构造曲率对煤储层初始渗透率的影响研究——以沁水盆地郑庄-樊庄区块为例

蔡 路 全贵龙 黄明勇 唐 龙 董艳杰

(贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队，贵州 551400)

煤层即是煤层气的烃源岩，又是它的储集层，有着不同于常规天然气储层的特性。煤层渗透率是影响煤层气产量最重要的参数，渗透率的高低主要由煤中孔-裂隙的大小、形态、开度和连通性决定。有学者指出构造裂隙是煤层渗透率的主要贡献者，认为构造裂隙受煤岩、煤阶影响小，在煤层内部具有更好的穿透性、连通性和开放性。另有学者指出适中的构造破坏作用有利于改善煤层渗透率，但当煤层遭受强烈构造破坏达到糜棱结构时，裂隙连通性差，渗透率会降低。构造曲率是反映裂隙密度和分布规律的重要指标，本文通过构造曲率的计算，研究其对煤储层初始渗透率的影响。

1 地质概况

沁水盆地位于山西省东南部，是中生代以来形成的复式向斜构造，长轴沿NNE方向延伸，南北两翼翘起呈箕状，东西向近似对称，其中石炭系-二叠系煤系地层是我国北方煤炭资源的重要分布区之一，具有形成煤成气藏的良好物质基础。郑庄-樊庄区块位于沁水复向斜盆地的南端，以寺头断层为界，东部为樊庄区块，西部为郑庄区块。区块内全区可采的主力煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤层，也是煤层气开发的目标层位，但本次仅研究山西组3号煤层。郑庄区块3号煤层埋深515～1245m，平均865m。在寺头断层、后城腰断层沿线和西北部地区煤层埋藏较深，一般大于1000m，区块中部煤层埋藏较浅，小于1000m，煤层埋深总体呈“中部浅、周缘深”的格局。樊庄区块3号煤层埋深370～837m，平均596m。在区块的北部和南部地区埋藏较浅，一般小于500m，中部和寺头断层沿线埋藏相对较深，整体为一南北翘起的“向形”结构。

2 构造曲率的计算

2.1 计算方法

曲率是反映曲线、曲面弯曲程度的数学参数。目标层位构造曲率值的大小可反映构造裂缝的发育程度。该方法假设岩层是一个完全的弹性体，未考虑塑性变形，裂缝将产生于岩层曲率的最大处。因此，在相似的构造应力场环境中，同一套煤层的构造曲率值越大，煤层的弯曲程度越强，构造裂缝越发育。本次采用曲率分析的方法，对郑庄、樊庄地区山西组3号煤层进行了研究，对这些地层中发育的裂缝及渗透性进行预测。具体的操作步骤如下：

将目标煤层的顶面标高等值线拟合成一个空间三维曲面，曲面方程：

f(x,y)=ax3+by3+cx2y+dxy2+exy+fx2+gy2+hx+iy+j

三维曲面上每一点的曲率值为：

进一步采用正方形网格差分法，在平面上对标高等值线进行切割(图1)。采用菱形法则分别计算45、27方向的主曲率值，其中：

图1 差分法计算网格示意图

将其分别带入K中分别求出K45、K27，计算所得0点处的最大主曲率值为：

Kmax=MAX{|K45|,|K27|}

2.2 计算结果

首先对郑庄、樊庄区块进行网格数据化，将区块切割成93452个100m×100m的正方形网格，根据压裂裂缝的监测数据(图2)，将最大主应力的方向设置为45°，最大最小水平主应力比取1.6。

图2 研究区人工裂缝方位监测玫瑰花图

计算结果表明(图3)，郑庄-樊庄区块内各点的最大主曲率值主要分布在0～4/km之间。曲率值在0.4～2的区域主要沿背斜、向斜的轴部分布，这些区域裂隙发育情况良好。曲率值小于0.4区域主要分布于平缓单斜构造地带，这些区域裂隙发育程度低。在大型断层附近，最大主曲率值会激增，出现异常，后期研究过程中可以剔除由于断层影响出现的极大值。

图3 最大主曲率与裂隙密度、宽度、长度和高度关系图

区块内由构造曲率形成裂缝的方位角在0°～180°均有分布。主要集中分布在60°～120°之间，在断层面附近，裂缝的方位角与断层的走向具有较好的一致性。

3 构造曲率对初始渗透率影响

3.1 最大主曲率值对渗透率的影响

岩层的曲面曲率是该点变形及其周围构造特征的具体反映，可用来研究褶皱变形所形成的构造裂隙特征。因此，对岩层最大主曲率的计算可以估算构造裂缝有关的渗透率值。

构造曲率对煤层渗透率的控制，主要通过影响裂隙的密度、长度、宽度和高度等因素，进而影响裂缝的导流能力。求取的最大主曲率值与裂隙的密度、长度、宽度和高度等相关性关系表明(图3)，最大主曲率值与裂隙密度和裂隙宽度表现为一定的正相关性，最大主曲率值与裂隙的长度和裂隙高度表现为一定的负相关性。

最大主曲率值与煤层试井渗透率的关系表明(图4)，最大主曲率小于1时，渗透率值随着最大主曲率值的增加而上升，这个阶段最大主曲率值上升，在裂缝长度和宽度保持一定值的前提下，裂缝的密度和宽度逐渐上升，渗透率逐渐上升。最大主曲率值大于1时，裂隙密度上升，但长度、高度和连通性逐渐变成导致渗透率逐渐下降。

图4 最大主曲率值与试井渗透率关系图

按郑庄、樊庄地区最大主曲率值与构造部位的相关性关系，可将研究区划分划分为以下三类：

(1)最大主曲率值为0.4～2的区域主要沿背斜、向斜的轴部分布。该区域煤层渗透性较好；

(2)最大主曲率值大于2的区域主要分布于断层附近。构造破坏过于强烈，渗透性较差。

(3)最大主曲率值小于0.4区域主要分布于平缓单斜构造地带。裂隙发育程度低，渗透率低。

3.2 裂缝方位角对渗透率的影响

裂缝的方位角与主应力方向之间的相对关系，会影响主应力作用于裂缝面的应力大小，进入影响裂缝的开度，控制裂缝的导流能力。根据裂缝的方位角与水平主应力的受力关系图(图5)，裂缝的垂直方向受到最大水平主应力作用大小为：

其中σF:裂缝面所受的力，MPa；σH：最大水平主应力，MPa；σh：最小水平主应力，MPa；θ：为裂缝的方位角。

图5 裂缝面受力示意图

当裂缝面垂直于最大水平主应力σh时，裂缝垂直面受力σF最大，裂缝的开度最小，导流能力越差，初始渗透率值较低。当裂缝面平行于最大水平主应力σh时，裂缝垂直面受力σF最小，裂缝的开度较大，导流能力强，初始渗透率值较高。

4 结论

(1)郑庄-樊庄区块内煤层各点的最大主曲率值主要分布在0～4/km之间。裂缝的方位角在0°～180°均有分布，主要集中分布在60°～120°之间，在断层面附近，裂缝的方位角与断层的走向具有较好的一致性。

(2)按郑庄、樊庄地区最大主曲率值与构造部位的相关性关系，可将研究区划分划分为以下三类。一是最大主曲率值为0.4～2的区域煤层渗透性较好；二手最大主曲率值大于2的区域构造破坏过于强烈，渗透性较差；三是最大主曲率值小于0.4区域裂隙发育程度低，渗透率低。

(3)当裂缝面垂直于最大水平主应力σH时，裂缝导流能力越差，初始渗透率值较低。当裂缝面平行于最大水平主应力σH时，裂缝导流能力强，初始渗透率值较高。