山西沁水盆地柿莊北地區(qū)煤層氣潛力

黃曉明 孫 強(qiáng) 閆冰夷 熊德華 王文化

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100011)

柿莊北煤層氣區(qū)塊大部分位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣境內(nèi)[1], 區(qū)塊面積374．92km2, 地質(zhì)構(gòu)造上屬于沁水含煤盆地東南緣。本次調(diào)查工作則主要集中在該區(qū)塊南部涵蓋了長(zhǎng)子縣、沁水縣和高平市的174km2范圍。包括本區(qū)在內(nèi)的整個(gè)柿莊地區(qū)一直是煤層氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū), 也是目前我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)投入較大、研究程度較高的地區(qū)之一[2]。通過(guò)持續(xù)不斷的勘探投入, 鄰近柿莊南區(qū)塊的煤層氣商業(yè)開采已初具規(guī)模并獲得了棗園區(qū)的儲(chǔ)量認(rèn)證。各種方式的煤層氣鉆井和生產(chǎn)試驗(yàn)井組全面鋪開。井組日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10000～15000m3左右。部分直井的單井日產(chǎn)量長(zhǎng)期穩(wěn)定在2000 ～3000m3, 水平井的單井日產(chǎn)量穩(wěn)定在5000 ～10000m3。依托儲(chǔ)量控制區(qū), 中聯(lián)公司加快了整個(gè)柿莊地區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)的步伐, 就柿莊北南部地區(qū)的174km2范圍而言; 截至目前已完成二維地震104．7km, 實(shí)施了3 口煤層氣參數(shù)+ 生產(chǎn)試驗(yàn)井。并對(duì)X1井的3#煤層采取了壓裂增產(chǎn)措施, 實(shí)施了為期6 個(gè)月的排采試驗(yàn), 日產(chǎn)氣量最高為860m3, 一般為500m3左右。通過(guò)以上工作我們獲得了該地區(qū)包括構(gòu)造、地層, 煤儲(chǔ)層及煤層氣生產(chǎn)特性等十分精細(xì)的地質(zhì)信息和各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)體積法計(jì)算的煤層氣資源量為402．93 億m3, 根據(jù)地質(zhì)類比法估算的資源量更高, 可達(dá)473．16 億m3, 這是因?yàn)轭惐葏⒄諈^(qū)的勘探程度高、資料豐富、部分參數(shù)略好于本區(qū)。

1 構(gòu)造發(fā)育特征

沁水盆地位于華北地臺(tái)中部, 是介于太行山和呂梁山之間的一個(gè)近南北走向的構(gòu)造盆地。該盆地先后經(jīng)歷了印支期、燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 褶皺、斷裂構(gòu)造均較為發(fā)育, 構(gòu)造線多為NE- NNE走向。柿莊北地區(qū)位于沁水盆地中南部, 構(gòu)造位置靠近盆地東南翼, 地層展布總體平緩, 傾向NWW。煤層埋深自東向西逐漸加大, 深度范圍一般在800～1600m。構(gòu)造以走向NNE 的褶皺和斷裂為主, 總體表現(xiàn)為簡(jiǎn)單平緩的低幅度褶曲和走向延伸不大的正斷層。

研究區(qū)范圍的現(xiàn)今構(gòu)造主要為燕山期和喜山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。燕山期： 本區(qū)處于弱拉張與強(qiáng)擠壓交替的應(yīng)力狀態(tài), 主要表現(xiàn)為NW- SE 方向的近水平應(yīng)力場(chǎng), 華北板塊南北邊緣的兩條造山帶再次經(jīng)受造山作用, 我國(guó)東部的構(gòu)造發(fā)展逐步置于太平洋板塊的控制之下, 區(qū)域上產(chǎn)生了指向NW- NWW 方向的水平擠壓應(yīng)力, 本區(qū)在水平擠壓應(yīng)力的作用下,伴隨著地殼褶皺抬升而形成NNE 向次級(jí)短軸波狀褶皺。喜山期： 在以NW- SE 拉張應(yīng)力的作用下,本區(qū)沿著已有的裂隙面斷裂構(gòu)造得到進(jìn)一步發(fā)展,形成了本區(qū)以NE 向正斷層為主的構(gòu)造輪廓。根據(jù)地震地質(zhì)解釋成果, 本區(qū)發(fā)育一組走向NNE 的規(guī)模不等的短軸褶曲構(gòu)造, 大斷層相對(duì)不發(fā)育且無(wú)逆斷層, 斷層落差一般小于50m。地層傾角一般小于6°, 局部受構(gòu)造影響最高可達(dá)15°。

本區(qū)石炭- 二疊系含煤地層沉積穩(wěn)定, 巖性組合及地球物理特征明顯, 標(biāo)志層及煤層與其上、下巖層的物性差異較大, 因此沉積界面具有較強(qiáng)的波阻抗。

在淺部二疊系及三疊系非煤系地層中, 厚度較大的砂巖也能產(chǎn)生較為明顯的反射波, 如上石盒子底部K10砂巖, 上石盒子組K12砂巖、K14砂巖等,它們的共同特點(diǎn)是反射強(qiáng)度及連續(xù)性變化頻繁, 極不穩(wěn)定, 反映出河道砂搖擺不定的沉積相變特征。

地震勘探結(jié)果表明 (圖1) ; 本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主, 斷裂系統(tǒng)不發(fā)育, 偶見陷落柱, 總體表現(xiàn)為一個(gè)西傾的單斜構(gòu)造。影響全區(qū)煤層形態(tài)的主要構(gòu)造是位于區(qū)塊中央并縱貫?zāi)媳钡囊粋€(gè)向斜構(gòu)造, 其軸向NNE, 幅度210m, 兩翼不對(duì)稱。以此向斜為界, 向斜西翼地層及構(gòu)造較復(fù)雜, 在以西1km 條帶內(nèi)地層傾角較大, 最大可達(dá)15°, 低幅度褶曲及斷層發(fā)育, 煤層起伏較大。向斜東翼構(gòu)造簡(jiǎn)單, 傾角較小, 呈SE 向緩慢抬升, 僅有局部的小幅度起伏, 傾角一般小于5°。

圖1 柿莊北地區(qū)地震勘探成果圖

3#煤層底板標(biāo)高最大約為350m, 位于本區(qū)東南角, 最小標(biāo)高約為- 350m, 位于區(qū)內(nèi)中央向斜的核部, 煤層主要是NWW 傾, 埋深隨煤層傾向總體呈變深趨勢(shì), 最淺約830m, 最深達(dá)1600m 以上,地表標(biāo)高的變化對(duì)煤層埋深的影響也比較明顯。

15#煤層底板標(biāo)高最大約為250m, 亦位于本區(qū)的東南部, 最小標(biāo)高約為- 540m, 位于區(qū)內(nèi)中央向斜的核部, 煤層主要是NWW 傾向, 埋深隨煤層傾向總體呈變深趨勢(shì), 局部達(dá)1700m 以上。15#煤層位于3#煤層下部90～110m 范圍, 形態(tài)與3#煤層基本一致, 且層間距變化不大。

由于本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單, 因此依據(jù)地震資料對(duì)褶曲和斷層等常規(guī)構(gòu)造, 以及非常規(guī)構(gòu)造陷落柱等的識(shí)別并不復(fù)雜。

對(duì)于褶曲和斷層的識(shí)別主要依據(jù)同相軸的變化來(lái)確定?；跁r(shí)間剖面在資料處理時(shí)均已校正到了同一基準(zhǔn)面上, 一般情況下, 地震時(shí)間剖面上反射波的起伏形態(tài)基本上可以定性地反映出地層的起伏形態(tài)。同相軸拱起則表示背斜, 同相軸下凹則表示向斜。對(duì)于斷層的識(shí)別則視斷點(diǎn)落差的不同而表現(xiàn)出不同的地震反射特征。落差比較大的斷層表現(xiàn)為典型的反射波同相軸錯(cuò)斷, 落差比較小的斷層, 尤其是落差小于半個(gè)波長(zhǎng)的斷層, 則一般表現(xiàn)為反射波同相軸扭曲、振幅突變等。

陷落柱作為一種特殊地質(zhì)體決定了它在地震剖面上表現(xiàn)形式的特殊性。較大陷落柱在水平疊加剖面上的表現(xiàn)特征為： 反射波同相軸在小范圍內(nèi)消失或錯(cuò)斷, 并伴生一些小斷層, 在陷落點(diǎn)處產(chǎn)生繞射波及延遲繞射波, 錯(cuò)斷點(diǎn)之間波形較雜亂, 在柱頂處, 可產(chǎn)生柱頂繞射波。直徑較小的陷落柱主要表現(xiàn)為在水平疊加剖面上同相軸能量變?nèi)跻约把舆t繞射波的出現(xiàn)。陷落柱是在一定的地質(zhì)及水動(dòng)力條件下, 可溶性巖石溶解形成了空洞, 致使上覆沉積地層向下塌陷而形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造。

圖2 柿莊北地區(qū)X2 井實(shí)鉆地層剖面

本區(qū)大斷層不發(fā)育, 共識(shí)別斷點(diǎn)37 個(gè), 其中落差介于10～50m 的斷層只有6 個(gè), 斷層多發(fā)育于褶曲的翼部。全區(qū)解釋褶曲27 個(gè), 背斜13 個(gè), 向斜14 個(gè), 其中構(gòu)造幅度大于等于100m 的有6 個(gè)控制本區(qū)構(gòu)造形態(tài)的是位于中部貫穿南北的中央向斜, 其西側(cè)有一個(gè)8km 左右寬的臺(tái)地, 臺(tái)地上向、背斜相間出現(xiàn), 東側(cè)則為一寬緩的單斜, 并在此背景上發(fā)育有次一級(jí)的小型褶曲。構(gòu)造走向基本以NE、NNE 為主。靠近區(qū)塊南邊, 在中央向斜兩側(cè)各發(fā)育有一個(gè)幅度較大的褶曲構(gòu)造 (圖2) , 西部為NEE 走向的短軸向斜, 東部為NW- SE 走向的背斜。在本區(qū)所有地震測(cè)線上共發(fā)現(xiàn)5 個(gè)陷落柱,主要分布在中央向斜的東、西兩側(cè)。陷落柱的出現(xiàn)使煤層的連續(xù)性受到破壞, 使水文地質(zhì)條件復(fù)雜化, 對(duì)煤層氣的富集也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

本區(qū)煤層埋深總體由東向西變深, 中部受褶皺影響有較大變化?？孛簶?gòu)造的富氣性, 取決于構(gòu)造的滲透性和封閉性, 區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡以褶曲為主, 斷裂和陷落柱并不發(fā)育, 所以有利于煤層氣的富集和保存。

2 地層發(fā)育特征

研究區(qū)的地理范圍在北緯35°58′00″～36°02′30″之間。如果按照北緯35°線為界[4], 本區(qū)在地層區(qū)劃上剛好位于中、南華北地層分區(qū)的交界處, 兩區(qū)巖石特征的差異主要表現(xiàn)在石盒子組地層。中區(qū)的石盒子組地層為河流、三角洲相沉積, 一般不含煤, 而南區(qū)的石盒子組為三角洲和多重障壁體系域, 含多層可采煤層。本區(qū)的地層發(fā)育特征基本符合中華北地層分區(qū)的特點(diǎn), 煤系地層的發(fā)育特征是本文論述的重點(diǎn), 地層劃分見圖2。

在華北聚煤區(qū)范圍內(nèi)依據(jù)巖性組合及含煤性,通常把石炭系太原組地層劃分為三個(gè)巖性段, 即晉祠段、毛兒溝段和東大窯段。把二疊系山西組地層劃分為兩個(gè)巖性段, 即北岔溝段和下石村段。在沁水盆地的生產(chǎn)實(shí)踐中, 太原西山標(biāo)準(zhǔn)剖面是地層劃分的主要依據(jù), 但本區(qū)石炭- 二疊系煤系地層巖性組合及煤層發(fā)育特征與西山剖面還是存在一定的差異。本文不做巖性亞段細(xì)分, 僅根據(jù)區(qū)域性的重要標(biāo)志層將K0(相當(dāng)于畔溝灰?guī)r) 標(biāo)志層至K5(相當(dāng)于東大窯灰?guī)r) 標(biāo)志層之間的一套由灰?guī)r、碎屑巖及煤層組成的海相多旋回臺(tái)地及障壁體系交替復(fù)合沉積的地層劃分為太原組。將K7(相當(dāng)于北岔溝砂巖) 標(biāo)志層至K8(相當(dāng)于駱駝脖子砂巖) 標(biāo)志層之間的一套由砂巖、暗色泥巖及煤層互層組成的河流- 三角洲相及湖泊- 沼澤相沉積地層劃分為山西組 (圖3) 。

(1) 中石炭統(tǒng)本溪組C2b

本區(qū)本溪組地層平行不整合覆于中奧陶統(tǒng)峰峰組 (O2f) 深灰色灰?guī)r之上, 是以下古生界侵蝕面為基底, 沉積的第一套上古生界海相砂、泥巖地層層序, 局部夾灰?guī)r沉積, 頂界為畔溝灰?guī)r (K0) 。本區(qū)煤層氣鉆井揭露的本溪組地層厚度為12～16m。

本溪組下部地層為深灰色鋁土質(zhì)泥巖, 向上由灰黑色泥巖及粉砂巖互層組成。粉砂巖為灰黑色,厚層狀, 具有黃鐵礦結(jié)核, 裂隙發(fā)育, 方解石及泥質(zhì)充填。本溪組上部地層為深灰色灰?guī)r和灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖組成, 含植物化石。K0灰?guī)r可以作為進(jìn)入本溪組地層的標(biāo)志層, 巖性為深灰色, 中厚- 薄片狀, 隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu), 含方解石脈, 具少量黃鐵礦結(jié)核, 不規(guī)則裂隙發(fā)育, 泥質(zhì)及方解石充填, 硅質(zhì)半充填。盡管巖石特征明顯, 且分布較穩(wěn)定, 但由于厚度較薄, 電性特征不明顯, 局部甚至缺失,如北部的X4井區(qū)。

(2) 上石炭統(tǒng)太原組C3t

太原組地層是在本溪組地層基礎(chǔ)上形成的一套海相濱岸- 潮坪及瀉湖等障壁體系域沉積層序, 主要由灰- 淺灰色砂巖、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖、煤和深灰色灰?guī)r組成。含灰?guī)r5～6 層,煤10 余層, 其中可采和局部可采煤層2～3 層。太原組地層厚度在本區(qū)分布穩(wěn)定, 鉆井揭露為91～112m。

太原組下部地層主要由深灰色細(xì)- 粉砂巖, 灰黑色泥巖和煤層組成, 具黃鐵礦結(jié)核和豐富的動(dòng)、植物化石。局部夾有灰?guī)r薄層, 深灰色, 致密堅(jiān)硬, 應(yīng)該與太原西山地區(qū)的“吳家峪灰?guī)r”相當(dāng),一般不足1m。太原組底砂巖晉祠砂巖 (K1) 在本區(qū)不發(fā)育, 取而代之的是泥巖和粉砂質(zhì)泥巖互層,呈黑- 深灰色薄層狀, 水平紋理發(fā)育, 裂隙發(fā)育,巖芯破碎。電性曲線表現(xiàn)為低電阻率, 高自然電位及高自然伽瑪尖峰的特點(diǎn), 一般高于150API。本區(qū)15#煤層發(fā)育, 厚度為2．15～6．75m, 黑色塊狀,中部為粉末狀, 具多層夾矸, 組分以半亮煤- 半暗型煤為主, 鏡煤次之, 金屬光澤, 垂直裂隙發(fā)育,位于本段頂部, 有時(shí)包含14#煤層。電性特征表現(xiàn)為低伽瑪, 低密度和高電阻率曲線。

太原組中、上部地層主要由泥質(zhì)灰?guī)r- 灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和薄煤層互層組成。泥巖為黑色薄層狀, 含腕足類化石、少量黃鐵礦和白云母碎片, 巖芯破碎, 裂隙發(fā)育, 鈣質(zhì)充填。粉砂巖亦為灰黑色薄層狀, 具平行層理, 泥質(zhì)含量較高。這種砂、泥巖薄層間互的巖性組合在電性特征上表現(xiàn)為鋸齒狀中高伽瑪曲線和高自然電位及中高電阻率的特點(diǎn)。K2、K3、K4、K5等灰?guī)r標(biāo)志層在本區(qū)十分發(fā)育, 單層厚度可達(dá)3～8m, 為灰- 深灰色, 中厚層狀。下部灰?guī)r (K2- K3) 為泥晶結(jié)構(gòu), 含豐富的生物碎屑, 裂隙發(fā)育, 相當(dāng)于“廟溝灰?guī)r- 毛兒溝灰?guī)r”。中部灰?guī)r (K4, 斜道灰?guī)r) 為深灰色生物碎屑灰?guī)r, 質(zhì)純, 隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu), 含方解石脈, 向上含少量黃鐵礦, 具裂隙, 鈣質(zhì)充填。頂部K5灰?guī)r為灰- 深灰色含生物碎屑微晶灰?guī)r, 含腕足類化石, 偶見陸源碎屑混入物, 因此將該灰?guī)r頂作為太原組和上覆地層山西組的地層分界?；?guī)r標(biāo)志層的電性特征十分明顯, 表現(xiàn)為箱狀的高電阻和低伽瑪特點(diǎn), 橫向分布穩(wěn)定, 可以作為進(jìn)入太原組的標(biāo)志地層。

(3) 下二疊統(tǒng)山西組P1s

進(jìn)入二疊紀(jì), 本區(qū)海水逐漸退出。山西組是在太原組海相地層層序之上沉積的一套海陸交互相、水下分流河道、三角洲平原和湖泊- 沼澤相含煤地層, 主要由灰- 淺灰色砂巖, 灰黑色粉砂巖, 灰黑色- 黑色泥巖和煤層組成, 含煤3～4 層, 地層厚度穩(wěn)定, 鉆井揭露為56～59m, 底部以K7細(xì)砂巖為標(biāo)志層與下伏太原組整合接觸, 局部沖刷接觸。

山西組下部地層主要由一套薄- 中厚層狀細(xì)砂巖, 泥質(zhì)粉砂巖, 泥巖和煤層組成。表現(xiàn)為碎屑顆粒由粗到細(xì), 最后到煤的沉積旋特征。底部K7標(biāo)志層為粉- 細(xì)砂巖, 灰- 灰白色, 成分以石英為主, 長(zhǎng)石次之, 顆粒呈次棱角狀, 分選中等, 含少量暗色礦物, 泥質(zhì)膠結(jié)。電測(cè)曲線以低伽瑪, 低自然電位和高電阻率為顯著特征。頂部3#煤層全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定, 厚度為5．65～6．6m, 黑色塊狀, 含薄層夾矸1～2 層, 組分以亮煤- 鏡煤為主, 少量暗煤, 玻璃- 半金屬光澤, 較硬, 具垂直節(jié)理, 階梯狀斷口, 有黃鐵礦斑點(diǎn)。電性特征表現(xiàn)為明顯的低伽瑪, 低密度, 較低的自然電位和高電阻率曲線特征。

山西組上部地層由黑色炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰色砂、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及煤線互層組成。泥巖中常夾有砂質(zhì)條帶, 微裂隙發(fā)育, 方解石充填, 具斜層理, 斷口較平, 見植物莖化石, 具滑面, 巖芯破碎。炭質(zhì)泥巖質(zhì)較純, 炭質(zhì)均勻分布, 較硬, 吸水性、可塑性差, 污手, 底見少量的煤屑, 巖芯出筒時(shí)破碎較嚴(yán)重。淺灰色細(xì)砂巖, 成份以石英為主、長(zhǎng)石次之, 顆粒呈次磨圓- 棱角狀, 分選較好- 中等, 見少量白云母碎片, 偶見暗色礦物, 致密, 泥質(zhì)膠結(jié), 具斜層理構(gòu)造, 垂直裂隙發(fā)育, 方解石充填。薄煤層, 厚度小于0．5m, 黑色塊狀,階梯狀斷口, 平滑, 內(nèi)生裂隙較發(fā)育, 亮煤為主夾少量鏡煤, 玻璃- 半金屬光澤, 較硬, 染手。本段電性曲線總體平緩, 自然伽瑪值較高, 從山西組3#煤層到石盒子組底砂巖駱駝脖子砂巖 (K8) 之間, 在本區(qū)包含了兩個(gè)小的沉積旋, 鉆井揭露的沉積地層厚度為20～30m。

二疊紀(jì)中、晚期以后本區(qū)不再遭受海侵, 并以K8(駱駝脖子砂巖) 標(biāo)志層為底界, 全面進(jìn)入陸相沉積環(huán)境。K8標(biāo)志層為淺灰色細(xì)砂巖, 成分以石英為主, 長(zhǎng)石次之, 顆粒呈次棱角- 棱角狀, 分選中等, 偶見暗色礦物及白云母, 泥質(zhì)膠結(jié), 巖性致密。

表1 柿莊北地區(qū)煤層氣井主要目的煤層基本數(shù)據(jù)表

3 煤儲(chǔ)層及煤層氣資源量

(1) 煤層、頂?shù)装寮懊簬r特征

山西組3#煤層地震解釋煤層厚度在4～6m 左右, 平均厚5．82m。鉆井揭露厚度為5．65～6．6m(表1) , 一般含1～2 層夾矸。頂板主要由泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等致密巖層組成, 局部為細(xì)、中粒砂巖, 垂直裂隙發(fā)育, 方解石充填。底板多為泥巖和粉砂巖。3#煤層鏡質(zhì)組含量74．9%～77．9%, 平 均 76．4%, 惰 質(zhì) 組 含 量 22．4% ～25．1%, 平均23．75%, 殼質(zhì)組含量甚微, 無(wú)機(jī)組分含量為16．0%～22．5%, 平均19．25%。X1井3#煤取芯樣品實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果表明, 其宏觀煤巖類型以暗煤為主, 次為亮煤 (這與前述鉆井取芯的表觀描述有較大出入) , 顏色及條紋為黑灰色, 光澤暗淡, 中、上部煤樣間夾鏡煤線理?xiàng)l帶, 呈碎塊- 柱狀, 斷口多為參差狀、棱角狀, 外生裂隙不發(fā)育,內(nèi)生裂隙5～8 條/5cm, 下部呈粉末狀, 無(wú)法看到裂隙。

太原組15#煤層地震解釋煤層厚度在4～6．6m之間變化, 平均厚5．3m。鉆井揭露厚度為2．15～6．75m, 分布穩(wěn)定, 含多層夾矸, 因含硫較高, 俗稱“臭煤”。煤層的偽頂多為薄層碳質(zhì)泥巖、泥巖與含鈣泥巖, K2灰?guī)r常為其直接頂板。底板主要為泥巖、碳質(zhì)泥巖。15#煤層鏡質(zhì)組含量62．4%～77．3%, 平 均71．85%, 惰 質(zhì) 組 含 量 22．7%～37．6%, 平均30．5%, 殼質(zhì)組含量甚微, 無(wú)機(jī)物含量14．3%～15．7%, 平均15%。樣品分析表明15#煤的顏色為黑灰色, 光澤較暗淡, 以暗煤為主, 次為亮煤, 煤樣呈粉末狀、碎塊狀和柱狀, 斷口參差狀, 內(nèi)生裂隙5～10 條/5cm。

3#煤和15#煤的煤質(zhì)特征在空間上的變化規(guī)律不明顯, 均屬于中- 低灰份、低揮發(fā)份及高固定碳煤, 原煤灰份分別為3#： 8．7%～11．15%, 15#：9．74%～12．59%。干燥無(wú)灰基揮發(fā)份分別為3#：10．44%～25．06%, 15#： 11．15%～21．01%。固定碳 含 量 分 別 為 3#： 66．87% ～81．77%, 15#：69．05%～80．13%。根據(jù)X1井煤樣化驗(yàn)結(jié)果, 煤層的真密度分別為3#： 1．46～1．47cm, 15#： 1．46～1．50cm。視 密 度 為3#： 1．39 ～1．40cm, 15#：1．39～1．40cm。根據(jù)真密度和視密度值換算的煤孔隙度分別為3#： 4．76%～4．79%, 15#： 4．67%～4．79%。煤變質(zhì)程度高, 為無(wú)煙煤階段, Ro 值分別為3#： 2．63%～2．74%, 15#： 2．62%～2．69%之間。

本區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單, 地下水徑流緩慢, 趨于并靠近滯流帶, 有利于煤層氣的保存。測(cè)井解釋X1井3#煤層頂板為泥巖, 厚度1．05m, 含水性弱,滲透性差; 底板為泥巖, 厚度1．50m。中厚層狀,含水性弱, 滲透性差。15#煤層頂板為泥質(zhì)砂巖,厚度2．90m, 含水性弱, 滲透性差; 底板為泥巖,厚度1．40m, 含水性弱, 滲透性差。

(2) 煤儲(chǔ)層、含氣性及等溫吸附特征

注入壓降測(cè)試結(jié)果表明： X2井3#煤層儲(chǔ)層滲透率為0．46md, 儲(chǔ)層壓力為6．14MPa, 煤層埋深1070m, 壓力梯度為0．59MPa/100m, 低于正常壓力。15#煤儲(chǔ)層壓力為6．25MPa, 壓力梯度為0．44MPa/100m, 亦表現(xiàn)為低壓異常。較低的儲(chǔ)層壓力降低了本區(qū)煤儲(chǔ)層的含氣飽和度, 并在一定程度上影響了煤層氣井 (如X1井) 的排采效率。本區(qū)3#煤層平均儲(chǔ)層溫度為24 ℃左右, 15#煤層平均儲(chǔ)層溫度為27 ℃左右。X2井3#煤層的埋深在本區(qū)已鉆煤層氣井中是最深的, 其儲(chǔ)層溫度為31．1 ℃, 地溫梯度為2．9 ℃/100m, 相對(duì)周邊地區(qū)屬于正常- 偏高的地溫場(chǎng), 有利于煤層氣的解吸,而且埋深彌補(bǔ)了地層能量不足。

煤解吸測(cè)試 (圖3) 結(jié)果表明： X1井3#煤含氣量為15．05～21．27m3/t , 平均17．70m3/t (其中甲烷17．43m3/t) 。15#煤含氣量為10．63～13．56m3/t ,平均11．97m3/t (其中甲烷11．81m3/t) 。兩組煤樣的氣體組分分析結(jié)果表明： 氣體成分中甲烷占比大于98．5%, 氮?dú)夂啃∮?．2%, 二氧化碳和重?zé)N加起來(lái)占比不足0．5%。X2井3#煤含氣量為13．77～21．40m3/t , 平 均18．87m3/t; 15#煤 含 氣 量 為11．73～19．55m3/t , 平均16．84m3/t。X4井3#煤含氣量為6．46～19．41m3/t , 平均11．07m3/t; 15#煤含氣量為4．48～11．19m3/t , 平均8．23m3/t?？傮w來(lái)看本區(qū)含氣量較高, 且南部高于北部, 3#煤層高于15#煤層, 這與鄰區(qū)柿莊南的情況相反[2]。

X1井煤取芯樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 3#煤的原煤飽和吸附量 (VL) 為33．12m3/t , 干燥無(wú)灰基的飽和吸附量為37．89m3/t。15#煤的原煤飽和吸附量 (VL) 為31．77m3/t , 干燥無(wú)灰基的飽和吸附量為36．45m3/t , 表明煤層具有比較強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力, 3#煤略好于15#煤。Langmuir 壓力中等, 3#煤為2．17MPa, 15#煤為2．03MPa, 煤層氣解吸條件尚好。從圖4 可以看出, X1井3#煤層的臨界解吸壓力高于15#煤層, 為2．0MPa, 含氣飽和度為55%, 具有較好的產(chǎn)氣能力。15#煤層的臨界解吸壓力偏低, 為1．1MPa, 含氣飽和度為41%, 煤層氣可采性比3#煤差。本區(qū)煤儲(chǔ)層的含氣飽和度總體不高, 這可能是受本區(qū)早期煤層抬升和后期張性構(gòu)造作用, 而導(dǎo)致煤層氣散失的結(jié)果。盡管如此,本區(qū)實(shí)測(cè)煤層氣含氣量仍高于我國(guó)其他煤層氣區(qū)塊的平均水平。

(3) 煤層氣資源量

本文采用體積法和地質(zhì)類比法計(jì)算了柿莊北區(qū)塊煤層氣資源量, 計(jì)算結(jié)果分別為： 402．93 億m3和473．16 億m3。各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)均來(lái)源于本區(qū)地震、鉆井和分析測(cè)試的實(shí)際數(shù)據(jù), 地質(zhì)類比參照區(qū)域?yàn)槟喜苦弲^(qū)的棗園儲(chǔ)量區(qū)。體積法的計(jì)算結(jié)果小于類比法是因?yàn)楸緟^(qū)勘探程度相對(duì)較低, 各項(xiàng)參數(shù)的選取趨于保守。同時(shí)也說(shuō)明棗園儲(chǔ)量區(qū)煤層氣地質(zhì)勘探程度高, 資料豐富, 部分參數(shù)優(yōu)于本區(qū)。計(jì)算方法參照了雪佛龍公司的油氣資源評(píng)估程序[5], 主要計(jì)算參數(shù)包括： 煤儲(chǔ)層分布面積、煤層厚度、煤視密度和煤層氣含氣量, 并按各項(xiàng)參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布特征, 計(jì)算了三個(gè)級(jí)別可靠程度的煤層氣資源量。計(jì)算結(jié)果分別為： P10： 644．34 億m3、P50：402．93 億m3和P90： 237．18 億m3。

圖3 柿莊北地區(qū)X1 井煤樣等溫吸附曲線

4 結(jié)論

二維地震勘探和煤層氣參數(shù)井的鉆探結(jié)果為我們提供了豐富的第一手資料。綜合地震、鉆井、測(cè)井及煤巖樣品的分析測(cè)試結(jié)果, 柿莊北地區(qū)的煤層氣估算資源量為402．93 億m3, 保守的估計(jì)也有237．18 億m3。

石炭系太原組的15#煤和二疊系山西組的3#煤是本區(qū)煤層氣的主要?dú)庠磶r和儲(chǔ)集層。原煤鏡質(zhì)組含量高, 成熟度高, 蘭氏體積大, 外生裂隙不發(fā)育, 有利于煤層氣的生成與保存。煤儲(chǔ)層溫度高、滲透率相對(duì)較大, 內(nèi)生裂隙發(fā)育, 有利于煤層氣的產(chǎn)出。

柿莊北地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單, 煤層厚度大, 煤層氣含氣量高。調(diào)查了解煤層、煤巖及煤儲(chǔ)層特征是估算該地區(qū)煤層氣資源量的基礎(chǔ)、也為評(píng)價(jià)煤層氣開采潛力, 制定施工方案提供了科學(xué)依據(jù)。調(diào)查結(jié)果表明, 柿莊北地區(qū)極具煤層氣商業(yè)開采潛力。

[1] 黃曉明等, 沁水盆地煤層氣國(guó)際合作區(qū)塊勘探現(xiàn)狀[J] ．中國(guó)煤層氣, 2010 (1) ．

[2] 孫強(qiáng)等, 沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊煤層氣地質(zhì)特征[J] ．中國(guó)煤炭地質(zhì), 2010 (6) ．

[3] 柿莊北二維地震勘探報(bào)告、煤層氣參數(shù)井完井報(bào)告、煤樣品分析測(cè)試報(bào)告內(nèi)部資料, 2008- 2010．

[4] 中煤地質(zhì)總局, 中國(guó)聚煤作用系統(tǒng)分析 [M] ．徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2001．

[5] Wenxiang Liu, Coalbed Methane Potential of the east Ordos basin, China．Chevron Texaco, 2006．