沁水盆地南部煤系地层沉积演化及其对煤层气产能的影响分析*

杨克兵 严德天 马凤芹 吕庆玲 蓝宝锋

（1.中国石油华北油田公司勘探开发研究院 2.“构造与油气资源”教育部重点实验室·中国地质大学3.中国石油华北油田公司采油一厂）

沁水盆地南部煤系地层沉积演化及其对煤层气产能的影响分析*

杨克兵1严德天2马凤芹3吕庆玲1蓝宝锋1

（1.中国石油华北油田公司勘探开发研究院 2.“构造与油气资源”教育部重点实验室·中国地质大学3.中国石油华北油田公司采油一厂）

通过对沁水盆地南部煤系地层沉积环境、沉积体系和成煤环境分析，发现成煤模式在时间上和空间上都存在多样性特点，其中浅水三角洲成煤模式是区内主要成煤模式。煤相组成以干燥森林沼泽相和潮湿森林沼泽相为主，其次是较深覆水森林沼泽相、较浅覆水森林沼泽相和低位沼泽（芦苇）相。认为沉积环境决定煤岩微相，控制了煤岩的生气能力。解决了困扰沁水盆地多年的3＃煤层下部“软煤”成因问题，认为其主要是低位（芦苇）沼泽相演化形成。同时，尽管煤层气的富集、成藏受多种因素的影响，但对该区煤层气井生产状况分析表明：在沁水盆地南部，煤层上覆有效地层厚度是煤层气富集高产的最主要控制因素。图9表1参9

沁水盆地 石炭系一二叠系 煤层气 沉积 产能

0 引言

山西沁水盆作为华北地区石炭系—二叠系保存最完整、连片面积最大、埋藏深度适中的一个含煤区，具有丰富的煤层气及煤系地层天然气资源［1－2］。石炭系－二叠系共含煤8～19层，总厚度为5～23.6 m，主要煤系含煤11～12层，可采煤3～8层，其中3＃和15＃煤层，煤层厚度大、分布稳定。近年来，一些学者对沁水盆地的沉积环境和相模式进行了研究，为该区的煤田地质开发工作奠定了基础。但缺乏测井解释资料的支持，并没有对沁南区块进行详细研究。随着沁水盆地南部成庄、樊庄、郑庄等区块煤层气的规模开发，相关资料不断完善。进一步分析表明：该区域储层非均质性严重，地质条件复杂，煤层气高产富集影响因素较多［3－4］，难以把握。为了进一步研究煤层气的高产富集区规律，在前人研究基础上对沁水盆地南部的沉积演化进行了深入剖析，对沉积与煤层气的高产富集关系进行了探讨。研究发现，3＃煤层上40 m以内的泥岩厚度与3＃煤层产气量有较好的相关性，表明煤层上覆有效地层厚度是煤层气富集高产的最主要控制因素。

1 地层特征

沁水盆地煤系地层主要包括本溪组、太原组、山西组及下石盒子组4套地层。其中，本溪组和下石盒子组仅含数层薄煤层或煤线，价值不大，主要研究对象为太原组及山西组。上石炭统太原组（C3t）：由浅灰色砂岩、深灰色粉砂岩、泥岩和3～6层石灰岩及数层到十余层煤层组成。与本溪组呈整合接触。厚度为51～143 m，平均厚为108 m，共划分7个砂组。下二叠统山西组（P1s）：由浅灰－深灰色砂岩、粉砂岩、泥岩和3～4层煤组成，与太原组呈整合接触。厚度11～117 m，平均厚达54 m，共划分3个砂组（图1）。

区域上太原组底界砂岩、太原组顶界砂岩、下石盒子组底界砂岩及太原组含化石浅海相灰岩标志层在本区发育较好，这些为本区煤系地层及煤层对比提供了可靠依据。3＃煤层及15＃煤层厚度较大、层位稳定，在地震剖面上呈现连续强反射特征，在自然伽玛曲线上呈现低值段，在双侧向电阻率曲线上呈现高值，也是本区有效的对比标志。

2 沉积相类型及主要相特征

2.1 沉积相类型划分

沁水盆地南部石炭系—二叠系沉积建造是由碳酸盐岩与硅质碎屑岩混合的含煤建造和红色硅质岩建造两部分组成，前者形成于陆表海环境，后者则形成于陆相河流—湖泊环境。在借鉴前人研究成果基础上［1－2］，通过综合沉积相标志研究，将石炭系—二叠系沉积建造分为3类沉积环境4种沉积体系和7类沉积相（表1）。即陆表海滨岸环境下台地—泻湖沉积体系、障壁岛—泻湖—潮坪复合沉积体系，海陆交互环境下的三角洲沉积体系以及陆相环境下的河流—湖泊复合沉积体系，其中发育泻湖、台地、潮坪、障壁岛、三角洲和河流等类型沉积相，石炭系—二叠系总体的沉积环境演化是由海相向陆相转换。

图1 沁水盆地南部山西—太原组砂岩综合柱状图

表1 沁水盆地南部沉积体系及沉积相、微相组成

2.2 主要相分析

（1）泻湖相

泻湖相主要发育于上石炭统太原组，岩石类型主要为灰色、灰黑色泥岩，砂质泥岩，发育的水平层理和块状层理，含有植物化石碎屑，具少量动物化石，且种类属较为单一，个体较小，常与障壁砂坝共生（图2）。视电阻率曲线平直、光滑，自然伽马曲线呈小锯齿状，反映了一种较为稳定、安静的水体环境。在地震剖面上表现为中振中高连平行反射。微量元素测试表明：B质量分数为0.004%～0.05%，一般在0.006%～0.02%；B／Ga值为1.0～7.3，一般为1.0～4.0；Sr／Ba值为0.5～13.0，一般为1.0～3.0。这些地化指标均反映了泻湖沉积的水体条件是介于淡水与海水之间的一种半咸水环境。

图2 沁水盆地南部ZS44井沉积相分析

（2）潮坪相

潮坪相广泛分布于障壁岛岛后地带以及泻湖周围地带。根据潮汐的变化，可以将潮坪相划分为：潮上坪、潮间坪和潮下坪。根据潮坪沉积物的特征又可细分为泥坪相、混合坪相和砂坪相。潮坪相主要发育泥岩、砂质泥岩和粉细砂岩为主，砂岩分选性较好，波状层理、双向交错层理、羽状交错层理等较为发育。在粒度概率曲线上表现为多段式，以跳跃总体为主，常具有两个次总体，悬移总体含量少。潮坪沉积物的测井曲线的视电阻率和自然伽马值较小，曲线呈光滑的线形。当煤层或砂岩发育时，曲线幅度增加，此时曲线呈锯齿状，反映出水动力条件周期性变化的特性（图3）。在地震剖面上主要表现为弱振低连中频亚平行反射特征。

图3 ZS79井（691.5～782.05 m）岩心沉积相分析图

（3）浅水三角洲相

三角洲相位于海（湖）陆之间的过渡地带，是海陆过渡相的重要组成部分。在沁水盆地南部识别出的三角洲的沉积特征及其沉积相构成基本符合Dnoaldsno所总结的河控浅水三角洲沉积体系的构成特点。与一般的滨海三角洲体系相比较，其多数沉积相都可识别出，但是，三角洲前缘组合和前三角洲组合不甚发育，被快速推进摆动的分流河道冲刷、改造和破坏掉了。

（4）分流河道微相

在研究区，分流河道砂体在山西组最为发育，往往多期分流河道砂体叠置在一起，上部的河道对下部沉积组合具有冲蚀、削截作用而导致下部的分流河道组合中缺少某些单元（图4）。分流河道组合可以从钻井岩心和测井曲线上识别出来，其特点是：底部具冲刷面，冲刷面上的砂岩常具块状构造，滞留沉积中含大量泥砾、煤屑等；往上以大型槽状和板状（直线型、收敛形均有）交错层理最发育，再往上为发育波状层理、小型交错层理的细砂岩，自下而上层序厚度逐渐变细。分流河道沉积组合的上部为泛滥平原环境沉积的泥质、粉砂质；发育透镜状层理，最顶部为沼泽或泥炭沼泽沉积。粒度分析特征：主要含粉砂细砂岩，跳跃组分分两个次总体，交截点在3.5～3.0之间，跳跃组分C.T.为1～0Φ。跳跃组分的倾斜在45°～65°范围内，具正的偏态和很尖锐的峰态。

图4 ZS27井（743.74～847.25m）岩心沉积相分析图

（5）决口扇相

决口扇是在河水浸漫河床时冲决天然堤时形成的，主要为砂质沉积物，也见有黄褐色粉砂岩和砂质黏土岩。砂岩以细粒为主，局部为中—细粒砂岩，含杂基较多，分选和磨圆度均较差。剖面上呈透镜状，平面上呈扇状，其沉积序列中下部为小型板状交错层理、波纹交错层理，上部为水平层理或为块状层理，含有泥砾和较多的植物化石碎屑。砂岩层底界面见有冲刷面，往上至顶部呈渐变关系，也见有明显的突变粗序列（图5）。如果决口扇规模大，在平面上则呈现具有一定面积的席状砂体而构成决口三角洲沉积。决口扇在测井曲线上常表现箱状结构，上下界面均比较明显。

（6）分流间沼泽及泥炭沼泽相

在分流间洼地或分流间泛滥平原基础上发展而成的分流间沼泽，虽然河水注入该区，但覆水深度较浅，植物茁生，逐步形成泥炭沼泽。主要由含有机质的黑色、深灰色质岩、黏土岩、砂质泥岩、炭质泥岩和煤层等组成，含有植物根茎化石，也可见到由洪水带入的粉砂质或细砂质沉积（图4）。

2.3 沉积剖面展布

东西向上，ZS25、ZS28和ZS29连井区域山西组厚度稍厚，主要发育分流涧湾、分流河道、湖泊和泥炭沼泽微相（图6）。其中分流涧湾大面积发育，厚度大。在山西组顶部，分流河道呈条带状发育，其它区域，分流河道呈透镜状展布。在山西组下部，泥炭沼泽微相中发育了3＃煤层，在区域上分布稳定且连续。其直接顶板是分流涧湾泥，局部发育砂岩，底板为湖泊相泥岩。

图5 ZS83井（883.5～935.1 m）岩心沉积相分析图

南北向上，分流涧湾大面积发育，分流河道局部发育，呈条带状和透镜状展布。在山西组下部，泥炭沼泽微相中发育了3＃煤层，在区域上稳定且连续分布，其直接顶板以分流涧湾泥为主，底板为湖泊相泥岩，因此顶底板对3＃煤层有很好的封盖性，有利于煤层气的储集，适宜于工业规模开发煤层气。

3 煤岩微相分析

按照澳大利亚狄塞尔煤相模式［9］，结合沁南煤相资料实际，区域煤岩可划分为四种煤相类型：干燥森林沼泽相、浅覆水森林沼泽相、深覆水森林沼泽相和潮湿森林沼泽相。本次煤相研究选取ZS14和ZS44两个钻孔，研究煤相垂向变化特征，其中ZS44井为3＃煤层，ZS14井为15＃煤层。

经过对ZS44井3＃煤层煤样结构保存指数（TPI）、凝胶化指数（GI）计算，进行相图投点，得出TPI－GI相图（图7）。从图中可以看出，3＃煤层中仅有1个煤样落在低位沼泽（芦苇）相，2个煤样分别位于较浅和较深覆水森林沼泽相，2个煤样为潮湿森林沼泽相，其余为干燥森林沼泽相。

ZS14井15＃煤层的TPI－GI相图表明：分别有1个煤样有落在潮湿森林沼泽相和干燥森林沼泽相，其余位于较浅或较深覆水森林沼泽相。

研究表明，对15＃煤层而言，无论是从出现频度，还是从在整个沼泽演化过程中所占的比例来看，覆水森林沼泽相是本区15＃煤层煤相类型的主体，其所占的比例超过50%，其中又以较浅覆水森林沼泽相为主。它

在整个煤层剖面中分布较大，表明它在沼泽演化的过程中一直占有主导地位。深覆水森林沼泽相在煤层发育过程中占有一定的比例，特别是在煤层的中部，往往与浅覆水森林沼泽相交互出现，表现出一种周期性旋回结构。潮湿森林沼泽相在煤层形成过程中也时有出现，但所占比例较小，也表明了15＃煤层的形成环境总体说来还是比较潮湿的。另外，可以看出，干燥森林沼泽相在整个成煤沼泽演化过程中也占有一定的比例，主要是在煤层形成的早期。综上所述，15＃煤形成于滨海平原上的森林沼泽，在其形成过程中可能受到海陆两方面的影响。沼泽中既有陆表河流的穿插，也可以由潮道构成的海水进出通道，从而形成了一套海陆交互相的成煤沼泽环境从垂向演化上看，15＃煤层在其沼泽演化过程中一直以浅覆水森林沼泽相为主体，同时也可过渡为强覆水森林沼泽相或干燥森林沼泽相。可以看出产生这种旋回结构的主要原因在于沼泽水体深浅发生周期性变化；其内也可包含由于水流活动性周期变化而形成的次级旋回结构。

图6 郑庄区块东西向ZS19井—ZS39井联井沉积相剖面

图7 ZS44井3＃煤层TPI－GI相图

3＃煤层的煤相组成以干燥森林沼泽相和潮湿森林沼泽相为主，其次是较浅覆水森林沼泽相、较深覆水森林沼泽相和低位沼泽（芦苇）相。在垂向上，早期在浅湖相基础上发育了低位沼泽（芦苇）相，次为覆水森林沼泽相，中期主要为潮湿森林沼泽相，晚期为干燥森林沼泽相。沼泽环境整体上是稳定的，这种稳定又是相对的，厚煤层形成期间经历了一次大的水深变化，自下而上水体由深变浅，而每个部分可能又包含着多次小的水深变化，但总体上都是有利的成煤环境。良好的聚集场所和充足的成炭原始物质最终在水体逐渐下降的泥炭沼泽环境中形成了较厚煤层。其中，分析认为3＃煤层下部“软煤”是由于沉积原因造成的，它主要是低位（芦苇）沼泽相所产生的，解决了困扰沁水盆地多年的3＃煤层下部“软煤”成因问题。

4 沉积相平面展布特征

4.1 太原组沉积相平面展布特征

晚石炭世后期，贺兰拗拉槽填平补齐并停止活动，至晚石炭世太原组沉积时，海水逐渐侵入，且不断扩大范围，最终使得祁连、华北海盆相互连通，盆地中广泛的滨海相沉积体系逐渐形成，并且含有大量的煤层。此时，由于兴蒙海槽的关闭，伊盟隆起北部隆升的区域成为主要的物源区，总体上，盆地呈北陡南缓、北高南低的构造格局。冲积扇、三角洲、潮坪—障壁岛—浅水陆棚碳酸盐岩等沉积体系共存，并形成陆源碎屑与碳酸盐岩的混合沉积。

沁水盆地南部太原组地层分布较为稳定，石灰岩沉积发育，其石灰岩都为浅海相沉积产物，含丰富的海相化石，主要发育于研究去中南部地区，向北部，其厚度则呈现出逐渐减少和变薄的趋势。从石灰岩的分布情况可反映出太原组沉积时期海侵的方向、范围和规模。为一套障壁海岸与碳酸盐台地混合沉积相，北部发育泻湖，而南部主要为台地沉积体系（图8）。

图8 沁水盆地南部太原组沉积相平面图

4.2 山西组沉积相平面展布特征

山西期因华北地台整体抬升，海水从盆地两侧退出，盆地性质由陆表海盆演变为近海湖盆，沉积环境从海相转变为陆相的过渡环境，南北差异沉降和相带分异增强。山西期沉积特征主要表现为三角洲相取代潮坪一浅水陆棚相，沉积相带呈南北向相带分异的特点，由北向南，由冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘过渡到浅湖沉积；海相碳酸盐建造演变为陆源碎屑含煤建造。山西组III砂组沉积时期，研究区主要发育三角洲和滨浅湖体系，此时为三角洲建设时期，沉积了下三角洲平原和三角洲前缘沉积，受到潮汐和河流的共同影响。由于处于河流的下游，坡度较缓，下蚀作用不显著，以分流河道的侧蚀作用为主，河道较弯。同时频繁的决口改道作用使该区形成了较多的决口扇沉积。北部三角洲沉积体系范围大，展布广泛，而南部范围相对较小，只在西南范围内发育（图9）。

图9 沁南山西组III砂组时期沉积相平面图

山西组I、II砂组沉积时期，研究区基本继承了三砂组时期的沉积格局，主要发育两个浅水三角洲体系，但该时期也呈现出自身的沉积特征。由于盆地北部源区构造活动的减弱，物源供给有限，盆地开始趋于稳定沉降。由于湖侵的逐渐扩展，致使三角洲体系逐渐减小，整体表现为湖进河退的局面，此时盆地南部出现浅湖亚相泥质沉积。

5 沉积演化的控气作用探讨

5.1 煤层上覆有效地层厚度与煤层气产量具有较好的相关性

地层划分与沉积研究表明，沁水盆地南部3＃煤层上覆顶板厚砂岩（h＞3 m）对煤层含气量具有明显的控制作用。以此为依据，对郑庄等区块3＃煤层上覆有效地层厚度分别从10 m、20 m、40 m的角度进行了分析，结果表明，沁水盆地南部3＃煤层上覆有效地层的厚度与煤层气产量相关性良好。

首先，当3＃煤层上有效覆地层厚度10 m以内顶板有厚砂岩（h＞3 m）时，3＃煤层含气量明显降低，一般低于15 m3／t，具有砂岩厚度越大含气量越低、产气量越低的趋势。例如郑庄区块ZS31、ZS44、ZS42、ZS39等井都是如此，日产气量几百方或无，产水量大，樊庄区块东部部分井也是如此。当3＃煤层上覆有效地层的厚度为10 m时，煤层气单井产量一般或

为低产，低于1000m3／d，不是煤层气的有利富集区。例如郑庄区块的ZS62井以北的区块，在山西组III砂组时期属于三角洲河道砂体的主体沉积区域，煤层含气量明显降低，产量也不太好。

其次，当3＃煤上覆有效地层的厚度达到20m时，单井的煤层气含气量一般大于20 m3／t，产气量中等，日产1000～3000 m3，是煤层气的有利聚集区。例如郑庄区块的西部ZS77、ZS78、ZS72、ZS70、ZS76井区，该区域山西组III砂组时期属于分流间湾沉积，具有有效的上覆泥岩厚度，单井含气量高，都大于20 m3／t，当前单井产气量已达到1000～2200 m3／d，是较好的开发区块。

再次，当3＃煤层上覆有效地层的厚度达到40 m时，含气量可能不高，但产气量绝对是最高的，属于煤层气的高产富集区。例如沁水盆地的成庄、潘庄区块，在山西组III砂组时期属前三角洲沉积，上覆泥岩厚度大，基本大于40 m，区域砂体也不发育，结果单井产气量最高，开发效果最好。例如成庄井区日产气30×104m3左右，平均日产气4850 m3，其中日产气大于10000 m3井有7口，5000～10000 m310口，大于5000m3的井占总开井数20%，是目前华北油田沁南煤层气田开发效益最好的井区。

5.2 沉积环境决定煤岩微相，控制了煤岩的生气能力及含气量

通过沁水盆地石炭系—二叠系含煤地层沉积环境、沉积体系分析，发现成煤模式在时间上和空间上都存在多样性特点。区内河流成煤模式成煤范围相对局限，持续时间较短，多形成厚度不稳定的薄煤层。陆表海滨岸成煤模式和浅水三角洲成煤模式是区内存在的两种主要成煤模式，形成了研究区内石炭系—二叠系煤层气藏主力烃源岩。决定了沁水盆地煤岩沉积具有不均质性，煤相具有多样性。

陆表海滨岸沉积体系主要由宽广的潮坪、开阔的泻湖、低平粒细的障壁岛、潮汐通道和潮汐三角洲等环境单元组成。泥炭坪由碎屑潮坪连续演化而成，发育于泻湖近岸潮坪、障壁岛后潮坪、台地背海一侧，其中泻湖泥炭坪和潮坪泥炭坪发育规模较大。另外，各种类型的泥炭坪并不是孤立存在的，它们之间有着内在地联系。在地壳沉降变化和海水进退的条件下，各种类型泥炭坪可连为一体，从而形成层位稳定的煤层。

浅水三角洲属于典型的河控型，进积作用使三角洲快速向海推进的同时，三角洲朵叶的侧向迁移也非常活跃。宽广的三角洲平原为泥炭沼泽的发生、发展提供了优越的自然条件。泥炭沼泽发育时间的长短受控于区域构造背景、海水进退速度等因素。分流河道的频繁改道就使得先前的煤层受到水流的冲刷而遭到部分的破坏，与此同时，在废弃的河道中又能迅速地堆积大量的沼泽泥炭，从而形成煤—砂—煤的地层叠置样式，为石炭系—二叠系自生自储煤成气藏提供了天然优越的条件。

同时，煤相对煤的生烃潜力具有较强的控制作用，在成熟度相同的背景下，随着沼泽覆水程度的增加，介质的还原性增强，所形成煤的生烃潜力也在增加，其生烃潜力由干燥森林沼泽相→潮湿森林沼泽相→较浅覆水森林沼泽相→较深覆水森林沼泽相→低位（芦苇）沼泽相增加。而煤层气吸附量正好相反，由干燥森林沼泽相→潮湿森林沼泽相→较浅覆水森林沼泽相→较深覆水森林沼泽相→低位（芦苇）沼泽相减少。煤层本身的吸附能力对含气量起主要控制作用，因此，在纵向上，由于15＃煤层与3＃煤层在沉积环境的不同导致了整体含气量的差异，即15＃煤层的含气量小于3＃煤层含气量，这是由煤岩微相所决定的。

6 结论

（1）通过对沁水盆地南部含煤地层沉积环境、沉积体系分析和成煤环境分析，发现成煤模式在时间上和空间上都存在多样性特点，其中陆表海滨岸及浅水三角洲成煤模式是区内主要成煤模式。

（2）沁水盆地南部3＃煤层的煤相组成以干燥森林沼泽相和潮湿森林沼泽相为主，其次是较深覆水森林沼泽相、较浅覆水森林沼泽相和低位沼泽（芦苇）相。15＃煤层在其沼泽演化过程中以浅覆水森林沼泽相为主体，同时也可过渡为强覆水森林沼泽相或干燥森林沼泽相；产生这种旋回结构的主要原因在于沼泽水体深浅发生周期性变化。

（3）煤层上覆有效地层厚度与煤层气产量具有较好的相关性，能够有效控制煤层气的高产富集带，是煤层气高产富集的主控因素之一。

（4）沁水盆地南部沉积环境决定煤岩微相，煤岩的生气能力及含气量主要受煤岩微相控制。

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（修改回稿日期 2013－08－12 编辑 王晓清）

国家重大油气专项（2011ZX05033－04）“煤系地层游离气富集规律与分布研究”

杨克兵，男，1967年出生，大学本科，高级工程师；现在华北油田勘探开发研究院工作，主要从事测井及油气地质综合研究。地址：（062552）河北任丘市华北油田勘探开发研究院勘探所。电话：（0317）2722679，13012033942。E－mail：yjy_yangkeb＠petrochina.com.cn