直接覆蓋在上古生界之上，表明部分地段煤層的埋深甚至小于煤層風化帶的深度，這給煤層氣的保存帶來嚴重的不利影響。該階段與第三階段相似，同樣為煤層埋深減小階段，但在古地熱場特征方面存在顯著差異。第五階段，新第三紀至第四紀，屬于喜馬拉雅運動中—晚時期。其特點是構造分異重新加劇，導致局部地區(qū)快速沉降，如臨汾—洪洞一帶沉降速率可達60m／Ma，煤層埋深再度加大，有利于煤層氣的繼續(xù)保存。大部分地區(qū)基本保持穩(wěn)定或略有沉降或抬升。煤層埋藏是煤化作用進展的根本條件，對煤層氣的生成和保存自始至終起著至關重要的影響。不同地質時期和不同地區(qū)煤層埋深存在一定的差異，這種差異性決定了全區(qū)煤層氣生成和保存條件存在顯著不同。煤儲層的埋藏條件與地殼的升降運動有關，相對沉降幅度大的地段，煤儲層埋深大，煤層氣保存狀況良好。相對沉降幅度小或相對抬升的地段，煤儲層埋深小，煤層氣保存狀況不好。其原因是在埋深小的地段，煤層氣沿風化裂隙向大氣擴散，同時地下水的流動也溶解一部分煤層氣并帶走。在沉降幅度大的地段，煤層氣沿風化裂隙向大氣擴散極為困難（風化裂隙不發(fā)育），地下水徑流差或處于滯流狀態(tài)，因地下水流動而引起的煤層氣損失量很小。從研究區(qū)埋藏深度來看，由盆地的淺部向深部，即向斜軸部煤層埋深逐漸加大，上覆蓋層厚度增大，且裂隙發(fā)育程度變差，地下水的流動也越來越緩慢乃至相對靜止，煤層氣的保存狀況也越來越好。因此，從埋深這一條件看，盆地的深部，即向斜軸部煤層埋深逐的保存條件最好。2.6地溫變化與含氣總格局的關系煤的生氣性能與煤的變質程度有著極為密切的關系，而煤的變質程度與其在地質歷史中所經(jīng)受的溫度密切相關，即與地熱場的特征相關聯(lián)。古地熱場特征直接控制著煤層在沉積后所經(jīng)歷的漫長地質歷史中所承受的溫度、受熱速率和受熱強度，影響到煤層氣的生成演化進程。晚古生代以來本區(qū)的古地熱場演化經(jīng)歷了以下四個發(fā)展階段(表2-4)。表2-4古生代以來古地熱場發(fā)展歷史及階段（秦勇等人，1998）發(fā)展階段地質時代構造運動階段古地熱場特征煤化作用特征第四階段晚白堊世—第四紀燕山晚期—喜馬拉雅期正常煤化作用停止第三階段晚侏羅世—早白堊世燕山中期異常高熱區(qū)域熱變質作用第二階段早侏羅世—中侏羅世燕山早期正常第一階段晚石炭世—晚三疊世海西后期正常深成變質作用第一階段，正常古地熱場，對應于煤層在海西后期一印支期的快速埋藏階段。隨著煤層埋深的逐漸增大，煤級在地溫升溫率的作用下緩慢增高。圖2-10晚侏羅世—早白堊世區(qū)域熱變質作用圖2-10晚侏羅世—早白堊世區(qū)域熱變質作用第三階段，異常高熱地熱場出現(xiàn)，發(fā)生于燕山運動中期，對應于煤層埋深顯著變淺階段。方面是太行、呂梁兩大隆起逐步形成，并伴隨著太行大斷裂（即晉—獲褶斷帶）、離石大斷裂等具有構造劃分意義的斷裂活動。另一方面是巖漿活動趨于頻繁和強烈。由于構造活動的加劇和巖漿活動的頻繁，在山西南部形成了異常古地熱場（圖2-10），強大的古地熱流使鄭莊-潘莊-樊莊一帶地溫梯度可達5.5℃/100m，該區(qū)古地溫異常高，可達235℃，對煤的變質作用及煤層氣的生成產(chǎn)生了顯著的影響。該階段煤巖熱演化迅速增加，R0值可達3.7%，導致煤化作用得以長足發(fā)展，并有二次生烴作用顯著發(fā)生。第四階段，古地熱場恢復正常，從燕山運動晚期延續(xù)至現(xiàn)代，包括了煤層埋藏史的第四、第五階段。由于煤層受熱溫度降低，煤化作用在這一階段已經(jīng)完全停止。2.7水動力環(huán)境對煤層氣富集的再分配水文地質條件是影響煤層氣保存的重要因素之一，不同的水文地質條件下，煤層氣的賦存規(guī)律有很大的差異。沁水盆地水文地質條件對盆地內(nèi)煤層氣的富集、運移密切相關。其主要的水文地質特征表現(xiàn)為，沁水盆地是一個獨立的水文地質單元，地下水外流型盆地；盆地內(nèi)有六個相對獨立的泉域；不同時代的含水層有不同的補給、徑流、排泄系統(tǒng)，同一泉域內(nèi)基底寒武奧陶系巖溶含水層是控制該泉域內(nèi)各個時代不同含水層系統(tǒng)的主導因素。(1)巖溶水系統(tǒng)盆地內(nèi)地勢北高南低，西部和中部高而東部較低。沁河和汾河為常年性河流，由北而南注入黃河。發(fā)源流經(jīng)盆地的河流主要有桃河、肖河、清漳河、濁漳河、丹河等，區(qū)內(nèi)河流既是排泄地下水的通道，又是巖溶地下水的補給水源，在上游接收煤系上覆含水層中地下水的補給，在盆地邊緣流經(jīng)灰?guī)r裸露區(qū)時又可能滲漏補給地下水，這部分地下水再繼續(xù)向下游運動時又可能以巖溶大泉的方式重新轉化為地表水。寒武-奧陶系灰?guī)r含水巖組是區(qū)域性的強含水巖組，通常在灰?guī)r的裸露區(qū)接受大氣降水和地表水的滲漏補給，而以灰?guī)r大泉的方式進行排泄，除晉祠-蘭村泉外，其余大泉均出露于盆地的外側，是盆地地下水的主要排泄方式。按照巖溶大泉的匯水區(qū)域可以將盆地劃分出六個巖溶水系統(tǒng)，這些巖溶水系統(tǒng)是娘子關泉域、辛安泉域、延河泉域、廣勝寺泉域和洪山泉域，如圖2-11。圖2-11沁水盆地奧陶系灰?guī)r水文地質圖(2)沁水盆地煤系水文地質特征沁水盆地石炭二疊系煤系地層在盆地邊緣出露，自周邊向盆地中心傾斜，總體呈復式向斜構造。太原組15號煤層底板等高線圖（圖2-12）顯示，15號煤層底板標高-900—1100m，盆地邊緣1100—800m，中心-900—-200m，北部底板標高較高，盂縣一帶為800—900m，南部相對較低，陽城一帶400—600m。地下水水位分布特征如圖2-13所示，地下水水位從500m—1000m，盆地北部邊緣水位較高900m—1000m，盆地南部邊緣水位較低500m—600m。盆地北部地下水由北向南流動、在東部煤層露頭處接受補給向西流動，總體為向盆地內(nèi)部（深部）徑流，到深部發(fā)生停滯，在壽陽韓莊及其南部一帶、陽泉測石周圍，地下水力坡度較小，水位較低（600—700m），地下水流動緩慢，有利于煤層氣的富集和保存。從圖2-7、圖2-8可以看出，這些區(qū)域煤層含氣量相對較高。圖2-12沁水盆地太原組15煤層底板標高等值線圖（單位：m）圖2-13沁水盆地山西組砂巖裂隙含水層等勢面圖盆地南部東緣水位高，向西部（深部）水位降低，南部最低，可分為4個子系統(tǒng)：潞安單向流子系統(tǒng)、潘莊-大寧匯流子系統(tǒng)、霍東單向流子系統(tǒng)、霍東－沁水縣單向流子系統(tǒng)；潘莊-大寧匯流子系統(tǒng)，北界為高村-南莊地下分水嶺，地下水由北向南徑流，東界和南界為煤層露頭，地下水自東向西和自南向北徑流，西界為寺頭斷層，地下水自西南向北東流動，形成匯流特征，在深部地下水徑流弱，同時水位較低<600m，形成煤層氣富氣帶；沁水縣鄭莊水位較低550m—600m，由南向北含氣量逐步升高形成一煤層氣富氣帶；潞安單向流子系統(tǒng)的屯留縣東部一條帶狀區(qū)域地下水水位較低在550m左右，該區(qū)域形成煤層氣富氣帶?？傮w來說盆地南部的地下水流動方向比較復雜，煤層氣富集、運移結果呈現(xiàn)多樣性。(3)水文地質條件對煤層氣賦存的控制沁水盆地石炭二疊紀煤系地層在周邊出露，東部地層向西部傾斜，西地層向東傾斜，南部地層向北傾斜，北部地層向南傾斜。盆地的供水區(qū)主要來源于東部和北部的太行山，西部的霍山隆起，盆地邊緣水位標高高于盆地內(nèi)部，大氣降水通過巖層孔隙從周邊向內(nèi)部滲流。在東北部的娘子關泉一帶和盆地南部的陽城一帶形成泄水區(qū)，在邊部水壓坡降大，水勢隨埋藏深度增加而迅速降低，中間廣大地區(qū)水勢平緩。鄰近地下水的地表補給區(qū)，由于煤儲層及圍巖暴露于地表或距地表較近，風化剝蝕較為嚴重，風化裂隙發(fā)育，煤層氣沿裂隙向大氣逸散。另一方面，由于大氣降水（或地表水）沿裂隙向煤儲層深部運移，在地下水的運移過程中，將溶于水的煤層氣帶走，是煤層氣散失的一種途徑，所以在地下水的補給范圍內(nèi)，煤儲層中的煤層氣含量很低，越是接近補給區(qū)的源頭，煤層氣含量越低，甚至為零。在地下水的徑流區(qū)，煤儲層中的煤層氣溶于水而被帶走，煤層氣含量也會降低，其降低的速度與地下水的流量有關，流量越大，煤層氣的散失量也越大。當煤儲層處于地下水的排泄區(qū)時，如果是屬于地下排泄，即煤儲層中的水排向其他含水層，煤層氣散失則主要是通過地下水攜帶而逸散，降低煤層氣含量。如果是向地表排泄，煤層氣的散失特點與處于補給區(qū)的情況類似，主要通過地下水攜帶和沿裂隙逸散途徑。一般來說，地下水的滯流區(qū)含氣量高于徑流區(qū)，含氣量最低的區(qū)域是地下水的排泄區(qū)和補給區(qū)。當煤儲層處于地下水的滯流區(qū)或貧水區(qū)時，地下水僅影響煤層氣在煤儲層中的平衡狀態(tài)，地下水流動極慢，煤層氣的散失量很小。煤層氣在整個地質時期聚集和運移與盆地內(nèi)地下水的補給、徑流和排泄的量以及煤的性質如：擴散系數(shù)和滲透性有關，溶解在水中的氣含量相對比較低，并且依賴于水的壓力和礦化度。水化學特征能清楚的反映地下水流動方向。沁水盆地地下礦化度分布如圖2-14。圖2-14沁水盆地地下礦化度等值線圖壽陽-陽泉礦區(qū)含水巖組由北向南，由東北向西南，隨埋深增加，地下水徑流條件由補給區(qū)—強徑流區(qū)—緩流、滯流區(qū)，水質類型也由北部的HCO3CL-KNa型向HCO3-KNa、SO4-KNa轉變。北部、東北部靠近補給區(qū)為HCO3CL-KNa型，韓莊井田、壽陽東勘探區(qū)南部為HCO3-KNa型，而在陽泉的西上莊井田、二礦擴區(qū)和五礦井田則為SO4-KNa。礦化度也由北向南逐漸增高，在韓莊井田、壽東勘探區(qū)南部、西上莊井田及五礦井田形成一高礦化度帶，礦化度達1200—1600mg/L。在盆地南部晉城礦區(qū)東部及南部的補給區(qū)地下水多為HCO3-KNa型，礦化度低，<700mg/L。往深部，SO42-和Cl-離子含量逐步增加，潘莊一號井田SO42-離子含量增加到1003.48mg/L，礦化度也逐漸加大到2620mg/L，水質類型變?yōu)镾O4HCO3-KNa型水。反應了淺部地下水接受補給，地下水徑流交替條件好，深部徑流緩慢甚至呈滯流狀態(tài)，礦化度增高。盆地邊緣大氣降水主要通過巖層孔隙和裂隙從周邊向內(nèi)部滲流，地下水運動帶動煤層氣沿地層傾斜方向運移；同時，在盆地的中部為向斜軸部，埋藏深度大，保存條件好，煤層氣沿垂直地層方向運移十分困難，大部分煤層氣僅能沿向斜兩翼擴散到地表，因此造成本區(qū)向斜軸部煤層氣含量高于兩翼。由于盆地補給區(qū)區(qū)主要來源于盆地的東部、北部和西部，一方面，大氣降水通過巖層孔隙和裂隙從盆地周邊流向內(nèi)部，在向斜的軸部將形成區(qū)域超壓，較高的煤儲層壓力，使更多的煤層氣賦存于煤層中，導致煤層氣含量局部增加高；另一方面，地下水運動帶動向斜軸部煤層氣向地下水排泄區(qū)運移，整個盆地分南北兩大區(qū)，北區(qū)主要向東北部的娘子關泉一帶運移，南區(qū)主要向盆地南部的陽城一帶運移，導致盆地的中段及向斜軸部煤層含氣量降低。盆地南北兩端，一些區(qū)域，如在南部，即李莊—樊莊一線以南，地下水的水頭高度自北向南或是自東北向西南逐漸降低，地下水自北向南或自東北流向西南。在西南部，地下水的水頭高度自西南向東北逐漸降低，地下水自西南流向東北。地下水的匯集中心位于永紅、永安一帶。由于含水層的透水性能很微弱，在李莊、固縣一帶或更大的范圍內(nèi)形成水動力圈閉。另外，位于盆地南端的晉城礦區(qū)整體為一馬蹄形斜坡帶，易于形成地下水動力圈閉，在那里，煤層氣被聚集，煤層氣含量將局部增高。由于沁水盆地的中段，構造裂隙發(fā)育，在中段盆地邊緣大氣降水通過巖層孔隙從周邊向內(nèi)部滲流作用較強，尤其是水流過滲透性較好的煤儲層，將使煤層產(chǎn)生解吸作用，降低煤層氣含量，因此，導致盆地中段，尤其是東西兩翼的淺部，煤層含氣量顯著降低。綜合以上看法可以看出，盆地東、西、北部是地下水的補給區(qū)。由于地下水的流動使得煤層氣含量降低，同時，煤層氣沿煤儲層露頭向大氣散失，所以煤層氣含量很低。從上述區(qū)域向深部，是地下水的徑流帶。由于煤儲層埋深逐漸增大，煤層氣沿煤儲層露頭向大氣散失逐漸困難，地下水運動帶動煤層氣沿地層傾斜方向聚集，煤層氣含量隨埋深的加大而增高。在向斜盆地南北兩端，尤其是南部的晉城地區(qū)水動力圈閉，改善了煤層氣保存條件，因此，煤層氣含量一般較高。從以上分析可看出，靜水壓力和水動力環(huán)境對盆地含氣格局進行富集再分配起到重要作用。2.8煤層含氣格局及其控制因素研究對勘探的啟示煤層含氣量區(qū)域分布特征同地質條件密切相關（圖2-15），并受地質條件制約，其總格局受古地溫變化及地層沉降起伏運動控制，靜水壓力和水動力環(huán)境促使含氣總格局進行富集再分配。地應力與孔隙水壓力的互動僅造成局部儲層含氣量的調整，這種作用在煤層氣開發(fā)的井組范圍內(nèi)明顯顯現(xiàn)。因此，勘探目標區(qū)的選擇應以尋找具備有利成藏格局但同時又進行了良好的二次分配富集過程的區(qū)域。對于沁水盆地，煤變質分帶是埋藏深度的不同引起的深成變質差異與區(qū)域巖漿熱變質的綜合產(chǎn)物。煤變質的差異決定了各區(qū)域煤層氣的生成量，表現(xiàn)為鏡煤反射率的差異。晚侏羅世－早白堊世是沁水盆地儲層結構、含氣賦存格局最終形成起決定作用的地質年代。靜水壓力和水動力環(huán)境表現(xiàn)為地下水流向、區(qū)域水頭差異以及煤層水礦化度差異。煤層氣勘探過程中應重點摸清煤層含氣量區(qū)域分布特征，這需要在獲取單井煤層含氣量的同時研究影響煤層氣富集格局的古地溫場、靜水壓力和水動力環(huán)境。圖2-15煤層氣成藏格局的地質歷史控制因素的關系3、應力滲透率預測模型3.1構造應力研究3.1.1古構造應力場對煤儲層裂隙分布的控制 成煤演化過程中由內(nèi)凝聚應力產(chǎn)生的內(nèi)生裂隙，在后期構造應力作用下，作為煤巖體中的破裂界面，形成應力集中，使其演生為構造裂隙。因此研究古構造應力場的意義在于，深入了解煤巖層中構造裂隙的區(qū)域分布規(guī)律。根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計和盆地內(nèi)部褶皺分析等成果，均一致反映研究區(qū)自中生代以來先后經(jīng)歷了三期構造應力場。現(xiàn)主要依據(jù)節(jié)理分期配套結果，各期古構造應力場特征如下（曹代勇，1996）：（1）第一期構造應力場在區(qū)內(nèi)最發(fā)育，最大擠壓應力方向為南東東—北西西向，統(tǒng)計平均值為294∠1，北部側魚一帶及南部晉城一帶壓應力跡線略有偏轉呈近東西向。這期構造應力場發(fā)生與燕山運動中期，在山西省普遍存在。這也是研究區(qū)中生代以來最強烈的一次變形（Cao,etal,1995）,野外地質調查、顯微構造形跡、巖組分析、磁性組構分析結果均以反映該期構造應力場的信息為主。與應力狀態(tài)相匹配，形成北北東向壓性構造和北西向、北東東向共軛剪切構造。晉獲斷裂帶的逆沖形變、煤田內(nèi)部北北東向的寬緩褶皺，均是這次變形的結果。（2）第二期應力場最大擠壓應力方向為北北東—南南西向，最大主應力軸統(tǒng)計平均方位為201∠5。北北東向的晉獲斷裂帶與該期應力場最小擠壓應力跡線近于垂直，沿此方向應力松弛，導致前期擠壓構造負反轉，長治段于斷裂帶西側發(fā)育了西降東升的長沿正斷層；晉城段干潤區(qū)發(fā)育了西升東降的正斷層，在地貌上形成東、西兩側為奧陶系灰?guī)r、中部為石炭—二疊系地層賦存的狹長地帶。根據(jù)長治盆地填充物年代最早為第三紀，推斷本期應力場發(fā)生時限為早第三紀末或新第三紀初期。（3）第三期應力場最大擠壓應力方向為北東東—南西西向，統(tǒng)計平均方位為74∠4；最小擠壓應力（拉伸應力）方向為北西西—南南東向，統(tǒng)計平均方位為343∠3，于煤田內(nèi)北東東—南西西正斷層走向近于垂直。早期具有壓剪性質的北東東—南西西斷層在上述應力狀態(tài)作用下，發(fā)生正斷層活動，研究區(qū)中部的文王山地壘、二崗山地壘以及南部的西石構造帶的發(fā)育與此有關。本期共軛剪節(jié)理，據(jù)此推斷，北東東——南西西向應力場作用時代應晚于新第三紀。晉中地區(qū)震源機制解和活動斷層滑動矢量計算的現(xiàn)代構造應力場總體特征為NW-SE方向的近水平拉張，表現(xiàn)本期構造應力場可能持續(xù)到現(xiàn)代。3.1.2現(xiàn)代構造應力場對煤儲層滲透性的控制在研究煤儲層滲透率的過程中，人們往往只注重煤儲層裂隙的發(fā)育特征單一因素，而忽視了圍巖對裂隙的影響，大多沒有將其結合現(xiàn)代構造應力場進行綜合分析，裂隙發(fā)育程度主要由古構造應力場決定，現(xiàn)今可通過煤層底板曲率半徑來反映，而其開啟程度則受現(xiàn)代構造應力場控制。煤層氣的開采過程，現(xiàn)代構造應力場對煤層滲透性的作用表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)代構造應力場的活動作用在某個區(qū)域聚集并超過煤巖體的破裂強度時，會產(chǎn)生新的構造裂隙，為煤層氣提供新的通道；（2）現(xiàn)代構造應力場的方向和大小控制著已有裂隙系統(tǒng)的“開、閉”；（3）現(xiàn)代構造應力場活動為煤層氣在裂隙中滲流提供了驅動力，即所謂的“應力驅動”。圖3-1沁水盆地構造分區(qū)簡圖(張建博，1999)=1\*ROMANI—壽陽-陽泉單斜帶；=2\*ROMANII—天中山－儀城斷裂構造帶；=3\*ROMANIII—聰子峪－古陽單斜帶；=4\*ROMANIV—漳源－沁源帶狀構造帶；=5\*ROMANV—榆社－武鄉(xiāng)構造帶；=6\*ROMANVI—娘子關－坪頭單斜帶；=7\*ROMANVII—雙頭－襄陽斷裂構造帶。=8\*ROMANVIII—古縣－澆底斷裂帶；=9\*ROMANIX—安澤－西坪背斜隆起構造帶；=10\*ROMANX—豐宜－晉儀帶狀構造帶；=11\*ROMANXI—屯留－長治單斜帶；=12\*ROMANXII—固縣－晉城單斜帶3.2煤儲層高滲透性區(qū)域預測沁水盆地高變質無煙煤，由于煤的演化程度高，內(nèi)生裂隙不發(fā)育。石炭－二疊系煤層相繼受到印支、燕山、喜山期構造運動作用，內(nèi)生裂隙已完全被改造，甚至閉合或消失，而外生裂隙廣泛發(fā)育。原始沉積煤層由初期的近似平面的賦存面經(jīng)歷地質歷史時期的構造運動改造成目前的復雜曲面。通過研究這一歷史過程煤層曲面形態(tài)變化可以確定外生裂隙的發(fā)育情況。高斯曲率可相對真實的反應煤層曲面形態(tài)變化，即煤層曲面高斯曲率高值區(qū)域對應于煤層外生裂隙發(fā)育區(qū)。同時現(xiàn)代構造應力場最大主應力差決定了現(xiàn)今煤層中裂隙的閉合、開啟程度。即現(xiàn)今構造應力場決定了煤儲層滲透率的大小。3.2.1煤層裂隙發(fā)育區(qū)預測國內(nèi)外學者在研究裂縫性油氣藏及煤層天然裂隙發(fā)育帶過程中，通常采用二元全區(qū)間插值算法和趨勢面法擬合構造面方程，并應用極值主曲率法預測天然裂隙發(fā)育程度。若在曲面局部存在較大梯度或斷層時，采用這兩種方法擬合構造面就可能會使它的形態(tài)與真實地層相差較遠。同時極值主曲率能反映單個方向變形，而實際地層裂隙發(fā)育程度應由多個單向變形曲率疊加來描述。為解決這一問題前人提出曲率的摩爾圓法，該方法采用最小二乘法由相鄰四對節(jié)點的曲率值來計算中央點的主曲率值。本研究借鑒極值主曲率法及摩爾圓法的優(yōu)點，引入了高斯曲率法研究裂隙發(fā)育程度，分析表明此方法能更有效地擬合地層構造面并預測地層裂隙發(fā)育帶。(1)構造面曲率分析曲率分析法是預測高滲透性地層的非常規(guī)方法。通常情況下，泥炭和各種碎屑沉積地層最初是水平的或近似水平的，現(xiàn)在的變形、褶皺形態(tài)并非原始沉積形態(tài)，而是由于沉積后地層所受到的壓應力、拉應力作用與巖石本身力學性質相結合造成的。巖層承受應力作用后變形彎曲形成褶皺，逐漸增加巖石的應變能量。在脆性巖石中，當這種能量積聚到一定程度，便會通過裂隙和斷裂作用釋放這種能量。在具有裂隙的煤儲層中，裂隙的發(fā)育并不均勻，而且具有明顯的構造幾何特征。地層彎曲程度越大，曲率越大，裂隙可能越發(fā)育。（（a）雙曲點附近（b）橢圓點附近（c）拋物點附近圖3-2以高斯曲率判定曲面形態(tài)（c）拋物點附近在曲面造型中，曲面上一點的最大主曲率與最小主曲率的乘積即為高斯曲率。高斯曲率能較好地反映了其領域內(nèi)曲面的形狀變化。故可以用高斯曲率來反映該點的形狀信息（如圖1所示），當高斯曲率大于零時為橢圓點（對應于向斜構造），等于零時為拋物點（地層相對平緩），小于零時為雙曲點（對應于背斜構造）。地層構造曲面一點的高斯曲率反映了沉降過程中巖石所經(jīng)歷彎曲褶皺、變形斷裂作用的強弱。高斯曲率絕對值越大說明沉積地層由最初水平形態(tài)沉降到現(xiàn)在曲面形態(tài)的過程中產(chǎn)生的裂隙越發(fā)育。(2)高斯曲率法原理對于地層面，各種直接的全局插值方法通常并不適用。本文利用沁水盆地煤田地質勘探鉆孔及煤層氣井資料采用文獻[9]提出的三角剖分方法對3號煤層底板曲面進行單元剖分。將整個插值曲面剖分為一系列小三角面，這些小三角面的形狀和大小基本一致，并使各相鄰三角面上的曲面傾角不出現(xiàn)大的變化，將每個三角面上的曲面高度值近似定義為二次拋物面函數(shù)，即對第個三角面，其高度值有：（3-1）式（3-1）中的6個系數(shù)由該三角面的3個頂點及與其共邊的另外3個三角面的3個另外的頂點所決定。只要將每個三角面分割得足夠小，可認為其兩個主曲率值在整個三角面內(nèi)不變化。定義三角面的頂點及相鄰點的序號為，這時應有：（3-2）由上式?jīng)Q定（3-1）式拋物面方程的各項系數(shù)。為確定全區(qū)未知的三角面頂點高度，將插值計算公式表述為計算值與初始值之間的增量關系時有：（3-3）以（3-3）式作為求解（3-2）式的迭代步長得到全區(qū)未知的三角面頂點高度。對全區(qū)第個三角面，其高度值有：（3-4）高斯曲率可由曲面函數(shù)的微分表示為(3-5)其中，,,,,分別是曲面函數(shù)的一階和二階微分。(3)裂隙發(fā)育分區(qū)沁水盆地由于受到不同時期構造運動所產(chǎn)生的構造應力的作用，原始沉積的近水平煤層發(fā)生彎曲。當彎曲曲率增大到一定值域范圍，就會在彎曲較大的地帶產(chǎn)生裂隙。因此，在褶皺軸的兩側、構造轉折部位及斷裂面的兩側這些高曲率部位往往是裂隙的發(fā)育區(qū)。運用上文提出的方法處理沁水盆地山西組3號煤層底板標高離散數(shù)據(jù)，得到底板曲面高斯曲率的真實估計，并將其看作3號煤層高斯曲率的近似。分析得到3號煤層高斯曲率變化規(guī)律是：西部復雜，東部簡單；南北兩端復雜，盆地中部簡單的趨勢。曲率低值區(qū)位于盆地中部；曲率高值區(qū)位于盆地四周。受局部構造控制，在晉中斷陷區(qū)、霍山隆起以東盆地邊緣地區(qū)、長晉斷層及高平斷層區(qū)都出現(xiàn)曲率高值。①試井滲透率與高斯曲率對應關系地下天然裂隙的存在對煤層氣的直接影響主要體現(xiàn)在貯存和運移兩個方面。一方面是裂隙提供了煤層氣所需的貯存空間。另一方面,地下裂隙為煤層氣的產(chǎn)出和運移提供了通道。研究表明，在煤層裂隙系統(tǒng)中對煤層氣的滲流起主導作用的主要是一些規(guī)模相對較大的裂隙，而這些裂隙形成及發(fā)展往往與地質構造有著成因聯(lián)系。煤層開啟的裂隙可能具有比基質高數(shù)十至數(shù)千倍的滲透率,因此裂隙的開啟或閉合直接影響到儲層的非均質性,對地下流體或煤層氣的運移起著極其重要的作用。沁水盆地目前共施工了60口煤層氣參數(shù)井、參數(shù)+生產(chǎn)試驗井和井網(wǎng)開發(fā)試驗井，試井資料（表3-1）表明其滲透率普遍較底。由圖3-3可看出沁水盆地3號煤層的試井滲透率隨其井點位置高斯曲率增大而呈增加趨勢。圖3-3高斯曲率與試井滲透率對應關系分析表3-1煤的滲透率測定結果鉆孔位置及標號滲透率（10-3μm）測試方法資料來源3#煤15＃煤其它潘莊1井0.0990.13（9＃）0.001DST《中國煤層氣地質》張建博潘莊2井主力煤層1.53注入/壓降《沁水盆地煤層氣評價選區(qū)及勘探部署》晉城CQ-93.16注入/壓降《中國煤層氣地質》張建博壽SY－0010.49419.928注入/壓降《煤層氣資源普查報告》壽SY－0020.10382.84（9＃）25.81注入/壓降壽SY－0030.149注入/壓降壽SY－00445.65注入/壓降壽GH113.36注入/壓降壽GH60.9364注入/壓降韓莊HG113.266.73注入/壓降《沁水盆地煤層氣遙感地質調查》韓莊HG24.5520.464注入/壓降韓莊HG313.180.3525注入/壓降韓莊HG60.93~5.670.4～6.73（9＃）0.415注入/壓降沁南TL－0010.015注入/壓降沁南TL－0020.0290.087注入/壓降沁南TL－0030.9460.257注入/壓降《屯留－長子地區(qū)煤層氣賦存條件及有利區(qū)塊研究》沁南TL－0040.0650.027注入/壓降沁南TL－0050.11注入/壓降沁南TL－0060.6050.08注入/壓降沁南TL－00721.45注入/壓降沁南TL－0081.0950.807注入/壓降沁南TL－0090.0040.661注入/壓降沁南TL－0100.0170.013注入/壓降沁南TL－011112.65.707注入/壓降O2-30.099注入/壓降中聯(lián)煤層氣公司FZ-0010.00420.522注入/壓降FZ-002注入/壓降FZ-0032.870.11注入/壓降FZ-0041.45590.0648注入/壓降FZ-0052.45~5.510.26注入/壓降FZ-006注入/壓降FZ-0073.1802注入/壓降FZ-0080.910.022注入/壓降FZ-009注入/壓降屯留1區(qū)0.0340.015DST《山西沁水盆地煤層氣有利區(qū)預測》屯留2區(qū)0.025~0.03DST2號井0.55注入/壓降常村礦0.445實驗室測定西曲（2＃）0.336實驗室測定王莊礦0.374實驗室測定《山西沁水盆地煤層氣有利區(qū)預測》漳村礦0.0295實驗室測定常隆礦1.62實驗室測定滴水沿礦（2＃）1.25實驗室測定白家莊二井坑道0.75實驗室測定《山西沁水盆地煤層氣有利區(qū)預測》馬蘭（2＃）0.136實驗室測定西山官地礦（6＃）0.12實驗室測定②宏觀裂隙與高斯曲率對應關系煤層裂隙控制著煤層氣的滲流條件。由于煤中基質塊體的孔隙、原生裂隙相互間連通性差，因此，構造作用和內(nèi)生作用復合產(chǎn)生的相對規(guī)模較大的裂隙系統(tǒng)成為煤層氣流動的主要通道。所以，深入了解煤層中裂隙的發(fā)育狀況（圖3-4）和分布規(guī)律，對煤層氣的開發(fā)有重要的指導意義。本次研究工作對煤層的宏觀裂隙系統(tǒng)進行了直接觀測和統(tǒng)計分析，并與高斯曲率計算值對比分析，分析結果如表3-2所示，可以看出，高斯曲率值越大對應煤層宏觀裂隙的優(yōu)勢組數(shù)越多，構造多期活動性越明顯。高斯曲率高值區(qū)域指示出煤儲層構造裂隙相對發(fā)育區(qū)域，現(xiàn)代高構造應力場最大主應力差顯示出煤儲層裂隙被相對拉張的地段。盆地中部古縣西南部區(qū)域、沁縣南部區(qū)域、盆地南部在沁水縣東部及西部區(qū)域、屯留縣西部區(qū)域、馬壁區(qū)塊西南區(qū)域為高斯曲率高值區(qū)，煤層受近水平擠壓應力場作用產(chǎn)生縱彎曲變形產(chǎn)生裂隙（如圖3-5），其動力來源于其東部的太行山和西部的霍山隆起和抬升。前三個區(qū)域位于高主應力差值條帶；后兩個區(qū)域受斷層影響受兩個相近大小的水平主應力，其主應力差相對較低。榆社地區(qū)地表巖層裂隙分布圖榆社地區(qū)地表巖層裂隙分布圖和順地區(qū)地表巖層裂隙分布圖晉城地區(qū)地表巖層裂隙分布圖晉城地區(qū)地表巖層裂隙分布圖陽城縣地表巖層裂隙分布圖圖3-4宏觀裂隙觀測表3-2宏觀裂隙統(tǒng)計值與高斯曲率對應關系盆地構造區(qū)帶高斯曲率K(10-8m-2裂隙發(fā)育分區(qū)宏觀裂隙優(yōu)勢組數(shù)多期活動性壽陽-陽泉單斜帶0.0-0.4B和C3-4明顯天中山-儀城斷裂構造帶0.0-0.6A和B4-5明顯聰子峪-古陽單斜帶0.0-0.4B4-5明顯漳源-沁源帶狀構造帶0.0-0.4C和D2-3不明顯榆社-武鄉(xiāng)構造帶-0.2-0.2C2-3不明顯娘子關-坪頭單斜帶-0.3-0.2C2-3不明顯雙頭-襄垣斷裂構造帶-0.1-0.4B4-5明顯安澤-西坪背斜隆起帶0.0-0.2C2-3不明顯豐宜-晉儀帶狀構造帶-0.1-0.2C和D2-3不明顯屯留-長治單斜帶-0.1-0.7C和D3-4明顯固縣-晉城單斜帶0.0-0.8A和B4-5明顯晉中斷陷盆地0.1-0.9A4-5明顯圖3-5縱彎曲變形裂隙產(chǎn)生過程示意圖（a）輕微彎曲（b）強烈彎曲（c）剪切破壞③天然裂隙發(fā)育區(qū)結合井下煤層天然裂隙觀測數(shù)據(jù)、試井滲透率資料得到煤層天然裂隙發(fā)育區(qū)分類標準（如表2所示）。依據(jù)表3-3的分類標準對研究區(qū)3號煤層高斯曲率計算結果（如圖3-6所示）分類，得出裂隙發(fā)育區(qū)分區(qū)為：裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙有利區(qū)、不發(fā)育區(qū)三類。表3-3煤層天然裂隙發(fā)育區(qū)分類標準類別高斯曲率值R(10-8m-2裂隙發(fā)育區(qū)（A類）R≥0.2裂隙有利區(qū)（B類）0.1≤R＜0.2或R<-0.1不發(fā)育區(qū)（C類）-0.1≤R＜0.1（1）裂隙發(fā)育區(qū)：位于沁縣－古縣西南部、端氏鎮(zhèn)西南部、晉中斷陷區(qū)西部及西南部，高平縣西北部及屯留縣南部。在這幾個區(qū)域內(nèi)，斷層較多，構造作用強烈，褶皺、斷裂比較發(fā)育。受此影響，該區(qū)煤層曲率大，煤層中裂隙多。由于晉中斷陷區(qū)西部及西南部區(qū)域主要處于盆地邊緣、或處于大斷層附近，煤層氣逸散嚴重，不是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)塊。沁縣－古縣西南部、端氏鎮(zhèn)西南部、高平縣西北部及屯留縣南部區(qū)域是裂隙發(fā)育區(qū)，是潛在的煤層氣高滲區(qū)域。（2）裂隙有利區(qū)：分布分散，主要位于裂隙發(fā)育區(qū)的周圍（即晉中斷陷區(qū)東部、沁縣－古縣西南部、端氏鎮(zhèn)西南部）、潘莊-成莊-寺河區(qū)、王報-野川-大陽區(qū)、霍東區(qū)北部、壽陽坪頭區(qū)、沁源區(qū)王和礦、沁源區(qū)馬軍峪礦、夏店區(qū)及左權區(qū)西部。這些地區(qū)褶皺、斷裂比較發(fā)育，煤層受構造破壞作用相對較小。該區(qū)煤層曲率較大，煤層中裂隙發(fā)育。在西部的沁源王和礦、馬軍峪礦這一區(qū)域裂隙發(fā)育（背斜軸部），不利于煤層氣保存，含氣量低。（3）不發(fā)育區(qū)：在研究區(qū)廣泛分布，范圍較大。主要分布于長治以北的東部地區(qū)、盆地中部地區(qū)以及安澤縣西部地區(qū)。這些區(qū)域構造相對簡單，煤層受構造變形影響小，裂隙不發(fā)育。煤層曲率小，裂隙發(fā)育較差，煤層滲透性較差。圖3-6沁水盆地3號煤層高斯曲率3.2.2現(xiàn)代構造應力場分布特征綜合分析1965年來大于四級地震的震源機制解和1973年來小震綜合斷面解資料，結合構造研究，沁水盆地受NEE－SWW向水平擠壓作用（徐志斌等，1998）。與小震應力降資料結合，大致確定了盆地應力水平的總體變化特征。因此，可運用有限元法較為精確地模擬現(xiàn)代構造應力場中應力分布狀況。不同方案模擬結果的對比分析發(fā)現(xiàn)，僅在沁水盆地復向斜軸部位置的節(jié)點上采用全約束、其它節(jié)點為自由節(jié)點，并且不考慮重力作用條件下的結果與現(xiàn)代小震應力降資料最為吻合。圖3-7是根據(jù)此方案結果繪制的主應力差分布圖?？梢钥闯?，沁水盆地存在陽城北部端氏－樊莊、古縣－沁縣以及清徐－文水三個呈NNE向展布的高主應力差值條帶。其中古縣－沁縣條帶分布在盆地軸部，應力水平與現(xiàn)代應力降資料極為吻合，并且在盆地范圍內(nèi)最大主應力為壓應力，這與根據(jù)震源機制解確定的盆地受NEE－SWW向水平擠壓應力場一致。模擬結果顯示：沁水盆地現(xiàn)今NEE－SWW向水平擠壓應力場的動力來源于其東部太行山和西部霍山的隆起和抬升。同時，在圖中陽城北部端氏－樊莊、古縣－沁縣兩個高主應力差值區(qū)域（最大主應力均為擠壓應力），恰好與盆地內(nèi)兩個煤儲層高含氣量區(qū)相對應，顯示出新第三紀以來構造應力場中的高壓應力對煤層氣的保存和富集具有明顯的控制作用。圖3-7沁水盆地主應力差分布圖3.2.3高滲區(qū)與最大主應力差、高斯曲率的耦合關系（1）試井滲透率與最大主應力差、高斯曲率對應關系構造曲率高值指示出煤儲層構造裂隙相對發(fā)育的地段，高構造應力場最大主應力差顯示出煤儲層裂隙被相對拉張的地段。然而，如果僅有較高的構造曲率，而最大主應力差相對較小，則雖然煤儲層構造裂隙可能較為發(fā)育，但裂隙處于閉合狀態(tài)，煤儲層的滲透率仍然相對較低。實際上，構造應力是通過對天然裂隙開合程度的控制而對煤儲層滲透率施加影響的。因此，那些構造曲率高值與最大主應力差高值有利匹配的區(qū)域才可能是高滲透性的煤儲層?；谶@一原理，將最大主應力差等值線圖與高斯曲率等值線圖疊加，可以從圖3-8看出構造曲率高值與最大主應力差高值有利匹配的區(qū)域分布在陽城北部端氏－潘莊、古縣－沁縣、和順西部橫嶺局部區(qū)域?？深A測這三個區(qū)域煤層滲透性較好。圖3-8最大主應力差等值線與高斯曲率等值線疊加圖通過分析最大主應力差等值線與高斯曲率等值線疊加圖，并結合試井滲透率資料，得到試井滲透率與最大主應力差、高斯曲率對應關系（如表3-4）。為便于工程應用，在此作一簡化，將最大主應力差、高斯曲率對滲透率的影響僅考慮二者乘積作為滲透率預測的決定因素。通過相關性分析可擬合出滲透率預測公式：(3-12)－最大主應力差（MPa），－高斯曲率(10-8m-2)，－預測滲透率（md），該公式適用范圍圖3-9最大主應力差、高斯曲率乘積與滲透率關系表3-4試井滲透率與最大主應力差、高斯曲率對應關系井號試井滲透率（md）主應力差（MPa）高斯曲率（10－8m-2）預測滲透率(md)TL-0010.0153.20.0340.016TL-0100.0177.60.0210.041TL-0020.0292.80.0460.025TL-0090.045.20.0330.048TL-0040.0657.00.0380.115TL-0050.113.00.0950.131TL-0060.60511.20.0480.531TL-0030.9466.50.1010.915TL-0081.0956.70.1031.062FZ-0041.4566.90.1151.659TL-007211.80.0712.001FZ-0032.877.30.1242.655CQ-93.1611.50.0833.258由試井滲透率與最大主應力差、高斯曲率的對應關系，可以看出在最大主應力差大于5.0MPa，并且高斯曲率大于的疊加區(qū)域可能出現(xiàn)滲透性有利區(qū)域，其匹配效果可由下表3-5表示。表3-5預測滲透率分布最大主應力差（MPa）高斯曲率范圍（10－8m-2高斯曲率范圍（10－8m-2高斯曲率范圍（10－8m-25.00.9～0.140.14～0.170.17<6.00.08～0.110.11～0.140.14<7.00.07～0.10.1～0.120.12<8.00.06～0.0850.085～0.1050.105<9.00.05～0.0750.075～0.0950.095<10.00.05～0.0650.065～0.0850.085<11.00.05～0.060.06～0.080.08<預測滲透率（md）0.5～11.0～2大于2.0（2）滲透率分布以試井滲透率資料為基礎，結合最大主應力差、高斯曲率耦合關系預測出的滲透率，繪制出沁水盆地3號煤層預測滲透率分布圖（圖3-10）。預測滲透性有利區(qū)域分布在陽城北部端氏－樊莊、古縣－沁縣、和順西部橫嶺一帶三個區(qū)域。圖3-10預測滲透率分布圖3.3基于應力場的滲透率預測對勘探開發(fā)的意義（1）高滲區(qū)域易于確定沁水盆地高變質無煙煤，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，由于受到印支、燕山、喜山期構造運動作用，內(nèi)生裂隙已完全被改造，甚至閉合或消失，而外生裂隙廣泛發(fā)育。古構造應力場決定了煤儲層外生裂隙的發(fā)育程度，但恢復古構造應力場存在很大難度，這就需要通過間接的手段去確定外生裂隙的發(fā)育程度。由于原始沉積煤層由初期的近似平面的賦存面經(jīng)歷地質歷史時期的構造運動改造成目前的復雜曲面。通過研究這一地質歷史過程煤層曲面形態(tài)變化可以確定外生裂隙的發(fā)育情況?，F(xiàn)代構造應力場對煤儲層滲透性的控制是通過控制裂隙的開啟程度實現(xiàn)的。（2）指出提高滲透性的手段煤層氣的開采過程，現(xiàn)代構造應力場對煤層滲透性的作用表現(xiàn)在：（a）現(xiàn)代構造應力場的活動作用在某個區(qū)域聚集并超過煤巖體的破裂強度時，會產(chǎn)生新的構造裂隙，為煤層氣提供新的通道；（b）現(xiàn)代構造應力場的方向和大小控制著已有裂隙系統(tǒng)的“開、閉”；（c）現(xiàn)代構造應力場活動為煤層氣在裂隙中滲流提供了驅動力，即所謂的“應力驅動”。改善煤層滲透性的手段包括：依靠鉆井工程通過造穴或搬運煤巖體，打破原始煤巖層的應力狀態(tài)提高滲透率；利用井下巷道的開掘和采煤工作面的形成過程，迫使煤巖體受力狀態(tài)發(fā)生強烈變化，形成采動應力場，促使某一方向應力發(fā)生較大變化，打破原有的三向應力平衡狀態(tài)，極大地提高煤層滲透性，提高煤層氣開發(fā)效率。采氣－采煤一體化開發(fā)方式將有很大的發(fā)展空間，通過合理配合這一開發(fā)技術能實現(xiàn)先采氣后采煤，先期采氣降低采煤瓦斯涌出量，同時在采掘過程中促進煤層滲透性正向發(fā)展提高煤層氣井的產(chǎn)氣效率。4沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評估4.1煤層氣資源評價通過對沁水盆已有資料的分析研究，應用煤、油氣地質學、層序地層學和數(shù)學力學等理論和方法進行綜合研究，剖析沁水盆地煤層氣成藏的地質條件和控制因素，尤其是盆地構造形變特征和斷裂分布規(guī)律，分析了煤層氣賦存規(guī)律；建立煤儲層層序地層格架和煤儲層特征參數(shù)與地質條件和可采性之間的相關關系，探討煤層氣成藏作用機理。在構造形變與裂隙分布規(guī)律分析的基礎上，依據(jù)局部轉動和介質非協(xié)調轉動將產(chǎn)生裂逢的思想以及曲率分析方法，研究了煤儲層有限變形轉動場及曲率分布規(guī)律，實現(xiàn)儲層裂縫發(fā)育區(qū)預測，進一步對盆地煤層氣資源進行綜合評價，建立了煤層氣資源評價指標系統(tǒng)（中聯(lián)煤層氣有限責任公司、中國礦業(yè)大學2003）（表4-1），圈定煤層氣資源的有利區(qū)帶。表4-1煤層氣資源評價指標系統(tǒng)煤層氣賦存地質條件評價指標生氣條件煤層厚度煤的變質程度儲氣條件含氣量吸附性能氣飽和度儲層壓力孔滲性曲率分布K(10-8)最大主應力差孔隙及裂隙組數(shù)保存條件地質構造煤層埋深沉積巖性及其組合資源條件資源量資源量豐度4.2沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評價指標是進行定量評價的基礎。無論采用哪種評價方法都離不開評價指標及其相應的數(shù)據(jù)取值。采用信息可視化技術，將煤層氣勘探信息條理化和形象化，以便于分析、利用與地理位置相關的各種信息。在此以含氣量、儲層壓力梯度、滲透率為關鍵指標，對其進行數(shù)字化處理，分別繪制其3D趨勢圖（圖4-1、圖4-2、圖4-3）。通過多因素疊加分析，提取出沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評價標準（如表4-2）。圖4-1沁水盆地含氣量3D趨勢圖圖4-2沁水盆地儲層壓力梯度3D趨勢圖圖4-3沁水盆地煤層氣氣藏以及滲透率分布圖表4-2沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評價標準開發(fā)潛力分區(qū)儲層壓力梯度Mpa/100m含氣量m3/t滲透率mD優(yōu)勢區(qū)>0.7>14>1有利區(qū)>0.6>120.1~1潛力區(qū)>0.4>100.1~0.5圖4-4煤層氣藏開發(fā)潛力分區(qū)參數(shù)匹配依據(jù)表4-2提出的沁水盆地煤層氣藏開發(fā)潛力評價標準對全盆地煤層氣可開采性進行評價，劃分出大寧-寺河-潘莊-樊莊一個優(yōu)勢煤層氣藏，沁源-故縣-沁縣-武鄉(xiāng)、柿莊-高平、壽陽-陽曲、陽泉、和順-橫嶺、西山等六個有利煤層氣藏，以及沁水-鄭莊東一個潛力煤層氣藏。各氣藏位置如圖4-5所示，各氣藏參數(shù)如表4-3所示。表4-3沁水盆地3號煤層氣藏開發(fā)潛力評價開發(fā)潛力評價氣藏名儲層壓力梯度含氣量m3/t滲透率mD氣藏面積Km2埋深(m)優(yōu)勢區(qū)大寧-寺河-潘莊-樊莊0.7~0.9>14>1600300~650有利區(qū)沁源-故縣-沁縣-武鄉(xiāng)>0.7>14>115001000~1600柿莊-高平0.6~0.7>12>0.5800450~800壽陽-陽曲>0.612-18>0.5300300~500陽泉0.55~0.6512~180.01~0.5105