沁水盆地煤层甲烷储层高渗透区的遥感分析和预测

毛耀保　冯富成　王永　陈强华　王新民

(中煤航测遥感局遥感应用研究院,7100)

【摘要】本文着重分析沁水盆地煤层裂隙基本特征及地表裂隙系与深部煤储层之间的相互关系。阐述了遥感图像上线性要素的主要解译标志,同时对线性要素进行相似维分形分析,预测出沁水盆地煤储层高渗透区。并在此基础上,总结了煤层渗透性遥感探测的基本程序。

【关键词】煤炭地质　煤层裂隙　渗透性　遥感预测【中图分类号】P237.4、【文献标识码】【文章编号】1000-3177(1999)56-0040-03TD1　A　

1　引　言

煤层甲烷气作为一种新型的洁净型替代能源已引起社会的广泛关注,影响煤层气开采潜势的关键因素主要是煤层含气性和渗透性。总体而言,煤层含气性的分析和评价相对简单,只要根据区域煤层分布、煤变质程度、盖层条件、区域构造发育等情况即可掌握含气性状况。而煤层渗透性的评价就相对复杂得多,以往通过岩芯测试、钻井测试和生产历史谐配求取渗透率,但这些方法研究范围小、宏观性差,花费较大。利用遥感技术评价具有速度快,研究范围广,综合性强的特点,不仅可以对影响煤层气赋存和开发的地貌条件、断裂特征及切割密度、水体分布、植被覆盖条件、土地利用状况、管网布设等进行调查分析,还可以通过解译区域构造体系、地面线性形迹分析它们与煤层裂隙的相互关系,确定渗透性相对较高,有利于煤层气商业开发的区块。

镜煤和亮煤中,不切穿上下层。内生裂隙的形成不仅由煤的力学性质这一内部因素决定,而且受凝胶化物质体积收缩产生的内引力作用和古构造应力的作用。外生裂隙的力学成因与岩石中节理的成因相近,主要受构造应力作用控制。

从裂隙成因可以看出,煤变质程度、煤岩组分、煤层埋深、煤体结构、区域构造特征等均可影响煤层裂隙系统的发育,从而影响煤储层渗透性。

2.2　煤层裂隙特征

沁水盆地煤变质程度普遍较高,绝大部分地区为

高变质的贫煤和无烟煤,煤层镜质组反射率R0max在

1.9-4.3%之间,煤层割理总体上不如我国中变质煤

层分布区发育。据野外调查,盆地内煤层中可见两组割理,晋城矿区3号煤层面割理走向在NE45°-60°之间,端割理走向在NW314°-330°之间,阳泉矿区15号煤层面割理走向在N60°-70°E之间,端割理走向

-286°和NW345°-356°之间。煤岩组分是制约NW276°

煤层割理形成的内在因素,镜质组含量高的煤层割理密度大,面割理密度介于5条-30条󰃗5cm,端割理密度介于2条-20条之间。随着煤层埋深增大,煤层上覆压力加大,裂隙容易封闭,当煤层埋深大于1500m时,储层物性变差。不同变质程度的构造煤如碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤发育不同的裂隙类型,煤体结构是碎裂煤时,煤层中外生裂隙较为发育,裂隙连通性较好,而糜棱煤裂隙不发育。盆地的大地构造特征和构造背景对煤层割理和外生裂隙的发育影响较为明显。盆地内煤层面割理的总体方向与区域褶皱方向大体平行;在盆地范围内大致发育三组构造线,即北北东向、近南北向和北东东向,它们代表不同时期的构造运动,在不同期次构造线的交汇部位,形成了裂隙发育带。具体表现

2　沁水盆地煤层裂隙基本特征

2.1　煤层裂隙型和成因

煤层为双孔隙储层,包括基质孔隙和裂隙。煤基质

被天然裂隙(割理)网分割成许多方块,每个方块中的煤基质由煤粒和微孔隙组成。基质孔隙是主要的储气空间,甲烷被吸附在微孔的内表面上,它影响到煤层气的赋存、解吸和扩散,而裂隙是甲烷渗流的主要通道,甲烷在浓度差的作用下,穿过基质扩散到裂隙中。所以煤储层渗透性的高低主要取决于煤层裂隙的发育状况、开启程度和连通特征。

煤层中裂隙有两种,一是内生裂隙(割理),二是构造作用形成的节理,它通常穿过煤层顶底板。内生裂隙主要与煤岩组分和煤化程度密切相关,一般只发育在

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为,煤层中可见构造裂隙斜交煤层割理并切穿暗条带。晋城矿区3号煤层构造裂隙走向在NE28°-43°,NE59°-85°,NW295°-314°,阳泉矿区15号煤层裂隙走向在

-80°,NW333°-351°之间,它们与煤层割理斜交NE60°

构成了裂缝网络。

沁水盆地总体煤层厚度大,分布广泛,横向变化较小,煤变质程度高,煤体结构多为原生结构,煤层内生裂隙不发育,渗透性普遍偏低。这样寻找构造裂隙发育有附加渗透性存在的区块就非常重要,适度的构造作用有利于煤层渗透性的改善。因而通过遥感手段,着重分析区域构造背景、解译地形线性要素,可以预测煤层高渗透区块。

影像,它们主要由直线状河段、陡崖、山脊、陡坡以及由色调和结构差异确定的来自岩石和土壤类型、植被类型以及密度、水分含量之间的光谱差异。它们基本上可以反映地形裂隙系的展布和排列状况。线性要素的解译标志包括色调解译和形态解译标志。主要反映在地貌、水系形式的排列、分布、形态、色调差异方向。

色调解译标志有:

(1)在图像上存在一条色调或彩色的分界面,两边深浅或颜色不同。

(2)在此较均一的背景上出现一条狭窄的较浅或较深的色调影像。

(3)某些地段显示出与周围色调不同的条带,条带的宽度各处有变化,有时内部还可以再分出不同色调或不同色彩的部分。

(4)沿某一色调界面,各段两侧深浅都不一样。形态解译标志有:(1)线状负地形:如河谷、冲沟、山鞍部、陡坡、陡崖,它们的方向性非常明显,且宽度较窄。

(2)地貌上存在明显的不协调现象,高差较大。(3)对河流、水系发育和分布的控制,如水系支流的平行状排列,角状弯折,突然转向等。

(4)线状侵蚀特征或松散堆积物的线状分布。(5)山脊线、洪积扇等地貌要素的错动与线状排列。

(6)岩层产状沿线突变。(7)地层的重复与缺失。

(8)沿线两侧构造发育程度、形态特征、复杂程度截然不同。

线性要素大多表现为水系的二、三级直线状支沟和黄土冲沟。一般来说,构造活动性不同的区域,水系发育形态不同。构造活动强的地区水系呈平行状,弱的地区多呈规则树枝状。因而线性要素的发育与分布基本受构造活动或构造型式的控制和影响。根据上述解译标志,全区共解译线性要素3000余条。

3.3　线性要素的统计分析

以构造相对稳定区中各个区块为单位,对所解译的线性要素数字化,进行走向长度频率统计分析(以10°为间隔),制作玫瑰花图,建立方向趋势,分别确定出有意义的走向区间,进一步分析其构造意义。(五个构造相对稳定区的线性要素玫瑰花图见图1)

对于保留的具有优势方位的线性要素,又分别在每个构造—地貌评价单元(指那些在构造、地貌特征上具有一致性和相对完整性的块段)方位内进行相似维分形分析,以确定其所反映的构造发育程度,从而推测各单元煤层渗透性的改善状况。

3　煤层甲烷储层渗透性遥感分析基本程序

煤层甲烷层渗透性遥感分析的基本程序是:

(1)通过区域地质构造的遥感分析划出构造相对稳定区块。

(2)在构造相对稳定区内解译地表线性要素。(3)对线性要素进行统计分析,制作玫瑰花图,确立每个构造稳定区线性要素优势方位,分析煤层渗透性方向。

(4)删除非优势方位的线性要素,并按一定的构造—地貌评价单元进行线性要素相似维分析。

(5)根据线性要素相似维值大小,选择出渗透性相对较好的区块。

3.1　构造相对稳定区块的划分

遥感图像在区域地质构造和地貌解译方面有独特的优势,可以从宏观上直接划分出构造类型、构造单元。构造复杂区断裂密集,煤体结构破坏严重,原有的内生裂隙也被封闭,渗透性很差,而构造稳定区由于埋深大,储层压力增大,导致储层物性变差。这样构造相对稳定区有可能成为煤层渗透性较好的区块。

从构造解译结果和区域构造特征看,沁水块坳为被断裂围限的四周翘起的次级褶皱发育的巨型坳褶带,总体可划分为沾尚—武乡—阳城北北东向褶带、娘子关—坪头坳缘翘起带、析城山坳缘翘起带、太岳山坳缘翘起带、郭道—安泽近南北向褶带、普洞—来远北东东向褶断带和盂县坳缘翘起带。其主体是沾尚—武乡—阳城北北东向褶带,其它六个构造单元均为构造复杂区。盆地中心基本上为构造稳定区,可以1500m煤层埋深线作为边界。盆地环状斜坡带为构造相对稳定区,从北往南又可大体分为阳泉区块、左权—武乡区块、屯留—长子区块、沁源—安泽区块和晋城区块。

3.2　地表线性要素的遥感解译

地表线性要素主要指图像上解译的非人为的线性

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图1　沁水盆地各构造相对稳定区块线要素玫瑰花图

　　分形理论主要研究自然界各种不规则形态和尺度不变性和自相似性特点。水系、黄土冲沟展布的形态图案,河流弯曲和分枝的状态,不论从总体看还是支流看都没有太大的变化,即它们具有自相似性及尺度不变性,即在很大尺度范围内的任何尺度下观察均具有相似的特点,其中的任何一部分经放大都与整体相同或大部分相同。由遥感图像解译的经过优势方位筛选的线性要素也具有上述尺度不变性和自相似性特点,故可用分形理论对其展布形态特征加以分析研究。

线性要素分形的基本观点是,维数的变化是连续的,处理的对象具有非规则性和自相似性。定量描述这种自相似性的参数是分形维如容量维、信息维、关联维、相似维。本次研究中采用相似维来描绘。

相似维的基本求法是:将某一评价单元用间隔r的格子把平面分割成边长为r的正方形网,并数出包含线性要素的正方形格子的个数,记为N(r)。当对r进行各种变化时,可得:

N(r)∝r-D

式中r为正方形格子的边长,N(r)为含河流或冲沟的格子的个数,D为分维值。将上式取对数:

区块名称晋城矿区

有意义的线性要素区间

0°-10°,30°-40°,60°-70°,280°-290°0°-10°,60°-70°,80°-90°,270°-290°,340°-350°10°-30°,40°-60°,80°-90°,270°-290°,350°-360°10°-20°,30°-40°,50°-60°,70°-90°,280°-290°,340°-350°0°-40°,60°-70°,80°-90°,270°-290°,310°-320°,350°-360°LnN(r)∝-Dlnr

显然LnN(r)与Inr呈直线关系,直线斜率的大小即相似维值。其实际求法为:对某一评价单元的线性要素,用边长为r的网络,将其覆盖起来,记录含有线性要素的网络数,然后不断缩小网格的尺寸,若为r1,r2,r3….,则相应可得N(r1)、N(r2)、N(r3)…。则在r)-LnN(r)坐标系中可以拟合出一条直线,直Ln(1󰃗

线的斜率即为该评价单元线性要素相似维值。

4　高渗透性区块的预测4.1　线性要素与地表岩层节理、煤层裂隙的关系为了分析遥感图像解译的线性要素在走向与发育程度上与地形岩层节理、煤层裂隙之间的对应关系,按照均匀布点和按构造部位布点的原则在六个构造相对稳定区块内进行了地形岩层节理的系统观测,并选择晋城矿区3号煤层、阳泉矿区15号煤层进行了煤层割理、裂隙的观测。通过各种原始资料的整理、统计、分析,编制走向玫瑰花图可以看出,线性要素优势方位走向与地形岩层节理、井下煤层裂隙在走向、位置、空间排列、发育程度等方面基本相似(见表1)。这说明,在相

煤层裂隙走向

28°-70°,70°-80°,295°-314°,

(面割理),45°-60°

(端割理)314°-330°340°-350°,60°-80°,330°,(面割理),345°-356°(70°、276°端割理)表1　沁水盆地线性要素与地表岩层节理及煤层裂隙走向对比表

地表岩层节理平均走向

4°,44°,74°,274°

阳泉矿区13°,83°,295°,342°

左权—武乡地区10°,24°,44°,53°,87°

屯留—长子地区4°,62°,86°,291°

沁源—安泽地区14°,62°,84°,293°,313°,355°

　　同的古构造动力背景下,一套地层组合内,深部煤层裂隙系与地表裂隙系存在密切关系。当地表裂隙发育时,遥感图像上线性要素也比较发育,对应地下煤层裂隙也应该发育。因而利用遥感方法探测煤层裂隙的

发育状况,预测煤层裂隙渗透性高的区块是可行的。

4.2　高渗透性区块和主要渗透性方向

从线性要素相似维值计算结果看,全区各构造—地貌评价单元相似维Ds值大致

(下转第44页)

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46家企业停产,直接经济损失高达1.3亿元。

4　结　论

②气象、水文条件的影响

一是气温。1998年8月持续高温天气,使湖水水温①应用卫星遥感可以及时发现湖泊水域藻类暴发增高,是蓝藻暴发的诱导因素;事件,宏观、准确地圈定暴发的地点和范围,对湖泊水

二是风。1998年7月1日至10月17日对太湖北环境进行监测。此外还有助于对蓝藻暴发成因的认识,部湖区进行了6次综合调查,重点分析了夏季盛行风为太湖水环境治理提供了科学依据;向和风力与太湖北部藻类分布的关系。研究表明,持续②太湖蓝藻暴发是太湖水体富营养化的后果,同稳定的风向(SSE至ESE),是表层藻类在下风区和迎时受温度、风和湖流等气象、水文条件的综合影响。风岸产生聚集的重要驱动力,当主风向为SE时,表层1998年太湖蓝藻暴发事件表明,太湖流域污染源达标藻类生物量和叶绿素A含量,成自东南向西北逐渐增排放只是太湖水环境整治的第一步,太湖治理和生态加的倾向性分布。修复还任重道远。要解决太湖水环境问题,使太湖水变

三是湖流。据测量,太湖湖西存在自北向南的迎风清,除继续巩固工业污染源的治理成果外,更重要的是贴岸流,无锡市区段梅梁湖东岸存在自北向南的沿岸解决生活污水及化肥农药等面源污染,才能彻底改变流。这也是导致湖西沿岸蓝藻带绵延20km,无锡市区太湖水体的富营养化状态。段蓝藻带出元黾头渚后沿梅梁湖东岸延伸的原因。

参考文献

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)的煤层裂隙为张开状　　(上接第42页)北西-南东向,所以北东向(60°

)和北北西向(351°)的煤层可以分为三个等级,即Ds<1.60,1.60>1.70。裂隙呈半张开状态,晋城矿区的主张应力方向也为北

从全区分布看,Ds值较高的区块,线性要素较为西-南东向,所以北东向(43°、59°;45°、60)的煤层裂隙

)和北东东向(85°)的煤层裂发育,构造活动相对较强,次级褶皱和中小型断层比较为张开状态,北北东向(28°

发育,如晋城预测区潘庄区块、武家坡区块、郑庄区块、隙呈半张开状态,可见煤层渗透性方向以北东向为最阳泉预测区寿阳南区块、寿阳北区块,阳泉北区块;而好,其次为近南北向和近东西向,这与煤层气井试井压

裂资料基本吻合,如晋城潘庄井田3号、9号、15号煤Ds值较低的区块,线性要素不发育,构造活动相对较

弱,次级褶皱和中小型断层也不发育,如左权—武乡区层压裂方向分别为0°、352.5°、60°、255°、75°、255°,基本块、屯留区块、苏庄区块、马壁区块、安泽区块。上都沿着北东向、近南北向、近东西向、北东东向。

从总体分布趋势看,在沁水盆地南、北端即沁水大

5　结　论

型复向斜轴仰起端线性要素较为发育,而靠近盆地中

(1)沁水盆地煤层变质程度高,内生裂隙不发育,心线性要素较少。从水系形式、组合格局也可以看出,

一般树枝状水系规则分布的区块,构造相对稳定,线性应用遥感技术可以探测煤层裂隙相对发育的地区,从要素较少,而羽状水系、平行状水系、格子状水系等分而预测煤层具有附加渗透性的区块。研究结果表明,晋布的区块,线性要素较为发育。因此线性要素相似维等城预测区潘庄区块、武家坡区块、郑庄区块,阳泉预测级既反映了构造的相对复杂程度,也反映了煤层裂隙区寿阳南区块、寿阳北区块、阳泉北区块渗透性最好。

(2)利用线性要素相似维分形分析方法,可以相对改善的程度。

从线性要素优势方位和煤层裂隙走向看,上述构定量地区分不同区块的煤层渗透性。

(3)通过遥感图像上线性要素、造相对稳定区裂隙发育方向主要以北东向、近东西向、地表节理、煤层裂

近南北向为主,明显受古应力场和区域地质构造的控隙的统计分析和方位对比以及地应力场分析,能够预制。根据地应力资料分析,阳泉矿区的主张应力方向为测煤层渗透性方向。

参考文献

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