山西沁水盆地南部煤层气储层特征及成藏主控因素研究

潘思东，崔周达

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.云南恩洪煤矿，云南 曲靖 655005)



山西沁水盆地南部煤层气储层特征及成藏主控因素研究

潘思东1，崔周达2

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.云南恩洪煤矿，云南 曲靖 655005)

以沁水盆地南部3号煤为研究对象，利用压汞法、扫描电镜观察等分析方法，研究了煤层气储层特征。结合构造解析、盆地分析以及前人研究成果，探讨了区内煤层气成藏主控因素。研究表明：3号煤层煤岩类型以半亮煤为主，储层裂隙系统发育，煤岩热演化程度较高，生烃潜力巨大；压汞孔隙度在1.40%～5.87%之间，渗透率(0.06～0.58)×10-3um2，储层较致密，储集空间以孔隙和裂隙为主。逐一分析了沉积作用、岩浆侵入活动、水动力作用以及构造作用对煤层气聚集成藏的控制，综合分析认为顶、底板泥岩(致密砂岩)发育区、岩浆侵入活动活跃区、水动力弱～滞留区以及构造活动较弱区为煤层气的主要富集区域。

煤层气；储层特征；成藏条件；控制因素

煤层气作为优质清洁的天然气资源，美国、加拿大、澳大利亚等国已形成规模化产能。近几年，我国加大了对煤层气的勘探开发力度，取得了一定成绩，2014年产能已达3.71×109m3，其中仅沁水盆地产能就达3.00×109m3。至2014年底沁水盆地共完成钻井数达10500口左右，占71%；探明地质储量4.350×1011m3，占65%[1]。沁水盆地南部是我国最重要的煤层气生产区域，以3号煤为主力煤层，我国学者对该区煤层气储层特征[2-9]及成藏主控因素[9-14]进行过大量研究，做了大量的实际工作。本文在系统总结前人研究成果的基础上，开展沁水盆地南部3号煤储层特征及成藏理论研究，对成藏关键问题进行深入分析与讨论，形成系统的煤层气储层研究方法，为该区域及国内其他区块煤层气的勘探开发提供借鉴意义。

1 地质背景

工区位于沁水复式向斜南部，东、西、南三面分别为太行山隆起、霍山凸起和中条山隆起。构造相对简单，主要为褶皱，断层不发育，整体呈北北东向的大型复式向斜构造，轴线处于沁水-沁县连线且两翼对称性较好，地层东翼较西翼平缓。地层为华北地区层系，志留纪、泥盆纪以及下石炭世等地层缺失，盆地边缘出露上古生界、中生界地层，盆内主要出露三叠纪地层。本区含煤地层以上石炭统太原组以及下二叠统山西组为主，为近海海陆交互沉积。煤系地层沉积以后，该区地层受到多期构造运动，出现多次沉降、抬升，煤上地层存在差异性剥蚀，而煤层则经历了缓慢演化、演化波动、快速演化、演化终止等4个阶段。本文研究对象3号煤层为山西组，其分布广泛、厚度大(一般5～6m)、纵横向发育较稳定，埋深在100～1000m之间。3号煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主，厚度大于10m，底板主要为泥岩，具有良好的封闭性[13]。

2 煤储层特征

2.1 煤岩类型

研究区3号煤层煤岩类型主要为半亮煤，其次为半暗煤。煤岩最大镜质组反射率在1.96%～2.98%之间，平均2.28%；镜质组含量72.1%～89.2%，平均81.8%；惰质组5.8%～16.9%，平均11.7%；矿物含量在2.7%～11.9%之间，平均7.2%。区内半亮煤脆性较大，原生、次生裂隙发育，充填程度较低，仅部分被方解石半充填，此外还发育白色的方解石薄膜和黑色的暗煤条带。在扫描电镜下观察，可见煤岩表面赋存不同形状的黄铁矿，裂隙发育情况更加清楚，在缝面处可见高岭石、伊利石等黏土矿物。该区镜质组含量较高，表明煤岩沉积时为强还原环境，形成的煤层气储层物性也较好。此外，镜质组含量较高也说明煤岩生气潜力巨大。

2.2 储层物性及储集空间特征

利用常规压汞法对煤储层孔隙进行研究[14]。压汞法可定量分析孔半径在3.75nm以上的储层孔隙参数，所测得数据为有效孔隙。实验选取采自不同矿区的样品进行，采样深度分布适中，以保证数据的代表性。实验结果表明(表1)：孔隙度随着采样深度的递增呈现减少的趋势，个别样品如BF3-1规律性不强是由于受构造运动的影响，储层裂隙及割理发育，孔隙度值有所增加；压汞孔隙度介于1.40%～5.87%之间，平均3.94%，说明区内3号煤储层较致密；进汞饱和度为15.08%～35.42%，平均23.75%，说明煤储层有效孔隙较少，连通程度较差；退汞效率59.52%～81.22%，平均68.12%，说明煤储层退汞效率较高，储层渗透性能较好；随着埋藏深度的增加，渗透率有逐渐增长的趋势，这可能和裂隙发育情况、储层压力变化有关。

表1 煤孔隙压汞实验结果

根据代表煤样压汞实验结果，结合煤层气储层分类标准，认为该区储层属于Ⅰ～Ⅱ储层。结合扫描电镜观察，3号煤储集空间主要为孔隙和裂隙，储层类型为孔隙型、孔隙～裂隙型和裂隙型储层。

3 煤层气成藏主控因素

研究区优越的地质条件是煤层气聚集成藏的基础，具体而言主要包括以下几个方面内容。

3.1 沉积作用

研究区山西组沉积时期由于华北地台的整体抬升，沉积环境由海相逐渐朝陆相过渡，区内出现南北差异沉降和南北相带分异现象。沉积相逐渐由三角洲相转变为潮坪-浅水陆棚相，海相沉积朝陆相煤系沉积发展[6]。

沉积环境对煤层发育有重要影响，区内河流相形成的煤系地层往往不稳定且较薄，浅水三角洲相为该区3号煤煤层气的主要烃源岩。三角洲沉积体系主要有三角洲平原分流河道、分流间弯和河口坝。其中分流间弯对煤层形成影响最大，其分布广泛、水体深度适中，易广泛发育形成稳定煤层，厚度介于4～8m之间，形成了以榆社、沁水、晋城等区为代表的煤层；三角洲平原分流河道分布于安泽-胡县以西，河口坝分布于研究区东南部，整体上分布范围均较小，形成的煤层厚薄不一，极不稳定。

浅水三角洲中的三角洲平原对泥炭沼泽的形成极其有利，分流河道也可在废弃河道中堆积形成大量泥炭沼泽。因此，利于形成煤-砂-煤的地层组合模式，易形成自生自储式煤层气气藏。

沉积环境通过控制煤相从而控制煤的生烃潜力。沼泽还原性不同，生烃潜力也不同，沼泽相生烃潜力由小到大为干燥森林、潮湿森林、较浅覆水森林、较深覆水森林、低位(芦苇)[15]。因此，沉积环境的不同也导致了区内3号和15号煤层含气量的不同。

当然，沉积体系纵向上还可控制岩性组合从而影响煤层气储层的封存能力。3号煤层泥岩、粉砂质泥岩占比达50%，顶、底板泥岩以及部分砂岩(泥质含量较高)均非常致密，且厚度较大，具有较好的封盖能力[16]。如潘庄、成庄地区，上覆盖层厚度达40m，单井产量较高，平均达4900m3/d；而郑庄、樊庄东部等区块上覆盖层有效厚度不足10m，煤层气产量较低，不足1000m3/d。

3.2 构造热事件

沁水盆地3号煤层热演化程度较高，最大Ro达2.5%，构造热事件较大地提高了煤层热演化程度。结合构造演化特征，分析盆地埋藏演化史后认为沁水南部煤层气成藏过程主要经历了3个时期[17]：第1次生成时期为海期-印支期，三叠系末期埋藏深度达到最大，为正常地温梯度及古地热场，镜质组反射率为1.2%左右，此时为第1次生气时期，生烃量为46.47～81.45m3/t；第2次生气时期为燕山期，此时处于异常古地温时期，煤化作用快速增大促使煤层气二次生成，其作用范围广、持续时间长，生气量达到最大，介于97.86～359.10m3/t之间，为主要成气时期；喜山期的气藏改造和调整阶段，基本不生气。构造热事件主要影响第2次生气阶段，主要表现在以下几个方面[11,18]：

(1)岩浆侵入活动促进煤岩二次生气 岩浆侵入的热力作用促使煤层气化，产生叠加生气，而没有岩浆侵入的地区二次生气不明显，如晋城矿区在晚侏罗世-早白垩世生气量快速增加，最高达160m3/t，而同时期的潞安矿区生气量增加幅度极少，主要靠一次生气(图1)。实验证明，岩浆侵入形成高温高压环境，煤分子发生变化，进一步加大了煤的变质作用，增加热演化程度，进而增加了生气量。

图1 不同区域阶段生气量比较

(2)岩浆侵入活动增加了煤岩孔隙度 利用热解分析仪进行热力烘烤，实验表明，煤岩在经过热力烘烤后，煤岩气孔数量明显增加，原有气孔明显加大。通过统计实验所用煤样热力烘烤后孔隙度、渗透率的变化，认为煤岩孔隙度和渗透率都有不同程度的增加，且随着烘烤时间的增加，孔、渗也不断增加(表2)。

(3)岩浆侵入活动利于形成裂隙系统 岩浆侵入活动形成的高温环境使生气量迅速增加，且远大于煤层的吸附能力，游离气不断向外突破产生突破压力致使煤岩破裂。同时岩浆侵入本身产生构造应力以及热力作用，煤岩更易破裂。岩浆在煤岩层内冷却过程中，由于热胀冷缩作用，还会形成张裂隙。此类裂隙最易发育的地方为流体运移拐角处、凹痕处等应力集中区。总之，岩浆侵入通过产生裂缝增加了煤岩渗透率，改善了煤层导流能力。

表2 热力烘烤实验煤岩孔隙度和渗透率的变化

3.3 水动力特征

水动力作用对煤层气富集成藏及分布有重要作用，水动力强度和方向控制着煤层气的分布[19-21]。研究区为复式向斜构造，通过重力作用，地表大气降水源源不断地通过岩石渗流至向斜轴部，整体呈现出盆地边缘往中心渗流的特征。因此，不同于常规气藏，煤层气气藏向斜部位含气量明显高于背斜部位，向斜轴部含气量高于翼部(图2)。将水动力作用划分为强动力区、弱动力区和滞流区，其中弱动力区和滞流区对煤层气聚集成藏有利。研究区东部为强动力区，含气量小于10m3/t；西部及南部大部分区域为滞流区，含气量普遍大于20m3/t，最高达26m3/t；中部弱动力区分布广泛，含气量一般在18m3/t以上。

图2 研究区3号煤层水动力特征示意

3.4 构造作用

构造作用控制煤层气的生成和保存，对煤层气的聚集成藏有重要作用。

(1)煤层气具有向斜控气的特征[22]。研究区为大型的复式向斜构造，由于向心流动作用，向斜部位煤层气不易散失；向斜轴部气藏水矿化度往往较高，煤层气较少溶于水中；向斜轴部中和面与两翼呈正应力，顶底板裂隙不发育，煤层气易于保存。

(2)研究区石炭系-二叠系煤层沉积时期构造活动强度较弱，活动强度介于西侧鄂尔多斯盆地和东侧华北以东断块之间，地层变形适中、裂隙发育适中，均有利于煤层气的保存[23]。

(3)燕山早期区内应力活动较弱，形成原生型煤层气气藏且基本未被改造；燕山期-喜马拉雅早期在NE-SW向构造应力作用下，对燕山早期形成的NE-SW褶皱进行改造，煤层逐步抬升，但持续时间在0～27Ma之间，持续时间短且回返时间晚，改造破坏程度有限，形成调整型煤层气气藏；喜马拉雅晚期构造应力转变为拉张应力，原有裂隙张开度变大，且形成新的张裂隙，对煤岩储层渗流能力有较大改善[24]。

4 结 论

(1)沁水盆地南部3号煤层煤岩类型以半亮煤为主，煤岩脆性较大，原生、次生裂隙发育且充填程度较低，镜质组含量较高，热演化程度高，煤岩生气潜力巨大。

(2)压汞法测量煤样孔隙度在1.40%～5.87%之间，渗透率(0.06～0.58)×10-3um2，储层较致密，裂隙相对发育，较好地改善了储层渗透性能。

(3)研究区煤层气聚集成藏是多因素控制的，并非单一控制，表现出“协同、互补、共存”的特征。研究认为沉积作用、岩浆侵入活动、水动力作用以及构造作用是成藏主控因素，确定了顶、底板泥岩(致密砂岩)发育区、岩浆侵入活动活跃区、水动力弱-滞留区以及构造活动较弱区为区内煤层气的主要富集区域。

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[责任编辑：施红霞]

Accumulation Main Control Factors and Reservoir Characters of Coalbed Gas in Southern Part of Qinshui Basin of Shanxi Province

PAN Si-dong1，CUI Zhou-da2

(1.Resource School，China Geological University(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Yunnan Enhong Coal Mine，Qujing 655005，China)

It taking the third coal seam of the southern part of Qinshui basin as studying object，then coalbed gas reservoir characters was studied by pressure pump method and scanning electron microscope.Accumulation main control factors were discussed by structural analysis，basin analysis and studying results of predecessors.The results showed that the lithotype of the third coal seam was seimbright coal，fractures developed fully in reservoir layers，the thermal evolution degree of coal and rock mass was high，and the potential that generating hydrocarbon is tremendous，the pore ratio of pressure pump belong 1.40%～5.87%，and permeate ratio is about(0.06～0.58)×10-3um2，reservoir layers is densely，the main reservoir room is pore and fracture.The actions that to coalbed gas accumulation and reservoir were analyzed，which included deposition effect，rock magma invade，water dynamic ，structural effect and so on.After synthesis analysis，the main accumulation zone of coalbed gas were the development zone of mudstone(densely sandstone) in roof and floor，the active zone of magma invading，the weak-retention zone of water dynamic and the weak zone of structural movement.

coalbed gas；reservoir character；accumulation condition；main control factor

2016-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.003

国家自然科学基金(41101098)

潘思东(1965-)，女，云南昆明人，高级工程师，在职博士研究生，主要从事矿产普查与勘探科研及煤层气专业方向的实验教学工作。

潘思东，崔周达.山西沁水盆地南部煤层气储层特征及成藏主控因素研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：11-14.

TE122.2

A

1006-6225(2016)06-0011-04