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1.中国石油华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062552；2.中国石油天然气集团公司煤层气开采先导试验基地，河北任丘 062552
摘要： 沁水盆地中部地区是重要的高煤阶煤层气资源接替区，经过近几年的勘探发现，中部地区相对于南部已开发区的地质条件更加复杂，主要表现在煤层埋深大，构造复杂，褶皱、断裂发育，区域含气性较差，构造煤发育，试采效果差。本文以沁水盆地中部沁南区块为研究对象，剖析了区域褶皱、断裂的分布特征，从构造演化和构造运动的角度分析不同构造的形成原因。并且以沁南区块地震、评价井资料为基础，将区域局部构造划分为背斜带、斜坡带、向斜带和断裂带四类，统计分析了构造对于煤层气藏的影响，据此建立了沁水盆地构造控藏模式图。同时，提出燕山运动形成的一系列NNE向背斜带是控制煤层气富集高产的前提，喜山运动对于断层和褶皱的改造主要起到破坏作用。根据模式图建立了有利区带优选标准，认为背斜带含气量高、煤体结构好、地应力相对较小，产水量低，更容易获得高产的地区，属于一类有利区带；斜坡带和向斜带含气量较高，煤体结构较好，但是在埋深较大的中部地区，地应力较大，不利于获得高产，属于二类有利区带；破碎带含气性差、煤体结构破碎，无法获得高产的地区，属于三类有利区带。
关键词： 沁水盆地中部；构造样式；构造控藏；有利区优选；背斜带
沁水盆地是我国第一个煤层气产业化开发基地，目前主要的开发区块位于盆地的南端斜坡带，包括樊庄、潘庄、郑庄等区块，均获得了较好的开发效果。这主要得益于南端斜坡带构造相对简单，煤层埋深较浅，含气量高，储层渗透性好等诸多有利的地质条件（孙粉锦，2014）。但是，随着向北部进入盆地中部地区，煤层气地质条件相对于南部变得更加复杂，主要表现在中部地区褶皱更加剧烈，断层多，煤储层煤体结构差，含气性较差，排采效果不理想。
经过不断的勘探实践，盆地中部构造对于煤层气藏的影响逐渐凸显，与此同时，业界对于构造控藏的认识也在不断深化，目前普遍认为，煤层气的赋存状态是含煤地层经历历次构造运动演化的结果（王怀勐，2011）。本文以沁水盆地中部沁南区块为例，通过分析区域的构造结构特征，探索构造运动成因，并论述构造对于煤储层含气性、煤体结构、地应力、产气产水特征的影响，提出了区域构造控藏特征及有利区带优选方法，为国内其他类似的煤层气区块的勘探开发提供借鉴。
沁南区块整体评价从2010年开始一直持续至今，目前区域内已经完成了2km×2km二维地震的覆盖，并在东西部地区各采集了一块三维地震，其他区域完钻评价井160余口，为区域地质研究提供了详实的资料。
沁南区块主要煤层为上石炭统太原组（C 3 t）15 # 煤和下二叠统山西组（P 1 s）3 # 煤。本文主要研究对象为3 # 煤，该煤层在区域内沉积稳定，厚度为4.5～6.8m，在西北部发育两层，其他大部分区域发育一层，是区域最主要的开发层系，3 # 煤埋深为500～1500m，目前主要的勘探区域集中在800～1400m。沁南区块西部3 # 煤含气量为10～25m 3 /t，东部含气量为8～22m 3 /t，含气量要略低于南部郑庄、樊庄区块（15～35m 3 /t），整体表现为随着埋深增加而逐渐升高。
沁水盆地为一北北东向复式向斜，轴线位于榆社—沁县—沁水一线，东西两翼近似对称，两翼倾角平均4°左右，南北两端翘起呈箕状斜坡。沁南区块位于沁水盆地中部南段（如图1所示），横跨沁水盆地的东西两翼，整体为一个向斜构造，东西两端为斜坡，中部为洼槽（如图2所示）。整体地层倾角不大，但是局部褶皱断裂十分发育，褶皱多且呈背向斜相间发育的样式。断层以高角度正断层为主，少量逆断层，大部分断层的断距较小，一般都＜100m，仅在中部和东部地区可见几条断距较大的断层。另外，区域还解释多个陷落柱，陷落柱在断裂破碎的区域集中发育，在构造相对稳定的区域仅零星分布，陷落柱的规模普遍较小，直径集中在100～300m。
图1 沁水盆地地质图
图2 沁南区块EW向地震剖面（A-A’）
区域上，沁南区块断层的走向主要有三个方向：近NS向，NNE向和NE向（如图3所示）。洼槽区发育一套NNE向断裂，与盆地走向一致；西斜坡南部断层以近NS向为主，向北部逐渐过渡为NNE向；东斜坡除NNE或近NS向断层外，还发育数套大型的NE向断裂带，将区域切割成3个断块。
沁南区块褶皱的平面分布与断层发育有相似之处。洼槽区发育一组与断裂平行的褶皱。西部斜坡带发育数条长条背向斜，走向与断裂系统基本一致，而断裂多发育在向斜的轴部附近，西斜坡褶皱延伸距离很长，部分褶皱贯穿整个沁南区块。这些褶皱可以一直延伸到地表，根据地表观察的结果（如图4所示），这些褶皱的规模一般不大，宽1～4km，长3～10km，两翼倾角一般为10°左右，走向约为20°。褶皱以断裂带分隔，断裂带的规模较大，延伸长度一般为10～15km，最长可达19km，断层面的倾角一般都在60°～80°，个别几近直立，断层带中的岩石强烈破碎（山西省地质局区域地质调查队，1977）。
图3 沁南区块构造纲要图
图4 背斜带在地表的观测图
过渡到东部斜坡带，受到NNE向断裂带切割的影响，褶皱的走向变得更加复杂，根据三维地震区立体显示图（如图5所示）可知，区域不仅发育近NS向的褶皱，还发育一套受断裂带控制的NE向褶皱，部分区域两组褶皱相互交叉呈“口”字形。
从整体来看，沁南区块构造十分复杂，表现为断层发育，长条状褶皱发育，且东翼长条褶皱受到断裂带影响，相互交叉。
沁南区块的构造呈现出多期次改造叠加的特点。沁水盆地可以分为四个期次的构造演化阶段：印支期、燕山期、喜山早期和喜山晚期。这四次构造运动叠加形成了现今的构造格局。
图5 沁南区块东部3 # 煤层立体显示图
印支运动发生在晚古生代末到中三叠世，华南板块、欧亚板块、印度支那板块等多个板块先后发生拼合和碰撞，印支运动构造应力场主要是近似南北走向的挤压应力，但沁水盆地仍处于相对稳定发展阶段，构造运动表现为盆地整体抬升，对内部褶皱、断裂形成影响小。
燕山运动发生在晚三叠世到晚白垩世，沁水盆地随着库拉—太平洋板块与欧亚大陆北西方向的挤压加剧，整体表现为北西方向的挤压应力场，同时伴随着强烈的岩浆侵入。燕山运动不仅导致了吕梁山、太行山的隆起，并最终形成了沁水盆地复式向斜构造的形态，还对盆地内部有明显的改造作用，决定了现今沁水盆地的总体挤压构造格局。
喜马拉雅早期主要是古新世到渐新世时期，板块俯冲和碰撞形成强烈的伸展和裂陷作用。沁水盆地构造应力场为NW-SE拉伸方向，形成一系列走向NNE-SSW或NE-SW的正断层，褶曲构造并不明显，只表现为原先褶皱的加强。
喜马拉雅晚期主要是从新近纪时期开始，华北平原所受到构造应力场从拉张应力场转换为挤压应力场，同时挤压方向逐渐向东西方向偏移，变成NE-SW方向，并一直延续至今（王猛，2012）。
总结来看，沁水盆地中部地区现今的构造格局与四期构造运动息息相关，尤其是燕山期和喜山早期，区域现今近NS向、NNE向背向斜叠置的长条褶皱构造主要形成于燕山期，由于挤压运动剧烈，在向斜轴部容易形成逆断层为主的断裂带。另外，东翼NE向断裂带的形成也与燕山期挤压运动有直接的关系，由于应力主要来自库拉—太平洋板块向亚欧板块的俯冲，因此盆地东翼受力更大，当挤压力过大时，会产生一个逆时针的旋钮力，导致了东翼一系列NE向具有走滑性质的地垒、地堑和断裂带的形成（马永明，2005）。喜山早期的拉伸应力场对于沁水盆地目前以正断层为主的断裂格局起到了决定性作用，强烈的拉伸应力会导致逆断层发生反转，并伴随着新的正断层的形成。
煤层气藏作为一种残留型气藏，后期的构造运动会对气藏产生明显的改造甚至是破坏作用，以区域构造、评价井资料为基础，将评价井所处的局部构造划分为背斜带、斜坡带、向斜带和破碎带四种，通过散点图的方式探索构造对于煤层气藏的影响。
以局部构造分类为前提，统计了沁南区块所有评价井和断层的距离与含气量的关系，需要强调的是，由于局部构造、距离断层远近并非含气性的唯一影响因素，所以散点图仅能反映趋势，不能反映直接的关系。从散点图上可以看出，距离断层越远，含气量越高，与一般认识相符。根据所处构造位置统计，高含气（＞20m 3 /t）的井均处于背斜带或者斜坡带上，处于向斜或者断裂带的井均为低、中含气量的井（如图6所示）。
煤岩随着破碎程度的增加，可依次划分为原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四种。原生煤没有遭受构造活动的破坏，岩心为长柱状，基本保持了煤层原沉积结构；碎裂煤岩心由较大煤岩碎块构成，原生沉积结构遭到轻微破坏，外生裂隙发育，偶见构造滑痕，手试强度较坚硬。碎粒煤的岩心由细小颗粒（1～5mm）构成，煤体被裂隙切割严重，层理结构难以分辨，揉皱结构与滑面发育，手试强度较疏松。糜棱煤，煤体多呈鳞片或揉皱状，似土质泥状，层理消失，裂隙无法观测，强度疏松。
煤体结构是影响煤层气高产的主要指标，直接影响煤岩的渗透性和可改造性。从原生煤向碎裂煤转变的过程为煤岩裂隙增多，渗透率增大阶段。但是随着应力的持续增加，煤岩由弹性形变向塑性形变转变，煤体结构由碎裂煤向碎粒煤转变，煤层可改造性和渗透率逐渐降低；当到达碎粒煤和糜棱煤阶段时，煤岩渗透率降至最低，且改造时易发生流变变形，难以建立有效的裂隙网络，使压裂改造效果差。因此，实际生产中，原生结构煤和碎裂结构煤是有利的煤体结构。
构造运动的强弱是影响煤体结构的一个主要因素。我们统计了沁南区块评价井所处构造位置与煤体结构发育的关系，其中用代号“1”“2”“3”“4”分别代表背斜带、斜坡带、向斜带和破碎带，用纵向上有利的煤体结构厚度（原生煤厚度+碎裂煤厚度）与煤层总厚度的比值来代表煤体结构的优劣，根据散点图（如图7所示），背斜带和斜坡带的煤体结构相对较好，其中斜坡带的煤体结构更加集中，而向斜带和破碎带的煤体结构都比较差，有利的媒体厚度占比一般不超过60%。
图6 与断层距离与含气量关系散点图
图7 局部构造与煤体发育程度关系散点图
应力对于煤储层有重要的影响，一方面，应力通过改变煤储层孔—裂隙结构的分布、方向、闭合和开启程度来控制渗透率的变化。随着地应力的升高，煤岩渗透率呈现指数递减趋势（宋岩，2016）。另一方面，应力增加会相应地增大压裂的难度，影响压裂缝的延伸。
采用同样的方法，我们统计研究了微幅构造对于地应力的影响，代号的意义不变，最小主应力为煤储层压裂施工中的停泵压力。根据散点图可以看出，最小主应力按照背斜带、斜坡带、向斜带呈现升高趋势，这就表明，相对而言，背斜带更有利于应力的释放，而向斜带则为应力较集中的区域。破碎带的地应力相对也较小，表明地层破碎有利于地应力的释放，导致应力降低（如图8所示）。
图8 局部构造与最小主应力关系散点图
局部构造对于煤层气藏的影响最终反映在对煤层气井产气、产水特征的影响上，根据沁南区块评价井产气、产水特征散点图（如图9所示），区域生产井具有“气多水少、水多气少”的特点，而局部构造对于煤层气井产水、产气的影响十分明显。其中，产气量最高的井主要位于背斜带，且处于背斜带的井有较大比例能够获得每天上千立方米的高产。处于斜坡带的井产气能力次之，但有一定比例的低产井。处于向斜带的井产气能力较差，较难获得高产，最高产气量为2000m 3 /d。产气能力最差的井处于破碎带，该区域的井很难获得每天上千m 3 的产量，且产水量大。
总之，沁水盆地中部地区背斜带、斜坡带构造相对稳定，原生气藏得以保存，且背斜带更有利于聚气以及应力的释放。而向斜带和断裂带由于受到燕山期、喜山期构造运动强烈改造，保存条件变差，而且构造的低部位容易形成地下水通道，造成煤层气的滤失。在排采过程中，当储层压力降至临界解吸压力之下时，煤层气由吸附态变为游离态，水因重力作用易流向下倾方向，气因浮力作用易流向上倾构造相对高部位，使得相对构造高部位产水少、产气高（宋岩，2016）。
据此建立了沁水盆地中部复杂构造带构造控藏模式图（如图10所示），燕山运动形成的一系列NNE向背斜带是控制煤层气富集高产的前提，喜山运动对断层和褶皱的改造主要起到破坏作用，现今没有经历强烈改造或断层切割的NNE向背斜带是最有利的区域。
图9 局部构造与产气、产水关系散点图
图10 沁水盆地中部煤层气构造控藏模式图
根据构造控藏模式，我们提出了沁水盆地中部复杂构造带有利构造区带优选标准（如表1所示）。共分为三类：
第一类有利区带是长条背斜带，该背斜带走向多为近NS或NNE向，主要受燕山期NW向挤压应力形成，后期喜山期拉伸和挤压应力影响较小，保存条件较好，而且，背斜带相对应力较小，裂隙开启，渗透性较好，更容易获得高产。
第二类有利区带分两种，一是斜坡带，无论是燕山期的挤压运动，还是喜山期的构造运动，都对其影响较小，煤储层保存条件好，但是区域应力较集中，煤储层渗透性较差；二是宽缓的向斜区域，形成原因是受到了挤压应力作用，虽然煤岩的变形较小，但是区域应力集中，不利于压裂造缝，较难获得高产。
第三类有利区带是褶皱剧烈的区域或地层破碎区，这些区域受燕山期、喜山期构造运动影响大，煤体结构差，渗透性差，且极易压裂沟通外部含水层，导致产水量大。
表1 沁水盆地中部有利区带优选表
以沁南区块西翼典型剖面为例（如图11所示），A53x、A61x所处的局部构造均为背斜带的顶部，两口井煤体结构以原生—碎裂煤为主，含气量均高于邻井，都达到了工业气流井标准，并保持了三个月的稳产。A22井处于一个斜坡部位，煤体结构以原生煤为主，埋深大、含气量高，该井也获得了工业气流，但是未能获得稳产，原因是应力大、压裂效果不理想，导致裂缝延伸范围小。其他三口井A15、A18和A19处于断裂带或剧烈褶皱的区域，均表现为含气量较低、产水量大、产气效果差。
图11 构造控藏典型剖面
（1）沁水盆地中部沁南区块整体构造复杂，表现为长条褶皱发育，断裂较多，煤储层煤体结构较差，含气量偏低。
（2）燕山期和喜山期构造运动对于现今的构造结构起到了决定作用，该区域现今近NS向、NNE向背向斜叠置的长条褶皱构造主要形成于燕山期，喜山早期的拉伸应力场对沁水盆地目前以正断层为主的断裂格局起到了决定性作用。
（3）背斜带含气性好、煤体结构好，地应力较低，更容易获得高产；斜坡带受构造运动改造小，保存条件好，但是在沁南埋深较大的情况下，地应力较高，不易获得高产；向斜带的轴部容易发育小的断裂，且向斜带应力集中，压裂造缝困难，难以获得高产；破碎带煤层保存条件差，含量低，且容易沟通邻近含水层，导致产水量大。据此，构建了沁水盆地南部构造控藏模式图。
（4）优选背斜带为一类有利区带，斜坡带和宽缓的向斜带为二类有利区带，剧烈褶皱或破碎带为三类有利区带。
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作者简介：张鹏豹，男，项目经理，工程师，主要从事煤层气勘探评价工作。E-mail：yjzx_zpb@petrochina.com.cn。