山西沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層特征及成藏主控因素研究

潘思東，崔周達(dá)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.云南恩洪煤礦，云南 曲靖 655005)

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山西沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層特征及成藏主控因素研究

潘思東1，崔周達(dá)2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.云南恩洪煤礦，云南 曲靖 655005)

以沁水盆地南部3號(hào)煤為研究對(duì)象，利用壓汞法、掃描電鏡觀察等分析方法，研究了煤層氣儲(chǔ)層特征。結(jié)合構(gòu)造解析、盆地分析以及前人研究成果，探討了區(qū)內(nèi)煤層氣成藏主控因素。研究表明：3號(hào)煤層煤巖類型以半亮煤為主，儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)發(fā)育，煤巖熱演化程度較高，生烴潛力巨大；壓汞孔隙度在1.40%～5.87%之間，滲透率(0.06～0.58)×10-3um2，儲(chǔ)層較致密，儲(chǔ)集空間以孔隙和裂隙為主。逐一分析了沉積作用、巖漿侵入活動(dòng)、水動(dòng)力作用以及構(gòu)造作用對(duì)煤層氣聚集成藏的控制，綜合分析認(rèn)為頂、底板泥巖(致密砂巖)發(fā)育區(qū)、巖漿侵入活動(dòng)活躍區(qū)、水動(dòng)力弱～滯留區(qū)以及構(gòu)造活動(dòng)較弱區(qū)為煤層氣的主要富集區(qū)域。

煤層氣；儲(chǔ)層特征；成藏條件；控制因素

煤層氣作為優(yōu)質(zhì)清潔的天然氣資源，美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)已形成規(guī)?；a(chǎn)能。近幾年，我國(guó)加大了對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)力度，取得了一定成績(jī)，2014年產(chǎn)能已達(dá)3.71×109m3，其中僅沁水盆地產(chǎn)能就達(dá)3.00×109m3。至2014年底沁水盆地共完成鉆井?dāng)?shù)達(dá)10500口左右，占71%；探明地質(zhì)儲(chǔ)量4.350×1011m3，占65%[1]。沁水盆地南部是我國(guó)最重要的煤層氣生產(chǎn)區(qū)域，以3號(hào)煤為主力煤層，我國(guó)學(xué)者對(duì)該區(qū)煤層氣儲(chǔ)層特征[2-9]及成藏主控因素[9-14]進(jìn)行過大量研究，做了大量的實(shí)際工作。本文在系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，開展沁水盆地南部3號(hào)煤儲(chǔ)層特征及成藏理論研究，對(duì)成藏關(guān)鍵問題進(jìn)行深入分析與討論，形成系統(tǒng)的煤層氣儲(chǔ)層研究方法，為該區(qū)域及國(guó)內(nèi)其他區(qū)塊煤層氣的勘探開發(fā)提供借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

工區(qū)位于沁水復(fù)式向斜南部，東、西、南三面分別為太行山隆起、霍山凸起和中條山隆起。構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，主要為褶皺，斷層不發(fā)育，整體呈北北東向的大型復(fù)式向斜構(gòu)造，軸線處于沁水-沁縣連線且兩翼對(duì)稱性較好，地層?xùn)|翼較西翼平緩。地層為華北地區(qū)層系，志留紀(jì)、泥盆紀(jì)以及下石炭世等地層缺失，盆地邊緣出露上古生界、中生界地層，盆內(nèi)主要出露三疊紀(jì)地層。本區(qū)含煤地層以上石炭統(tǒng)太原組以及下二疊統(tǒng)山西組為主，為近海海陸交互沉積。煤系地層沉積以后，該區(qū)地層受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)多次沉降、抬升，煤上地層存在差異性剝蝕，而煤層則經(jīng)歷了緩慢演化、演化波動(dòng)、快速演化、演化終止等4個(gè)階段。本文研究對(duì)象3號(hào)煤層為山西組，其分布廣泛、厚度大(一般5～6m)、縱橫向發(fā)育較穩(wěn)定，埋深在100～1000m之間。3號(hào)煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，厚度大于10m，底板主要為泥巖，具有良好的封閉性[13]。

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 煤巖類型

研究區(qū)3號(hào)煤層煤巖類型主要為半亮煤，其次為半暗煤。煤巖最大鏡質(zhì)組反射率在1.96%～2.98%之間，平均2.28%；鏡質(zhì)組含量72.1%～89.2%，平均81.8%；惰質(zhì)組5.8%～16.9%，平均11.7%；礦物含量在2.7%～11.9%之間，平均7.2%。區(qū)內(nèi)半亮煤脆性較大，原生、次生裂隙發(fā)育，充填程度較低，僅部分被方解石半充填，此外還發(fā)育白色的方解石薄膜和黑色的暗煤條帶。在掃描電鏡下觀察，可見煤巖表面賦存不同形狀的黃鐵礦，裂隙發(fā)育情況更加清楚，在縫面處可見高嶺石、伊利石等黏土礦物。該區(qū)鏡質(zhì)組含量較高，表明煤巖沉積時(shí)為強(qiáng)還原環(huán)境，形成的煤層氣儲(chǔ)層物性也較好。此外，鏡質(zhì)組含量較高也說明煤巖生氣潛力巨大。

2.2 儲(chǔ)層物性及儲(chǔ)集空間特征

利用常規(guī)壓汞法對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙進(jìn)行研究[14]。壓汞法可定量分析孔半徑在3.75nm以上的儲(chǔ)層孔隙參數(shù)，所測(cè)得數(shù)據(jù)為有效孔隙。實(shí)驗(yàn)選取采自不同礦區(qū)的樣品進(jìn)行，采樣深度分布適中，以保證數(shù)據(jù)的代表性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表1)：孔隙度隨著采樣深度的遞增呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，個(gè)別樣品如BF3-1規(guī)律性不強(qiáng)是由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，儲(chǔ)層裂隙及割理發(fā)育，孔隙度值有所增加；壓汞孔隙度介于1.40%～5.87%之間，平均3.94%，說明區(qū)內(nèi)3號(hào)煤儲(chǔ)層較致密；進(jìn)汞飽和度為15.08%～35.42%，平均23.75%，說明煤儲(chǔ)層有效孔隙較少，連通程度較差；退汞效率59.52%～81.22%，平均68.12%，說明煤儲(chǔ)層退汞效率較高，儲(chǔ)層滲透性能較好；隨著埋藏深度的增加，滲透率有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這可能和裂隙發(fā)育情況、儲(chǔ)層壓力變化有關(guān)。

表1 煤孔隙壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)代表煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合煤層氣儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為該區(qū)儲(chǔ)層屬于Ⅰ～Ⅱ儲(chǔ)層。結(jié)合掃描電鏡觀察，3號(hào)煤儲(chǔ)集空間主要為孔隙和裂隙，儲(chǔ)層類型為孔隙型、孔隙～裂隙型和裂隙型儲(chǔ)層。

3 煤層氣成藏主控因素

研究區(qū)優(yōu)越的地質(zhì)條件是煤層氣聚集成藏的基礎(chǔ)，具體而言主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

3.1 沉積作用

研究區(qū)山西組沉積時(shí)期由于華北地臺(tái)的整體抬升，沉積環(huán)境由海相逐漸朝陸相過渡，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)南北差異沉降和南北相帶分異現(xiàn)象。沉積相逐漸由三角洲相轉(zhuǎn)變?yōu)槌逼?淺水陸棚相，海相沉積朝陸相煤系沉積發(fā)展[6]。

沉積環(huán)境對(duì)煤層發(fā)育有重要影響，區(qū)內(nèi)河流相形成的煤系地層往往不穩(wěn)定且較薄，淺水三角洲相為該區(qū)3號(hào)煤煤層氣的主要烴源巖。三角洲沉積體系主要有三角洲平原分流河道、分流間彎和河口壩。其中分流間彎對(duì)煤層形成影響最大，其分布廣泛、水體深度適中，易廣泛發(fā)育形成穩(wěn)定煤層，厚度介于4～8m之間，形成了以榆社、沁水、晉城等區(qū)為代表的煤層；三角洲平原分流河道分布于安澤-胡縣以西，河口壩分布于研究區(qū)東南部，整體上分布范圍均較小，形成的煤層厚薄不一，極不穩(wěn)定。

淺水三角洲中的三角洲平原對(duì)泥炭沼澤的形成極其有利，分流河道也可在廢棄河道中堆積形成大量泥炭沼澤。因此，利于形成煤-砂-煤的地層組合模式，易形成自生自儲(chǔ)式煤層氣氣藏。

沉積環(huán)境通過控制煤相從而控制煤的生烴潛力。沼澤還原性不同，生烴潛力也不同，沼澤相生烴潛力由小到大為干燥森林、潮濕森林、較淺覆水森林、較深覆水森林、低位(蘆葦)[15]。因此，沉積環(huán)境的不同也導(dǎo)致了區(qū)內(nèi)3號(hào)和15號(hào)煤層含氣量的不同。

當(dāng)然，沉積體系縱向上還可控制巖性組合從而影響煤層氣儲(chǔ)層的封存能力。3號(hào)煤層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占比達(dá)50%，頂、底板泥巖以及部分砂巖(泥質(zhì)含量較高)均非常致密，且厚度較大，具有較好的封蓋能力[16]。如潘莊、成莊地區(qū)，上覆蓋層厚度達(dá)40m，單井產(chǎn)量較高，平均達(dá)4900m3/d；而鄭莊、樊莊東部等區(qū)塊上覆蓋層有效厚度不足10m，煤層氣產(chǎn)量較低，不足1000m3/d。

3.2 構(gòu)造熱事件

沁水盆地3號(hào)煤層熱演化程度較高，最大Ro達(dá)2.5%，構(gòu)造熱事件較大地提高了煤層熱演化程度。結(jié)合構(gòu)造演化特征，分析盆地埋藏演化史后認(rèn)為沁水南部煤層氣成藏過程主要經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期[17]：第1次生成時(shí)期為海期-印支期，三疊系末期埋藏深度達(dá)到最大，為正常地溫梯度及古地?zé)釄?chǎng)，鏡質(zhì)組反射率為1.2%左右，此時(shí)為第1次生氣時(shí)期，生烴量為46.47～81.45m3/t；第2次生氣時(shí)期為燕山期，此時(shí)處于異常古地溫時(shí)期，煤化作用快速增大促使煤層氣二次生成，其作用范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，生氣量達(dá)到最大，介于97.86～359.10m3/t之間，為主要成氣時(shí)期；喜山期的氣藏改造和調(diào)整階段，基本不生氣。構(gòu)造熱事件主要影響第2次生氣階段，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[11,18]：

(1)巖漿侵入活動(dòng)促進(jìn)煤巖二次生氣 巖漿侵入的熱力作用促使煤層氣化，產(chǎn)生疊加生氣，而沒有巖漿侵入的地區(qū)二次生氣不明顯，如晉城礦區(qū)在晚侏羅世-早白堊世生氣量快速增加，最高達(dá)160m3/t，而同時(shí)期的潞安礦區(qū)生氣量增加幅度極少，主要靠一次生氣(圖1)。實(shí)驗(yàn)證明，巖漿侵入形成高溫高壓環(huán)境，煤分子發(fā)生變化，進(jìn)一步加大了煤的變質(zhì)作用，增加熱演化程度，進(jìn)而增加了生氣量。

圖1 不同區(qū)域階段生氣量比較

(2)巖漿侵入活動(dòng)增加了煤巖孔隙度 利用熱解分析儀進(jìn)行熱力烘烤，實(shí)驗(yàn)表明，煤巖在經(jīng)過熱力烘烤后，煤巖氣孔數(shù)量明顯增加，原有氣孔明顯加大。通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)所用煤樣熱力烘烤后孔隙度、滲透率的變化，認(rèn)為煤巖孔隙度和滲透率都有不同程度的增加，且隨著烘烤時(shí)間的增加，孔、滲也不斷增加(表2)。

(3)巖漿侵入活動(dòng)利于形成裂隙系統(tǒng) 巖漿侵入活動(dòng)形成的高溫環(huán)境使生氣量迅速增加，且遠(yuǎn)大于煤層的吸附能力，游離氣不斷向外突破產(chǎn)生突破壓力致使煤巖破裂。同時(shí)巖漿侵入本身產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力以及熱力作用，煤巖更易破裂。巖漿在煤巖層內(nèi)冷卻過程中，由于熱脹冷縮作用，還會(huì)形成張裂隙。此類裂隙最易發(fā)育的地方為流體運(yùn)移拐角處、凹痕處等應(yīng)力集中區(qū)?？傊?，巖漿侵入通過產(chǎn)生裂縫增加了煤巖滲透率，改善了煤層導(dǎo)流能力。

表2 熱力烘烤實(shí)驗(yàn)煤巖孔隙度和滲透率的變化

3.3 水動(dòng)力特征

水動(dòng)力作用對(duì)煤層氣富集成藏及分布有重要作用，水動(dòng)力強(qiáng)度和方向控制著煤層氣的分布[19-21]。研究區(qū)為復(fù)式向斜構(gòu)造，通過重力作用，地表大氣降水源源不斷地通過巖石滲流至向斜軸部，整體呈現(xiàn)出盆地邊緣往中心滲流的特征。因此，不同于常規(guī)氣藏，煤層氣氣藏向斜部位含氣量明顯高于背斜部位，向斜軸部含氣量高于翼部(圖2)。將水動(dòng)力作用劃分為強(qiáng)動(dòng)力區(qū)、弱動(dòng)力區(qū)和滯流區(qū)，其中弱動(dòng)力區(qū)和滯流區(qū)對(duì)煤層氣聚集成藏有利。研究區(qū)東部為強(qiáng)動(dòng)力區(qū)，含氣量小于10m3/t；西部及南部大部分區(qū)域?yàn)闇鲄^(qū)，含氣量普遍大于20m3/t，最高達(dá)26m3/t；中部弱動(dòng)力區(qū)分布廣泛，含氣量一般在18m3/t以上。

圖2 研究區(qū)3號(hào)煤層水動(dòng)力特征示意

3.4 構(gòu)造作用

構(gòu)造作用控制煤層氣的生成和保存，對(duì)煤層氣的聚集成藏有重要作用。

(1)煤層氣具有向斜控氣的特征[22]。研究區(qū)為大型的復(fù)式向斜構(gòu)造，由于向心流動(dòng)作用，向斜部位煤層氣不易散失；向斜軸部氣藏水礦化度往往較高，煤層氣較少溶于水中；向斜軸部中和面與兩翼呈正應(yīng)力，頂?shù)装辶严恫话l(fā)育，煤層氣易于保存。

(2)研究區(qū)石炭系-二疊系煤層沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度較弱，活動(dòng)強(qiáng)度介于西側(cè)鄂爾多斯盆地和東側(cè)華北以東斷塊之間，地層變形適中、裂隙發(fā)育適中，均有利于煤層氣的保存[23]。

(3)燕山早期區(qū)內(nèi)應(yīng)力活動(dòng)較弱，形成原生型煤層氣氣藏且基本未被改造；燕山期-喜馬拉雅早期在NE-SW向構(gòu)造應(yīng)力作用下，對(duì)燕山早期形成的NE-SW褶皺進(jìn)行改造，煤層逐步抬升，但持續(xù)時(shí)間在0～27Ma之間，持續(xù)時(shí)間短且回返時(shí)間晚，改造破壞程度有限，形成調(diào)整型煤層氣氣藏；喜馬拉雅晚期構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘垜?yīng)力，原有裂隙張開度變大，且形成新的張裂隙，對(duì)煤巖儲(chǔ)層滲流能力有較大改善[24]。

4 結(jié) 論

(1)沁水盆地南部3號(hào)煤層煤巖類型以半亮煤為主，煤巖脆性較大，原生、次生裂隙發(fā)育且充填程度較低，鏡質(zhì)組含量較高，熱演化程度高，煤巖生氣潛力巨大。

(2)壓汞法測(cè)量煤樣孔隙度在1.40%～5.87%之間，滲透率(0.06～0.58)×10-3um2，儲(chǔ)層較致密，裂隙相對(duì)發(fā)育，較好地改善了儲(chǔ)層滲透性能。

(3)研究區(qū)煤層氣聚集成藏是多因素控制的，并非單一控制，表現(xiàn)出“協(xié)同、互補(bǔ)、共存”的特征。研究認(rèn)為沉積作用、巖漿侵入活動(dòng)、水動(dòng)力作用以及構(gòu)造作用是成藏主控因素，確定了頂、底板泥巖(致密砂巖)發(fā)育區(qū)、巖漿侵入活動(dòng)活躍區(qū)、水動(dòng)力弱-滯留區(qū)以及構(gòu)造活動(dòng)較弱區(qū)為區(qū)內(nèi)煤層氣的主要富集區(qū)域。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Accumulation Main Control Factors and Reservoir Characters of Coalbed Gas in Southern Part of Qinshui Basin of Shanxi Province

PAN Si-dong1，CUI Zhou-da2

(1.Resource School，China Geological University(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Yunnan Enhong Coal Mine，Qujing 655005，China)

It taking the third coal seam of the southern part of Qinshui basin as studying object，then coalbed gas reservoir characters was studied by pressure pump method and scanning electron microscope.Accumulation main control factors were discussed by structural analysis，basin analysis and studying results of predecessors.The results showed that the lithotype of the third coal seam was seimbright coal，fractures developed fully in reservoir layers，the thermal evolution degree of coal and rock mass was high，and the potential that generating hydrocarbon is tremendous，the pore ratio of pressure pump belong 1.40%～5.87%，and permeate ratio is about(0.06～0.58)×10-3um2，reservoir layers is densely，the main reservoir room is pore and fracture.The actions that to coalbed gas accumulation and reservoir were analyzed，which included deposition effect，rock magma invade，water dynamic ，structural effect and so on.After synthesis analysis，the main accumulation zone of coalbed gas were the development zone of mudstone(densely sandstone) in roof and floor，the active zone of magma invading，the weak-retention zone of water dynamic and the weak zone of structural movement.

coalbed gas；reservoir character；accumulation condition；main control factor

2016-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.003

國(guó)家自然科學(xué)基金(41101098)

潘思東(1965-)，女，云南昆明人，高級(jí)工程師，在職博士研究生，主要從事礦產(chǎn)普查與勘探科研及煤層氣專業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

潘思東，崔周達(dá).山西沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層特征及成藏主控因素研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：11-14.

TE122.2

A

1006-6225(2016)06-0011-04