山西省吉县桑峨勘查区煤层气成藏地质特征

张 彪，黄 勇，孙国忠

(北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100040)

山西省吉县桑峨煤炭勘查区位于鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范区南部的大宁-吉县地区，主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组。基本构造形态为走向北东，向北西倾斜的单斜构造，倾角一般为5°～15°，先期开采地段内未发现落差大于20m的断层，区内未发现岩浆岩。本区以贫煤为主，无烟煤、贫瘦煤、瘦煤次之。前人在大宁-吉县和临汾地区煤层气基础地质特征、成藏控制因素和煤层气资源评价等方面开展了很多研究工作[1-7]。但勘查区煤层气成藏地质特征研究和资源评价工作较为欠缺。本文在前人研究成果基础上，结合桑峨勘探区煤炭勘探成果，系统分析了本区煤层气成藏地质特征，为下一步煤层气勘探开发部署和井下瓦斯抽采提供依据。

1 勘查区地质特征

1.1 构造特征

桑峨勘查区位于鄂多斯盆地东缘南段河东煤田乡宁矿区的中部。东以紫荆山断裂带与晋西隆起带相连，西接鄂尔多斯盆地延长矿区，属盆地内稳定型海陆交互相含煤碎屑沉积，由于从晚石炭世至早二叠世早期成煤物质充分，沉积环境稳定，同时又连续沉积了晚二叠世及早三叠世厚度较大的陆相碎屑岩，形成含煤岩系的盖层，有利于含煤岩系的赋存。古生代以后的燕山运动、喜马拉雅运动对本区影响不大，所以煤田内主要可采煤层厚度较大，层位稳定，构造简单。

受紫荆山断褶带的影响和控制，本区地层走向为北东，向北西倾斜的单斜构造，倾角一般为5°～15°，在此基础上发育与走向大致平行的短轴褶曲，断层不发育，未发现陷落柱及岩浆岩侵入，构造简单。

据地质填图、二维地震及钻探资料，区内主要有武庄向斜、武庄背斜及落差大于30m的断层一条，小于30m的断层两条。

1.2 沉积特征

本区含煤地层包括二叠系下统山西组，石炭系上统太原组及石炭系中统本溪组，含煤地层总厚115m±，共含煤10层，煤层总厚11.3m，其中有经济价值的可采、局部可采煤层4层，可采总厚5.5m。

山西组主要可采煤层2号煤层、3号煤层赋存于本组下部，局部可采煤层2上煤层位于山西组中部。2号煤层与3号煤间距为0.40～2.40m，以含炭泥岩为主，3号煤层底板一般为泥岩、砂质泥岩。表明煤层形成于河控三角洲上平原环境，由于煤层在聚积期间地壳相对稳定，成煤物质充分堆积与补偿均衡，泥炭沼泽长期发育，形成全区普遍发育的中厚煤层。但是在沿分流间湾地带水体深度变化较大，东南部出现2号煤层分叉现象；2号煤层上5m±含局部可采的2上煤层。

太原组为以碎屑岩、碳酸盐岩夹煤层的沉积，其沉积环境为滨海平原上的潮坪、浅水碳酸盐台地及泥炭沼泽。9号煤层位于太原组下段，其直接顶板为K2石灰岩，9号煤层厚度变化较大，在本区东南部厚度较大，西部厚度较小，中部一般不可采。

2 煤层发育特征

2.1 煤层展布特征

2.1.1 山西组煤层

本组厚32.50～59.50m，平均厚45.21m，含煤4层(1号煤、2上煤层、2号煤层、3号煤层)，煤层总厚2.02～6.90m，平均5.13m，在勘查区的西南较厚，含煤系数平均11.34%，其中可采、局部可采煤层三层(2上、2、3号煤层)，可采煤层平均总厚4.40m，可采煤层系数9.73%。

图1 山西组煤层厚度等值线图Figure 1 Shanxi Formation coal seam isopach

2.1.2 太原组煤层

本组地层厚39.40～96.35 m，平均厚度66.17m，含煤5～7层(5号煤层、6号煤层、7号煤层、8号煤层、9号煤层、10号煤层)，煤层总厚0.75～5.91m，平均2.68m，在勘查区的西南部和勘查区的东部煤层较厚；含煤系数1.09～7.70m，平均4.02%，在勘查区的西南部和勘查区的东部含煤系较高，可采煤层1层，可采总厚1.22m，可采含煤系数1.84%。

图2 太原组煤层厚度等值线图Figure 2 Taiyuan Formation coal seam isopach

2.2 煤层埋深特征

2.2.1 山西组煤层

本组煤层埋深一般埋深在590～1 100m，ZK04井附近埋深最大部分超过1 100m，ZK16井附近煤层埋深较浅一般在600m左右。以2号煤层为例(图3)，埋深总体呈向东变浅的趋势，西部埋深以大于900m为主，东部煤层埋深一般小于800m。

图3 2号煤埋深等值线图Figure 3 Coal No.2 buried depth isogram

2.2.2 太原组煤层

本组煤层埋深一般埋深在700～1 200m，ZK04、ZK31井附近埋深最大部分地区超过1 200m，ZK08、ZK16井附近煤层埋深较浅一般在700m左右。以9号煤层为例，埋深总体呈向东变浅的趋势，西部埋深以大于1 000m为主，东部煤层埋深一般小于900m，ZK04-ZK09-ZK31一线埋深最大。

图4 9号煤埋深等值线图Figure 4 Coal No.9 buried depth isogram

3 煤储层特征

3.1 煤岩煤质特征

各煤层一般为块状，内生裂隙比较发育。宏观煤岩类型2号煤层、9号煤层以半光亮煤为主，2上、3号煤层以半暗煤为主，最大镜煤反射率2号煤层2.35%～2.54%，3号煤层2.40%～2.50%，9号煤层2.47%～2.60%，属变质程度较高的瘦煤及贫煤，各煤层仅东南部最大镜煤反射率低于1.9%。煤类2上、2号煤层以低灰、低硫高热值贫煤为主，东南部有少量瘦煤、贫瘦煤，西北部有少量的无烟煤；3号煤层以低灰、中硫、高热值贫煤为主，东南部有少量瘦煤、贫瘦煤，西北部有少量的无烟煤；9号煤层以中灰、中高硫、高热值贫煤为主，东南部有少量贫瘦煤，西北部有少量的无烟煤。

3.2 煤层渗透性及储层压力

为了取得各可采煤层的原始渗透率及储层压力参数，分别在ZK50、ZK38、ZK01对2号煤层及9号煤层采用注入/压降法进行了煤层气试井，并取得了有关参数。

试井成果表明，本区煤层渗透率均小于0.05mD，一般在0.015～0.04mD，本区各煤储层均为超低渗透率煤储层。

表1显示，本区2+3号煤层储层压力为3.32～5.78MPa，储层压力梯度为3.60～5.78kPa/m；9号煤层储层压力为3.30～4.68MPa，储层压力梯度为3.37～5.00kPa/m，均属欠压煤储层。

表1 煤层注入/压降试井数据表Table 1 Data sheet of coal seam injection/falloff test well

4 含气性特征

4.1 煤层含气性

根据各煤炭勘探钻孔采取的煤层气样及少数煤层气井煤层气含气量，勘查区各煤层含气量：2号煤层煤层气含量为0.20～19.40m3/t，平均4.97m3/t；3号煤层煤层气含量为0.41～16.52m3/t，平均5.85m3/t；9号煤层煤层气含量为0.46～26.56m3/t，平均7.94m3/t。

从平面分析，煤层气分布特征是各煤层气含气量变化幅度较大，一般以勘查区北部含气量较高，东部较低，西部含气量大于8m3/t的零星分布。

4.2 煤层含气饱和度

根据2号煤层和9号煤层气等温吸附试验数据计算本区煤层气含气饱和度特征(表2)，本区煤层含气饱和度分布范围为57%～66%，多呈欠饱和状态。临界解吸压力一般小于1.5MPa，地解压差较大不利于煤层气解吸。

表2 含气饱和度等参数情况表Table 2 Gas saturation and other parameters

5 煤层气保存条件

保存条件是影响煤层气富集成藏的又一关键因素，煤层气保存一般受构造、围岩封闭性和地下水动力条件的影响。本区为北西倾的单斜构造，倾角较缓，断层不发育，未发现陷落柱及岩浆岩侵入，构造简单。构造条件对于煤层气的富集成藏较为有利，构造条件对煤层气资源分布的影响较小。因此，对于本区煤层气保存条件的分析应主要从盖层发育特征和地下水动力条件两方面入手。

5.1 盖层发育条件

煤层直接盖层为泥岩区是煤层气成藏的最有利地区，灰岩盖层区煤层气成藏条件一般，砂岩盖层区煤层气成藏条件较差[7]。桑峨勘查区所处的大宁地区煤系区域盖层条件较优越，从上石盒子组到太原组发育多层泥岩，成为石炭-二叠纪煤层很好的区域盖层，尤其是下石盒子组，不仅岩性细、厚度大，而且直接覆盖在煤系上，对含煤地层起到了良好的封盖作用[6]。

就桑峨勘查区而言，本区煤层上覆地层泥岩发育广泛，其中三叠系和尚沟组、二叠系石千峰组上部和二叠系下石盒子组发育多套稳定分布的泥岩，此外其他地层也多以泥岩、中-细粒砂岩为主，为山西组和太原组煤层气的保存提供了良好的盖层封闭条件。煤系地层本身也具有良好的盖层保存条件，以2号煤顶板为例，岩性以泥岩和砂质泥岩为主，其次为粉砂岩，细砂岩零星分布。煤层顶板泥岩发育区为勘查区煤层气富集的潜在目标区。

图5 2号煤层顶板岩性分布图Figure 5 Coal No.2 roof lithologic distributions

5.2 水文地质条件

桑峨勘查区内地质构造简单，从区域水文地质资料分析，勘查区位于禹门口泉域深部的径流区，各含水层主要依靠大气降水补给。深层承压水主要受地质构造控制，接受裸露区补给，沿岩层倾向运移。二叠系上、下石盒子组泥岩、 粉砂岩隔水层(段)以泥岩、含铝质泥岩及粉砂岩为主，间夹细粒砂岩，泥岩、粉砂岩裂隙不发育，隔水性好，对上覆含水层及地表水起到良好的阻隔作用。山西组底及太原组上部泥岩、粉砂岩隔水层(段)岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主间夹细砂岩薄层，同时本区断裂不发育，隔水性能较好。太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层(段)岩性主要以铁质泥岩、铝土质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩等组成，岩性致密，区内分布广泛，为奥灰岩溶水与含煤地层之间的重要隔水层。

综上分析，桑峨勘查区总体处于地下水径流区，接受大气降水补给，山西组和太原组煤层顶底板均具有良好的隔水层，弱径流区将是本区煤层气勘查的主要目标区。

6 结论

(1)桑峨勘查区断层不发育，构造简单，煤层气厚度大，埋深适中，具有良好的煤层气勘探基础。

(2)本区各煤储层均为超低渗透率、欠饱和煤储层，含气饱和度小于70%，多呈欠饱和状态，地解压差较大不利于煤层气解吸，勘查区北部含气量较高，为本区煤层气潜在富集区。

(3)构造条件对本区煤层气资源分布的影响较小，本区煤层气勘查应主要考虑盖层条件和水文地质条件；本区煤层上覆地层及煤系地层泥岩发育广泛，具有良好的盖层封闭条件；本区处于地下水径流区，弱径流区将是本区煤层气勘查的主要目标区。