0 引 言
我国高阶煤储层具有低孔低渗的特征，同一区块内储层物性表现出较强的非均质性[1-2]。渗透率是评价煤储层的重要参数，受许多因素的影响，包括孔裂隙发育程度、煤体结构特征、煤的变质程度和原位应力分布等[3-5]。裂缝是甲烷解吸和扩散后迁移的主要通道，根据其形成机制分为内生裂隙和外生裂隙[6]。构造运动不仅产生了新的裂缝，而且还对内生裂缝进行改造，构造运动的频率和强度控制着内生裂缝的破坏程度和外生裂缝的发育[7]。裂缝的发育程度可用煤体结构变化来反映[8-9]。不同期次的构造运动对煤储层孔隙度和渗透率的改造程度不相同，现今渗透率是历次古构造运动叠加的结果。前人多从现今构造性质、构造部位、构造曲率等方面评价煤储层裂隙的发育程度[10-12]，而利用现今构造特征并不能完全反映煤层的变形程度，尤其在多期构造叠加区域，如两期构造是背斜和向斜叠加，那么现今构造形迹就会相对平缓，若用现今相对平缓的构造特征去评价煤层变形程度就会掩盖煤层所经历的复杂变形。沁水盆地成煤期后经历了多期构造运动，从多期构造活动叠加角度解读煤储层物性差异分布机制的研究鲜有报道。基于此，笔者以沁水盆地南部柿庄区块为研究对象，在构造期次剥离的基础上，采用构造曲率定量刻画主构造期煤层变形程度，分析地史最大构造曲率对煤体损伤程度的影响，进而探讨多期构造运动对煤储层物性的控制机理，为相对高渗区预测提供新的依据。
1 地质概况
柿庄区块位于沁水盆地中南部，是我国较早实现煤层气商业开发的区块，含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，分别为障壁海岸和河流三角洲沉积[13]。全区稳定发育两个煤层，其中3号煤层为主采煤层，厚度4.16～8.8 m，平均6.30 m，埋深515～1 682 m；15号煤厚度1.1～6.3 m，平均3 m左右，埋深612～1 754 m。区内发育断层和次级褶皱构造(图1)，北部以断层为主，多数为正断层，呈NS或NNE向展布，其中寺头断层为区域性大断层，位于柿庄区块中南部；南部整体为一向西倾斜的单斜构造，倾角较小，在此背景上发育次级褶皱[14]。
图1 柿庄区块3号煤层底板等高线
Fig.1 Floor contours of No.3 coal seam of Shizhuang Block
2 构造应力场及古构造形迹恢复
柿庄区块晚古生代成煤期以来经历了印支期、燕山期和喜山期三期构造运动，印支期和喜山晚期构造作用比较微弱，燕山期和喜山早期构造影响相对强烈[15]。煤储层物性与燕山期—喜山早期构造活动密切相关，需要恢复这两期构造应力场和构造形迹。
2.1 节理(裂缝)观测
为全面反映节理发育情况，对柿庄区块内出露的上石盒子组和石千峰组地层的节理进行了观测和统计(图2a)。由于野外节理观测严格受限于地层的出露情况和地形地貌特征，因此节理观测点的区域分布具有不均一性和聚集性。为弥补野外节理观测不足，对柿庄区块具有电成像测井的钻井，进行测井天然裂缝产状统计(图2b)。综合野外节理和测井天然裂缝的产状统计，绘制了柿庄区块节理(天然裂缝)走向玫瑰花图(图2d)。统计结果表明，柿庄区块野外露头节理走向发育具有五个优势方向，其产状分别为NNE向(10°～25°)、NEE向(45°～85°)、NWW向(85°～110°)、NW向(135°～145°)、NNW向(160°～175°)。节理(裂缝)的倾角较大(图2c)，主要分布在50°～ 90°，其中倾角大于50°的占93%，倾角大于70°的占76%，表明，柿庄区块主要以高角度、近似垂直的裂隙为主。
图2 柿庄地区节理(裂缝)产状统计
Fig.2 Occurrence statistics of joints(crack) of Shizhuang Block
2.2 古构造应力场恢复
通过对野外节理(裂缝)数据的分析(图2和图3)，并结合前人对沁水盆地南部的构造演化的研究成果，发现柿庄区块3号煤层形成后经受了四期构造应力场的改造(图4与图5)，分别为印支期近NS向的挤压应力、燕山期NWW—SEE向的挤压应力、喜山早期NEE—SWW向挤压应力以及喜山晚期NE—SW向挤压应力[16-20]。其中印支期近南北向的水平挤压应力场对沁水盆地的影响并不大，沁水盆地仍保持了稳定状态，并未在盆地内部形成明显的地质构造，仅使盆地南部产生了一定程度的隆起抬升[16-17]；燕山期是沁水盆地中生代以来最强烈的一次构造变形，在该期构造应力场的作用下，柿庄区块以挤压抬升和褶皱作用为主，形成了一系列轴向NE—NNE的宽缓的背、向斜构造和走向NW与近EW的节理[17、19]；喜山早期受到NWW—SEE向的拉伸应力，燕山期形成的褶皱进一步的改造，底板形态更加复杂，并形成一些走向NNE或NE的正断层[17-19]；在喜山晚期构造应力场作用下，导致盆地地壳进一步被抬升，接受剥蚀，并在第四纪老黄土中发育有节理构造[17-18]。
图3 不同构造时期典型共轭剪节理
Fig.3 Typical conjugate shear joint structures of different tectonic periods
图4 印支期和燕山期古构造应力场
Fig.4 Tectonic stress fields of Indochina and Yanshanian periods
图5 喜山期古构造应力场
Fig.5 Tectonic stress fields of Himalayan periods
2.3 古构造形迹恢复
在古构造应力场反演的基础上，结合柿庄区块现今构造形迹特征，利用构造行迹拉平和波叠加原理[19-20]，选取南部地区进行古构造形迹的恢复(图1中的A部位)。由于印支期和喜山晚期-现今构造活动对构造形迹影响很小，并考虑到方法本身的适用性，现做出如下假设和处理：由于印支期和喜山晚期构造运动对柿庄区块影响微弱，因此忽略这两期的影响；不考虑局部岩浆侵入和区域性垂向运动对煤层底板标高的影响；断层引起的底板标高变化依据断层的落差进行恢复；水平挤压作用形成的褶皱简化为相应方向的波列，构造运动的叠加近似为波的叠加；现今构造活动的影响忽略不计，煤层底板等值线图近似为喜山期后的构造形迹(图6)。
图6 喜山末期构造形迹
Fig.6 Paleotectonic traces of late Himalayan
柿庄区块造褶运动主要受燕山期和喜山早期两期构造运动的作用，且两期构造运动的最大主应力方向近似垂直，基于上述假设和处理，燕山期和喜山早期的构造作用可以简化为两个近似垂直的波的叠加。背斜的枢纽类似于波峰，向斜的枢纽类似于波谷(图7)，煤层底板构造形迹的变化遵从波叠加规律，具体操作如下：
图7 基于波叠加原理的古构造形迹恢复[21]
Fig.7 Recovery of tectonic traces based on wave superposition principle[21]
首先根据不同构造运动时期的构造应力场确定各时期褶皱的枢纽线，如图6中的线1、线2、线3和线4。若两期构造运动引起的煤层底板标高变化分别为h1和h2，则背斜枢纽线与背斜枢纽线叠加点处的标高变化为h1+h2，则向斜枢纽线和向斜枢纽线叠加点的标高变化为-h1-h2，同理背斜枢纽线与向斜枢纽线叠加点的标高波动为h1-h2或h2-h1，结合关键点处现今煤层底板标高，即可计算出h1和h2[21]。
形迹分析举例(图6)：简化后的两期构造运动为两列方向不同的波。由于点c、d、h处于背斜核部，点e、f处于向斜核部，结合喜山早期构造应力场方向，推断曲线C、E在喜山早期分别处于波峰位置，D处于波峰波谷位置；由于点a、d处于背斜核部，b、f、h处于向斜核部，结合燕山期构造应力场方向，推断曲线A在燕山期分别处于波峰位置，B处于波峰波谷位置。两列波叠加，则点f为波谷和波谷叠加的部位，点d为波峰和波峰叠加的部位，点c、h、e、h为波峰和波谷叠加的部位。
然后利用当前煤层底板标高及其波动值，求出关键点不同构造时期的煤层底板标高，通过插值法确定关键点之间的煤层底板标高，如此可以反演出关键时期的煤层底板标高，进而得到燕山期末构造形迹特征如图8所示。
图8 燕山期末构造形迹
Fig.8 Paleotectonic traces of late Yanshanian
3 多期构造作用对煤储层物性的影响
3.1 不同时期构造作用后的煤岩变形程度表征
从燕山期和喜山早期后构造形迹可知，目标煤层在两期构造作用过程中存在核部叠加(背斜+背斜、向斜+向斜、背斜+向斜)、翼部叠加、核翼叠加(背斜+翼部、向斜+翼部)6种组合情况。为了更好分析煤层变形过程，笔者根据曲率公式计算[28]每期构造活动以后的构造曲率，来反映煤层在每期构造作用以后的变形程度。在计算构造曲率之前先将柿庄区块域进行网格化，由于燕山期和喜山早期的最大主应力方向近NWW—SEE向、NEE—SWW向，为了方便操作，将柿庄区块按照NWW—SEE向、NEE—SWW向进行网格化，网格边长为500 m。
利用上述方法选取能够覆盖6种组合的典型井(图6)进行燕山期后和喜山早期后的构造曲率进行计算，计算结果见表1。由结果可知，两期构造活动叠加，煤层的变形程度不一定增加，存在燕山期后构造曲率大于喜山早期后构造曲率的现象。
3.2 多期构造作用对煤体结构的影响
煤体结构是煤岩在外力作用下的变形产物，是煤层自身力学性质对外力作用的响应结果。在小范围内不考虑力学性质差异的情况下，煤体的破坏程度主要取决于外力作用下的变形程度[22]。由于现今构变形程度可能并不是地史最大构造曲率值(表1)，所以，煤体的损伤程度应取决于地史最大构造曲率，即现今构造曲率并不能完全反映煤体的真实损伤程度。
表1 不同构造期后煤层构造曲率
Table 1 Structure curvature of coal seam after different tectonic period
井号构造曲率/10-6m-1r1r2r叠加方式S-1166.287.9166.2翼部+翼部S-2362.088.0362.0向斜核部+向斜核部S-3138.1135.6138.1翼部+背斜核部S-459.624.059.6翼部+向斜核部S-5190.724.0190.7向斜核部+向斜核部S-611.524.024.0翼部+翼部S-752.943.952.9翼部+翼部S-820.939.939.9向斜核部+背斜核部S-9186.948.0186.9背斜核部+背斜核部S-1049.895.995.9翼部+背斜核部S-1115.347.847.8向斜核部+翼部S-1251.3111.7111.7背斜核部+翼部S-1321.256.056.0背斜核部+翼部
注：r1、 r2分别为燕山期和喜山期后煤层构造曲率；r为两期中相对较大的构造曲率。
由于区内取芯井较少，为了系统揭示构造作用对煤体结构的影响，笔者利用测井曲线来定性表征煤体结构。利用测井曲线反映煤体结构已经得到广泛的应用[22]，其响应机理是随着煤体破碎程度的增加，声波传播速度逐渐减小，扩径现象不断地严重，单位体积内放射性元素含量也会相应的降低(图9)。因此，采用声波时差、井径X和自然伽马来表征煤体破碎程度，通过对柿庄区块煤岩取心的统计分析，总结出煤体结构与测井曲线的对应关系见表2。
图9 煤体结构单井观测
Fig.9 Coal structure of single well
表2 煤体结构与测井对应关系
Table 2 Corresponding relation of coal structures and logs
煤体结构声波时差/(μs·m-1)井径X/cm自然伽马/API原生结构/Ⅰ400～418<2742～96碎裂结构/Ⅱ415～42826～3525～62碎粒结构/Ⅲ425～43030～3515～47糜棱结构/Ⅳ>420>33<32
通过测井曲线与地史最大构造曲率的相关性分析可知(图10)，随着煤体变形程度的增加，煤体结构的破碎程度也增大。由对应关系可知，当r<48×10-6 m-1时，为原生结构煤(Ⅰ类煤)；当48×10-6 m-1<r<150×10-6 m-1，为碎裂结构煤(Ⅱ类煤)；当r>150×10-6 m-1时，为碎粒结构煤(Ⅲ类煤)。柿庄区块糜棱结构煤基本不发育，但是对于煤体结构比较破碎的井，在破碎层段夹有少量的糜棱煤。利用地史最大构造曲率对煤体结构的预测，对于没有钻井的区域具有重要的现实意义。
图10 煤层变形程度与煤储层孔渗的关系
Fig.10 Relationship between deformation degree of coal seam and coal body structure
3.3 多期构造作用对煤储层孔渗的影响
随着煤岩变形程度的增加，裂隙的发育程度增加，且裂隙的发育趋于复杂，在两期构造作用比较强烈的部位尤为显著。基于试井渗透率和测井信息所建立的渗透率公式计算出上述13口典型井渗透率值如图11所示。当0<r<110×10-6 m-1时，随煤层变形程度的增加，煤储层渗透率呈线性增长，当r>110×10-6 m-1时，随煤层变形程度的增加，煤储层渗透率呈线性降低(图11a)。结合煤体结构与最大构造曲率的关系可知，随着变形程度的增加，煤体结构由原生结构向碎裂煤演化，煤储层裂隙发育程度增加，煤层导流能力增大，随着破裂程度进一步增加，煤层导流能力逐渐降低，这种现象在前人研究煤体结构与渗透率的变化关系的结果一致[23]。13口典型井构造曲率与孔隙度关系如图11b所示，随着煤体变形程度的增加，孔隙度有增大的趋势，但是关系比较离散，即变形程度对孔隙度影响不明显,其原因为煤层的孔隙度多受埋深和应力特征控制。
图11 煤层变形程度与煤储层孔隙度与渗透率的关系
Fig.11 Relationships between deformation degree and porosity and permeability of coal seam
4 结 论
1)柿庄地区3号煤层形成后经受了四期构造应力场的改造，分别为印支期近NS向的挤压应力、燕山期NWW—SEE向的挤压应力、喜山早期NEE—SWW向挤压应力以及喜山晚期NE—SW向挤压应力，但受印支期和喜山晚期的构造作用比较微弱，主要受燕山期和喜山早期构造活动的影响较强。
2)两期构造活动叠加，煤层的变形程度不一定增加，存在燕山期后构造曲率大于喜山早期后的现象。
3)地史最大变形程度控制着煤体真实的损伤程度，随着地史最大变形程度的增加，裂隙发育增多，煤体破碎程度增加，当r<48×10-6 m-1时，发育原生结构煤；当48×10-6 m-1<r<150×10-6 m-1时，发育碎裂结构煤；当r>150×10-6 m-1时，发育碎粒结构煤。
4)随着地史最大变形程度的增加，渗透率呈先增大后减小的趋势，其极值点在r=110×10-6 m-1附近，煤层变形程度对孔隙度的影响不显著。
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