鄂尔多斯盆地东南缘韩城矿区煤层气富集影响因素研究

2012-11-02李建东时保宏

延安大学学报（自然科学版） 2012年4期

李建东，时保宏

(西安石油大学油气资源学院，陕西西安 710065)

1 区域地质特征

研究区位于陕西省韩城市板桥乡附近、东侧与韩城矿区象山煤矿毗邻。韩城矿区煤炭开发历史悠久，地质勘探工作始于1958年，先后完成了矿区浅部的详、精查勘探，获得各级煤炭工业储量27.7×108t，石炭系上统的太原组的3号煤层和二叠系下统的山西组5和11号煤层为该地区的主要含煤地层，煤质优良，厚度较稳定。在区域构造和基底构造背景控制下，地层走向总体呈NE向，东南翘起，向北西方向缓倾的单斜构造。多年的生产和近期的研究表明区内煤层气资源储量丰富［1］。

2 煤储层地质特征

2.1 煤岩特征

区内煤岩类型以光亮煤为主，半亮煤居中，暗淡煤次之，光亮煤以宽条带结构为主，呈碎块状、粉状［2］。纵向与半亮煤和暗淡煤呈层状过渡，部分为无泥岩夹矸的简单结构，部分为含夹矸的复杂煤体，泥岩夹矸层厚0.1 m～1.0 m。5号煤层一般含夹矸1层～2层，夹矸厚度0.5 m～1 m;煤层夹矸薄厚与沉积环境有关，5号煤层为陆相成煤环境，河流的频繁迁移摆动，使其夹矸率增加;煤层夹矸与煤层灰分对含气量的影响有所区别，一般说来，煤层灰分越高，含气量降低，而煤层夹矸如果整体夹在煤层之中，可起到层间封盖的作用。

韩城区块煤的显微组分以镜质组含量为主，惰质组次之，壳质组极少，属于腐殖煤。本区煤中矿物含量较低，且主要以单体形态赋存在煤中。煤中矿物主要为粘土矿物、黄铁矿、方解石等，细胞腔中填充较少，可见充填于裂隙中的方解石。全区煤的镜质组含量平均70%左右，属于中、高镜质组含量。惰质组含量平均为30%左右，属于高惰质组含量。由于煤变质程度较高，全区壳质组含量很少，几乎不发育。

2.2 煤质特征

研究区主力煤层固定碳平均含量为61.81%，较高的碳含量为该区煤层气的大量生成提供了良好的源岩条件;主力煤层挥发分变化范围在4.70% ～17.16%之间，显示了中高变质煤的特点。平面上呈现由东北向西南方向逐渐减少的趋势;灰分含量多数分布在15% ～25%左右，为平均23.33%，在平面上灰分产率呈现由东北向西南逐渐增高的趋势;区内主力煤层的水分含量一般较低，平均含量0.31% ～2.12%左右。据研究区煤样镜质体反射率的统计来看，样品Ro(%)分布在1.9% ～2.2%之间，属于热演化程度较高的贫煤，5号镜质体反射率平均为2.02。较高的热演化程度有利于煤层气的吸附［4］，提高了煤层含气量(图1)。

图1 煤层含气量与镜质体反射率(Ro)关系图

煤层煤质分析结果表明，韩城区块的煤具有高热演化程度、中－高碳含量、较低挥发份、中－高灰分且变化大的特点。

2.3 含气量特征

利用快速解吸法(以自然解吸法测定结果为基准，在保证气含量和气成分基本不变的前提下，将煤层气含量测定周期缩短为几小时到几天，即为快速测定［5］)对研究区内24块样品含气量的测定，3号煤层含气量(干燥无灰基)平均为7.86 m3/t，5号煤层含气量平均为11.56 m3/t，11号煤层含气量平均为10.74 m3/t［3］。张建博等人据含气量值把煤储层评价分为4级［4］，该地区属于Ⅱ级.

3 构造特征对煤层气富集的影响

3.1 构造特征

研究区位于陕西渭北石炭－二叠纪煤田东部边缘。工区内断裂系统比较复杂，在区域构造和基底构造背景控制下，地层走向总体呈NE向，东南翘起，向北西方向缓倾的单斜构造。构造的总体特征为南强北弱，东强西弱，边浅部复杂，中深部简单，南北分区性明显，即北区挤压构造形迹发育较多，南区拉伸构造形迹占据主导，主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带。主要发育一组EW向的正断层和一组近SN向的逆断层，两条近EW向断层(F1，F2)具有走滑性质(图2)。合阳地区主要是NNE向的正断层，最大断距为240 m～280 m。

F3断层位于韩城工区中南部，为一条近东西走向的南倾正断层，横向上断距变化大，工区内最大断距460 m。F4断层位于韩城工区南部，为一条近南北走向的西倾逆断层，上下盘地层产状差异很大。工区内最大断距300 m。

韩城地区地层总体表现为东南浅西北深、北东走向的构造斜坡，在西北部边缘地带，3号煤层埋深最大达1100 m，11号煤最大深度为1500 m。全区60%以上煤层埋深在500～1000 m深度范围内，这对煤层气成藏和勘探开发十分有利［6］。中南部地区断层复杂化程度较高，地层的产状变化较大;而北部地区受断层影响小，地层产状稳定。

合阳地区地层总体表现为南浅北深、东西走向的北倾斜坡，被北东向的断层复杂化。

图2 研究区构造纲要图

3.2 构造特征对煤层气富集的影响

构造运动及其形成的断层和褶皱，对煤层气起着一定程度的控制作用:

(1)成煤期后的地壳的抬升运动会打破煤层中原有的吸附平衡条件，使吸附气和游离气相互转化，在封存条件不利的情况下，易使煤层气运移逸散;

(2)构造运动形成的断裂对煤层气的保存和逸散起着重要的影响作用:逆断层或压性走滑断层多属压性、压扭性，断层面为密闭性，封闭性能好;同时断层面附近成为构造应力集中带，利于煤层气吸附量增加，煤层本身裂缝增多;正断层或拉张性走滑断层为张性断层，断层面一般为开放性，往往为煤层气运移的通道，同时断层面附近为低压区，煤层甲烷大量解吸，造成了含气量下降［5］。

但是韩城大断层的伸展在一定程度上还导致了煤田内部受到挤压，这正是本区构造封闭条件好，甲烷含量高，压力大的重要原因［7］。

(3)喜山期太平洋板块向NWW方向挤压，致使北东向挤压带的大部分受汾渭断陷影响而深埋于新生界之下，其残留部分发生了强烈褶皱、逆冲推挤和岩层直立倒转，仅保存于韩城煤层边浅地带。强烈挤压带的边界即为地层陡倾变缓倾的转折线的界线，它成为韩城矿区深部煤层甲烷的封存边界。

综观韩城矿区，北部矿区印支期、燕山期挤压较强烈，喜山期伸展较弱，伸展边界未达到挤压边界;南部矿区前期挤压比较弱，后期伸展较强烈，伸展边界接近早期挤压边界。正是这种由南而北的渐次减弱边部挤压环境的存在及伸展环境，造成了F2断层矿区北区处于相对封闭的构造环境之中，为煤层气的封存和储集造就了构造条件，而F2断层以南各矿井煤层甲烷含量相对较低，矿井瓦斯涌出量也低于北部各矿井，也正好说明了矿区南北构造环境对甲烷运移和富集的控制作用之差异。

4 沉积相对煤层气的控制作用

太原组为海陆交互相沉积，是区内主要含煤地层之一。本组厚度26～86.85 m，一般厚50～60 m，发育11号、5号煤层，与下伏地层呈整合接触(图3)。山西组为陆相沉积，岩性主要为长石石英杂砂岩，其次为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩和煤层(3号)，本组厚度35～115 m，一般厚40～70 m，与下伏地层呈整合接触(图4)。

图3 太原组晚期海退旋回沉积相图

煤层底板是煤层沉积的直接载体，其沉积相类型及垂向演化特征直接影响到上覆煤层的质量及展布特征。煤层顶板的封盖能力为煤层气的富集提供重要的保存条件，因此煤层顶底板岩性岩相组合形式对煤层分布及煤层气的富集有重要意义。

本区太原组11号煤主要形成一套活动性较差的废弃沼泽体系，5号煤主要形成于潮坪上的泥炭沼泽(泥炭坪)，泻湖淤积后形成的湖泊沼泽也是比较有利的成煤环境，但本质上仍为泥炭坪沉积向泻湖方向进积形成，山西组3号煤成煤环境主要为三角洲平原上的泥炭沼泽。

图4 韩城地区山西组沉积相图

对比几套主力煤层的顶底板沉积相可以看出，11号煤有利的底板—顶板组合为泥炭沼泽—局限浅海，该组合形成的煤层厚度大且分布稳定，封闭性好，但硫分较高，不利的组合为泥炭沼泽—泛滥平原、泛滥平原—泛滥平原，形成的煤层较薄，且夹矸含量增高，灰分高，封闭性差。5号煤顶板为山西组三角洲相沉积，有利的底板—顶板组合为泻湖—泥炭沼泽，顶板如果为泛滥平原砂质泥岩、泥质砂岩，则煤层封闭性变差，灰分增加，不利的组合为泥炭沼泽—分流河道，由于分流河道的冲刷，煤层厚度明显减薄甚至缺失，对埋藏期煤层气的保存十分不利。3号煤有利的底板—顶板组合为分流间湾—分流间湾或分流间湾—泥炭沼泽，其中分流间湾—分流间湾组合形成的煤层厚度受顶板海退—海侵间断时间的影响较大，但煤层保存条件好，较稳定，不利的组合为泥炭沼泽—分流河道或泥炭沼泽—泛滥平原，形成的煤层较薄，分布不稳定，且灰分高，煤层气保存条件差。

封盖层对于煤层气的保存与富集具有十分重要的作用，特别是煤层的直接顶底板，它们对煤层气的封存起决定性的作用［8］。

5 水文地质对韩城区块煤层气成藏的影响

研究区主要含水层有:第四系松散砂砾层孔隙潜水含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系砂岩及石灰岩裂隙含水层和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层［9］。

研究区主要有二叠系泥岩隔水层、上石炭统铝土质泥岩隔水层、奥陶系峰峰组泥岩隔水层，韩城区块煤系地层中，由于含水层与隔水层相间存在，构成了多层结构的复合承压含水层体系，包括上、下石盒子组承压含水层、山西租砂岩承压含水层和太原组砂岩与石灰岩承压含水层。

水力运移逸散作用导致煤层气运移、散失，不利于煤层气的保存;水力封闭作用、水力封堵作用则有利于煤层气保存、富集［10］。煤层气主要以吸附状态赋存在煤层孔隙中，而地下水系统主要是以地层压力和水流动的方式对煤层气吸附富集、溶解逸散起控制作用。韩城地区地下水水型以CaCl2为主，次为NaHCO3和 MgCl2，还有少量的 Na2SO4型水。CaCl2多为深层成因水，埋深大，常位于承压区，是煤层气富集保存条件较好的标志。低矿化度的Na2SO4型水是地表补给水的标志，处于水补给区或泄水区附近，埋深浅或已出露地表，水力交替活跃，煤层气保存条件差，常与甲烷风化带相对应。NaHCO3和MgCl2多位于地下水强径流带与滞流带的过渡带，由于地下形貌特征变化起伏，也能产生局部滞流带，地层水流动不畅形成超压区，利于煤层气富集成藏。