韩城矿区煤层气富集的影响因素剖析

2013-11-26杨秀春刘之的陈彩红张继坤李建东

中国煤层气 2013年4期

杨秀春刘之的陈彩红张继坤周科李建东

(1．中石油煤层气有限责任公司，北京 100028;2．西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 710065)

鄂东气田煤层埋深适中 (500～1500m)，原始渗透率较高 (一般达到 1×10－3μm2)，煤层厚(单层厚度3～8m，累计厚度8～13m)，含气量高(12～23m3/t)，以肥、焦煤为主，有少量瘦、贫煤，具有适合煤层气开发的优质地质条件。对鄂东气田煤层气富集的影响因素进行研究，有助于查明煤层含气特征及煤层气的分布规律，对于研究区内煤层气勘探开发选区具有重要的指导意义。本文从煤层气储层构造特征、沉积特征、煤岩煤质、煤层顶底板沉积相组合以及水文地质条件等方面探讨研究区内的煤层气富集机制，查明煤层气富集的地质因素，以期为煤层气的开发和煤矿的安全生产做出一定的指导。

1 区域地质特征

韩城矿区隶属陕西省韩城市、合阳县管辖。韩城矿区煤炭开发历史悠久，煤炭工业储量27.7×108t，该地区的煤质优良，厚度稳定。

研究区在构造上位于鄂尔多斯盆地渭北隆起的东南缘，东面以黄河和韩城大断裂为界，南临渭河地堑，西南与澄台矿区毗邻。鄂尔多斯盆地石炭～二叠系含煤层段主要处于二叠系下统山西组和石炭系上统本溪组，其中山西组山2段的5号煤和本溪组本1段的8号煤是煤层气勘探的主力煤层。盆地东部环形带上已做二维地震勘探2510km2，天然气井48口，煤炭钻孔271口，煤层气直井409口，煤层气水平井19口，其中煤层试气井227口。在韩城地区煤层气已实现了商业开发。

2 构造特征对煤层气富集的影响

2.1 研究区构造特征

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，地层走向总体呈北东向，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、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。主要发育一组东西向的正断层和一组近南北向的逆断层，两条近东西向断层(F1，F2)具有走滑性质 (图1)。

图1 研究区构造纲要图

F1断层位于韩城地区中偏北部，为一条近东西走向的北倾断层，具有明显的走滑性质，最大断距280m。F2断层位于韩城地区中部，为一条近东西走向的南倾断层，具有明显的走滑性质，最大断距240m。F3断层位于韩城地区中南部，为一条近东西走向的南倾正断层，横向上断距变化大，最大断距460m。F4断层位于韩城地区南部，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，最大断距300m。F5断层位于合阳工区西部，走向北北东，倾向北西西，最大断距360m。F6断层位于合阳工区东部，走向北北东，倾向北西西，与F5近于平行，最大断距200m。

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。西北部边缘地带，3号煤层埋深最大达1100m，11号煤最大深度为1500m。全区60%以上煤层埋深在500～1000m深度范围内，这对煤层气成藏和勘探开发十分有利。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。

2.2 构造因素

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。成煤期后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。

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，煤层气大量解吸，造成了含气量下降。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，煤层气含量高，压力大的重要原因。

喜山期太平洋板块向北西西方向挤压，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气的封存边界。

韩城矿区南部前期挤压较弱，后期伸展较为强烈，且伸展边界逼近早期挤压的边界。矿区北部印支期、燕山期挤压较为强烈，喜山期伸展则相对较弱，伸展边界未接触挤压边界。恰是该种由南至北逐渐减弱的边部挤压环境和伸展环境，造就了F2断层北部处于较为封闭的构造环境之中，为煤层气的储集和封存创造了良好的构造条件;而F2断层以南各井煤层气含量相对较低，也正好证明了研究区南北构造环境对煤层气富集的控制作用不同。

3 沉积相特征及对煤层气富集的影响

3.1 沉积相类型

沉积相是指沉积环境及该沉积环境的物质表现。由于研究区针对岩心、录井及分析化验资料稀少，缺乏直接相标志，仅有二维地震、测井曲线及部分井的录井，所以本研究依托录井及测井解释的岩性组合、测井相分析、地震相分析等手段，研究区内共识别出8种主要的沉积相类型。其中太原组发育三角洲、潮坪－泻湖－障壁岛－局限浅海－碳酸盐台地 (障壁海岸沉积体系)、潮坪－局限浅海－碳酸盐台地沉积体系 (无障壁海岸沉积体系)(图2)，局部可见河口湾和潮汐三角洲，沉积相类型丰富，以碎屑岩－碳酸盐岩混合沉积为主要特征;山西组沉积类型相对较为单一，发育一套三角洲相沉积，主要为三角洲平原和三角洲前缘亚相，前三角洲不发育。

图2 韩城矿区下二叠统沉积综合柱状图

3.2 沉积相平面展布特征

(1)太原组

太原组经历了多期海侵－海退旋回，可以归纳为3个长期旋回:早期海退、中期海侵以及晚期海退。

早期海退旋回以太原组底部泥岩为起点，以庙沟灰岩底部为终点，该沉积时期物源主要来自于西北方向，碎屑物向东南方向注入盆地，形成三角洲相沉积，但分布范围较小，仅分布在韩试4井、韩试6井、韩试8井一带以及研究区北部WLC09、WCL10、韩试17井附近 (图3)。研究区的其他大部地区发育了潮坪－泻湖－障壁岛－局限浅海相沉积。该旋回底部沉积了11号煤。在海平面升降旋回来看，11号煤形成于旋回下部，发育于海退－海侵的转换面，与上覆地层有比较大的沉积间断，因此，煤层底板作为煤层沉积的载体，其沉积相特征对上覆煤层沉积演化尤为重要。在WLC01井以南地区，11号煤层底板岩性主要为本溪组的铝土质泥岩，是奥陶系灰岩的风化残积物，以碎屑或胶体溶液方式被地表水搬运到海湾－泻湖边缘沉积而成，主要起填平补齐作用，这一时期构造活动较弱，碎屑沉积体系能量较低，活动性差，几乎废弃，因此分布范围及厚度主要受古地貌影响，11号煤就形成于这种低能沉积体系之上，主要成煤环境为滨岸泥炭沼泽，受古地貌影响明显，在合阳地区、韩试8井区相对地形较高的地区缺失，成煤中心集中在WLC06、WLC03井附近潮坪、泻湖沉积区，向南北厚度减薄。在WLC01井以北地区，11号煤层底板主要为三角洲泛滥平原沉积，沉积体系活动性相对较强，由于受到较高古地形及分流河道冲刷影响，煤层较薄。

中期海侵旋回以庙沟灰岩底部为起点，以庙沟灰岩顶部或其上的碳质泥岩、煤层顶部为终点。该沉积时期研究区经历了二叠系最大规模的一次海侵，海侵方向为南东，陆源碎屑物停止注入，全区沉积了一套碳酸盐台地相的海相生物灰岩。

晚期海退旋回以庙沟灰岩顶部泥岩为起点，以5号煤顶部为终点。该沉积时期海平面总体呈下降趋势，沉积体系向海推进，除研究区东北部三角洲相发育外，其他地区陆源供应几乎停止，障壁海岸沉积和无障壁海岸沉积同时发育 (图3)，局部发育河口湾和潮汐三角洲。

图3 韩城地区太原组沉积相平面分布图

(2)山西组

山西组物源区来自于北东方向，地层厚度整体自南向北厚度增加，工区南部、东南部为主要的沉积中心。山西组沉积相类型较单一，发育三角洲沉积体系，主要为三角洲平原和三角洲前缘亚相，前三角洲不发育。其中分流河道砂体较发育，有利的成煤区泛滥平原亚相泥炭沼泽微相不发育，主要的成煤演化模式与太原组三角洲沉积类似。

3.3 沉积相对煤层气富集的控制作用

研究区3号煤形成于暂时性的较小规模的海退－海侵间断期，泥炭沼泽持续时间不长，而且本区三角洲相分流河道砂体发育，泥炭沼泽分布范围较小，河流改道冲刷作用较强，因此煤层分布不广，连续性较差，且分叉多，灰分多，不利于煤层气的富集。

5号煤形成于太原组晚期海退阶段的顶部，该海退阶段潮坪、泻湖相沉积聚煤作用明显，陆源碎屑活动较少，主要受潮汐作用影响，海退期滨岸沉积体系向海进积，泻湖、局限浅海发生淤积，泥炭沼泽范围不断扩大，与山西组沉积间断时间较长，因此煤层在全区均有沉积，而且以潮坪－泻湖－障壁岛沉积体系聚煤作用最强，因此山西组三角洲相顶板保存条件是该煤层气富集与否的关键，山西组早期也经历了小规模的海侵阶段，全区沉积了面积分布较广的泥岩顶板，仅在部分地区见河道砂岩冲刷下伏煤层，致使煤层灰分增加，结构疏松，夹矸增多，对煤层气富集不利。

11号煤形成于早期小规模海侵及大规模海退之前，在本溪组铝土质泥岩沉积之后，这一时期构造活动较弱，碎屑沉积体系能量较低，活动性差，几乎废弃，因此11号煤与上覆活动的沉积体系之间间断时间较长，处于大的海退与海侵的间隔期，为陆表海的滨岸沉积，是有利的聚煤带。除合阳、韩试8井区等因为地势较高煤层不发育外，其他全区均有不同程度沉积，在局部沉积了较厚的煤层。之后海侵的局限浅海泥岩作为有利的盖层，对煤层气的保存十分有利。

4 煤变质作用和煤岩特征对煤层气富集的影响

4.1 煤变质作用

我国与美国区域地质条件明显不同，美国是一个单一大陆的一部分;而我国刚是由一些小型地台、中间地块、众多微地块及其间的褶皱带镶嵌起来的复合大陆。对比我国与美国煤岩的古地温场和热史、生烃史的演化可知，美国的煤变质以深成变质作用为主，煤阶主要为中、低煤阶烟煤;而我国高煤阶煤除了印支期的深成变质作用外，在燕山期经历了异常高的古地热场演化，煤阶大幅度提高，达到了贫煤和无烟煤。高煤阶煤一般都经历了一到两个生气高峰，在异常高的古地温场下发生的二次生气作用生气量巨大，为煤层气的富集成藏提供了强大的气源，因此，我国高煤阶煤层的含气性普遍较好，含气量普遍较高。

图4 煤层含气量与镜质组最大反射率关系图

煤变质程度关系到煤层的生气量及煤储层特性等问题。研究区内主力煤层镜质体反射率总体较高，属于贫煤，一般Ro分布在1.92% ～2.59%之间，根据韩城矿区实测煤层含气量统计表明，尽管研究区煤层含气量与Ro之间离散性较大 (图4)，还是可以明显的看出含气量 (空气干燥基)，随Ro的增大而增大的规律。

4.2 煤岩特征

(1)宏观煤岩特征

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。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0.1～1.0m。5号煤层与8号煤层相比，前者夹矸明显高于后者，5号煤层一般含夹矸1～2层，夹矸厚度0.5～1m;8号煤层在吉试4井南北一线不含夹矸，向东夹矸率增加，吉试6井8号煤层夹矸率大于3m以上。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;8号煤层为海陆过渡相成煤环境，沉积环境相对稳定，从而煤层夹矸率降低。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。

表1 韩城矿区主要煤矿煤样显微组分分析成果表

(2)显微煤岩特征

研究区内煤的显微组分特征见表1，韩城矿区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一般在60%～85%之间，平均约70%左右，属于中、高镜质组含量。惰质组含量一般在15%～40%之间，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。

4.3 煤质特征

煤层煤质分析结果表明，韩城矿区的煤具有中－高碳含量、较低挥发份、中－高灰分且变化大的特点 (表2)。

(1)固定碳

研究区主力煤层的碳含量较高，一般都在60%以上，最高可达84.5%。其中3号煤层的平均碳含量为61.53%左右，5号煤层的平均碳含量为65.05%左右，11号煤层平均碳含量为58.86%。总体来看，该区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。

(2)挥发分

研究区挥发分变化范围在4.70%～17.16%之间，平面上呈现由东北向西南方向逐渐减少的趋势。位于研究区北边的两口井WLC09、WLC10井挥发分较高，分别为16.52%、17.16%，而位于研究区南边的合试2井、合试3井的挥发分明显减小，分别为7.64%和6.69%，显示了中高变质煤的特点。

(3)灰分

煤的工业分析成果表明，该区的灰分产率为7.41%～58.62%，多数分布在15% ～25%左右。其中5号煤层灰分产率在8%～36.64%左右，平均为23.28%;11号煤层灰分产率在9.52%～32.73%左右，平均为24.39%。在平面上灰分产率呈现由东北向西南逐渐增高的趋势。

(4)水分

对该区煤质资料进行统计，研究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。其中5号煤层的水分含量为0.4% ～2.12%，平均为1.42%;11号煤层的水分含量为0.31%～2.05%，平均为1.43%。

表2 韩城地区主要井田煤岩工业分析成果表

5 上覆地层厚度和煤层顶底板沉积相组合对煤层气富集的影响

5.1 上覆地层厚度

在韩城矿区，根据钻孔实测煤层含气量和煤层深度统计资料来看，本区煤层含气量在小于800m的范围内随着埋深的增加，含气量的增加比较快;但是在埋深大于800m的范围内随着煤层埋深的增加含气量的增加缓慢，且很接近一条对数曲线(图5)。

图5 含气量与埋深关系图

5.2 煤层顶底板沉积相组合

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26～86.85m，一般厚50～60m，发育11号、5号煤层，与下伏地层呈整合接触。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35～115m，一般厚40～70m，与下伏地层呈整合接触。

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。

对比几套主力煤层的顶底板沉积相可以看出，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。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。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。

6 水文地质条件对煤层含气量的影响

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘，地下水受岩性、构造及地形地貌的控制，主要赋存于第四系底部、基岩裂隙和岩溶裂隙之中。主要含水层有第四系松散层孔隙水、石炭－二叠系砂岩裂隙水、太原组石灰岩和奥陶系石灰岩岩溶裂隙水。

石炭－二叠纪煤系基底为巨厚的寒武系及奥陶系灰岩，出露广泛，接受大气降水后形成储量巨大的强含水层。

石炭－二叠纪煤系下方多为奥陶系峰峰组，厚度变化大，厚约0～100余m，为极弱含水层。太原组、本溪组为隔水层，厚约百余米，是该地区的相对隔水层。该隔水层把奥陶系马家沟组的巨厚岩溶裂隙含水层与煤系地层隔绝开来，使煤系地层的水文地质条件趋于简单化。研究区煤系地层的含水层主要为太原组薄层灰岩含水层、下二叠统山西组及下石盒子组的砂岩含水层。这两个含水层降雨补给有限，水质皆为型，矿化度皆大于0.5g/L，含水性微弱，水动力小，地下水径流缓慢。由于研究区整体为一西倾的单斜构造形态，故地下水的径流促使研究区中－西部煤层气封堵。

煤系地层上覆的砂岩地层厚度较大，除地表风化带和裂隙发育的浅部富水性较强外，一般随深度加深，裂隙逐渐减小，富水性逐步变弱，通常对煤层气的勘探开发影响较小。

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，韩城矿区煤系地层中，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。

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 (图6)，埋深浅或已出露地表，水力交替活跃，煤层气保存条件差，常与煤层气风化带相对应。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。