延川南山西組煤巖微相特征及其對(duì)煤層氣開發(fā)的指導(dǎo)意義

梅俊偉，王運(yùn)海，楊媛媛

（中國(guó)石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011）

延川南山西組煤巖微相特征及其對(duì)煤層氣開發(fā)的指導(dǎo)意義

梅俊偉，王運(yùn)海，楊媛媛

（中國(guó)石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011）

延川南山西組含煤巖系發(fā)育于三角洲平原亞相，其煤相類型主要為潮濕森林沼澤相，是延川南煤層氣田的主要產(chǎn)氣層段。以巖心、測(cè)井資料、煤巖分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)成煤物質(zhì)的形成條件及保存環(huán)境，將煤相進(jìn)一步細(xì)分為高位森林泥炭沼澤、中位森林泥炭沼澤及低位森林泥炭沼澤三種微相類型；并在此基礎(chǔ)上，探討煤巖微相與煤層厚度、夾矸厚度、煤巖含氣量、煤巖物性及圍巖封存性能的關(guān)系，揭示煤層氣的高產(chǎn)富集規(guī)律。研究結(jié)果表明中位森林泥炭沼澤微相區(qū)最有利于煤層氣開發(fā)，其次為低位森林泥炭沼澤微相區(qū)。

延川南；山西組；煤巖微相；煤層氣

延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，陜北斜坡、晉西擾褶帶與渭北隆起的交匯處（圖1），具有豐富的煤層氣及煤成天然氣資源[1-3]。近年來，一些學(xué)者對(duì)本區(qū)煤層地質(zhì)特征和單井產(chǎn)能從整體上進(jìn)行了研究，明確了二疊系山西組含煤層段為有利開發(fā)層系并評(píng)價(jià)了煤層氣開發(fā)的可行性[4-8]。但從前期試驗(yàn)井組的開發(fā)效果來看，區(qū)內(nèi)單井產(chǎn)能參差不齊，日產(chǎn)氣從50 m3/d到2 000 m3/d不等。而導(dǎo)致煤層氣單井產(chǎn)能出現(xiàn)如此之大平面差異的地質(zhì)因素尚不明確,這制約了煤層氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的進(jìn)程。鑒于此，本文擬對(duì)山西組含煤巖系的沉積特征，尤其是對(duì)煤巖微相，從成因機(jī)理上深入剖析，進(jìn)一步探討煤巖微相與煤層氣富集的關(guān)系，分析煤層氣富集主控因素，并據(jù)此劃分煤層氣平面富集區(qū)塊，為開發(fā)井位的整體部署提供詳實(shí)地質(zhì)依據(jù)。

1 煤巖沉積特征

二疊紀(jì)早期，鄂爾多斯地區(qū)地殼又復(fù)上升，海水逐漸退出，整個(gè)華北陸臺(tái)維持一個(gè)廣闊的濱海平原環(huán)境，水系發(fā)育，廣泛發(fā)育沖積平原及三角洲平原[9-10]。延川南地區(qū)此時(shí)氣候溫暖潮濕，森林沼澤廣布，沉積了由三角洲平原相為主的碎屑巖及泥炭所組成的山西組。

圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨肮^(qū)位置圖Fig.1 Tectonic units division of Ordos Basin and work area location

1.1 煤巖相標(biāo)志

1.1.1 煤巖煤質(zhì)特征

基于29口取心井煤芯觀察顯示，山西組煤層以光亮型、半亮型煤為主，其次為半暗淡型煤；宏觀煤巖成分以鏡煤、亮煤為主，夾有少量暗煤；煤樣具有玻璃及強(qiáng)玻璃光澤、脆性好、易破碎且斷口多成參差狀；內(nèi)生割理及外生裂隙較發(fā)育。煤樣分析化驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)表明，區(qū)塊內(nèi)山西組煤巖灰分含量介于7.8%～26.5%，平均14.6%，主要以低灰分煤為主；煤樣揮發(fā)分介于7.3%～20.4%，平均10.3%，屬于低揮發(fā)分煤；煤巖演化程度較高，鏡質(zhì)體反射率1.9%～3.2%，以貧煤、無煙煤為主；在含水量方面，水分含量均在2%以下；整體來看，具有較好的生氣條件和吸附條件。

1.1.2 煤相類型

煤相為一定形成環(huán)境下所沉積的泥炭物質(zhì)的表現(xiàn)，是煤的原始成因類型，凝膠化指數(shù)（GI）和植物保存指數(shù)（TPI）是目前分析煤相類型極其沉積環(huán)境最廣泛的應(yīng)用指標(biāo)[11]。依據(jù)狄塞爾煤相分類模式并結(jié)合延川南2號(hào)煤層顯微組分分析數(shù)據(jù)繪制GI—TPI交會(huì)圖（圖2），區(qū)域煤巖主要屬于三角洲平原沉積環(huán)境下的潮濕森林沼澤相及較淺覆水森林沼澤相。

圖2 延川南氣田二疊系山西組煤巖TPI—GI交會(huì)圖Fig.2 TPI—GI cross plot of coal in Permian System Shanxi group of South Yanchuan gas field

1.2 煤巖微相特征及其形成機(jī)理

延川南區(qū)域在成煤物質(zhì)形成之前，上游陸源碎屑不斷向海推進(jìn)，在盆地邊緣形成由建設(shè)性三角洲組成的三角洲裙，其地勢(shì)平緩、構(gòu)造穩(wěn)定，為各類成煤植物的快速生長(zhǎng)和保存提供了良好的條件?；诿簬r的宏觀及微觀資料研究表明，本區(qū)煤巖厚度、層數(shù)及其組分和含氣量受所處沉積位置的不同而具有明顯的差異性。煤巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是泥炭，但首先得有大量植物的持續(xù)繁殖，其次是植物遺體能夠較好保存，因此，依據(jù)成煤物質(zhì)的有利形成條件和保存環(huán)境，可將煤相進(jìn)一步細(xì)分為高位森林泥炭沼澤、中位森林泥炭沼澤及低位森林泥炭沼澤三種微相類型（圖3）。

圖3 延川南氣田二疊系山西組煤巖微相成因模式圖Fig.3 Genetic model of coal microfacies in Permian System Shanxi group of South Yanchuan gas field

1.2.1 高位森林泥炭沼澤

分布于主河道兩側(cè)附近，河道水體所負(fù)載的陸源碎屑由于地質(zhì)引力減弱易在此區(qū)卸載堆積，致使地勢(shì)不斷上升，河床便逐漸在一個(gè)比河岸兩側(cè)地形較高的沖脊上流動(dòng)[12]，直至改道遷移。從成煤物質(zhì)的形成條件來看，干擾植物繁茂生長(zhǎng)的主要因素為：距離分支河道近，地表沉積物以砂礫質(zhì)粗碎屑組分為主，不利于植物的穩(wěn)定生長(zhǎng)；洪泛期河道負(fù)載陸源碎屑常在此處堆積，混雜于植物遺體中，影響了泥炭物質(zhì)的純度。從保存環(huán)境來看，受河道側(cè)向遷移影響，前期沉積物易被重新搬或改造，難以在原地穩(wěn)定堆積；由于地勢(shì)相對(duì)較高，可容納沉積物的空間較小，植物遺體易于暴露地表而被氧化分解，屬于過度補(bǔ)償沉積。巖心及測(cè)井資料分析表明：此類煤層分布不穩(wěn)定，層數(shù)雖多但單層厚度偏小，煤層凈厚2～4 m，橫向連續(xù)性差且夾矸發(fā)育，剖面上常成雞窩狀；煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量較低，為42%～68%；宏觀煤巖類型以半暗型、暗淡型為主，光澤暗淡，硬度、韌性及比重均較大，割理不發(fā)育，灰分含量高，在18%以上。電測(cè)曲線呈現(xiàn)多個(gè)峰態(tài)，一般為3個(gè)以上，分布不均勻，由于單煤層厚度較薄，曲線峰角較尖銳。

1.2.2 中位森林泥炭沼澤相

距離分支河道相對(duì)較遠(yuǎn)，主要包括沼澤、淺水湖泊等沉積微相，形成了延川南煤層氣開發(fā)區(qū)的主體。從成煤物質(zhì)形成條件看，此區(qū)域地表與平均潛水面基本持平，常年濕潤(rùn)且地下潛水中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，適宜高等植物的迅速生長(zhǎng)，能形成大規(guī)模的茂密森林；由于距離主體河道相對(duì)較遠(yuǎn)，洪泛期溢出水體中的懸浮陸源碎屑顆粒被高位森林泥炭沼澤相區(qū)植被阻擋，故對(duì)此區(qū)域的影響有限。從保存環(huán)境來看，植物遺體的堆積速度與潛水面的上升速度保持基本一致，屬于均衡沉積，能形成持續(xù)穩(wěn)定的泥炭堆積物。巖心資料分析表明，此類煤層厚度大而分布穩(wěn)定，橫向連續(xù)性好，煤層凈厚4.1～6.8 m，除局部區(qū)域外普遍為單層夾矸；煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量較高，為75%～85%；宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型為主，光澤強(qiáng)度較強(qiáng)，性脆易壓碎，韌性及比重較小，割理、裂隙較發(fā)育，灰分含量較低，為8%～16%。電測(cè)曲線呈現(xiàn)2～3個(gè)峰態(tài)，分布較均勻，單層厚度大，峰角圓潤(rùn)。

1.2.3 低位森林泥炭沼澤相

位于地勢(shì)低洼區(qū)，主要為中、深水湖泊微相發(fā)育區(qū)。從成煤物質(zhì)形成條件看，大部分地區(qū)低于平均潛水面，常年被積水覆蓋，以水生植物為主，植物遺體相對(duì)較少，離主河道最遠(yuǎn)，受外來陸源碎屑物質(zhì)影響最小。從保存環(huán)境看，以水下還原環(huán)境為主，利于沉積物的保存，但由于沉積速度較慢，影響了的泥炭堆積層的厚度，屬于欠補(bǔ)償沉積。巖心資料分析表明：此類煤層厚度整體偏薄，一般為2.5～4.2 m，夾矸層數(shù)在1層以下；煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量較高，在80%以上；宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型為主，灰分含量最低，一般不超過13%。電測(cè)曲線呈現(xiàn)1～2個(gè)峰態(tài)，峰角較圓潤(rùn)。

1.3 煤巖微相分布特征

在煤相成因機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，建立了3種煤相的測(cè)井識(shí)別模式，對(duì)工區(qū)內(nèi)煤相進(jìn)行了判別和劃分。延川南煤相分布具有“南北呈帶、東西分塊”的趨勢(shì)（圖4，為了不影響顯示效果，省略了開發(fā)井），即煤相分布受沉積的控制遵循相序遞變的規(guī)律。含煤巖系沉積時(shí)期，主河道位于工區(qū)的東北角，沿盆地斜坡自南東向北西方向延伸，受主河道的影響在工區(qū)東北區(qū)塊發(fā)育高位森林泥炭沼澤微相，隨著河道影響作用的減弱及植被生長(zhǎng)和保存條件的完善，在中部發(fā)育了最有利與煤炭聚集和保存的中位森林泥炭沼澤微相，隨著地勢(shì)的進(jìn)一步降低，在西部發(fā)育了低位森林泥炭沼澤微相。

圖4 延川南二疊系山西組煤巖微相平面分布圖Fig.4 Coal microfacies plane distribution of Permian System Shanxi group in South Yanchuan gas field

2 沉積特征對(duì)煤層氣開發(fā)的指導(dǎo)意義

影響煤層氣高產(chǎn)富集的主要因素包括烴源巖條件、煤儲(chǔ)層條件及保存條件[13-15]。沉積環(huán)境對(duì)煤層氣開發(fā)的指導(dǎo)意義在于：成煤物質(zhì)基礎(chǔ)的多少?zèng)Q定了煤層厚度及其分布的穩(wěn)定性；煤巖煤質(zhì)類型的不同決定了煤層生氣能力、含氣量及煤儲(chǔ)層物性的差異性；煤巖圍巖分布特征決定了對(duì)煤層氣的封存能力。

2.1 煤巖微相對(duì)煤層厚度的影響

由煤層厚度及夾矸平面分圖可以看出（圖5a、b），延川南區(qū)域煤層厚度明顯受沉積相帶的控制。在西北部低位森林泥炭沼澤微相分布區(qū)成煤物質(zhì)基礎(chǔ)較少，但保存環(huán)境較好，煤層厚度較薄但分布穩(wěn)定,平均為3 m，夾矸不發(fā)育，平均小于0.3 m；中部中位森林泥炭沼澤微相區(qū)成煤物質(zhì)基礎(chǔ)好且能有效保存，煤層厚度較大且分布穩(wěn)定，平均4.5 m，夾矸厚度較小，平均0.4 m；東北部高位森林泥炭沼澤微相區(qū)，受植物生長(zhǎng)條件及保存環(huán)境的影響，成煤物質(zhì)基礎(chǔ)較少，煤層厚度逐漸減薄且分布不穩(wěn)定，平均2.7 m，由于離主河道較近，洪泛期河道沉積物易在此堆積，導(dǎo)致夾矸厚度較厚，平均1.25 m。

2.2 煤巖微相與含氣量及儲(chǔ)層物性的關(guān)系

圖5 延川南氣田山西組含煤巖系屬性特征分布圖Fig.5 Attribute property distribution of coal bearing formation in Shanxi group of South Yanchuan gas field

煤巖微相的形成機(jī)理分析表明，不同沉積環(huán)境中煤層的煤巖類型、煤質(zhì)特征具有差異性，進(jìn)而導(dǎo)致生氣能力、含氣量及儲(chǔ)層物性的變化。由圖5中c、d圖可以看出，在低位森林泥炭沼澤微相區(qū)，泥炭保存條件好，顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組含量高，生氣能力強(qiáng)，煤層平均含氣量大于20 m3/t，宏觀煤巖類型以光亮煤和半亮煤為主，有利于內(nèi)生割理及外生裂隙的形成，提供了較好的儲(chǔ)集滲流空間，煤層平均孔隙度5.75%，平均滲透率為0.32×103μm2；中位森林泥炭沼澤微相區(qū)泥炭的保存環(huán)境與低位區(qū)類似，具備較好的生氣能力和儲(chǔ)層物性，平均含氣量為18 m3/t，孔隙度5.5%，平均滲透率為0.3×103μm2；高位森林泥炭沼澤微相區(qū)泥炭保存條件較差，絲炭化作用明顯，顯微煤巖組分中惰質(zhì)組含量較高，加上外來礦物的干擾，灰分產(chǎn)率高，致使煤層生氣能力減弱，含氣量7.4 m3/t，宏觀煤巖類型以半暗煤、暗淡煤為主，煤質(zhì)致密、堅(jiān)硬、韌性大，不利于壓裂改造，儲(chǔ)層平均孔隙度為3.75%，滲透率為0.15×103μm2。

2.3 煤巖微相對(duì)煤儲(chǔ)層圍巖的控制

煤儲(chǔ)層圍巖是封堵煤層氣的主要屏障，其封蓋能力與圍巖的巖性、物性、厚度及連續(xù)性相關(guān)[16]。研究區(qū)煤層圍巖以砂泥巖為主，圍巖封蓋能力隨碎屑組分顆粒變細(xì)及泥質(zhì)含量增高而增強(qiáng)。從剖面及平面分布圖（圖5e、f）上看，受沉積環(huán)境的繼承性影響，在低位森林泥炭沼澤及中位泥炭森林沼澤微相區(qū)，煤層圍巖以湖泊沼澤及河道間泥質(zhì)沉積為主，伴有少量細(xì)粒溢岸砂體沉積，對(duì)煤層的封蓋能力較強(qiáng)，平均砂泥比分別小于8%和20%；在東北部高位森林泥炭沼澤微相區(qū)，河道砂體及溢岸砂體沉積逐漸增多，封存能力減弱，平均砂地比在35%以上，有些甚至可直接作為天然氣儲(chǔ)層，嚴(yán)重影響了煤儲(chǔ)層的含氣量。

3 結(jié)論

1）依據(jù)成煤物質(zhì)的形成條件及保存條件，區(qū)內(nèi)山西組煤巖可細(xì)分為高位、中位及低位森林泥炭沼澤三種微相類型。高位森林泥炭沼澤微相不利于成煤物質(zhì)的形成和保存，煤層厚度薄、夾矸厚、灰分高、煤質(zhì)差；中位森林泥炭沼澤微相最有利于成煤物質(zhì)的形成和保存，煤層厚度大、夾矸較少、灰分較低、煤質(zhì)較好；低位森林泥炭沼澤微相雖不利于成煤物質(zhì)的形成，但具有優(yōu)越的保存條件，煤層厚度雖偏薄，但夾矸厚度小甚至沒有夾矸，灰分低、煤質(zhì)好。

2）基于煤巖沉積環(huán)境和煤層厚度、夾矸厚度、含氣性、物性及圍巖的封存性能的關(guān)系分析表明，延川南山西組含煤巖系煤層氣開發(fā)應(yīng)優(yōu)先選擇中位森林泥炭沼澤微相區(qū)，其次為低位森林泥炭沼澤微相區(qū)；高位森林泥炭沼澤微相區(qū)由于煤層厚度偏薄，含氣量低，儲(chǔ)層物性差，圍巖封存能力弱，暫不適宜煤層氣的高效開發(fā)。

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（編輯：楊友勝）

Coal rock microfacies characteristics and its guiding significance for coalbed methane development in Shanxi group of South Yanchuan area

Mei Junwei,Wang Yunhai and Yan Yuanyuan
(Research Institute of Petroleum Exploration and Development,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210011,China)

Coal bearing formation in Shanxi group of South Yanchuan area develops in delta plain facies.Being mesohylile paludal facies,its coal facies types is the main gas productive reservoir of coalbed methane(CBM).Based on core,well logging data,coal rock analysis data,and according to formation conditions and preserving environment of coal forming material,coal facies was fur?ther subdivided into three types of microfacies types such as high forest peat swamp,middle forest peat swamp,and low forest peat swamp.On this basis,through discussing relationship among coal microfacies and coal bed thickness,stone band thickness,meth?ane content,coal physical properties,storage performance,the enrichment law was revealed.The researches show that middle for?est peat swamp microfacies is the most beneficial to CBM development,followed by low forest peat swamp.

South Yanchuan area,Shanxi group,coal microfacies,coalbed methane(CBM)

TE122

A

2015-03-03。

梅俊偉（1979—），男，博士，工程師，非常規(guī)油氣勘探開發(fā)研究。