楊秀春 劉之的 陳彩紅 張繼坤 周 科 李建東

(1．中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028;2．西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 710065)

鄂東氣田煤層埋深適中 (500～1500m)，原始滲透率較高 (一般達(dá)到 1×10－3μm2)，煤層厚(單層厚度3～8m，累計(jì)厚度8～13m)，含氣量高(12～23m3/t)，以肥、焦煤為主，有少量瘦、貧煤，具有適合煤層氣開發(fā)的優(yōu)質(zhì)地質(zhì)條件。對(duì)鄂東氣田煤層氣富集的影響因素進(jìn)行研究，有助于查明煤層含氣特征及煤層氣的分布規(guī)律，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)具有重要的指導(dǎo)意義。本文從煤層氣儲(chǔ)層構(gòu)造特征、沉積特征、煤巖煤質(zhì)、煤層頂?shù)装宄练e相組合以及水文地質(zhì)條件等方面探討研究區(qū)內(nèi)的煤層氣富集機(jī)制，查明煤層氣富集的地質(zhì)因素，以期為煤層氣的開發(fā)和煤礦的安全生產(chǎn)做出一定的指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

韓城礦區(qū)隸屬陜西省韓城市、合陽(yáng)縣管轄。韓城礦區(qū)煤炭開發(fā)歷史悠久，煤炭工業(yè)儲(chǔ)量27.7×108t，該地區(qū)的煤質(zhì)優(yōu)良，厚度穩(wěn)定。

研究區(qū)在構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地渭北隆起的東南緣，東面以黃河和韓城大斷裂為界，南臨渭河地塹，西南與澄臺(tái)礦區(qū)毗鄰。鄂爾多斯盆地石炭～二疊系含煤層段主要處于二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)本溪組，其中山西組山2段的5號(hào)煤和本溪組本1段的8號(hào)煤是煤層氣勘探的主力煤層。盆地東部環(huán)形帶上已做二維地震勘探2510km2，天然氣井48口，煤炭鉆孔271口，煤層氣直井409口，煤層氣水平井19口，其中煤層試氣井227口。在韓城地區(qū)煤層氣已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)。

2 構(gòu)造特征對(duì)煤層氣富集的影響

2.1 研究區(qū)構(gòu)造特征

研究區(qū)位于陜西渭北石炭－二疊紀(jì)煤田東部邊緣。工區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)比較復(fù)雜，在區(qū)域構(gòu)造和基底構(gòu)造背景控制下，地層走向總體呈北東向，東南翹起，向北西方向緩傾的單斜構(gòu)造。構(gòu)造的總體特征為南強(qiáng)北弱、東強(qiáng)西弱、邊淺部復(fù)雜、深部簡(jiǎn)單、南北分區(qū)性明顯，即北區(qū)擠壓構(gòu)造形跡發(fā)育較多，南區(qū)拉伸構(gòu)造形跡占據(jù)主導(dǎo)，主要構(gòu)造變形帶集中在礦區(qū)東南邊緣地帶。主要發(fā)育一組東西向的正斷層和一組近南北向的逆斷層，兩條近東西向斷層(F1，F(xiàn)2)具有走滑性質(zhì) (圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

F1斷層位于韓城地區(qū)中偏北部，為一條近東西走向的北傾斷層，具有明顯的走滑性質(zhì)，最大斷距280m。F2斷層位于韓城地區(qū)中部，為一條近東西走向的南傾斷層，具有明顯的走滑性質(zhì)，最大斷距240m。F3斷層位于韓城地區(qū)中南部，為一條近東西走向的南傾正斷層，橫向上斷距變化大，最大斷距460m。F4斷層位于韓城地區(qū)南部，為一條近南北走向的西傾逆斷層，上下盤地層產(chǎn)狀差異很大，最大斷距300m。F5斷層位于合陽(yáng)工區(qū)西部，走向北北東，傾向北西西，最大斷距360m。F6斷層位于合陽(yáng)工區(qū)東部，走向北北東，傾向北西西，與F5近于平行，最大斷距200m。

韓城地區(qū)地層總體表現(xiàn)為東南淺西北深、北東走向的構(gòu)造斜坡。西北部邊緣地帶，3號(hào)煤層埋深最大達(dá)1100m，11號(hào)煤最大深度為1500m。全區(qū)60%以上煤層埋深在500～1000m深度范圍內(nèi)，這對(duì)煤層氣成藏和勘探開發(fā)十分有利。中南部地區(qū)斷層復(fù)雜化程度較高，地層的產(chǎn)狀變化較大;而北部地區(qū)受斷層影響小，地層產(chǎn)狀穩(wěn)定。

2.2 構(gòu)造因素

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其形成的斷層和褶皺，對(duì)煤層氣起著一定程度的控制作用。成煤期后地殼的抬升運(yùn)動(dòng)會(huì)打破煤層中原有的吸附平衡條件，使吸附氣和游離氣相互轉(zhuǎn)化，在封存條件不利的情況下，易使煤層氣運(yùn)移逸散。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷裂對(duì)煤層氣的保存和逸散起著重要的影響作用:逆斷層或壓性走滑斷層多屬壓性、壓扭性，斷層面為密閉性，封閉性能好;同時(shí)斷層面附近成為構(gòu)造應(yīng)力集中帶，利于煤層氣吸附量增加，煤層本身裂縫增多;正斷層或拉張性走滑斷層為張性斷層，斷層面一般為開放性，往往為煤層氣運(yùn)移的通道，同時(shí)斷層面附近為低壓區(qū)，煤層氣大量解吸，造成了含氣量下降。但是韓城大斷層的伸展在一定程度上還導(dǎo)致了煤田內(nèi)部受到擠壓，這正是本區(qū)構(gòu)造封閉條件好，煤層氣含量高，壓力大的重要原因。

喜山期太平洋板塊向北西西方向擠壓，致使北東向擠壓帶的大部分受汾渭斷陷影響而深埋于新生界之下，其殘留部分發(fā)生了強(qiáng)烈褶皺、逆沖推擠和巖層直立倒轉(zhuǎn)，僅保存于韓城煤層邊淺地帶。強(qiáng)烈擠壓帶的邊界即為地層陡傾變緩傾的轉(zhuǎn)折線的界線，它成為韓城礦區(qū)深部煤層氣的封存邊界。

韓城礦區(qū)南部前期擠壓較弱，后期伸展較為強(qiáng)烈，且伸展邊界逼近早期擠壓的邊界。礦區(qū)北部印支期、燕山期擠壓較為強(qiáng)烈，喜山期伸展則相對(duì)較弱，伸展邊界未接觸擠壓邊界。恰是該種由南至北逐漸減弱的邊部擠壓環(huán)境和伸展環(huán)境，造就了F2斷層北部處于較為封閉的構(gòu)造環(huán)境之中，為煤層氣的儲(chǔ)集和封存創(chuàng)造了良好的構(gòu)造條件;而F2斷層以南各井煤層氣含量相對(duì)較低，也正好證明了研究區(qū)南北構(gòu)造環(huán)境對(duì)煤層氣富集的控制作用不同。

3 沉積相特征及對(duì)煤層氣富集的影響

3.1 沉積相類型

沉積相是指沉積環(huán)境及該沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)。由于研究區(qū)針對(duì)巖心、錄井及分析化驗(yàn)資料稀少，缺乏直接相標(biāo)志，僅有二維地震、測(cè)井曲線及部分井的錄井，所以本研究依托錄井及測(cè)井解釋的巖性組合、測(cè)井相分析、地震相分析等手段，研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別出8種主要的沉積相類型。其中太原組發(fā)育三角洲、潮坪－瀉湖－障壁島－局限淺海－碳酸鹽臺(tái)地 (障壁海岸沉積體系)、潮坪－局限淺海－碳酸鹽臺(tái)地沉積體系 (無(wú)障壁海岸沉積體系)(圖2)，局部可見河口灣和潮汐三角洲，沉積相類型豐富，以碎屑巖－碳酸鹽巖混合沉積為主要特征;山西組沉積類型相對(duì)較為單一，發(fā)育一套三角洲相沉積，主要為三角洲平原和三角洲前緣亞相，前三角洲不發(fā)育。

圖2 韓城礦區(qū)下二疊統(tǒng)沉積綜合柱狀圖

3.2 沉積相平面展布特征

(1)太原組

太原組經(jīng)歷了多期海侵－海退旋回，可以歸納為3個(gè)長(zhǎng)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組底部泥巖為起點(diǎn)，以廟溝灰?guī)r底部為終點(diǎn)，該沉積時(shí)期物源主要來(lái)自于西北方向，碎屑物向東南方向注入盆地，形成三角洲相沉積，但分布范圍較小，僅分布在韓試4井、韓試6井、韓試8井一帶以及研究區(qū)北部WLC09、WCL10、韓試17井附近 (圖3)。研究區(qū)的其他大部地區(qū)發(fā)育了潮坪－瀉湖－障壁島－局限淺海相沉積。該旋回底部沉積了11號(hào)煤。在海平面升降旋回來(lái)看，11號(hào)煤形成于旋回下部，發(fā)育于海退－海侵的轉(zhuǎn)換面，與上覆地層有比較大的沉積間斷，因此，煤層底板作為煤層沉積的載體，其沉積相特征對(duì)上覆煤層沉積演化尤為重要。在WLC01井以南地區(qū)，11號(hào)煤層底板巖性主要為本溪組的鋁土質(zhì)泥巖，是奧陶系灰?guī)r的風(fēng)化殘積物，以碎屑或膠體溶液方式被地表水搬運(yùn)到海灣－瀉湖邊緣沉積而成，主要起填平補(bǔ)齊作用，這一時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)較弱，碎屑沉積體系能量較低，活動(dòng)性差，幾乎廢棄，因此分布范圍及厚度主要受古地貌影響，11號(hào)煤就形成于這種低能沉積體系之上，主要成煤環(huán)境為濱岸泥炭沼澤，受古地貌影響明顯，在合陽(yáng)地區(qū)、韓試8井區(qū)相對(duì)地形較高的地區(qū)缺失，成煤中心集中在WLC06、WLC03井附近潮坪、瀉湖沉積區(qū)，向南北厚度減薄。在WLC01井以北地區(qū)，11號(hào)煤層底板主要為三角洲泛濫平原沉積，沉積體系活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)，由于受到較高古地形及分流河道沖刷影響，煤層較薄。

中期海侵旋回以廟溝灰?guī)r底部為起點(diǎn)，以廟溝灰?guī)r頂部或其上的碳質(zhì)泥巖、煤層頂部為終點(diǎn)。該沉積時(shí)期研究區(qū)經(jīng)歷了二疊系最大規(guī)模的一次海侵，海侵方向?yàn)槟蠔|，陸源碎屑物停止注入，全區(qū)沉積了一套碳酸鹽臺(tái)地相的海相生物灰?guī)r。

晚期海退旋回以廟溝灰?guī)r頂部泥巖為起點(diǎn)，以5號(hào)煤頂部為終點(diǎn)。該沉積時(shí)期海平面總體呈下降趨勢(shì)，沉積體系向海推進(jìn)，除研究區(qū)東北部三角洲相發(fā)育外，其他地區(qū)陸源供應(yīng)幾乎停止，障壁海岸沉積和無(wú)障壁海岸沉積同時(shí)發(fā)育 (圖3)，局部發(fā)育河口灣和潮汐三角洲。

圖3 韓城地區(qū)太原組沉積相平面分布圖

(2)山西組

山西組物源區(qū)來(lái)自于北東方向，地層厚度整體自南向北厚度增加，工區(qū)南部、東南部為主要的沉積中心。山西組沉積相類型較單一，發(fā)育三角洲沉積體系，主要為三角洲平原和三角洲前緣亞相，前三角洲不發(fā)育。其中分流河道砂體較發(fā)育，有利的成煤區(qū)泛濫平原亞相泥炭沼澤微相不發(fā)育，主要的成煤演化模式與太原組三角洲沉積類似。

3.3 沉積相對(duì)煤層氣富集的控制作用

研究區(qū)3號(hào)煤形成于暫時(shí)性的較小規(guī)模的海退－海侵間斷期，泥炭沼澤持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，而且本區(qū)三角洲相分流河道砂體發(fā)育，泥炭沼澤分布范圍較小，河流改道沖刷作用較強(qiáng)，因此煤層分布不廣，連續(xù)性較差，且分叉多，灰分多，不利于煤層氣的富集。

5號(hào)煤形成于太原組晚期海退階段的頂部，該海退階段潮坪、瀉湖相沉積聚煤作用明顯，陸源碎屑活動(dòng)較少，主要受潮汐作用影響，海退期濱岸沉積體系向海進(jìn)積，瀉湖、局限淺海發(fā)生淤積，泥炭沼澤范圍不斷擴(kuò)大，與山西組沉積間斷時(shí)間較長(zhǎng)，因此煤層在全區(qū)均有沉積，而且以潮坪－瀉湖－障壁島沉積體系聚煤作用最強(qiáng)，因此山西組三角洲相頂板保存條件是該煤層氣富集與否的關(guān)鍵，山西組早期也經(jīng)歷了小規(guī)模的海侵階段，全區(qū)沉積了面積分布較廣的泥巖頂板，僅在部分地區(qū)見河道砂巖沖刷下伏煤層，致使煤層灰分增加，結(jié)構(gòu)疏松，夾矸增多，對(duì)煤層氣富集不利。

11號(hào)煤形成于早期小規(guī)模海侵及大規(guī)模海退之前，在本溪組鋁土質(zhì)泥巖沉積之后，這一時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)較弱，碎屑沉積體系能量較低，活動(dòng)性差，幾乎廢棄，因此11號(hào)煤與上覆活動(dòng)的沉積體系之間間斷時(shí)間較長(zhǎng)，處于大的海退與海侵的間隔期，為陸表海的濱岸沉積，是有利的聚煤帶。除合陽(yáng)、韓試8井區(qū)等因?yàn)榈貏?shì)較高煤層不發(fā)育外，其他全區(qū)均有不同程度沉積，在局部沉積了較厚的煤層。之后海侵的局限淺海泥巖作為有利的蓋層，對(duì)煤層氣的保存十分有利。

4 煤變質(zhì)作用和煤巖特征對(duì)煤層氣富集的影響

4.1 煤變質(zhì)作用

我國(guó)與美國(guó)區(qū)域地質(zhì)條件明顯不同，美國(guó)是一個(gè)單一大陸的一部分;而我國(guó)剛是由一些小型地臺(tái)、中間地塊、眾多微地塊及其間的褶皺帶鑲嵌起來(lái)的復(fù)合大陸。對(duì)比我國(guó)與美國(guó)煤巖的古地溫場(chǎng)和熱史、生烴史的演化可知，美國(guó)的煤變質(zhì)以深成變質(zhì)作用為主，煤階主要為中、低煤階煙煤;而我國(guó)高煤階煤除了印支期的深成變質(zhì)作用外，在燕山期經(jīng)歷了異常高的古地?zé)釄?chǎng)演化，煤階大幅度提高，達(dá)到了貧煤和無(wú)煙煤。高煤階煤一般都經(jīng)歷了一到兩個(gè)生氣高峰，在異常高的古地溫場(chǎng)下發(fā)生的二次生氣作用生氣量巨大，為煤層氣的富集成藏提供了強(qiáng)大的氣源，因此，我國(guó)高煤階煤層的含氣性普遍較好，含氣量普遍較高。

圖4 煤層含氣量與鏡質(zhì)組最大反射率關(guān)系圖

煤變質(zhì)程度關(guān)系到煤層的生氣量及煤儲(chǔ)層特性等問題。研究區(qū)內(nèi)主力煤層鏡質(zhì)體反射率總體較高，屬于貧煤，一般Ro分布在1.92% ～2.59%之間，根據(jù)韓城礦區(qū)實(shí)測(cè)煤層含氣量統(tǒng)計(jì)表明，盡管研究區(qū)煤層含氣量與Ro之間離散性較大 (圖4)，還是可以明顯的看出含氣量 (空氣干燥基)，隨Ro的增大而增大的規(guī)律。

4.2 煤巖特征

(1)宏觀煤巖特征

區(qū)內(nèi)煤巖類型以光亮煤為主，半亮煤居中，暗淡煤次之，光亮煤以寬條帶結(jié)構(gòu)為主，呈碎塊狀、粉狀。縱向與半亮煤和暗淡煤呈層狀過渡，部分為無(wú)泥巖夾矸的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，部分為含夾矸的復(fù)雜煤體，泥巖夾矸層厚0.1～1.0m。5號(hào)煤層與8號(hào)煤層相比，前者夾矸明顯高于后者，5號(hào)煤層一般含夾矸1～2層，夾矸厚度0.5～1m;8號(hào)煤層在吉試4井南北一線不含夾矸，向東夾矸率增加，吉試6井8號(hào)煤層夾矸率大于3m以上。煤層夾矸薄厚與沉積環(huán)境有關(guān)，5號(hào)煤層為陸相成煤環(huán)境，河流的頻繁遷移擺動(dòng)，使其夾矸率增加;8號(hào)煤層為海陸過渡相成煤環(huán)境，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，從而煤層夾矸率降低。煤層夾矸與煤層灰分對(duì)含氣量的影響有所區(qū)別，一般說(shuō)來(lái)，煤層灰分越高，含氣量降低，而煤層夾矸如果整體夾在煤層之中，可起到層間封蓋的作用。

表1 韓城礦區(qū)主要煤礦煤樣顯微組分分析成果表

(2)顯微煤巖特征

研究區(qū)內(nèi)煤的顯微組分特征見表1，韓城礦區(qū)煤的顯微組分以鏡質(zhì)組含量為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組極少，屬于腐殖煤。本區(qū)煤中礦物含量較低，且主要以單體形態(tài)賦存在煤中。煤中礦物主要為粘土礦物，黃鐵礦，方解石等，細(xì)胞腔中填充較少，可見充填于裂隙中的方解石。

全區(qū)煤的鏡質(zhì)組含量一般在60%～85%之間，平均約70%左右，屬于中、高鏡質(zhì)組含量。惰質(zhì)組含量一般在15%～40%之間，平均為30%左右，屬于高惰質(zhì)組含量。由于煤變質(zhì)程度較高，全區(qū)殼質(zhì)組含量很少，幾乎不發(fā)育。

4.3 煤質(zhì)特征

煤層煤質(zhì)分析結(jié)果表明，韓城礦區(qū)的煤具有中－高碳含量、較低揮發(fā)份、中－高灰分且變化大的特點(diǎn) (表2)。

(1)固定碳

研究區(qū)主力煤層的碳含量較高，一般都在60%以上，最高可達(dá)84.5%。其中3號(hào)煤層的平均碳含量為61.53%左右，5號(hào)煤層的平均碳含量為65.05%左右，11號(hào)煤層平均碳含量為58.86%?？傮w來(lái)看，該區(qū)較高的碳含量為該區(qū)煤層氣的大量生成提供了良好的源巖條件。

(2)揮發(fā)分

研究區(qū)揮發(fā)分變化范圍在4.70%～17.16%之間，平面上呈現(xiàn)由東北向西南方向逐漸減少的趨勢(shì)。位于研究區(qū)北邊的兩口井WLC09、WLC10井揮發(fā)分較高，分別為16.52%、17.16%，而位于研究區(qū)南邊的合試2井、合試3井的揮發(fā)分明顯減小，分別為7.64%和6.69%，顯示了中高變質(zhì)煤的特點(diǎn)。

(3)灰分

煤的工業(yè)分析成果表明，該區(qū)的灰分產(chǎn)率為7.41%～58.62%，多數(shù)分布在15% ～25%左右。其中5號(hào)煤層灰分產(chǎn)率在8%～36.64%左右，平均為23.28%;11號(hào)煤層灰分產(chǎn)率在9.52%～32.73%左右，平均為24.39%。在平面上灰分產(chǎn)率呈現(xiàn)由東北向西南逐漸增高的趨勢(shì)。

(4)水分

對(duì)該區(qū)煤質(zhì)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)主力煤層的水分含量一般較低，平均含量0.31% ～2.12%左右。其中5號(hào)煤層的水分含量為0.4% ～2.12%，平均為1.42%;11號(hào)煤層的水分含量為0.31%～2.05%，平均為1.43%。

表2 韓城地區(qū)主要井田煤巖工業(yè)分析成果表

5 上覆地層厚度和煤層頂?shù)装宄练e相組合對(duì)煤層氣富集的影響

5.1 上覆地層厚度

在韓城礦區(qū)，根據(jù)鉆孔實(shí)測(cè)煤層含氣量和煤層深度統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，本區(qū)煤層含氣量在小于800m的范圍內(nèi)隨著埋深的增加，含氣量的增加比較快;但是在埋深大于800m的范圍內(nèi)隨著煤層埋深的增加含氣量的增加緩慢，且很接近一條對(duì)數(shù)曲線(圖5)。

圖5 含氣量與埋深關(guān)系圖

5.2 煤層頂?shù)装宄练e相組合

太原組為海陸交互相沉積，是區(qū)內(nèi)主要含煤地層之一。本組厚度26～86.85m，一般厚50～60m，發(fā)育11號(hào)、5號(hào)煤層，與下伏地層呈整合接觸。山西組為陸相沉積，巖性主要為長(zhǎng)石石英雜砂巖，其次為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤層 (3號(hào))，本組厚度35～115m，一般厚40～70m，與下伏地層呈整合接觸。

太原組11號(hào)煤主要形成一套活動(dòng)性較差的廢棄沼澤體系，5號(hào)煤主要形成于潮坪上的泥炭沼澤(泥炭坪)，瀉湖淤積后形成的湖泊沼澤也是比較有利的成煤環(huán)境，但本質(zhì)上仍為泥炭坪沉積向?yàn)a湖方向進(jìn)積形成，山西組3號(hào)煤成煤環(huán)境主要為三角洲平原上的泥炭沼澤。

對(duì)比幾套主力煤層的頂?shù)装宄练e相可以看出，3號(hào)煤有利的底板－頂板組合為分流間灣－分流間灣或分流間灣－泥炭沼澤，其中分流間灣－分流間灣組合形成的煤層厚度受頂板海退－海侵間斷時(shí)間的影響較大，但煤層保存條件好，較穩(wěn)定，不利的組合為泥炭沼澤－分流河道或泥炭沼澤－泛濫平原，形成的煤層較薄，分布不穩(wěn)定，且灰分高，煤層氣保存條件差。5號(hào)煤頂板為山西組三角洲相沉積，有利的底板－頂板組合為瀉湖－泥炭沼澤，頂板如果為泛濫平原砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖，則煤層封閉性變差，灰分增加，不利的組合為泥炭沼澤－分流河道，由于分流河道的沖刷，煤層厚度明顯減薄甚至缺失，對(duì)埋藏期煤層氣的保存十分不利。11號(hào)煤有利的底板－頂板組合為泥炭沼澤－局限淺海，該組合形成的煤層厚度大且分布穩(wěn)定，封閉性好，但硫分較高，不利的組合為泥炭沼澤－泛濫平原、泛濫平原－泛濫平原，形成的煤層較薄，且夾矸含量增高，灰分高，封閉性差。

6 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層含氣量的影響

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，地下水受巖性、構(gòu)造及地形地貌的控制，主要賦存于第四系底部、基巖裂隙和巖溶裂隙之中。主要含水層有第四系松散層孔隙水、石炭－二疊系砂巖裂隙水、太原組石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水。

石炭－二疊紀(jì)煤系基底為巨厚的寒武系及奧陶系灰?guī)r，出露廣泛，接受大氣降水后形成儲(chǔ)量巨大的強(qiáng)含水層。

石炭－二疊紀(jì)煤系下方多為奧陶系峰峰組，厚度變化大，厚約0～100余m，為極弱含水層。太原組、本溪組為隔水層，厚約百余米，是該地區(qū)的相對(duì)隔水層。該隔水層把奧陶系馬家溝組的巨厚巖溶裂隙含水層與煤系地層隔絕開來(lái)，使煤系地層的水文地質(zhì)條件趨于簡(jiǎn)單化。研究區(qū)煤系地層的含水層主要為太原組薄層灰?guī)r含水層、下二疊統(tǒng)山西組及下石盒子組的砂巖含水層。這兩個(gè)含水層降雨補(bǔ)給有限，水質(zhì)皆為型，礦化度皆大于0.5g/L，含水性微弱，水動(dòng)力小，地下水徑流緩慢。由于研究區(qū)整體為一西傾的單斜構(gòu)造形態(tài)，故地下水的徑流促使研究區(qū)中－西部煤層氣封堵。

煤系地層上覆的砂巖地層厚度較大，除地表風(fēng)化帶和裂隙發(fā)育的淺部富水性較強(qiáng)外，一般隨深度加深，裂隙逐漸減小，富水性逐步變?nèi)?，通常?duì)煤層氣的勘探開發(fā)影響較小。

研究區(qū)主要有二疊系泥巖隔水層、上石炭統(tǒng)鋁土質(zhì)泥巖隔水層、奧陶系峰峰組泥巖隔水層，韓城礦區(qū)煤系地層中，由于含水層與隔水層相間存在，構(gòu)成了多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水層體系，包括上、下石盒子組承壓含水層、山西租砂巖承壓含水層和太原組砂巖與石灰?guī)r承壓含水層。

韓城地區(qū)地下水水型以 CaCl2為主，次為NaHCO3和 MgCl2，還有少量的 Na2SO4型水。CaCl2多為深層成因水，埋深大，常位于承壓區(qū)，是煤層氣富集保存條件較好的標(biāo)志。低礦化度的Na2SO4型水是地表補(bǔ)給水的標(biāo)志，處于水補(bǔ)給區(qū)或泄水區(qū)附近 (圖6)，埋深淺或已出露地表，水力交替活躍，煤層氣保存條件差，常與煤層氣風(fēng)化帶相對(duì)應(yīng)。NaHCO3和MgCl2多位于地下水強(qiáng)徑流帶與滯流帶的過渡帶，由于地下形貌特征變化起伏，也能產(chǎn)生局部滯流帶，地層水流動(dòng)不暢形成超壓區(qū)，利于煤層氣富集成藏。

圖6 韓城南區(qū)塊地下水徑流示意圖

7 結(jié)論

(1)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷裂對(duì)煤層氣的保存和逸散起著重要的影響作用，研究區(qū)內(nèi)的逆斷層或壓性走滑斷層多屬壓性、壓扭性，斷層面為密閉性，封閉性能好;背斜軸部裂隙發(fā)育，應(yīng)力松弛，易形成游離氣，含氣飽和度大，煤層頂板厚度大，利于煤層氣富集高產(chǎn)保存。

(2)研究區(qū)內(nèi)泥炭沼澤、湖泊沼澤及潮上坪沉積相環(huán)境有利于煤層氣的富集。頂?shù)装宄练e相組合為瀉湖－泥炭沼澤，泥炭沼澤－局限淺海，該組合形成的煤層厚度大且分布穩(wěn)定，封閉性好。

(3)研究區(qū)內(nèi)主力煤層鏡質(zhì)體反射率總體較高，煤層含氣量隨鏡質(zhì)體反射率的增大而增大。

(4)韓城礦區(qū)地下水等勢(shì)面總體具有東南高、西北低的態(tài)勢(shì)，水的徑流方向由高勢(shì)面向低勢(shì)面流動(dòng)，局部形成匯水中心，匯水帶煤層水壓力大，利于煤層氣吸附。

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