山西沁水盆地煤層氣有利開(kāi)采區(qū)塊研究

賈亞會(huì)，鹿愛(ài)莉，田會(huì)禮，謝小平

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050041；2.中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院， 北京101149；3.山東曲阜師范大學(xué)資源與規(guī)劃學(xué)院， 山東 曲阜273165)

煤層氣俗稱“煤礦瓦斯”，主要是以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的自生自儲(chǔ)型非常規(guī)天然氣，合理開(kāi)發(fā)利用煤層氣可以減少采煤過(guò)程中所發(fā)生的瓦斯事故，從而大大降低采煤傷亡率。同時(shí)，煤層氣還是一種寶貴的潔凈能源，開(kāi)發(fā)煤層氣可以縮小能源供需的缺口，緩解能源緊張的局面。因此，開(kāi)發(fā)煤層氣對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率等方面都具有非常重要的作用。

由于煤層氣是依靠煤儲(chǔ)層本身吸附作用賦存于煤層中，故煤層氣系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)特的油氣系統(tǒng)，其成藏過(guò)程受到多種因素控制[1]。國(guó)內(nèi)外的研究表明，影響煤層氣成藏的地質(zhì)與地球物理因素主要包括構(gòu)造條件、煤層埋深、煤階、煤層厚度、含氣量、滲透率、煤儲(chǔ)層壓力、解吸壓力和水文條件[2-4]。大量研究同樣還表明，構(gòu)造作用是影響煤層氣成藏的最重要和直接的因素，它不僅控制著含煤盆地及含煤地層的形成演化，而且控制著煤層氣生成、聚集、保存和產(chǎn)出[5-6]。

山西沁水盆地多期地質(zhì)作用過(guò)程使煤層氣系統(tǒng)變得異常復(fù)雜，本研究將對(duì)該盆地煤層氣系統(tǒng)的地質(zhì)、構(gòu)造條件、地質(zhì)演化過(guò)程及其煤層氣富集特征進(jìn)行深入研究。

1 煤層氣系統(tǒng)的地質(zhì)與構(gòu)造演化特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

沁水盆地是全國(guó)第一個(gè)探明的大型整裝煤層氣田，已探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)資源量3.97×1012m3，已探明儲(chǔ)量754×108m3。沁水盆地的含煤地層為上石炭統(tǒng)的太原組和下二疊統(tǒng)的山西組，分布于整個(gè)沁水盆地[7]。它是一個(gè)以寒武-奧陶系為基底的特大型石炭-二疊紀(jì)含煤盆地，主體為沁水復(fù)向斜，軸部近南北，兩翼傾角平緩，南北兩端較為寬闊，小型褶皺及波狀起伏發(fā)育，盆地東北部邊緣小褶皺主要呈NE向，而盆地東緣小褶皺表現(xiàn)為NNE向，盆地的其他地段小褶皺的方向主要為NS向。盆地中斷裂不發(fā)育，且多分布在盆地的邊緣，西北、西南和東南邊緣有北北東、北東向斷裂發(fā)育，且多分布在盆地的邊緣，西北、西南和東南邊緣有北北東、北東向斷裂發(fā)育，中南部發(fā)育有一組近東西向褶皺。

大量研究表明[8-9]，晚古生代以來(lái)沁水盆地經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造演化。

石炭-二疊紀(jì)，含煤沉積序列廣泛沉積在華北地區(qū)，沁水盆地當(dāng)時(shí)并不是一個(gè)獨(dú)立的沉積盆地，而是華北盆地的一部分；早三疊世末期的印支運(yùn)動(dòng)使山西南部地區(qū)自寒武紀(jì)以來(lái)沉降幅度總體上西小東大，沉積厚度西薄東厚的格局發(fā)生巨大變化。

自中三疊世開(kāi)始，沉積厚度出現(xiàn)西厚東薄的格局，并且大部分地區(qū)缺失晚三疊統(tǒng)和下侏羅統(tǒng)[11]，全區(qū)統(tǒng)一穩(wěn)定的古地理格局開(kāi)始瓦解。中侏羅世沉積地層與下伏中三疊世地層之間的區(qū)域性不整合接觸普遍發(fā)育[10]，表明晚三疊世開(kāi)始，印支運(yùn)動(dòng)開(kāi)始強(qiáng)烈影響山西地區(qū)，并導(dǎo)致侏羅紀(jì)地層與下伏地層之間呈角度不整合或平行不整合接觸。在印支期構(gòu)造構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，前侏羅紀(jì)地層(早古生代碳酸鹽巖)中形成了一些樞紐方向近東西的褶皺構(gòu)造和逆沖斷層，表明具有SN 向擠壓特征[11]。但總體上印支期近SN 向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)沁水盆地的影響不大， 盆地仍保持了穩(wěn)定狀態(tài)，并未在盆地內(nèi)部形成明顯的地質(zhì)構(gòu)造，僅使盆地南北邊緣產(chǎn)生了一定程度的隆起抬升，形成沁水盆地雛形。

在燕山運(yùn)動(dòng)期，沁水盆地的構(gòu)造活動(dòng)以擠壓抬升和褶皺作用最為顯著，在盆地內(nèi)部形成寬緩褶皺[11]。其中，NE-NNE 向褶皺最為發(fā)育，遍布全區(qū)，規(guī)模較大，一般長(zhǎng)約10～30 km。褶皺走向自北向南呈規(guī)律性變化，北部陽(yáng)泉-昔陽(yáng)一帶呈NE 向，中部近SN～NNE 向，南部陽(yáng)城以南呈NNE～NE向。在大型褶皺的兩翼，往往發(fā)育一系列的次級(jí)褶皺，在盆地兩緣特別是盆地東緣靠近太行山造山帶形成了NE 向展布的沖斷層。同時(shí)，盆地局部有強(qiáng)烈地巖漿侵入，形成不均衡高熱地?zé)釄?chǎng)，使煤化程度快速提升。由于煤層在抬升過(guò)程中上覆壓力逐漸減小，從而有利于煤儲(chǔ)層中天然裂隙的生成，形成本區(qū)特有的煤級(jí)雖高但裂隙較為發(fā)育的特征，對(duì)煤層氣生成以及勘探開(kāi)發(fā)十分有利。進(jìn)入喜山晚期，由于受印度-亞洲板塊碰撞的構(gòu)造作用的影響，構(gòu)造應(yīng)力以張性為主，沁水盆地西部、北部的正斷層廣泛發(fā)育，形成山西地塹系，沁水盆地內(nèi)部形成長(zhǎng)治、榆社、武鄉(xiāng)等小型山間盆地。

沁水盆地燕山期之后構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，最大擠壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE～SSW 向，最小主應(yīng)力為NWW～SEE 向，并沿此方向發(fā)生應(yīng)力松弛，表現(xiàn)為拉張應(yīng)力，導(dǎo)致前期形成的擠壓構(gòu)造發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)，形成了規(guī)模較小的近SN 向背、向斜相間分布，并疊加在燕山期NE ～NNE 向次級(jí)褶皺之上的次級(jí)寬緩褶皺。

沁水盆地及其鄰區(qū)地震震源機(jī)制解的分析表明，現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大擠壓應(yīng)力呈NNE～SSW向近水平展布[11]，與燕山期NNE～SSW 向正斷層走向近于平行。在此構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，燕山期形成的具有壓剪性質(zhì)的斷層再次活動(dòng)，致使盆地內(nèi)部及邊緣斷裂構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化?，F(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)總體上繼承了第三紀(jì)至第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。沁水盆地東部和順-長(zhǎng)治一帶表現(xiàn)為NEE～SWW 向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)，西部地區(qū)為NNW～SSE 向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)；北部、中部和南部地區(qū)則均表現(xiàn)為近水平伸展應(yīng)力場(chǎng)，主應(yīng)力總體呈NW～SE 向展布，仰角較小且較穩(wěn)定，一般小于20°； 主壓應(yīng)力軸總體呈NE～SW 向展布,仰角變化較大,一般為40°～60°。由此,形成了沁水盆地現(xiàn)代構(gòu)造格局，其總體趨勢(shì)是南北分區(qū)、東西分帶，主要表現(xiàn)為南部和北部的構(gòu)造端區(qū)、榆社-沁源和屯留-安澤構(gòu)造區(qū)[9-11]。

上述表明研究區(qū)自晚古生代以來(lái)主要經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層氣的大量生成及主要運(yùn)移期在晚侏羅世-早白堊世(燕山中期)。

1.2 煤層氣系統(tǒng)埋深和含氣量特征

1.2.1 主煤層埋深特征

沁水盆地的含煤地層主要包括上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，其中太原組厚約51～143 m，一般為100 m左右，含煤5～10層，其中穩(wěn)定可采煤層1～3層，15#煤層厚2～7 m，單層厚度大，分布穩(wěn)定。山西組的地層厚11～117 m，一般厚60 m， 含煤3～8層， 其中3#煤層為主要煤層，厚0～7 m。

1.2.2 主煤層含氣量特征

上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組是沁水盆地主要含煤系地層，其中太原組中15#煤層和山西組中的三號(hào)煤層為最主要采煤層，煤層氣也主要產(chǎn)自這些煤層?，F(xiàn)有的勘探資料表明，沁水盆地煤層含氣量較高，煤層氣的含量分布0.5～40 m3/t。太原組15#煤層含氣量0.15～35.13 m3/t，一般4～22 m3/t， 平均12.24 m3/t； 山西組3#煤層含氣量0.30～24.5 m3/t，一般4～16 m3/t，平均10.0 m3/t。總體上，北部壽陽(yáng)-陽(yáng)泉一帶、南部晉城-沁水一帶及其以北地區(qū)含氣量高，其次是潞安地區(qū)、沁源地區(qū)最低。同時(shí)，太原組煤層含氣量普遍高于山西組，這可能與煤層的埋藏深度有一定關(guān)系。

2 煤層氣富集的有利區(qū)塊

結(jié)合煤層氣成藏的地質(zhì)演化過(guò)程，結(jié)合研究區(qū)地球物理資料，預(yù)測(cè)研究區(qū)煤層氣成藏的有利區(qū)塊。圖1為沁水盆地山西組3#煤層含氣量與有利區(qū)塊圖。

2.1 盆地北部陽(yáng)泉-壽陽(yáng)區(qū)域

該區(qū)位于陽(yáng)泉-壽陽(yáng)之間，面積約為5430 km2，埋深300～600 m，煤層厚度超過(guò)6 m，無(wú)煙煤。資源量9088×108m3，資源豐度為1.67×108m3/ km2。該區(qū)處于沾尚-北橫嶺和陽(yáng)泉-昔陽(yáng)鼻狀撓曲構(gòu)造帶高曲率發(fā)育區(qū),煤層裂隙是兩期應(yīng)力場(chǎng)作用下節(jié)理發(fā)育的復(fù)合部位。煤儲(chǔ)層具有較好的地下水補(bǔ)給條件，局部地帶滲透率、含氣飽和程度較高，是煤層氣成藏有利區(qū)之一。但是該區(qū)滲透率分布的非均一性極強(qiáng)，而且張性斷裂和巖溶陷落柱十分發(fā)育，引起地下水排泄降壓，不利于煤層氣高產(chǎn)。

2.2 盆地南部晉城-沁水一帶及其以北區(qū)域

該區(qū)位于晉城-沁水之間及其以北一帶，煤層埋深300～1500 m，南淺北深。煤厚超過(guò)8 m，無(wú)煙煤，資源豐度為1.86×108m3/ km2。該區(qū)處于固縣鼻狀撓曲構(gòu)造帶和岳家莊背斜構(gòu)造帶南端、云臺(tái)山-鄭莊鼻狀撓曲構(gòu)造帶和端氏斷裂構(gòu)造帶東端復(fù)合作用區(qū)，NNE 向斷裂發(fā)育，多期應(yīng)力場(chǎng)裂隙交叉發(fā)育，是有利裂隙帶發(fā)育區(qū)。地下水不活躍，以弱徑流和滯流為主，煤層處于正常壓力和微超壓狀態(tài)，滲透率、含氣飽和程度較高，不僅有利于煤層氣富集，而且利于煤層氣高產(chǎn)。

2.3 盆地中部沁源-屯留-襄垣區(qū)域

該區(qū)位于屯留北部、襄垣南部地區(qū)及沁源地區(qū)，埋深300～1000 m，煤厚超過(guò)6 m，以貧煤為主。該區(qū)處于沁源背斜構(gòu)造帶、柳灣背斜構(gòu)造帶和王家莊背斜構(gòu)造帶復(fù)合作用區(qū)，近東西向斷層和NE～NNE 向斷裂發(fā)育，是有利裂隙帶發(fā)育區(qū)。該區(qū)在沁源地區(qū)屬于無(wú)煙煤,含氣性好。緊鄰西部供水區(qū),但距離泄水區(qū)遠(yuǎn)，并且靠近盆地向斜部位，煤層氣保存條件好，并具有正常的地層壓力，是煤層氣成藏和高產(chǎn)的有利區(qū)域。東部的屯留—襄垣區(qū)域靠近盆地邊緣，緊鄰泄水區(qū)，水力坡降大，水徑流能力強(qiáng)，雖然具有一定的滲透率和較高的含氣飽和程度，但是地層普遍欠壓，不利于對(duì)煤層氣開(kāi)采高產(chǎn)。

圖1 沁水盆地山西組3#煤層含氣量與有利區(qū)塊圖

3 結(jié)論

1)盆地經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造動(dòng)演化，主要包括印支期運(yùn)動(dòng)、燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、喜山期早期和晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。煤層氣的大量生成及主要運(yùn)移期在晚侏羅世-早白堊世(燕山中期)。

2)從地質(zhì)構(gòu)造看，沁水盆地為一軸部近南北的復(fù)向斜構(gòu)造，兩翼平緩，南北寬而中間窄。晉中盆地應(yīng)是山西地塹系的一部分，其地質(zhì)構(gòu)造和地球物理特征完全有別于沁水盆地。構(gòu)造與含氣性的關(guān)系是，在構(gòu)造次級(jí)向斜部位含氣量增高，而背斜部位含氣量降低，在正斷層附近含氣量也明顯降低。

3) 綜合分析表明，沁水盆地煤層氣的有利勘探和開(kāi)發(fā)區(qū)塊如下：盆地北部陽(yáng)泉-壽陽(yáng)區(qū)域是煤層氣成藏有利區(qū)域之一，但不利于煤層氣高產(chǎn)；盆地南部晉城-沁水一帶及其北部區(qū)域，不僅是煤層氣成藏有利區(qū)域，而且利于煤層氣高產(chǎn)；盆地中部沁源地區(qū)是煤層氣成藏和高產(chǎn)的有利區(qū)域，東部的屯留-襄垣區(qū)域是煤層氣成藏有利區(qū)域之一，但可能不利于煤層氣高產(chǎn)。

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