古交地区上古生界聚煤环境及其对煤层气富集的影响

2021-04-15胡云亭马立涛周龙刚

西部探矿工程 2021年4期

胡云亭，葛岩，张兵，马立涛，吴见，周龙刚

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452；2.中联煤层气有限责任公司，北京100011）

国内外针对煤层气富集规律的研究表明，煤层含气量都受到构造条件、沉积环境和水文地质条件的综合影响[1-3]。聚煤环境是影响煤层气富集的重要因素，只有在有利的聚煤环境（主要包括三角洲、潮坪—泻湖环境）下才会沉积平面上稳定分布、垂向上具有一定厚度的煤层。聚煤环境首先控制了煤层分布范围、煤岩组成、煤层厚度及顶底板岩性，其次影响了煤层气的生成、运移和富集。本次研究以古交地球上古生界山西组、太原组主力煤层为例，研究聚煤环境及其对煤层气富集的影响。

1 区域地质特征

古交探区位于沁水盆地西北部，吕梁山东麓（西山煤田中北部），行政区划属山西省太原市。古交地区上古生界的主要构造格架为南北向构造及北东东向平行断裂，其中南北向构造是控制古交地区的重要构造形式。上古生界石炭—二叠系为本区重要的含煤地层，也是煤层气勘探的重点层位[4-5]。其中二叠系山西组地层厚度为40～80m，平均厚度为60m 左右，与下伏太原组呈整合接触，岩性以陆相碎屑岩沉积为主，由粗、中、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成。石炭系太原组地层厚度为80～120m，平均厚度为95m 左右，岩性以海陆过渡相灰岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤组成。

古交地区含多套煤层，具有工业价值的煤层主要赋存于太原组和山西组，本溪组和下石盒子组所含煤层层数少，厚度小且极不稳定，无开采价值。稳定—较稳定发育、厚度相对较大的煤层有03、2、8和9号煤层，局部发育的可采煤层有5、6号煤层。根据本区煤层发育的特殊性和煤层埋深、厚度及含气量等条件，山西组的2号煤层、太原组8号煤和9号煤煤层段作为煤层气勘探开发的目标层段。

2 聚煤环境分析

从区域构造演化来看，太原组沉积时期，沁水盆地大范围海侵，古交地区主要发育海陆过渡相地层，其物源主要来自于东部[6-7]。在研究区东部为潮间带泥坪沉积，并局部向研究区中部延伸，呈“凸”形。在研究区西部发育潮汐改造的三角洲沉积、潮上带的沿岸沼泽沉积。太原组成煤环境主要为潮坪和沿岸沼泽微相（图1）。

山西组沉积时期，沁水盆地北部物源区快速上升，水下古隆起幅度进一步变缓，海水退去，陆表海面积锐减，晚期过渡到大陆环境。盆地东西分区基本消失，南北差异逐渐增强。因此，古交区块其物源方向为主要来自于北部，在研究区的北部和中部为主河道沉积。分支河道微相岩性以黄色细砂岩为主；天然堤微相主要由灰黑色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩组成；沼泽微相主要为煤层、炭质泥岩以及泥岩沉积。山西组成煤环境主要为三角洲平原河间洼地沼泽微相（图2）。

3 聚煤环境对煤层气富集的影响

3.1 对煤层厚度及煤岩的影响

古交地区煤层标高从北东东至南西西方向逐渐变低，区块西部，受构造控制，存在一北西（NW）走向的向斜—狮子沟马兰向斜，斜穿整个区块，煤层标高在向斜核部最低，向斜两翼不对称，南西翼倾角大于北东翼，煤层埋深呈现四周浅、中间深的特点。

区内煤层厚度与发育受沉积环境的控制作用明显。太原组沉积环境主要为潮坪相，该阶段古交地区泥坪沼泽相发育良好，形成的8号、9号煤层厚度稳定，且厚度较大。太原组8 煤、9 煤煤层段厚度2.08～9.10m，平均5.31m，主要可采煤层8 号煤平均厚度2.62m、9 号煤平均厚度2.69m。太原组煤层厚度及分布特点表明泥坪沼泽的覆水深度适中，更利于泥炭化作用的进行及保存。山西组沉积环境主要为陆相三角洲平原相，在三角洲平原的支流间湾和泛滥盆地发育大面积沼泽化。2 号煤层厚度为0.9～2.8m，平均厚度为1.63m，区块内分布稳定，煤层厚度与沉积相呈现良好的对应关系。在探区中部主河道发育区煤层厚度较薄，东西两侧的泛滥盆地煤层厚度较厚。

根据煤芯样实验分析结果，各主要煤层的宏观煤岩特征极为相近，宏观煤岩组分以亮煤为主，少量的暗煤或镜煤，宏观煤岩类型以半亮型/光亮型煤为主，夹有少量的半暗型及暗淡型。煤层主要为线理状、条带状结构，块状构造，有时可见层理结构。太原组各煤层可见星散状黄铁矿结核。2 号煤显微组分中有机组分以镜质组为主，镜下鉴定多为基质镜质体、均质镜质体，有少量的碎屑镜质体；惰质组多为氧化丝质体。8号、9号煤显微组分中以镜质组为主，多为均质镜质体，其次为基质镜质体。基质镜质体中常分布有粗粒体和粘土颗粒。组分之间的条带性较2号煤层明显。

2号煤层镜质组最大反射率平均值为1.78%，相当于瘦煤阶段；8 号煤层镜质组最大反射率平均值为1.8%，相当于瘦煤阶段；9 号煤层镜质组最大反射率平均值为1.79%，相当于瘦煤阶段。垂向上2号煤层浮煤挥发分高于太原组9号煤层，表明9号煤的变质程度增高；同样2、8、9号煤层的镜质组最大反射率逐层递增，也表明下组煤的变质程度要高于上组煤，符合希尔特定律。综合本区主要煤层的煤化学与煤岩学的各项指标分析，本区煤的变质阶段属中变质阶段，相应的煤类为瘦煤—贫瘦煤。

3.2 对煤层气藏围岩的影响

二叠系山西组地层为一套泥岩和砂岩交互沉积地层，泥岩沉积厚度大，且连续稳定。2 号煤顶板大多为灰黑色、灰色砂质泥岩，水平状层理，偶见少量云母碎片，次生裂隙较发育，方解石脉充填，局部为灰色细砂岩，全区岩性稳定。一般靠近煤层，逐渐变细，有时有炭质泥岩。底板一般为深灰色砂质泥岩，具水平层理或波状层理。局部为泥质粉砂岩和泥岩。顶板—煤层—底板沉积组合以沼泽—沼泽—天然堤组合和天然堤—沼泽—天然堤组合为主。

石炭系太原组地层为一套灰岩、泥岩和砂岩交互沉积地层，且连续稳定。8 号煤顶板为灰黑色、黑色炭质泥岩和泥灰岩，全区稳定，炭质含量较高，性脆，易碎，断口较平整，不规则次生裂隙较发育，断面可见少量的黄铁矿结核与植物化石。底板一般为深灰色砂质泥岩、泥岩，致密，坚硬，断口较平整，具水平层理，少量次生裂隙，可见少量黄铁矿。9号煤顶板为深灰色砂质泥岩、泥岩、细砂岩，全区稳定，次生裂隙较发育，断面可见擦痕及黄铁矿晶片。底板一般为灰色砂质泥岩，砂质分布不均匀，局部较重，具水平层理，次生裂隙发育，可见少量黄铁矿。顶板—煤层—底板沉积组合以泥坪—沼泽—泥坪组合和灰坪—沼泽—泥坪组合为主。

因此，从聚煤环境对煤层气围岩影响的角度来看，山西组沼泽—沼泽—天然堤组合和太原组泥坪—沼泽—泥坪的沉积组合更有利于煤层气藏的富集和保存。

3.3 对煤层气含气性的影响

聚煤环境直接控制了煤层分布、厚度及煤质，从而影响煤层气的含气性[8-10]。研究表明：从煤层对煤层气含气性影响的角度来看，主要是煤层厚度、显微组分和灰分对煤层含气性影响较大。

（1）煤层厚度：煤层气运移以扩散为主，两点间的浓度差是运移的动力，煤层越厚，煤层气向外部运移的路径就越长，扩散阻力就越大，对煤层气的保存就越有利。由图3可以看出，整体上随煤层厚度增加，含气量逐渐增加，整体上两者存在正相关关系。

图3 煤层厚度与含气量的关系

（2）显微组分：煤储层中以吸附气为主，甲烷主要吸附于有机显微组分表面或呈游离气、溶解气状态存在于各种原生孔、粒间孔、外生孔和变质孔内，孔隙度越大，微孔、小孔含量越高越有利于气体的吸附。由图4 可看出，随有机显微组分含量升高，煤储层气体含量逐渐升高，且研究区惰质组含量与含气量有较好的线性关系。无机物质表面和甲烷气体之间没有亲和力，因此无机组分含量越高，越不利于气体的吸附。随无机组分含量的升高，含气量逐渐降低。