沁水盆地沁源地區(qū)煤層含氣量分布規(guī)律及控氣地質(zhì)因素分析

鄧志宇 劉羽欣 王 力 王春東 王利娜

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

沁水盆地沁源地區(qū)煤層含氣量分布規(guī)律及控氣地質(zhì)因素分析

鄧志宇 劉羽欣 王 力 王春東 王利娜

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

本文通過對沁源地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)研究，從多個(gè)角度歸納了該區(qū)兩套煤層含氣量特征的主控因素。結(jié)果表明，沁源地區(qū)煤層含氣量主要受構(gòu)造、煤層埋深、厚度、沉積共同控制，其次為頂?shù)装鍘r性以及水文地質(zhì)條件等。2號煤層含氣情況受后期構(gòu)造影響較大，而9+10號煤層含氣性相對來說主要取決于其自身生氣能力以及圍巖結(jié)構(gòu)特性的差異。綜合分析認(rèn)為，本區(qū)東南部為2號煤層下一步煤層氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)；中部為9+10號煤層的有利目標(biāo)區(qū)。

沁源地區(qū) 煤層 含氣量 控氣因素

沁源地區(qū)位于沁水含煤盆地中部，地處太岳山東麓，系沁河發(fā)源地，地形以低山丘陵為主，整體西北高而東南低，交通便利。

沁源地區(qū)煤炭勘探歷史久遠(yuǎn)，勘查程度較高，已達(dá)到勘探階段，區(qū)內(nèi)煤礦主要有留神峪、沁新、新達(dá)、新源、東盛等，而煤層氣勘探進(jìn)展卻較為緩慢。早在1995年，國外公司就在沁源地區(qū)進(jìn)行了煤層氣資源調(diào)查工作。在“十一五”、“十二五”期間，該區(qū)已完成若干口煤層氣井，取得了一系列煤層參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料，但總體上排采效果不佳。因此弄清控氣地質(zhì)因素，是本區(qū)目前迫切需要解決的關(guān)鍵問題。本文重點(diǎn)對沁源地區(qū)2號、9+10號煤儲層進(jìn)行研究，查清煤層含氣分布特征及地質(zhì)主控因素，為本區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供決策依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

沁源地區(qū)位于沁水盆地復(fù)式向斜的軸部，西鄰霍山隆起，東鄰太行山隆起。煤系地層總體為一個(gè)走向近南北、向東傾斜的寬緩復(fù)向斜構(gòu)造，其軸向近南北。整體構(gòu)造較為復(fù)雜，次級褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，主要呈NNE、NNW向展布，斷層主要集中分布在本區(qū)西部和南部的沁水盆地翼部，特別是轉(zhuǎn)折端應(yīng)力集中部位，多為NE-NNE走向(圖1)。

圖1 沁源地區(qū)構(gòu)造綱要圖

本區(qū)自西向東依次出露寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及三疊系地層，其上零星分布第三系粘土、第四系黃土及沖洪積層。含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組，其中具有開發(fā)價(jià)值的為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組煤系地層。上石炭統(tǒng)太原組9號、10號煤層和下二疊統(tǒng)山西組2號煤層為該區(qū)主力煤層。2號煤層埋深300～2100m，主要發(fā)育宏觀煤巖類型為光亮煤、半亮煤和半暗煤；9號煤層與10號煤層相距較近，多數(shù)情況下合并為一層研究，記為9+10號煤，埋深400～2200m，9號煤的煤層厚度較10號煤層厚，主要為暗淡煤、半暗煤，并含有少量半亮煤。

2 含氣量分布特征

限于沁源地區(qū)煤層氣井井位稀疏，目前已查明區(qū)含氣量展布情況變化較大。2號煤層含氣量整體表現(xiàn)為西部地區(qū)煤層氣含量低于東部含氣量，在構(gòu)造作用強(qiáng)烈地區(qū)含氣量普遍較低。9+10號煤層含氣量平面分布整體表現(xiàn)為由西向東增高，中南部含氣量最高，北部其次，較2號煤層含氣特征有一定差異，分析認(rèn)為差異性主要源自于其后期受構(gòu)造活動影響相對較弱，煤層自身生氣能力以及圍巖結(jié)構(gòu)特性的影響相對增大。

3 煤層氣控氣地質(zhì)因素分析

地質(zhì)因素是決定煤層氣富集及產(chǎn)出的關(guān)鍵，是影響煤層氣井產(chǎn)能的內(nèi)在因素。沁源地區(qū)煤層氣含量的分布規(guī)律與區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、埋深、煤厚、沉積、水文地質(zhì)條件以及圍巖封閉性等地質(zhì)因素具有重要的關(guān)系。

3.1 構(gòu)造作用

煤巖限于脆性較大，其連續(xù)完整性極易受到地層應(yīng)力的影響，從而使其氣藏保存條件發(fā)生變化。斷層和褶皺是影響煤層氣富集最主要的構(gòu)造因素。

斷層構(gòu)造對煤層氣分布的影響主要表現(xiàn)在裂縫、破碎帶的發(fā)育以及應(yīng)力變化造成的煤層甲烷解吸/吸附。沁源地區(qū)斷裂體系總體呈NNE向展布，斷層性質(zhì)主要為逆斷層，且多具扭動特征，因此其斷層面的不同巖性封閉及上下盤裂隙發(fā)育的差別必然導(dǎo)致斷層兩盤含氣量的差別。斷層兩側(cè)的牽引褶曲部位應(yīng)力值顯著增加，煤層儲壓增大，且裂隙較為發(fā)育，易于煤層氣富集。不同性質(zhì)斷層對煤層氣的控制作用與分布特征是截然不同的。正斷層褶曲部位受拉伸作用變薄，裂縫較為發(fā)育，從而形成一定的儲氣空間；逆斷層斷層面的封閉性、褶曲位置圍巖和煤儲層的相對致密性以及高應(yīng)力值均利于煤層氣的保存。在斷層面兩側(cè)一般形成兩個(gè)平行斷層呈對稱的條帶狀構(gòu)造應(yīng)力高值區(qū)，煤層甲烷含量相對升高，成為阻止煤層甲烷進(jìn)一步向斷層運(yùn)移的天然屏障(圖2、圖3)。

圖2 斷層構(gòu)造與煤層含氣量關(guān)系示意圖

圖3 煤層含氣量與斷層距離關(guān)系統(tǒng)計(jì)曲線

褶皺控氣主要體現(xiàn)在煤層的傾斜程度以及應(yīng)力狀態(tài)變化造成的不同部位煤儲層壓力的差異。背斜構(gòu)造兩翼以及中和面以下的壓應(yīng)力利于煤層氣的聚集，而在頂板封蓋條件較好時(shí)，中和面以上也會運(yùn)移聚集游離氣，從而呈現(xiàn)高含氣性。向斜構(gòu)造的兩翼以及中和面以上也表現(xiàn)出明顯的壓應(yīng)力，是煤層氣聚集的有利部位(圖4)。沁源地區(qū)整體形態(tài)為一近南北走向?qū)捑弳涡睒?gòu)造，受斷層控制其單斜構(gòu)造背景上次一級褶皺較為發(fā)育，這些次級褶皺起伏規(guī)模不一，從幾十米到數(shù)百米，軸向多為北北東、北北西，少量為近東西向。依據(jù)該區(qū)主斷裂特征及構(gòu)造形態(tài)自西向東可劃分為西部擠壓構(gòu)造帶、中部寬緩背斜帶、東部凹槽帶三個(gè)構(gòu)造單元，西部擠壓構(gòu)造帶地層隆起幅度高、煤層埋深淺，中部寬緩背斜帶北部構(gòu)造平緩，發(fā)育低幅度大型背斜圈閉，對煤層氣聚集保存較為有利。沁源地區(qū)所在的聚煤聚氣盆地-沁水盆地即是一個(gè)NNE向的復(fù)式向斜盆地，同時(shí)本區(qū)2號煤層?xùn)|南部的高含氣量區(qū)位于東部凹槽帶復(fù)合向斜的翼部。

圖4 褶皺構(gòu)造與煤層含氣量關(guān)系示意圖

3.2 埋深影響

大量實(shí)際資料表明，在一定深度范圍內(nèi)，煤層的含氣量隨埋藏深度增大而增加。通過沁源地區(qū)的物探及實(shí)鉆已取得的資料來看，該區(qū)煤層埋深變化較大，2號煤層埋深范圍為300～2100m，平均1318m，變化趨勢為由西向東、由南向北煤層逐漸加深。9+10號煤層埋深400～2200m，平均為1383m，整體變化趨勢與2號煤層相似。兩主要目的煤層埋深平面特征與含氣量分布具有近似正相關(guān)性。同時(shí)從圖5中可以看出，本區(qū)2號與9+10號煤層隨著埋深的增加，含氣量均表現(xiàn)出相應(yīng)增加的趨勢。

圖5 沁源地區(qū)主要目的煤層埋深與含氣量關(guān)系圖

3.3 煤厚影響

煤層厚度及其變化對含氣量有較大影響，表現(xiàn)在煤層厚度直接影響煤層氣的生成量，同時(shí)厚煤帶可以為煤層氣提供良好的儲集場所。在同一構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域，煤層含氣量一般會隨著煤層厚度而呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)變化。

沁源地區(qū)2號煤層厚度在3.1～6.9m之間，平均為4.6m，一般不含夾矸，局部含一層夾矸，總體趨勢為中、北部較厚，南部較薄，其含氣量特征表現(xiàn)為厚度較大的地區(qū)特別是東南部含氣量高，西部較薄區(qū)域含氣量較低。9+10號煤層合并厚度一般為0.81～5.45m，平均為3.23m，多含2～3層夾矸，北部煤層有減薄分叉現(xiàn)象，厚度變化的總體趨勢為由北向南漸薄。整體而言，其含氣量變化與煤層厚度具有一定相關(guān)性，在中南部煤層較厚區(qū)域其含氣量呈現(xiàn)高值。圖6顯示出本區(qū)兩套主要目的煤層含氣量與煤厚呈近似正相關(guān)的關(guān)系。

3.4 沉積條件

沉積對煤層含氣量分布控制的主要表現(xiàn)形式之一便是煤相。不同的煤相特征代表著不同的覆水深度和水流變化情況，不同的水體特征造成了不同的氧化還原環(huán)境，從而導(dǎo)致不同的水體中煤巖類型的差異。因此，利用不同成煤環(huán)境中易生成煤巖類型可以用來判斷煤相特征。根據(jù)尚冠雄(1997)等對華北地臺煤相的研究表明，石炭-二疊紀(jì)時(shí)期沁水盆地中南部的主要泥炭沼澤類型主要為較深覆水森林沼澤、覆水森林沼澤和濕地森林沼澤相為主的聚煤環(huán)境組合特征，并以覆水森林沼澤和濕地沼澤相為主要發(fā)育煤相。本區(qū)出現(xiàn)的煤相類型均屬于森林沼澤相類型，即深覆水森林沼澤相、覆水森林沼澤相、濕地森林沼澤相、干燥森林沼澤相，各相特征見表(表1)。隨著鏡煤、亮煤含量增加，煤儲層生烴潛力增加，因此深覆水、覆水森林沼澤相為優(yōu)勢煤相。

圖6 沁源地區(qū)主要目的煤層厚度與含氣量關(guān)系圖

深覆水森林沼澤相覆水森林沼澤相濕地森林沼澤相干燥森林沼澤相優(yōu)勢宏觀煤巖類型光亮煤半亮煤半暗煤暗淡煤鏡煤-亮煤含量>80%50～80%20～50%<20%

沁源地區(qū)2號煤層南部發(fā)育覆水森林沼澤相，含氣量等相對高值區(qū)也與煤相分布相一致，但由于沁源地區(qū)構(gòu)造條件復(fù)雜，含氣量的最高值區(qū)出現(xiàn)在東南部。9+10號煤層主要發(fā)育濕地森林沼澤相和干燥森林沼澤相，局部發(fā)育覆水森林沼澤相，含氣量高值區(qū)出現(xiàn)在覆水森林沼澤相與濕地森林沼澤相過渡位置，但在覆水較深的中西部位置表現(xiàn)出相對低值。

3.5 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對煤層氣的富集及運(yùn)移起重要作用，影響煤層氣的賦存與分布。通常水文地質(zhì)條件控氣具有雙重性：地下水的滯流區(qū)對煤層有較好的封閉作用，煤層氣吸附在煤層孔隙中，受到了來自周圍巖層以及水流的封堵作用，從而有利于煤層氣的富集；而徑流區(qū)則由于地下水流動性強(qiáng)，促使煤層氣逸散，不利于煤層氣的富集。

沁源地區(qū)位于霍山泉域東部邊界外的深埋區(qū)，按含水介質(zhì)的不同可將區(qū)內(nèi)劃分為三大含水層組，分別為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、裂隙含水層組以及松散巖類孔隙水含水層組。其中碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組主要發(fā)育于奧陶系中統(tǒng)及寒武系中、上統(tǒng)地層，是本區(qū)的主要含水層組，在埋深較深時(shí)隨著巖溶裂隙發(fā)育程度變差富水性減弱。主要隔水層組為寒武系下統(tǒng)及元古、太古界隔水層組；石炭系中統(tǒng)本溪組隔水層組及二疊系碎屑巖層間隔水層組。劉洪林等研究認(rèn)為，沁源地區(qū)煤系地層現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場為中主應(yīng)力差，地下水徑流緩慢-停滯，水力封閉條件較好，使得煤層氣受水力封閉作用而富集。

本區(qū)山西組、太原組整體含水性弱，上下有隔水層，具有獨(dú)立、完整的水文地質(zhì)單元，煤層氣保存條件較好，有利于煤層氣聚集。

3.6 圍巖條件

煤層含氣量大小與頂、底板巖性有關(guān)。煤層頂?shù)装鍘r性透氣性大小，對煤層氣保存有相當(dāng)大的影響。一般來說，頂?shù)装鍘r性越致密越有利于煤層氣的保存。泥巖對煤層的封蓋效果較好，主要是因?yàn)椋阂皇瞧漭^小的孔隙空間可有效防止氣藏逸散，對煤層氣的保存起著積極的作用；二是可以隔絕煤層與圍巖的水動力聯(lián)系，避免了壓裂、排采工程中的水動力流失，使得煤層氣開發(fā)工程的實(shí)施更加有效。而砂巖由于具有相對較大的孔隙度，灰?guī)r則常含有較大的溶蝕空間，均不利于煤層氣的聚集。

沁源地區(qū)2號煤層頂板巖性主要為泥巖，其次為砂質(zhì)泥巖、含砂泥巖，頂板厚度1.4～6.7m，平均為4.13m，厚度由西向東增大，東南部厚度最大；底板主要為砂質(zhì)泥巖，其次為泥巖、含砂泥巖，其中根土巖占92%，底板厚度1.1～2.7m，平均2.04m，厚度變化趨勢與底板接近一致，在東南部厚度達(dá)到最大。由此，2號煤儲層的頂?shù)装宸忾]性能較好，且其厚度與煤層含氣特征呈正相關(guān)關(guān)系。9+10號煤層頂板主要為灰?guī)r，厚度1.0～7.8m，平均4.00m，局部地區(qū)煤層頂板相變?yōu)槟鄮r或粉砂質(zhì)泥巖，封蓋能力較一般；底板主要為泥巖，其次為砂質(zhì)泥巖、含砂泥巖，厚度1.0～2.0m，平均1.00m，由北向南厚度變大，在南部達(dá)到最大，且中部局部地區(qū)底板泥巖含鋁質(zhì)較高，對煤層氣的保存較為有利。由此可見，9+10號煤層底板封閉性較好，煤儲層含氣特征與其底板巖性及厚度具有一定相關(guān)性。

4 結(jié)論

(1)沁源地區(qū)2號、9+10號煤層含氣量平面分布整體均表現(xiàn)為“西低東高”的特征。2號煤層含氣情況受后期構(gòu)造影響較大，而9+10號煤層含氣性相對來說主要取決于其自身生氣能力以及圍巖結(jié)構(gòu)特性的差異。

(2)沁源地區(qū)煤層氣含氣量的影響因素主要為構(gòu)造、煤層埋深、厚度、沉積，其次為頂?shù)装鍘r性以及水文地質(zhì)條件等。煤層自身生氣能力好、構(gòu)造配置有利、封閉條件好的地區(qū)利于煤層氣的富集，積極尋找含氣量主控因素對本區(qū)下一步的勘探部署具有指導(dǎo)意義。

(3)受目前井?dāng)?shù)限制，本區(qū)含氣量的平面特征目前并未詳細(xì)查明。但據(jù)目前已獲得資料結(jié)合以上分析，可做如下推測：區(qū)內(nèi)構(gòu)造、沉積、埋深、厚度及圍巖封閉性對2號煤層含氣量的控制作用明顯，由它們與含氣量的相關(guān)關(guān)系認(rèn)為東南部為2號煤層下一步煤層氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)；9+10號煤層的埋深、厚度及圍巖特征等對其含氣性控制貢獻(xiàn)較大，推測本區(qū)中部為9+10號煤層的有利目標(biāo)區(qū)。但需要注意的是由于該區(qū)埋深較大，開發(fā)經(jīng)濟(jì)性需要全面分析研究。

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(責(zé)任編輯 王一然)

Analysis of Distribution Characteristics and Controlling Geological Factors of Gas Content in Qinyuan Region of Qinshui Basin

DENG Zhiyu, LIU Yuxin, WANG Li, WANG Chundong, WANG Lina

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

This paper induces the main controlling factors of the coal seam gas content from several angles based on the detailed geological research of the Qinyuan region. The results showed that the gas content of Qinyuan region is mainly affected by structure, coal seam buried depth, thickness and sedimentary, followed by the lithologic of roof and floor and hydrogeological conditions, etc. The gas bearing of No.2 coal seam is greatly influenced by the later tectonic movement, and yet the gas containing feature of No. 9 and No.10 coal seams is greatly influenced by their gas generation capacity and the structural characteristics of surrounding rock. It is proposed that the southeast area of No.2 coal seam will be the favorable target area for coalbed methane exploration in the future, and the middle area is the favorable target area of No.9 and No.10 coal seam.

Qinyuan region; coal seam; gas content; factors of controlling gas

鄧志宇，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)研究工作。