呼魯斯太礦區(qū)煤層氣成藏條件分析

姚海鵬，李 彬

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局,呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)調(diào)查院，呼和浩特 010010）

煤層氣是在成煤過(guò)程中形成的、賦存在煤層中的、以甲烷為主的混合氣體，煤礦亦稱瓦斯[1]。煤層氣是自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣，包括吸附、游離、溶解三種賦存狀態(tài)，是高效優(yōu)質(zhì)的一種清潔能源，對(duì)于保護(hù)大氣環(huán)境、改善能源結(jié)構(gòu)、緩解能源緊張、綜合開采煤炭，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綜合利用具有重要作用[2-4]。內(nèi)蒙古雖是煤炭資源大省，但主要以低變質(zhì)程度煤為主。目前國(guó)內(nèi)煤層氣的商業(yè)性開發(fā)，以高變質(zhì)程度煤為主。因此對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行煤層氣成藏條件分析、進(jìn)行煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)工作、開發(fā)煤層氣，建成保障首都、服務(wù)華北、面向全國(guó)的清潔能源輸出基地，建成我國(guó)北方的生態(tài)安全屏障具有重要作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗呼魯斯太鎮(zhèn)，距旗政府（巴彥浩特鎮(zhèn)）約70 km。礦區(qū)所處大地構(gòu)造單元為中朝大陸板塊（Ⅰ）鄂爾多斯斷塊Ⅰ1西緣褶皺沖斷帶（I11）的賀蘭山-橫山堡段（I1-21）。該構(gòu)造帶自震旦紀(jì)至侏羅紀(jì)是一個(gè)沉降較深的地帶，尤以中石炭世-晚三疊世為甚，為主要聚煤期。晚三疊世時(shí)，受到印支運(yùn)動(dòng)影響，先期的沉積構(gòu)造格局徹底改變，先期沉積盆地被改造。早期燕山運(yùn)動(dòng)雖未產(chǎn)生地層間的不整合，但使侏羅紀(jì)的沉降減少，中期燕山運(yùn)動(dòng)使前白堊系產(chǎn)生了北北東向復(fù)式褶皺及斷裂，并對(duì)包括勘查區(qū)在內(nèi)的呼魯斯太礦區(qū)總體構(gòu)造的形成有較大影響。白堊紀(jì)晚期的燕山運(yùn)動(dòng)已較前期大大減弱，全區(qū)普遍抬升隆起，造成晚白堊世沉積缺失。新生代以來(lái)，該區(qū)主要受喜山運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，受印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓本區(qū)南部發(fā)育了具碰撞谷性質(zhì)的銀川地塹，但是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)仍以隆升為主。區(qū)域構(gòu)造相關(guān)的深大斷裂為賀蘭山大斷裂，是三級(jí)構(gòu)造單元的分界，依賀蘭山東麓作北北東向展布，于石嘴山處與黃河大斷裂相交，該斷裂為重力斷層，傾向南東，傾角80°左右，斷距2 000～3 600 m。向南與龍首-六盤山深斷裂相交，斷裂形成于燕山期。本區(qū)發(fā)育的地層主要有寒武系、石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系中統(tǒng)紙坊組、上統(tǒng)延長(zhǎng)組，侏羅系中下統(tǒng)延長(zhǎng)組、第四系，其中石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組為本區(qū)的主要目的層。

2 成藏條件分析

2.1 生氣條件

煤層氣與常規(guī)天然氣的顯著區(qū)別之一是：煤層既是煤層氣的源巖又是儲(chǔ)集巖。因此煤層的發(fā)育特征對(duì)于煤層氣的賦存特征及其的開發(fā)都很重要，決定著煤層氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)性，也是煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

1）煤層發(fā)育情況。本勘查區(qū)主要煤層賦存于上石炭統(tǒng)太原組（C3t）及下二疊統(tǒng)山西組（P1s）中，共計(jì)含煤25層(太原組可采煤層13層，山西組可采煤層4層。石盒子組含煤3-4層均不可采)。煤系地層平均厚度258.0 m，煤層平均總厚24.69 m，含煤系數(shù)9.6%，可采煤層平均總厚20.68 m，含煤系數(shù)8.0%。本勘查區(qū)煤層較發(fā)育，可采煤層多、厚度大、層位較穩(wěn)定，夾矸一般1-3層、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采煤層間距不大、一般在30 m以內(nèi)，具備良好生氣能力。

2）煤巖因素。①煤巖類型與煤層氣的生氣潛力及開發(fā)難易都有很大的關(guān)系。一般認(rèn)為鏡質(zhì)組含量高，具有很好生烴能力，產(chǎn)氣量也高[5]。本勘查區(qū)宏觀煤巖類型以半亮煤為主，其次為半暗煤，夾鏡煤、亮煤條帶，煤中有機(jī)質(zhì)含量高（占84.4%～96.8%），有機(jī)質(zhì)中以鏡質(zhì)組為主（在64%～85%之間）、殼質(zhì)組含量很少。因此煤層具有很好的生烴能力。②煤變質(zhì)對(duì)煤層氣含量的影響，主要是通過(guò)對(duì)煤的生氣量和吸附能力的控制作用體現(xiàn)的。大量研究表明，煤的生氣量隨著煤變質(zhì)程度的增加而增大。前人研究表明，高變質(zhì)程度的貧煤、無(wú)煙煤，微孔發(fā)育，占總孔隙體積的50%以上，大中孔所占比例較低，平均小于總孔隙體積的20%。中變質(zhì)程度的肥煤、焦煤、瘦煤，大中孔發(fā)育，尤以焦煤最高，可占總孔隙體積的 38%左右，微孔相對(duì)較低、小于總孔隙體積50%。因此中演化變質(zhì)程度的煤，大中孔發(fā)育，對(duì)煤層氣的降壓、解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移有利，是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中最有利的煤級(jí)；并且由于第二次煤化作用躍變大量流體的生成和集中釋放，造成中煤級(jí)中肥、焦煤階段割理最發(fā)育，儲(chǔ)層滲透性較好[6]。③本勘查區(qū)總體以焦煤為主，其次為肥煤、瘦煤。礦區(qū)北部太原組各可采煤層以肥煤為主，焦煤次之；山西組各煤層偏南部為焦煤，北部為氣煤。礦區(qū)南部煤變質(zhì)程度較高，其中山西組 2、3 號(hào)煤層及太原組 5、9、10、12、13、15、22 號(hào)等煤層，以主焦煤為主，僅在井田南部邊界和深部有少量瘦煤。太原組6、7、8號(hào)煤，則多為瘦煤，其次是主焦煤和貧煤。從分布上自北向南，從淺到深由主焦煤變?yōu)槭菝骸⒇毭骸?/p>

3）煤層埋深。由于本區(qū)煤層中未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)，因此煤變質(zhì)作用主要受到煤層埋深影響。由于本區(qū)為一傾向南西的單斜構(gòu)造，造成煤變質(zhì)程度在空間上的差異，進(jìn)而影響到煤層的生烴能力。例如本區(qū)由北向南煤變質(zhì)程度逐漸增加，礦區(qū)北部主要為氣肥煤，中部則為主焦煤，南部則變?yōu)槭葚毭?。再者，煤層埋深也?huì)對(duì)煤層氣儲(chǔ)存有重要影響。煤層埋深越深、蓋層越厚，越有利于煤層氣的儲(chǔ)存；隨著煤層埋深的增加，壓力也在增加，也有利于煤層氣的吸附。本區(qū)的西南邊緣煤層埋深較深，是較為有利的煤層氣儲(chǔ)集區(qū)。

2.2 保存條件

1）構(gòu)造因素：構(gòu)造作用直接或間接控制著從含煤地層形成至煤層氣生成聚集全過(guò)程，是最重要的因素。煤層形成前后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層氣的生成、富集成藏、保存均有深刻影響。聚煤期后構(gòu)造控制著生、儲(chǔ)、蓋層性能及組合，并影響煤層氣運(yùn)移、聚集、保存特征，從而影響煤層氣勘探開發(fā)潛力[7]。本區(qū)在中石炭世-晚三疊世處于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定期，盆地持續(xù)沉降、接受沉積，成為本區(qū)的主要聚煤期。之后經(jīng)歷了印支末期抬升剝蝕改造，燕山中期擠壓造山，燕山晚期褶皺逆沖和喜馬拉雅期斷陷與推覆改造作用，形成了賀蘭山逆沖推覆構(gòu)造帶。本區(qū)從區(qū)域構(gòu)造上來(lái)說(shuō)，處于逆沖斷裂形成的的斷塊背景中，北為正誼關(guān)斷裂，西為牙馬烏蘇斷裂，西南為小松山斷裂，東為賀蘭山斷裂。雖然斷塊活動(dòng)造成煤系地層零星分割，煤層氣逸散，使其總體處于不利的煤層氣構(gòu)造環(huán)境，但是斷塊活動(dòng)也在一定程度上造成煤層松動(dòng)，提高了煤層滲透性。本區(qū)處于斷塊背景下相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，周圍的斷裂為逆沖性質(zhì)，斷層面閉合，使得煤層氣難以通過(guò)斷層而運(yùn)移散失，而且由于斷層面附近應(yīng)力集中，使得煤層氣受到壓力增加，因此煤層吸附甲烷量增多，煤層含氣量相對(duì)增高[8]。

2）封蓋層因素：煤層氣成藏除了具備很好的生烴能力外，還取決于良好的封蓋條件。煤層頂?shù)装鍘r層的封蓋性能，對(duì)煤層氣的保存和富集仍起著很重要的作用。良好的封蓋層可減少煤層氣的滲流運(yùn)移和散失，保持較高的地層壓力，維持較高的含氣量。煤層頂?shù)装寤究煞秩悾褐猩皫r、細(xì)砂巖；灰?guī)r、頁(yè)巖；頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖。其中絕大部分為頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖。前者厚度—般達(dá)3～5 m以上，有時(shí)厚達(dá)10 m多，組份均以石英為主、膠結(jié)致密，巖石飽水時(shí)抗壓強(qiáng)度大于500 kg/cm2、干燥時(shí)達(dá)1 000 kg/cm2以上，抗剪強(qiáng)度在366 kg/cm2以上、風(fēng)干后500 kg/cm2以上。故當(dāng)砂巖作為直接頂板時(shí)，穩(wěn)定性良好，封閉條件好?；?guī)r厚1～3 m，致密堅(jiān)硬，未見(jiàn)溶洞，飽水抗壓強(qiáng)度900 kg/cm2以上，抗剪強(qiáng)度400 kg/cm2以上，穩(wěn)定性良好。煤層底板多為砂質(zhì)頁(yè)巖或頁(yè)巖，據(jù)本區(qū)地下水微弱的特點(diǎn)以及鄰區(qū)（烏達(dá)、石炭井)生產(chǎn)井情況，—般不致引起軟化變形，浸水后不易膨脹，底板穩(wěn)定性良好。再者，煤系上覆蓋層條件較優(yōu)越，石盒子組、石千峰組地層主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層組成。從石千峰組到太原組發(fā)育多層泥巖、砂質(zhì)泥巖，成為石炭—二疊紀(jì)煤層很好的上覆蓋層條件。特別是石盒子組地層，不僅巖性細(xì)、厚度大，而且直接覆蓋在煤系上，對(duì)含煤地層起到良好封蓋作用。

3）水文地質(zhì)條件。本區(qū)氣候干燥，雨量稀少，蒸發(fā)量大。區(qū)內(nèi)山體比高不大，相對(duì)高差一般20～50 m，溝谷不甚發(fā)育，地形較平緩。區(qū)內(nèi)溝谷平時(shí)干涸無(wú)水，雨季山洪始有流水，唯有呼魯斯太溝有季節(jié)性流水、但水量不大。地下水主要補(bǔ)給以大氣降水為主，但因頁(yè)巖、高嶺石泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖等隔水層的存在，大氣降水補(bǔ)給量甚少。因此，本區(qū)以孔隙裂隙水為主的水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。各含水帶之間均以煤層及煤層頂?shù)装迳百|(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖為隔水層，各含水帶水位標(biāo)高、水質(zhì)類型各有差異，其間一般不發(fā)生水力聯(lián)系，水力循環(huán)微弱，有利于煤層氣的保存。再者，對(duì)井田內(nèi)主要斷層的透水情況也進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鉆孔揭露各斷層破碎帶時(shí)沖洗液消耗量甚微，導(dǎo)水性不強(qiáng)，地下水徑流微弱，有利于煤層氣的保存。

3 結(jié)束語(yǔ)

呼魯斯太礦區(qū)煤層發(fā)育良好，可采煤層較多，厚度大、鏡質(zhì)組含量較高，具有較強(qiáng)的生烴能力；礦區(qū)煤層埋深適中，主要以中等變質(zhì)程度的焦煤、肥煤為主，割理發(fā)育，煤儲(chǔ)層滲透性較好。礦區(qū)處于逆沖斷裂形成的的斷塊背景中，斷層面密閉，礦區(qū)內(nèi)斷層多為逆斷層，不利于煤層氣散失。煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，上覆石盒子組地層巖性細(xì)、厚度大，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水力循環(huán)微弱。因此礦區(qū)煤層氣保存條件較好，具有良好開發(fā)前景。

[1] 蘇現(xiàn)波，林曉英.煤層氣地質(zhì)學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2] 連承波，趙永軍，李漢林，等.煤層含氣量的主控因素及定量預(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(6)：726-729.

[3] 葉欣.中國(guó)西北低煤階煤層氣成藏地質(zhì)特征研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2007.

[4] 馬東民.煤層氣吸附解吸機(jī)理研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

[5] 高波，馬玉貞，陶明信，等.煤層氣富集高產(chǎn)的主控因素[J].沉積學(xué)報(bào)，2003，21(2)：345-349.

[6] 張宏.沈陽(yáng)南部紅陽(yáng)煤田煤層氣賦存規(guī)律研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.

[7] 陳振宏.高、低煤階煤層氣藏主控因素差異性對(duì)比研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，2007.

[8] 桑樹勛，范炳恒，秦勇，等.煤層氣的封存與富集條件[J].石油與天然氣地質(zhì)，1999，20(2)：104-107.