山西延川南煤层气田2号煤层煤相研究——煤层气开发选区意义

李 清

(中国石化 华东分公司 非常规勘探开发指挥部，南京 210011)

山西延川南煤层气田2号煤层煤相研究
——煤层气开发选区意义

李 清

(中国石化 华东分公司 非常规勘探开发指挥部，南京 210011)

基于延川南煤层气田2号煤层煤相分析的基础上，探讨了煤层气富集规律与煤层煤相的关系。研究结果表明：2号煤层主要发育于下三角洲平原，其泥炭沼泽具有覆水相对较深、水体活跃、还原性较强的特征。煤层中镜/惰比、灰分产率和硫含量的平面变化比较好的表明泥炭沼泽的微相分布。煤层煤相与煤层气含量分布具有好的一致性，高镜/惰比和低灰分产率煤层具有高的煤层气含量，低镜/惰比和高灰分产率煤层具有低的煤层气含量，高的煤层气产能区主要分布于煤层厚度大、高镜/惰比和低灰分产率区。

煤相；煤层气；煤岩学；延川南煤田；山西

煤相是煤的原始成因类型，它取决于原始泥炭形成的环境[1]。不同泥炭沼泽沉积背景，决定了植物群落持续生长的物质总量及泥炭堆积的厚度、结构、煤岩组成等[2]。煤储层含气性和储集性是煤层气成藏的关键内在因素，严格受煤储层本身的物质组成、物理性质以及煤—水—气三相介质之间耦合关系等因素的影响[3]。煤层的厚度和结构、煤岩的成分组成和结构构造等对煤层气的生成和储层特征具有重要影响[4-6]，因此，查明它们的空间展布特征对预测煤层含气量分布和高产能区具有重要意义。目前延川南煤层气田在煤层厚度、煤层含气量、构造位置、水动力条件等影响储层地质因素上做了大量工作。本文以煤岩学、地球化学、沉积学为理论基础，对延川南煤层气田山西组2号煤层宏观和微观煤岩特征、煤相参数进行综合分析，仅从煤层煤相的空间展布特征与煤层气含量和产能的关系进行了探讨，为煤层气勘探开发选区提供指导。

1 地质背景

延川南煤层气田位于现今鄂尔多斯盆地东南缘，处于陕北斜坡、晋西扰褶带和渭北隆起交叉带，构造相对复杂(图1)。其含煤地层为石炭—二叠系，包括上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组，属于华北地台陆表海盆地的一部分[7]。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划

华北地台陆表海盆地晚石炭世本溪组—太原组沉积期，随地台的持续沉降，海水侵入，形成受限陆表海，研究区主要形成潟湖—潮坪沉积；二叠纪早期，鄂尔多斯地区地壳又复上升，海水逐渐退出，研究区主要为滨海平原环境，水系发育、以三角洲平原沉积为主。

2 2号煤层发育特征

2号煤层位于下二叠统山西组，该煤层全区稳定分布，厚度在3.8～6 m之间，平均4.7 m，呈现出由北和东向南和东南部增厚的特征(图2)。含1～2层夹矸，下部夹矸全区稳定分布，主要为灰黑色泥岩和碳质泥岩，厚度在0.1～1 m之间，平均0.5 m，分布稳定，但整体呈现出由东北向西南增厚的特征；上部夹矸不太发育，只在工区东北部较发育，厚度一般0.1～0.7 m，平均0.3 m。下部夹矸和上部夹矸在工区南部垂向间隔明显，往东北方向2套夹矸逐渐合二为一，导致北部夹矸增厚。

3 煤岩学特征

煤的岩石学特征是反映煤层成因最直接、最可靠的标志之一，包括煤的宏观岩石类型、显微组分、矿物成分和煤的结构构造特征。煤的形成受到成煤植物群落，泥炭堆积环境的Eh值、pH值、盐度和水文特征，以及泥炭聚积时期的古气候、古构造运动及古地理环境等诸多因素的影响[8-10]。因此，根据煤岩学特征可以反推以上诸多成因因素，故它们是煤相划分的重要标志。

图2 山西延川南煤层气田2号煤层厚度分布

3.1 宏观煤岩特征

延川南煤层气田山西组2号煤层宏观煤岩类型以半亮和光亮煤为主，其次为半暗煤和暗淡煤；煤的结构构造以条带状、线理状为主，镜煤条带中内生裂隙较发育。煤层受后期构造作用的影响局部发育碎裂煤、碎粒煤和糜鳞煤。平面上，在工区东北部和南部延10井区，以暗淡煤和半暗煤为主，中部及西部以光亮煤为主；垂向上表现出由光亮煤、半亮煤过渡到半暗淡煤和暗淡煤的垂向变化，表明2号煤层在形成过程中存在向上覆水深度不断变深。

3.2 显微煤岩特征及煤相类型

2号煤层变质程度较高，镜质体反射率在1.5%～2.5%之间，属于中高变质程度烟煤。从显微组分组成来看，2号煤层具有较高的镜质组含量，一般在60%以上，局部可达80%以上，平均为72%。镜质组主要为基质镜质体，其次为均质镜质体、结构镜质体和碎屑镜质体，团块镜质体较少。惰质组含量较丰富，一般在10%以上，高者可达30%以上，平均在18%，其中以丝质体和半丝质体含量最丰，粗粒体和惰屑体也较为常见。壳质组含量较低，一般在5%以下。

应用Diessel提出的结构保存指数(TPI)和凝胶化指数(GI)2个煤相参数[7]，编制了研究区2号煤层的TPI-GI煤相图解(图3)。由图3可以看出延川南2号煤层总体形成于三角洲平原环境，并以下三角洲平原环境为主，这与研究区山西组的总体沉积环境是一致的。根据其凝胶化指数和结构保存指数的范围，其煤相具有覆水较深、泥炭层埋藏速度相对较慢的特征。

图3 山西延川南煤层气田2号煤层TPI-GI相图

3.3 矿物成分

延川南2号煤层矿物组成以黏土矿物、硫化物和碳酸盐为主，其中黏土矿物占绝对优势。黏土矿物可能主要来自于沼泽水体或地表水流带来的细粒碎屑沉积；硫化物和碳酸盐部分可能为同沉积时期的化学沉积，部分可能为后期裂隙充填沉积，在煤层裂隙中常见碳酸盐充填。

4 镜/惰比、灰分产率和全硫含量的变化特征

镜/惰比(V/I)、灰分产率(Ad)和全硫含量(St.d)一直被用于解释泥炭沼泽的形成环境[11-13]。一般来说，镜质组形成于潮湿还原环境，而惰质组则形成于干燥氧化环境，所以镜惰比这一参数可以较为直观地反映沼泽的覆水程度及气候的干湿情况。Smith把V/I比值看做是成煤泥炭遭受氧化程度的参数，认为V/I<1时指示成煤泥炭曾暴露于氧化环境[14]。灰分含量可以在一定程度上反映成煤泥炭沼泽的覆水程度，一般覆水深度增加则灰分增高。灰分含量的增高同时也可以说明泥炭层的水动力条件流动性增大[11]。煤中硫含量主要取决于泥炭沼泽水体的氧化还原程度以及受海水的影响程度，一般比较闭塞的覆水环境或受海水影响比较大的沼泽易于形成高的硫含量。

由延川南2号煤层的镜/惰比、灰分产率和全硫含量的变化特征(图4，5，6)可以看出：(1)2号煤层镜/惰比值范围在1.5～9；全硫含量较低，一般在0.5%以下；灰分产率范围在4%～19%，平均9%，反映泥炭沼泽环境总体具有覆水较深、还原性较强、主要以淡水注入为主。(2)镜/惰比值和灰分产率在平面上分布具有很好的相似性(图4，5)，它们之间呈负相关关系。研究区西部煤层具相对高的镜/惰比值和低的灰分产率，东部出现一个近南北向带状的相对低镜/惰比和高灰分产率值带。全硫含量的平面分布表现为研究区的东部向东具有增高的趋势，西部相对较低(图6)。

图4 山西延川南煤层气田2号煤层镜/惰比值分布

图5 山西延川南煤层气田2号煤层灰分产率分布

图6 山西延川南煤层气田2号煤层全硫含量分布

由镜/惰比、灰分产率和全硫含量的平面分布可以推断，研究区西部相对高的镜/惰比和硫含量可能与泥炭沼泽相对覆水较深和埋藏速率相对较快有关；而低的镜/惰比、相对高灰分产率，以及低的硫含量带可能与泥炭沼泽内具有“河道型特征”[15]的相对强水动力条件影响有关；这与研究区的沉积相研究基本吻合，反映物源有一定的继承性。

图7 山西延川南煤层气田2号煤层煤层气含量分布

5 煤相与煤层气含量和产能的关系

延川南煤层气田2号煤层煤层气含量的平面分布(图7)表明，研究区东部煤层气含量具有增高的趋势，东北部具有降低的趋势。这种分布特征与煤相分布具有好的一致性。研究区东部泥炭沼泽处于相对覆水的还原环境，煤层具有相对高的镜/惰比和低的灰分产率，以及相对高的硫含量，具有相对好的煤层气形成的煤相条件。研究区东北部泥炭沼泽处于水动力条件活动相对较强的弱氧化的环境，煤层具有相对低的镜/惰比和高的灰分产率，以及低的硫含量，具有相对差的煤层气形成的煤相条件。

通过煤层气井排采试验，研究区东北部产量低或递减快，不能稳产；东部由于埋藏深，煤层相对较薄，采用直井开采，产能会较低，成本高，如果采用水平井开采可以提高产能；研究区的中部区具有相对厚的煤层厚度，具有相对高的产能。

6 结论

(1)宏观煤岩特征、显微煤岩特征及TPI-GI相图表明，延川南煤层气田2号煤层主要形成于下三角洲平原环境，具有覆水相对较深，水体活跃，还原性较强的特征。

(2)研究区东部2号煤层具有相对高的镜/惰比、低的灰分产率和高的硫含量，其泥炭沼泽具有覆水相对较深、埋藏速率相对较快的还原环境。西部煤层具有相对低的镜/惰比、高的灰分产率和低的硫含量，其泥炭沼泽具有相对强的水动力活动、埋藏速率相对较慢的弱氧化环境。特别是东北部煤层，更低的镜/惰比和高灰产率表明更强的水动力活动。

(3)研究区东部2号煤层煤相与煤层气含量分布具有好的一致性，高镜/惰比和低灰分产率煤层具有高的煤层气含量，低镜/惰比和高灰分产率煤层具有低的煤层气含量，高的煤层气产能区主要分布于煤层厚度大、高镜/惰比和低灰分产率区。

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(编辑 徐文明)

Coal facies of no.2 coal in Yanchuannan coal field of Shanxi:Significance for constituencies of coalbed methane exploitation

Li Qing

(UnconventionalResourceExplorationandDevelopmentHeadquarter,SINOPECEastChinaBranchCompany,Nanjing,Jiangsu210011,China)

Based on the systematic study of coal facies of No.2 coalbed in the Yanchuannan district, the relationship between enrichment regularity of coalbed methane and coal facies was discussed. The results showed that the No.2 coalbed formed on low delta plain, and the swamp was characterized by relatively high water level, active water body, better reducibility. The space distribution of vitrinite/inertinite ratio, ash yield and sulfur content in coals indicated the space distribution of swamp microfacies. The distributions of coal facies and coalbed methane content were comparable. The coals of high vitrinite/inertinite ratio and low ash yield had higher coalbed methane contents, while those of low vitrinite/inertinite ratio and high ash yield had lower coalbed methane contents. The area of high coalbed methane capacity distributed mainly in the area of thick coal seam, high vitrinite/inertinite ratio and low ash yield.

coal facies; coalbed methane; coal petrology; Yanchuannan coal field; Shanxi

1001-6112(2014)02-0245-04

10.11781/sysydz201402245

2013-02-02；

2014-02-14。

李清(1964—)，男，高级工程师， 从事油气勘探开发生产管理和科研工作。E-mail: wyunhai@126.com。

中国石化重大先导科研项目“延川南煤层气田产气能力影响因素分析”( 2012XD0102)资助。

TE132.2

A