古交地區(qū)上古生界聚煤環(huán)境及其對煤層氣富集的影響

胡云亭，葛 巖，張 兵，馬立濤，吳 見，周龍剛

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452；2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京100011）

國內外針對煤層氣富集規(guī)律的研究表明，煤層含氣量都受到構造條件、沉積環(huán)境和水文地質條件的綜合影響[1-3]。聚煤環(huán)境是影響煤層氣富集的重要因素，只有在有利的聚煤環(huán)境（主要包括三角洲、潮坪—瀉湖環(huán)境）下才會沉積平面上穩(wěn)定分布、垂向上具有一定厚度的煤層。聚煤環(huán)境首先控制了煤層分布范圍、煤巖組成、煤層厚度及頂?shù)装鍘r性，其次影響了煤層氣的生成、運移和富集。本次研究以古交地球上古生界山西組、太原組主力煤層為例，研究聚煤環(huán)境及其對煤層氣富集的影響。

1 區(qū)域地質特征

古交探區(qū)位于沁水盆地西北部，呂梁山東麓（西山煤田中北部），行政區(qū)劃屬山西省太原市。古交地區(qū)上古生界的主要構造格架為南北向構造及北東東向平行斷裂，其中南北向構造是控制古交地區(qū)的重要構造形式。上古生界石炭—二疊系為本區(qū)重要的含煤地層，也是煤層氣勘探的重點層位[4-5]。其中二疊系山西組地層厚度為40～80m，平均厚度為60m 左右，與下伏太原組呈整合接觸，巖性以陸相碎屑巖沉積為主，由粗、中、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖及煤層組成。石炭系太原組地層厚度為80～120m，平均厚度為95m 左右，巖性以海陸過渡相灰?guī)r、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖及煤組成。

古交地區(qū)含多套煤層，具有工業(yè)價值的煤層主要賦存于太原組和山西組，本溪組和下石盒子組所含煤層層數(shù)少，厚度小且極不穩(wěn)定，無開采價值。穩(wěn)定—較穩(wěn)定發(fā)育、厚度相對較大的煤層有03、2、8和9號煤層，局部發(fā)育的可采煤層有5、6號煤層。根據(jù)本區(qū)煤層發(fā)育的特殊性和煤層埋深、厚度及含氣量等條件，山西組的2號煤層、太原組8號煤和9號煤煤層段作為煤層氣勘探開發(fā)的目標層段。

2 聚煤環(huán)境分析

從區(qū)域構造演化來看，太原組沉積時期，沁水盆地大范圍海侵，古交地區(qū)主要發(fā)育海陸過渡相地層，其物源主要來自于東部[6-7]。在研究區(qū)東部為潮間帶泥坪沉積，并局部向研究區(qū)中部延伸，呈“凸”形。在研究區(qū)西部發(fā)育潮汐改造的三角洲沉積、潮上帶的沿岸沼澤沉積。太原組成煤環(huán)境主要為潮坪和沿岸沼澤微相（圖1）。

山西組沉積時期，沁水盆地北部物源區(qū)快速上升，水下古隆起幅度進一步變緩，海水退去，陸表海面積銳減，晚期過渡到大陸環(huán)境。盆地東西分區(qū)基本消失，南北差異逐漸增強。因此，古交區(qū)塊其物源方向為主要來自于北部，在研究區(qū)的北部和中部為主河道沉積。分支河道微相巖性以黃色細砂巖為主；天然堤微相主要由灰黑色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖組成；沼澤微相主要為煤層、炭質泥巖以及泥巖沉積。山西組成煤環(huán)境主要為三角洲平原河間洼地沼澤微相（圖2）。

3 聚煤環(huán)境對煤層氣富集的影響

3.1 對煤層厚度及煤巖的影響

古交地區(qū)煤層標高從北東東至南西西方向逐漸變低，區(qū)塊西部，受構造控制，存在一北西（NW）走向的向斜—獅子溝馬蘭向斜，斜穿整個區(qū)塊，煤層標高在向斜核部最低，向斜兩翼不對稱，南西翼傾角大于北東翼，煤層埋深呈現(xiàn)四周淺、中間深的特點。

區(qū)內煤層厚度與發(fā)育受沉積環(huán)境的控制作用明顯。太原組沉積環(huán)境主要為潮坪相，該階段古交地區(qū)泥坪沼澤相發(fā)育良好，形成的8號、9號煤層厚度穩(wěn)定，且厚度較大。太原組8 煤、9 煤煤層段厚度2.08～9.10m，平均5.31m，主要可采煤層8 號煤平均厚度2.62m、9 號煤平均厚度2.69m。太原組煤層厚度及分布特點表明泥坪沼澤的覆水深度適中，更利于泥炭化作用的進行及保存。山西組沉積環(huán)境主要為陸相三角洲平原相，在三角洲平原的支流間灣和泛濫盆地發(fā)育大面積沼澤化。2 號煤層厚度為0.9～2.8m，平均厚度為1.63m，區(qū)塊內分布穩(wěn)定，煤層厚度與沉積相呈現(xiàn)良好的對應關系。在探區(qū)中部主河道發(fā)育區(qū)煤層厚度較薄，東西兩側的泛濫盆地煤層厚度較厚。

根據(jù)煤芯樣實驗分析結果，各主要煤層的宏觀煤巖特征極為相近，宏觀煤巖組分以亮煤為主，少量的暗煤或鏡煤，宏觀煤巖類型以半亮型/光亮型煤為主，夾有少量的半暗型及暗淡型。煤層主要為線理狀、條帶狀結構，塊狀構造，有時可見層理結構。太原組各煤層可見星散狀黃鐵礦結核。2 號煤顯微組分中有機組分以鏡質組為主，鏡下鑒定多為基質鏡質體、均質鏡質體，有少量的碎屑鏡質體；惰質組多為氧化絲質體。8號、9號煤顯微組分中以鏡質組為主，多為均質鏡質體，其次為基質鏡質體?；|鏡質體中常分布有粗粒體和粘土顆粒。組分之間的條帶性較2號煤層明顯。

2號煤層鏡質組最大反射率平均值為1.78%，相當于瘦煤階段；8 號煤層鏡質組最大反射率平均值為1.8%，相當于瘦煤階段；9 號煤層鏡質組最大反射率平均值為1.79%，相當于瘦煤階段。垂向上2號煤層浮煤揮發(fā)分高于太原組9號煤層，表明9號煤的變質程度增高；同樣2、8、9號煤層的鏡質組最大反射率逐層遞增，也表明下組煤的變質程度要高于上組煤，符合希爾特定律。綜合本區(qū)主要煤層的煤化學與煤巖學的各項指標分析，本區(qū)煤的變質階段屬中變質階段，相應的煤類為瘦煤—貧瘦煤。

3.2 對煤層氣藏圍巖的影響

二疊系山西組地層為一套泥巖和砂巖交互沉積地層，泥巖沉積厚度大，且連續(xù)穩(wěn)定。2 號煤頂板大多為灰黑色、灰色砂質泥巖，水平狀層理，偶見少量云母碎片，次生裂隙較發(fā)育，方解石脈充填，局部為灰色細砂巖，全區(qū)巖性穩(wěn)定。一般靠近煤層，逐漸變細，有時有炭質泥巖。底板一般為深灰色砂質泥巖，具水平層理或波狀層理。局部為泥質粉砂巖和泥巖。頂板—煤層—底板沉積組合以沼澤—沼澤—天然堤組合和天然堤—沼澤—天然堤組合為主。

石炭系太原組地層為一套灰?guī)r、泥巖和砂巖交互沉積地層，且連續(xù)穩(wěn)定。8 號煤頂板為灰黑色、黑色炭質泥巖和泥灰?guī)r，全區(qū)穩(wěn)定，炭質含量較高，性脆，易碎，斷口較平整，不規(guī)則次生裂隙較發(fā)育，斷面可見少量的黃鐵礦結核與植物化石。底板一般為深灰色砂質泥巖、泥巖，致密，堅硬，斷口較平整，具水平層理，少量次生裂隙，可見少量黃鐵礦。9號煤頂板為深灰色砂質泥巖、泥巖、細砂巖，全區(qū)穩(wěn)定，次生裂隙較發(fā)育，斷面可見擦痕及黃鐵礦晶片。底板一般為灰色砂質泥巖，砂質分布不均勻，局部較重，具水平層理，次生裂隙發(fā)育，可見少量黃鐵礦。頂板—煤層—底板沉積組合以泥坪—沼澤—泥坪組合和灰坪—沼澤—泥坪組合為主。

因此，從聚煤環(huán)境對煤層氣圍巖影響的角度來看，山西組沼澤—沼澤—天然堤組合和太原組泥坪—沼澤—泥坪的沉積組合更有利于煤層氣藏的富集和保存。

3.3 對煤層氣含氣性的影響

聚煤環(huán)境直接控制了煤層分布、厚度及煤質，從而影響煤層氣的含氣性[8-10]。研究表明：從煤層對煤層氣含氣性影響的角度來看，主要是煤層厚度、顯微組分和灰分對煤層含氣性影響較大。

（1）煤層厚度：煤層氣運移以擴散為主，兩點間的濃度差是運移的動力，煤層越厚，煤層氣向外部運移的路徑就越長，擴散阻力就越大，對煤層氣的保存就越有利。由圖3可以看出，整體上隨煤層厚度增加，含氣量逐漸增加，整體上兩者存在正相關關系。

圖3 煤層厚度與含氣量的關系

（2）顯微組分：煤儲層中以吸附氣為主，甲烷主要吸附于有機顯微組分表面或呈游離氣、溶解氣狀態(tài)存在于各種原生孔、粒間孔、外生孔和變質孔內，孔隙度越大，微孔、小孔含量越高越有利于氣體的吸附。由圖4 可看出，隨有機顯微組分含量升高，煤儲層氣體含量逐漸升高，且研究區(qū)惰質組含量與含氣量有較好的線性關系。無機物質表面和甲烷氣體之間沒有親和力，因此無機組分含量越高，越不利于氣體的吸附。隨無機組分含量的升高，含氣量逐漸降低。

圖4 有機顯微組分含量與含氣量關系

煤中灰分主要來源于各種礦物等無機組分，因此灰分對含氣量的影響與無機組分類似，隨含量升高含氣量有減小趨勢（圖5）。

圖5 灰分與含氣量的關系

4 結論

（1）古交地區(qū)山西組為三角洲平原沉積，成煤環(huán)境為三角洲平原河間洼地、沼澤微相，太原組為海陸過渡相沉積，成煤環(huán)境主要為潮坪和沿岸沼澤微相。

（2）煤層厚度及煤巖特點受聚煤環(huán)境的控制作用明顯，從聚煤環(huán)境對煤層氣圍巖影響的角度來看，有利的頂板—煤層—底板組合有利于煤層氣的生成和富集，山西組沼澤—沼澤—天然堤組合和太原組泥坪—沼澤—泥坪的沉積組合是形成煤層氣藏的優(yōu)勢沉積相組合。

（3）聚煤環(huán)境直接控制了煤層分布、厚度及煤質，從而影響煤層氣的含氣性。研究表明，煤層厚度、有機顯微組分與煤層氣含氣量呈正相關性，灰分含量與含氣量呈負相關性，厚度越大、有機顯微組分越高、灰分含量越低有利于煤層氣的富集和保存。