巖漿熱變質作用對臨興區(qū)塊煤層氣含量賦存影響

陳學立, 李久慶, 張海鋒, 劉世界, 宣 濤

(1.中海油能源發(fā)展工程技術公司, 天津 300452；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室(中國礦業(yè)大學), 江蘇 徐州 221008)

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巖漿熱變質作用對臨興區(qū)塊煤層氣含量賦存影響

陳學立1, 李久慶2*, 張海鋒1, 劉世界1, 宣 濤1

(1.中海油能源發(fā)展工程技術公司, 天津 300452；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室(中國礦業(yè)大學), 江蘇 徐州 221008)

基于鄂爾多斯臨興區(qū)塊的地質背景，分析了紫金山巖體的巖漿熱變質作用及其對煤層氣賦存的影響。燕山期是本區(qū)巖漿巖活動最強烈的地質時期，形成了紫金山巖體。靠近紫金山巖體，煤的變質程度快速升高，煤樣鏡質組最大反射率高達4.9%；圍繞紫金山巖體，煤層的孔隙度、滲透率和煤層氣含量呈現(xiàn)環(huán)帶狀展布特征，煤層氣含量快速升高。研究認為：由疊加在深成變質作用基礎上的巖漿熱變質作用形成的高溫烘烤作用下，巖漿熱變質引起煤的二次生烴導致煤生氣量增大和吸附性增強。

巖漿熱變質；煤層；臨興區(qū)塊；煤層氣賦存

0 引言

煤變質作用主要受壓力、溫度及其持續(xù)時間的控制[1-3]。世界上許多重要含煤盆地或煤田均經(jīng)歷了接觸變質作用或巖漿熱液變質作用的影響[4-7]。中國大部分高煤階煤的形成均與巖漿熱變質作用有關，楊起等[8-9]對中國煤變質作用的研究表明，深成變質作用使中國晚古生代煤演化到低變質階段；中生代的巖漿活動，尤其是燕山期巖漿熱變質作用使得中國大部分煤的煤級增加到中、高變質煤階段。燕山期巖漿侵入對中國的煤層、煤質和瓦斯賦存特征等具有重大影響[10]。臨興區(qū)塊煤的變質作用亦具有上述特征，煤層鏡質組最大反射率高達4.9%，僅通過單一深成變質作用很難實現(xiàn)該區(qū)巖漿熱變質作用為煤的二次生烴創(chuàng)造了有利條件。為此，本文以鄂爾多斯臨興區(qū)塊為背景，研究了紫金山巖體的巖漿烘烤作用對煤層氣賦存的影響。

1 地質背景

1.1 區(qū)域構造及地層

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，處于晉陜交界處，以黃河為界，隸屬于山西省呂梁市，北起興縣，南至臨縣(圖1)。鄂爾多斯盆地的演化歷史及其現(xiàn)今構造特征表明，鄂爾多斯地區(qū)為華北地臺的次級構造單元，可劃分為6個次級構造單元：西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊盟隆起、陜北斜坡、渭北隆起和晉西撓褶帶(圖1)。本次研究的工作區(qū)臨興區(qū)塊位于晉西撓褶帶上， 晉西撓褶帶在中晚元古代-古生代處于相對隆起狀態(tài)，僅在中晚寒武世、早奧陶世、中晚石炭世及早二疊世有薄層沉積，中生代侏羅紀末相對隆起，與華北地臺分離，形成鄂爾多斯盆地的東部邊緣。燕山運動使得呂梁山抬升并向西推擠，加之基底斷裂的影響，形成南北走向的晉西撓褶帶[12]。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元及研究區(qū)位置圖Figure 1 Tectonic elements and study area situation in Ordos Basin

臨興區(qū)塊地質構造較為簡單，整體為東高西低的西傾單斜構造，地層傾角小。本區(qū)遠離盆地北緣，背斜幅度較小，總體上北部背斜幅度較南部背斜大。

研究區(qū)出露地層由東向西漸新，地層相對簡單，發(fā)育中奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)、二疊統(tǒng)和新生界第四系。其中，主要的含煤地層為本溪組、太原組和山西組[11]，研究區(qū)地層詳見圖2。

圖2 研究區(qū)地層柱狀圖(顧嬌楊等, 2016)Figure 2 Study area stratigraphic columnar section (after Gu Jiaoyang et al, 2016)

臨興區(qū)塊主要含煤巖系位于石炭系本溪組和二疊系太原組、山西組，共含煤6～15層，其中本溪組8+9號煤層和山西組4+5號煤層厚度較大，且全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，連續(xù)性較強，為本區(qū)煤炭及煤層氣主采煤層，對于煤層氣的研究重點也集中在8+9號煤層和4+5號煤層。

4+5號煤層平均厚度約4m，整體表現(xiàn)為西北局部地區(qū)和紫金山隆起區(qū)煤層較薄，南部和東部地區(qū)煤層較厚。8+9號煤層位于石炭系本溪組頂部，為太原組與本溪組的分界，厚度較4+5號煤層大，平均厚度約7m?？傮w而言，北中部和紫金山隆起區(qū)煤層較薄，東部、西北部和西南部煤層較厚(圖3)。

臨興區(qū)塊煤巖顯微組分統(tǒng)計顯示，上古生界本溪組和山西組煤巖顯微組分鏡質組含量較高，平均值為79%；惰質組次之，為13%；殼質組含量最低，為2%(表1)。

表1 臨興區(qū)塊煤巖顯微組分統(tǒng)計表

(a)4+5號煤層 (b)8+9號煤層

圖3 煤層厚度等值線圖

Figure 3 Isogram of coal thicknesses

1.2 巖漿活動

鄂爾多斯盆地東部晉西撓褶帶發(fā)育的熱力作用與華北板塊早白堊世發(fā)生的構造背景相關，深部巖漿侵入和熱力作用使得該區(qū)深處形成較多隱伏的中深成侵入巖或淺成噴發(fā)相巖體及其伴隨的熱力構造[13-15]。早白堊世強烈的構造熱力變動伴有盆地東翼大面積抬升、呂梁斷隆帶翹傾、離石斷裂帶、晉西撓褶帶及西傾大斜坡的形成。以紫金山堿性雜巖體為代表的巖漿熱力作用表現(xiàn)為多期形成的侵入體。

山西臨縣紫金山堿性雜巖體位于臨縣北西約20km處，出露面積23.3km2，大地構造位置是呂梁造山帶西麓與鄂爾多斯地塊的過渡帶，為侵入于中三疊統(tǒng)二馬營組中的“環(huán)狀”堿性雜巖體，巖體自外至內巖性依次為二長巖、霓輝正長巖、含霞霓輝正長巖、霞石正長巖，其中部為火山頸相假白榴石響巖質火成角礫巖和粗面質火山角礫巖。山西臨縣紫金山堿性雜巖體是我國最早發(fā)現(xiàn)、研究程度相對較高的典型堿性雜巖體之一[16]。

中晚太古代及元古代的巖漿活動及形成的巖漿巖可能深埋地下，地表無出露。晚古生代有多期火山活動；在石炭系、二疊系中，夾有多層凝灰?guī)r；中生代、新生代巖漿活動最為強烈，并以中生代(燕山期)是主要巖漿活動期。

(1)印支早期火山碎屑巖。主要分布于臨縣、吉縣一帶，三疊系二馬營組二段上部紫紅色砂質泥巖中，夾有厚1m左右的淺綠色晶屑凝灰?guī)r；銅川組一段巨厚層中細粒長石砂質巖層中，局部夾有暗黃色晶屑凝灰?guī)r；銅川組二段砂質泥巖中夾有1～3層晶屑、玻屑凝灰?guī)r；延長組一段中細粒長石砂巖中，局部夾有1～5層(厚7～50cm)的淺黃色晶屑凝灰?guī)r。

(2)燕山期巖漿巖。燕山期是本區(qū)巖漿巖活動最強烈的時期，形成了紫金山雜巖體。紫金山雜巖體出露于臨縣西北部紫金山至水磨川一帶，平面形狀長軸為北北西向。北西-南東長7km，北東-西南寬4km，出露總面積約23.3km2。出露地表的巖漿巖圍巖為中三疊統(tǒng)二馬營組灰綠色長石砂巖夾紫紅色泥巖。該巖漿巖體為多階段、多期次不同巖性的堿性雜巖體，由早到晚，巖體由外環(huán)到內環(huán)巖性具良好的分異作用，依次分布為：二長巖、霓輝正長巖、暗霞鈦輝巖及火山頸相霞石正長巖、粗面巖等。由于侵入中心的逐漸南移，各巖帶呈半環(huán)形分布。

(3)新生代的巖漿巖。喜山期巖漿巖主要有出露在北部河曲縣境內的基性噴發(fā)巖?？碧絽^(qū)是由呂梁期形成的統(tǒng)一固化結晶基底太古代和古元古代變質巖與中、新元古代以后形成的蓋層構成，具有明顯的二元結構。因此它屬于克拉通邊緣拗陷盆地。另外，中生代后期，勘探區(qū)就處在褶皺帶上，廣泛發(fā)育褶皺沖斷層，勘探區(qū)是一個中新生代沉積盆地疊加在古生代沉積盆地之上的疊合盆地的一部分。

2 巖漿熱變質對臨興區(qū)塊煤層氣賦存的影響

2.1 臨興區(qū)塊煤熱演化特征

有機質成熟度是指烴源巖中有機質的熱演化程度，主要通過鏡質組反射率(Ro)表征[17]。從鏡質組反射率統(tǒng)計表(表2)和分布直方圖(圖4)可以看出：上古生界烴源巖鏡質組反射率(Ro)絕大多數(shù)位于0.8%～1.5%，處于成熟-高成熟階段，部分達到過成熟階段[18]。其中，山西組烴源巖鏡質組反射率大部分在0.5%～1.5%，處于成熟-高成熟階段，極少部分處于未成熟或過成熟階段；太原組烴源巖鏡質組反射率在0.89%～4.89%，平均1.46%，處于成熟-高成熟階段，部分達到過成熟階段；本溪組烴源巖鏡質組反射率0.81%～3.42%，平均1.28%，處于成熟-高成熟階段，部分達到過成熟階段[19]。

表2 鏡質組反射率統(tǒng)計表

圖4 研究區(qū)鏡質組反射率分布直方圖Figure 4 Histogram of study area vitrinitereflectance distributions

2.2 煤儲層孔滲特征

如圖5所示，研究區(qū)煤巖孔隙度和滲透率隨深度的增加略有降低，但總體變化較小[20]。研究區(qū)煤巖孔隙度與滲透率分布較離散，4+5號與8+9號煤孔滲特征差異不大。太原組4+5號煤層孔隙度在0.57%～3.0%，平均2.3%；滲透率在0.012～0.078mD，平均0.05mD。本溪組8+9號煤孔隙度在0.7%～3.4%，平均2.3%；滲透率在0.013～0.102mD，平均0.05mD。平面上，太原組4+5號煤和本溪組8+9號煤孔隙度和滲透率圍繞紫金山巖體呈環(huán)帶狀展布，靠近巖體，受巖漿熱烘烤作用，孔隙度和滲透率增高[21]。

2.3 煤儲層含氣性特征

研究區(qū)4+5號煤層和8+9號煤層含氣量普遍高于10m3/t，且8+9號煤層含氣量較4+5號煤層含氣量高。4+5號煤層含氣量在10～24m3/t，平均為13m3/t；8+9號煤層含氣量在8～27.01m3/t之間，平均為17m3/t。平面上，煤層含氣量受火山及蓋層的雙重影響， 整體表現(xiàn)為接近紫金山隆起煤層含氣量較高，頂板巖性為中粗粒砂巖，煤層含氣量較低(圖6)。

臨興區(qū)塊北部地區(qū)的等溫吸附特征和臨界解吸壓力顯示，4+5號煤平均空氣干燥基Langmuir體積、Langmuir壓力分別為12.19cm3/g、3.94MPa， 其中10井空氣干燥基Langmuir體積最大，為15.14cm3/g， 5井最小，只有7.81cm3/g(表3)?？傮w而言，靠近紫金山巖體鉆井的煤層的Langmuir體積偏大。眾所周知，隨著煤變質程度的增加，煤層含氣吸附能力先增高后降低，分界點大致位于4.0%Ro,max[22]。因此，煤層受巖漿熱變質作用的影響， 煤層氣的吸附能力越強， 靠近紫金山巖體的煤層氣含量越高。

圖5 煤層孔隙度、滲透率與埋深關系圖Figure 5 Relationship between coal porosity, permeability and buried depth

研究區(qū)不同鉆井氣體濃度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)， 8+9號煤CO2濃度較4+5號煤高(圖7)。巖漿接觸變質或熱液變質煤層CO2濃度一般偏高[23]。這是由于研究區(qū)太原組底部灰?guī)r可能受底部巖漿烘烤作用，分解產(chǎn)生一定數(shù)量的CO2，這些CO2可以通過儲層間的裂隙通道向上運移，導致氣體中CO2濃度相對較高。

表3 北部地區(qū)各井煤樣等溫吸附數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 結論

燕山期是本區(qū)巖漿巖活動最強烈的地質時期，形成了紫金山巖體?？拷辖鹕綆r體， 煤的變質程度逐漸升高，煤層鏡質組最大反射率高達4.9%；圍繞紫金山巖體，煤層的孔隙度、滲透率和煤層氣含量呈環(huán)帶狀展布，煤層氣含量快速升高。巖漿高溫熱作用下，煤化學性質發(fā)生差異，巖漿侵入引起煤的二次生烴導致煤生氣量增大和吸附性增強。同時，煤層中較高的二氧化碳濃度可能與巖漿烘烤作用有關。

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Impact on CBM Content Occurrence from Magmatic Thermal Metamorphism in Linxing Block

Chen Xueli1, Li Jiuqing2, Zhang Haifeng1, Liu Shijie1and Xuan Tao1

(1. CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452; 2. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process, Ministry of Education (in China University of Mining and Technology), Xuzhou, Jiangsu 221008)

Based on geological setting of the Linxing block in Ordos basin, analyzed the Zijinshan rock mass magmatic thermal metamorphism and its impact on CBM hosting. The magmatic activities during the Yanshanian used to be the strongest in geological time in the area and formed Zijinshan rock mass. Near the rock mass, degree of coal metamorphism rapidly rising, the coal sample vitrinite maximum reflectance can be 4.9% as high. Around the rock mass, coal porosity, permeability and CBM content present girdle distribution features, and CBM content rising rapidly. The study has considered that under the high temperature baking of the magmatic thermal metamorphism and superimposed on the hypozonal metamorphism basis, magmatic thermal metamorphism has caused coal secondary hydrocarbon generation so as to coal-formed gas amount increasing and adsorptivity enhanced.

magmatic thermal metamorphism; coal seam; Linxing block; CBM hosting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.06

1674-1803(2017)05-0027-07

陳學立(1982—)，天津寶坻人，中海油能源發(fā)展工程技術分公司油藏工程師，主要從事非常規(guī)油氣地質研究工作。

李久慶(1992—)，男，河南省商丘人，碩士研究生。

2017-02-07

文獻標識碼：A

責任編輯：宋博輦