山西沁水盆地煤层气有利开采区块研究

贾亚会，鹿爱莉，田会礼，谢小平

(1.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041；2.中国国土资源经济研究院， 北京101149；3.山东曲阜师范大学资源与规划学院， 山东 曲阜273165)

煤层气俗称“煤矿瓦斯”，主要是以吸附状态赋存于煤层中的自生自储型非常规天然气，合理开发利用煤层气可以减少采煤过程中所发生的瓦斯事故，从而大大降低采煤伤亡率。同时，煤层气还是一种宝贵的洁净能源，开发煤层气可以缩小能源供需的缺口，缓解能源紧张的局面。因此，开发煤层气对改善能源结构、提高能源利用率等方面都具有非常重要的作用。

由于煤层气是依靠煤储层本身吸附作用赋存于煤层中，故煤层气系统是一个独特的油气系统，其成藏过程受到多种因素控制[1]。国内外的研究表明，影响煤层气成藏的地质与地球物理因素主要包括构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、含气量、渗透率、煤储层压力、解吸压力和水文条件[2-4]。大量研究同样还表明，构造作用是影响煤层气成藏的最重要和直接的因素，它不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成演化，而且控制着煤层气生成、聚集、保存和产出[5-6]。

山西沁水盆地多期地质作用过程使煤层气系统变得异常复杂，本研究将对该盆地煤层气系统的地质、构造条件、地质演化过程及其煤层气富集特征进行深入研究。

1 煤层气系统的地质与构造演化特征

1.1 地质构造特征

沁水盆地是全国第一个探明的大型整装煤层气田，已探明储量预测资源量3.97×1012m3，已探明储量754×108m3。沁水盆地的含煤地层为上石炭统的太原组和下二叠统的山西组，分布于整个沁水盆地[7]。它是一个以寒武-奥陶系为基底的特大型石炭-二叠纪含煤盆地，主体为沁水复向斜，轴部近南北，两翼倾角平缓，南北两端较为宽阔，小型褶皱及波状起伏发育，盆地东北部边缘小褶皱主要呈NE向，而盆地东缘小褶皱表现为NNE向，盆地的其他地段小褶皱的方向主要为NS向。盆地中断裂不发育，且多分布在盆地的边缘，西北、西南和东南边缘有北北东、北东向断裂发育，且多分布在盆地的边缘，西北、西南和东南边缘有北北东、北东向断裂发育，中南部发育有一组近东西向褶皱。

大量研究表明[8-9]，晚古生代以来沁水盆地经历了多期地质构造演化。

石炭-二叠纪，含煤沉积序列广泛沉积在华北地区，沁水盆地当时并不是一个独立的沉积盆地，而是华北盆地的一部分；早三叠世末期的印支运动使山西南部地区自寒武纪以来沉降幅度总体上西小东大，沉积厚度西薄东厚的格局发生巨大变化。

自中三叠世开始，沉积厚度出现西厚东薄的格局，并且大部分地区缺失晚三叠统和下侏罗统[11]，全区统一稳定的古地理格局开始瓦解。中侏罗世沉积地层与下伏中三叠世地层之间的区域性不整合接触普遍发育[10]，表明晚三叠世开始，印支运动开始强烈影响山西地区，并导致侏罗纪地层与下伏地层之间呈角度不整合或平行不整合接触。在印支期构造构造应力场作用下，前侏罗纪地层(早古生代碳酸盐岩)中形成了一些枢纽方向近东西的褶皱构造和逆冲断层，表明具有SN 向挤压特征[11]。但总体上印支期近SN 向水平挤压应力场对沁水盆地的影响不大， 盆地仍保持了稳定状态，并未在盆地内部形成明显的地质构造，仅使盆地南北边缘产生了一定程度的隆起抬升，形成沁水盆地雏形。

在燕山运动期，沁水盆地的构造活动以挤压抬升和褶皱作用最为显著，在盆地内部形成宽缓褶皱[11]。其中，NE-NNE 向褶皱最为发育，遍布全区，规模较大，一般长约10～30 km。褶皱走向自北向南呈规律性变化，北部阳泉-昔阳一带呈NE 向，中部近SN～NNE 向，南部阳城以南呈NNE～NE向。在大型褶皱的两翼，往往发育一系列的次级褶皱，在盆地两缘特别是盆地东缘靠近太行山造山带形成了NE 向展布的冲断层。同时，盆地局部有强烈地岩浆侵入，形成不均衡高热地热场，使煤化程度快速提升。由于煤层在抬升过程中上覆压力逐渐减小，从而有利于煤储层中天然裂隙的生成，形成本区特有的煤级虽高但裂隙较为发育的特征，对煤层气生成以及勘探开发十分有利。进入喜山晚期，由于受印度-亚洲板块碰撞的构造作用的影响，构造应力以张性为主，沁水盆地西部、北部的正断层广泛发育，形成山西地堑系，沁水盆地内部形成长治、榆社、武乡等小型山间盆地。

沁水盆地燕山期之后构造应力场主应力方向发生反转，最大挤压应力方向为NNE～SSW 向，最小主应力为NWW～SEE 向，并沿此方向发生应力松弛，表现为拉张应力，导致前期形成的挤压构造发生负反转，形成了规模较小的近SN 向背、向斜相间分布，并叠加在燕山期NE ～NNE 向次级褶皱之上的次级宽缓褶皱。

沁水盆地及其邻区地震震源机制解的分析表明，现代构造应力场最大挤压应力呈NNE～SSW向近水平展布[11]，与燕山期NNE～SSW 向正断层走向近于平行。在此构造应力场作用下，燕山期形成的具有压剪性质的断层再次活动，致使盆地内部及边缘断裂构造进一步复杂化。现今构造应力场总体上继承了第三纪至第四纪以来的构造应力场特征。沁水盆地东部和顺-长治一带表现为NEE～SWW 向水平挤压应力场，西部地区为NNW～SSE 向水平挤压应力场；北部、中部和南部地区则均表现为近水平伸展应力场，主应力总体呈NW～SE 向展布，仰角较小且较稳定，一般小于20°； 主压应力轴总体呈NE～SW 向展布,仰角变化较大,一般为40°～60°。由此,形成了沁水盆地现代构造格局，其总体趋势是南北分区、东西分带，主要表现为南部和北部的构造端区、榆社-沁源和屯留-安泽构造区[9-11]。

上述表明研究区自晚古生代以来主要经历了多期构造运动，煤层气的大量生成及主要运移期在晚侏罗世-早白垩世(燕山中期)。

1.2 煤层气系统埋深和含气量特征

1.2.1 主煤层埋深特征

沁水盆地的含煤地层主要包括上石炭统太原组和下二叠统山西组，其中太原组厚约51～143 m，一般为100 m左右，含煤5～10层，其中稳定可采煤层1～3层，15#煤层厚2～7 m，单层厚度大，分布稳定。山西组的地层厚11～117 m，一般厚60 m， 含煤3～8层， 其中3#煤层为主要煤层，厚0～7 m。

1.2.2 主煤层含气量特征

上石炭统太原组和下二叠统山西组是沁水盆地主要含煤系地层，其中太原组中15#煤层和山西组中的三号煤层为最主要采煤层，煤层气也主要产自这些煤层。现有的勘探资料表明，沁水盆地煤层含气量较高，煤层气的含量分布0.5～40 m3/t。太原组15#煤层含气量0.15～35.13 m3/t，一般4～22 m3/t， 平均12.24 m3/t； 山西组3#煤层含气量0.30～24.5 m3/t，一般4～16 m3/t，平均10.0 m3/t。总体上，北部寿阳-阳泉一带、南部晋城-沁水一带及其以北地区含气量高，其次是潞安地区、沁源地区最低。同时，太原组煤层含气量普遍高于山西组，这可能与煤层的埋藏深度有一定关系。

2 煤层气富集的有利区块

结合煤层气成藏的地质演化过程，结合研究区地球物理资料，预测研究区煤层气成藏的有利区块。图1为沁水盆地山西组3#煤层含气量与有利区块图。

2.1 盆地北部阳泉-寿阳区域

该区位于阳泉-寿阳之间，面积约为5430 km2，埋深300～600 m，煤层厚度超过6 m，无烟煤。资源量9088×108m3，资源丰度为1.67×108m3/ km2。该区处于沾尚-北横岭和阳泉-昔阳鼻状挠曲构造带高曲率发育区,煤层裂隙是两期应力场作用下节理发育的复合部位。煤储层具有较好的地下水补给条件，局部地带渗透率、含气饱和程度较高，是煤层气成藏有利区之一。但是该区渗透率分布的非均一性极强，而且张性断裂和岩溶陷落柱十分发育，引起地下水排泄降压，不利于煤层气高产。

2.2 盆地南部晋城-沁水一带及其以北区域

该区位于晋城-沁水之间及其以北一带，煤层埋深300～1500 m，南浅北深。煤厚超过8 m，无烟煤，资源丰度为1.86×108m3/ km2。该区处于固县鼻状挠曲构造带和岳家庄背斜构造带南端、云台山-郑庄鼻状挠曲构造带和端氏断裂构造带东端复合作用区，NNE 向断裂发育，多期应力场裂隙交叉发育，是有利裂隙带发育区。地下水不活跃，以弱径流和滞流为主，煤层处于正常压力和微超压状态，渗透率、含气饱和程度较高，不仅有利于煤层气富集，而且利于煤层气高产。

2.3 盆地中部沁源-屯留-襄垣区域

该区位于屯留北部、襄垣南部地区及沁源地区，埋深300～1000 m，煤厚超过6 m，以贫煤为主。该区处于沁源背斜构造带、柳湾背斜构造带和王家庄背斜构造带复合作用区，近东西向断层和NE～NNE 向断裂发育，是有利裂隙带发育区。该区在沁源地区属于无烟煤,含气性好。紧邻西部供水区,但距离泄水区远，并且靠近盆地向斜部位，煤层气保存条件好，并具有正常的地层压力，是煤层气成藏和高产的有利区域。东部的屯留—襄垣区域靠近盆地边缘，紧邻泄水区，水力坡降大，水径流能力强，虽然具有一定的渗透率和较高的含气饱和程度，但是地层普遍欠压，不利于对煤层气开采高产。

图1 沁水盆地山西组3#煤层含气量与有利区块图

3 结论

1)盆地经历了多期地质构造动演化，主要包括印支期运动、燕山期构造运动、喜山期早期和晚期构造运动。煤层气的大量生成及主要运移期在晚侏罗世-早白垩世(燕山中期)。

2)从地质构造看，沁水盆地为一轴部近南北的复向斜构造，两翼平缓，南北宽而中间窄。晋中盆地应是山西地堑系的一部分，其地质构造和地球物理特征完全有别于沁水盆地。构造与含气性的关系是，在构造次级向斜部位含气量增高，而背斜部位含气量降低，在正断层附近含气量也明显降低。

3) 综合分析表明，沁水盆地煤层气的有利勘探和开发区块如下：盆地北部阳泉-寿阳区域是煤层气成藏有利区域之一，但不利于煤层气高产；盆地南部晋城-沁水一带及其北部区域，不仅是煤层气成藏有利区域，而且利于煤层气高产；盆地中部沁源地区是煤层气成藏和高产的有利区域，东部的屯留-襄垣区域是煤层气成藏有利区域之一，但可能不利于煤层气高产。

[1] 朱志敏,沈冰,闫剑飞，等.煤层气系统——一种非常规含油气系统[J]. 煤田地质与勘探, 2006, 34 (4): 30-33.

[2] 贾亚会,干飞,袁怀雨.天然气开采的耗竭性定价模型及市场定价的参数估计[J].天然气工业,2007,27 (5):136-138.

[2] 方爱民,侯泉林,琚宜文，等.不同层次构造活动对煤层气成藏的控制作用[J].中国煤田地质,2005,17(4):15-20.

[3] 邵龙义,肖正辉,何志平，等.晋东南沁水盆地石炭二叠纪含煤岩系古地理及聚煤作用研究[J].古地理学报,2006, 8(1):43-52.

[4] 陈刚.沁水盆地向斜型水封存条件探讨[J].石油与天然气地质, 1998, 19(4): 302-306.

[5] 秦勇, 张德民，傅雪海，等. 山西沁水盆地中南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨[J]. 地质论评,1999, 45(6)：576-583.

[6] 王红岩,张建博,刘洪林，等.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征[J]. 煤田地质与勘探, 2001, 29 (5): 33-66.

[7] 吴财芳,秦勇,傅雪海，等. 煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程——以山西沁水盆地为例[J].地学前缘, 2005, 12(3):299-308.

[8] 叶建平,武强,叶贵钧，等.沁水盆地南部煤层气成藏动力学研究[J]. 地质论评, 2002，48(3):319-323.

[9] 孙占学,张文,胡宝群，等.沁水盆地大地热流与地温场特征[J]. 地球物理学报,2006, 49(1):130-134.

[10] Sun X B, Lin X Y, Zhao M G, et al. The upper Paleozoic coalbed methane system in the Qinshui Basin[J]. China. AAPG Bulletin, 2005, 89 (1): 81-100.

[11] 徐志斌,云武,王继尧，等.晋中南中新生代构造应力场演化及其动力分析[J].地学前缘, 1998, 5 (增刊):152-161.