山西省吉縣桑峨勘查區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征

張 彪，黃 勇，孫國忠

(北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040)

山西省吉縣桑峨煤炭勘查區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開發(fā)示范區(qū)南部的大寧-吉縣地區(qū)，主要含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組?；緲?gòu)造形態(tài)為走向北東，向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般為5°～15°，先期開采地段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)落差大于20m的斷層，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。本區(qū)以貧煤為主，無煙煤、貧瘦煤、瘦煤次之。前人在大寧-吉縣和臨汾地區(qū)煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征、成藏控制因素和煤層氣資源評價等方面開展了很多研究工作[1-7]。但勘查區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征研究和資源評價工作較為欠缺。本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合桑峨勘探區(qū)煤炭勘探成果，系統(tǒng)分析了本區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征，為下一步煤層氣勘探開發(fā)部署和井下瓦斯抽采提供依據(jù)。

1 勘查區(qū)地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造特征

桑峨勘查區(qū)位于鄂多斯盆地東緣南段河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)的中部。東以紫荊山斷裂帶與晉西隆起帶相連，西接鄂爾多斯盆地延長礦區(qū)，屬盆地內(nèi)穩(wěn)定型海陸交互相含煤碎屑沉積，由于從晚石炭世至早二疊世早期成煤物質(zhì)充分，沉積環(huán)境穩(wěn)定，同時又連續(xù)沉積了晚二疊世及早三疊世厚度較大的陸相碎屑巖，形成含煤巖系的蓋層，有利于含煤巖系的賦存。古生代以后的燕山運動、喜馬拉雅運動對本區(qū)影響不大，所以煤田內(nèi)主要可采煤層厚度較大，層位穩(wěn)定，構(gòu)造簡單。

受紫荊山斷褶帶的影響和控制，本區(qū)地層走向為北東，向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般為5°～15°，在此基礎(chǔ)上發(fā)育與走向大致平行的短軸褶曲，斷層不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)陷落柱及巖漿巖侵入，構(gòu)造簡單。

據(jù)地質(zhì)填圖、二維地震及鉆探資料，區(qū)內(nèi)主要有武莊向斜、武莊背斜及落差大于30m的斷層一條，小于30m的斷層兩條。

1.2 沉積特征

本區(qū)含煤地層包括二疊系下統(tǒng)山西組，石炭系上統(tǒng)太原組及石炭系中統(tǒng)本溪組，含煤地層總厚115m±，共含煤10層，煤層總厚11.3m，其中有經(jīng)濟價值的可采、局部可采煤層4層，可采總厚5.5m。

山西組主要可采煤層2號煤層、3號煤層賦存于本組下部，局部可采煤層2上煤層位于山西組中部。2號煤層與3號煤間距為0.40～2.40m，以含炭泥巖為主，3號煤層底板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖。表明煤層形成于河控三角洲上平原環(huán)境，由于煤層在聚積期間地殼相對穩(wěn)定，成煤物質(zhì)充分堆積與補償均衡，泥炭沼澤長期發(fā)育，形成全區(qū)普遍發(fā)育的中厚煤層。但是在沿分流間灣地帶水體深度變化較大，東南部出現(xiàn)2號煤層分叉現(xiàn)象；2號煤層上5m±含局部可采的2上煤層。

太原組為以碎屑巖、碳酸鹽巖夾煤層的沉積，其沉積環(huán)境為濱海平原上的潮坪、淺水碳酸鹽臺地及泥炭沼澤。9號煤層位于太原組下段，其直接頂板為K2石灰?guī)r，9號煤層厚度變化較大，在本區(qū)東南部厚度較大，西部厚度較小，中部一般不可采。

2 煤層發(fā)育特征

2.1 煤層展布特征

2.1.1 山西組煤層

本組厚32.50～59.50m，平均厚45.21m，含煤4層(1號煤、2上煤層、2號煤層、3號煤層)，煤層總厚2.02～6.90m，平均5.13m，在勘查區(qū)的西南較厚，含煤系數(shù)平均11.34%，其中可采、局部可采煤層三層(2上、2、3號煤層)，可采煤層平均總厚4.40m，可采煤層系數(shù)9.73%。

圖1 山西組煤層厚度等值線圖Figure 1 Shanxi Formation coal seam isopach

2.1.2 太原組煤層

本組地層厚39.40～96.35 m，平均厚度66.17m，含煤5～7層(5號煤層、6號煤層、7號煤層、8號煤層、9號煤層、10號煤層)，煤層總厚0.75～5.91m，平均2.68m，在勘查區(qū)的西南部和勘查區(qū)的東部煤層較厚；含煤系數(shù)1.09～7.70m，平均4.02%，在勘查區(qū)的西南部和勘查區(qū)的東部含煤系較高，可采煤層1層，可采總厚1.22m，可采含煤系數(shù)1.84%。

圖2 太原組煤層厚度等值線圖Figure 2 Taiyuan Formation coal seam isopach

2.2 煤層埋深特征

2.2.1 山西組煤層

本組煤層埋深一般埋深在590～1 100m，ZK04井附近埋深最大部分超過1 100m，ZK16井附近煤層埋深較淺一般在600m左右。以2號煤層為例(圖3)，埋深總體呈向東變淺的趨勢，西部埋深以大于900m為主，東部煤層埋深一般小于800m。

圖3 2號煤埋深等值線圖Figure 3 Coal No.2 buried depth isogram

2.2.2 太原組煤層

本組煤層埋深一般埋深在700～1 200m，ZK04、ZK31井附近埋深最大部分地區(qū)超過1 200m，ZK08、ZK16井附近煤層埋深較淺一般在700m左右。以9號煤層為例，埋深總體呈向東變淺的趨勢，西部埋深以大于1 000m為主，東部煤層埋深一般小于900m，ZK04-ZK09-ZK31一線埋深最大。

圖4 9號煤埋深等值線圖Figure 4 Coal No.9 buried depth isogram

3 煤儲層特征

3.1 煤巖煤質(zhì)特征

各煤層一般為塊狀，內(nèi)生裂隙比較發(fā)育。宏觀煤巖類型2號煤層、9號煤層以半光亮煤為主，2上、3號煤層以半暗煤為主，最大鏡煤反射率2號煤層2.35%～2.54%，3號煤層2.40%～2.50%，9號煤層2.47%～2.60%，屬變質(zhì)程度較高的瘦煤及貧煤，各煤層僅東南部最大鏡煤反射率低于1.9%。煤類2上、2號煤層以低灰、低硫高熱值貧煤為主，東南部有少量瘦煤、貧瘦煤，西北部有少量的無煙煤；3號煤層以低灰、中硫、高熱值貧煤為主，東南部有少量瘦煤、貧瘦煤，西北部有少量的無煙煤；9號煤層以中灰、中高硫、高熱值貧煤為主，東南部有少量貧瘦煤，西北部有少量的無煙煤。

3.2 煤層滲透性及儲層壓力

為了取得各可采煤層的原始滲透率及儲層壓力參數(shù)，分別在ZK50、ZK38、ZK01對2號煤層及9號煤層采用注入/壓降法進(jìn)行了煤層氣試井，并取得了有關(guān)參數(shù)。

試井成果表明，本區(qū)煤層滲透率均小于0.05mD，一般在0.015～0.04mD，本區(qū)各煤儲層均為超低滲透率煤儲層。

表1顯示，本區(qū)2+3號煤層儲層壓力為3.32～5.78MPa，儲層壓力梯度為3.60～5.78kPa/m；9號煤層儲層壓力為3.30～4.68MPa，儲層壓力梯度為3.37～5.00kPa/m，均屬欠壓煤儲層。

表1 煤層注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)表Table 1 Data sheet of coal seam injection/falloff test well

4 含氣性特征

4.1 煤層含氣性

根據(jù)各煤炭勘探鉆孔采取的煤層氣樣及少數(shù)煤層氣井煤層氣含氣量，勘查區(qū)各煤層含氣量：2號煤層煤層氣含量為0.20～19.40m3/t，平均4.97m3/t；3號煤層煤層氣含量為0.41～16.52m3/t，平均5.85m3/t；9號煤層煤層氣含量為0.46～26.56m3/t，平均7.94m3/t。

從平面分析，煤層氣分布特征是各煤層氣含氣量變化幅度較大，一般以勘查區(qū)北部含氣量較高，東部較低，西部含氣量大于8m3/t的零星分布。

4.2 煤層含氣飽和度

根據(jù)2號煤層和9號煤層氣等溫吸附試驗數(shù)據(jù)計算本區(qū)煤層氣含氣飽和度特征(表2)，本區(qū)煤層含氣飽和度分布范圍為57%～66%，多呈欠飽和狀態(tài)。臨界解吸壓力一般小于1.5MPa，地解壓差較大不利于煤層氣解吸。

表2 含氣飽和度等參數(shù)情況表Table 2 Gas saturation and other parameters

5 煤層氣保存條件

保存條件是影響煤層氣富集成藏的又一關(guān)鍵因素，煤層氣保存一般受構(gòu)造、圍巖封閉性和地下水動力條件的影響。本區(qū)為北西傾的單斜構(gòu)造，傾角較緩，斷層不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)陷落柱及巖漿巖侵入，構(gòu)造簡單。構(gòu)造條件對于煤層氣的富集成藏較為有利，構(gòu)造條件對煤層氣資源分布的影響較小。因此，對于本區(qū)煤層氣保存條件的分析應(yīng)主要從蓋層發(fā)育特征和地下水動力條件兩方面入手。

5.1 蓋層發(fā)育條件

煤層直接蓋層為泥巖區(qū)是煤層氣成藏的最有利地區(qū)，灰?guī)r蓋層區(qū)煤層氣成藏條件一般，砂巖蓋層區(qū)煤層氣成藏條件較差[7]。桑峨勘查區(qū)所處的大寧地區(qū)煤系區(qū)域蓋層條件較優(yōu)越，從上石盒子組到太原組發(fā)育多層泥巖，成為石炭-二疊紀(jì)煤層很好的區(qū)域蓋層，尤其是下石盒子組，不僅巖性細(xì)、厚度大，而且直接覆蓋在煤系上，對含煤地層起到了良好的封蓋作用[6]。

就桑峨勘查區(qū)而言，本區(qū)煤層上覆地層泥巖發(fā)育廣泛，其中三疊系和尚溝組、二疊系石千峰組上部和二疊系下石盒子組發(fā)育多套穩(wěn)定分布的泥巖，此外其他地層也多以泥巖、中-細(xì)粒砂巖為主，為山西組和太原組煤層氣的保存提供了良好的蓋層封閉條件。煤系地層本身也具有良好的蓋層保存條件，以2號煤頂板為例，巖性以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，其次為粉砂巖，細(xì)砂巖零星分布。煤層頂板泥巖發(fā)育區(qū)為勘查區(qū)煤層氣富集的潛在目標(biāo)區(qū)。

圖5 2號煤層頂板巖性分布圖Figure 5 Coal No.2 roof lithologic distributions

5.2 水文地質(zhì)條件

桑峨勘查區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，從區(qū)域水文地質(zhì)資料分析，勘查區(qū)位于禹門口泉域深部的徑流區(qū)，各含水層主要依靠大氣降水補給。深層承壓水主要受地質(zhì)構(gòu)造控制，接受裸露區(qū)補給，沿巖層傾向運移。二疊系上、下石盒子組泥巖、 粉砂巖隔水層(段)以泥巖、含鋁質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，間夾細(xì)粒砂巖，泥巖、粉砂巖裂隙不發(fā)育，隔水性好，對上覆含水層及地表水起到良好的阻隔作用。山西組底及太原組上部泥巖、粉砂巖隔水層(段)巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主間夾細(xì)砂巖薄層，同時本區(qū)斷裂不發(fā)育，隔水性能較好。太原組底部及本溪組泥巖、鋁土質(zhì)泥巖隔水層(段)巖性主要以鐵質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等組成，巖性致密，區(qū)內(nèi)分布廣泛，為奧灰?guī)r溶水與含煤地層之間的重要隔水層。

綜上分析，桑峨勘查區(qū)總體處于地下水徑流區(qū)，接受大氣降水補給，山西組和太原組煤層頂?shù)装寰哂辛己玫母羲畬?，弱徑流區(qū)將是本區(qū)煤層氣勘查的主要目標(biāo)區(qū)。

6 結(jié)論

(1)桑峨勘查區(qū)斷層不發(fā)育，構(gòu)造簡單，煤層氣厚度大，埋深適中，具有良好的煤層氣勘探基礎(chǔ)。

(2)本區(qū)各煤儲層均為超低滲透率、欠飽和煤儲層，含氣飽和度小于70%，多呈欠飽和狀態(tài)，地解壓差較大不利于煤層氣解吸，勘查區(qū)北部含氣量較高，為本區(qū)煤層氣潛在富集區(qū)。

(3)構(gòu)造條件對本區(qū)煤層氣資源分布的影響較小，本區(qū)煤層氣勘查應(yīng)主要考慮蓋層條件和水文地質(zhì)條件；本區(qū)煤層上覆地層及煤系地層泥巖發(fā)育廣泛，具有良好的蓋層封閉條件；本區(qū)處于地下水徑流區(qū)，弱徑流區(qū)將是本區(qū)煤層氣勘查的主要目標(biāo)區(qū)。