李賢慶，王元，董澤亮，祁帥 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室（中國礦業(yè)大學(xué)（北京））

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083

黃孝波 （江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌330001）

文志剛，何文祥 （長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

劉建軍，錢錚 （中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘0625523）

煤系烴源巖（包括氣源巖和油源巖）是含煤盆地煤系地層生成石油天然氣的物質(zhì)基礎(chǔ)［1，2］。煤系地層以腐殖型有機(jī)質(zhì)為主，煤系有機(jī)質(zhì)生烴的總規(guī)律是以生氣為主，以生油為輔［3～6］。據(jù)統(tǒng)計，60%以上已發(fā)現(xiàn)的大中型氣田的天然氣氣源均與煤系氣源巖有關(guān)［7～9］。我國含煤盆地眾多，煤系氣源巖發(fā)育，如在鄂爾多斯盆地發(fā)育了石炭－二疊紀(jì)煤系氣源巖［10，11］，塔里木盆地庫車坳陷發(fā)育了三疊－侏羅紀(jì)煤系氣源巖［12，13］。

沁水盆地是我國北方石炭－二疊紀(jì)煤炭資源最重要的分布區(qū)之一，含煤面積約4.2×104km2，煤炭儲量約2700×108t，煤層氣資源量大，開發(fā)條件較好［14］，為我國首個已成功商業(yè)化開發(fā)煤層氣的含煤盆地。該盆地石炭－二疊系的煤系地層分布穩(wěn)定、煤層厚度大、煤系氣源巖廣泛發(fā)育。國內(nèi)學(xué)者［15～19］曾對沁水盆地石炭－二疊系煤系烴源巖做過一些地球化學(xué)研究工作，但是對沁水整個盆地太原組（C2t）和山西組（P1s）煤系氣源巖（煤巖和煤系泥巖）進(jìn)行地化特征研究及生氣評價尚較少，目前研究不夠系統(tǒng)、深入。因此，筆者擬從有機(jī)地球化學(xué)角度，系統(tǒng)研究沁水盆地C2t和P1s煤系氣源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度等特征，并分區(qū)塊對P1s煤巖和煤系泥巖進(jìn)行生氣評價，旨在為沁水盆地煤層氣資源進(jìn)一步評價提供科學(xué)依據(jù)，也對其他含煤盆地天然氣資源評價具有一定借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部（北緯35～38°、東經(jīng)112°00′～113°50′），東西寬約120km，南北長約330km。盆地的北部為五臺山隆起，南部為中條山隆起，東面太行山隆起，西面霍山隆起，整體上是一個北北東向呈長軸狀的復(fù)向斜盆地。盆地基底構(gòu)造處在華北地臺中帶（具有大型的克拉通盆地基底），由多期構(gòu)造疊加改造而成。主要定型于燕山期，在喜山期構(gòu)造應(yīng)力作用下，其形態(tài)得到了加強(qiáng)及一定程度的改造。構(gòu)造相對簡單，斷層主要發(fā)育于東西邊部，其規(guī)模和性質(zhì)不同，多以正斷層為主，延伸方向以北東向為主。

根據(jù)盆地構(gòu)造特征和煤層氣分布情況，將沁水盆地劃分出4個區(qū)塊［20］：①盆內(nèi)平緩褶皺區(qū)（Ⅰ），包括榆社一帶和安澤北部地區(qū)，發(fā)育平緩褶皺，以線形構(gòu)造為主；②盆緣緩斜帶（Ⅱ），包括壽陽－陽泉、聰子峪－古陽、屯留－長治等地，以單斜構(gòu)造為主；③盆緣陡褶帶（Ⅲ），如襄垣、臨汾、洪洞等地，為較陡峭的撓曲帶，邊緣發(fā)育鼻狀背斜構(gòu)造；④晉中斷陷區(qū)（Ⅳ），位于榆次－孝義一帶，四周為斷裂分布。

沁水盆地石炭－二疊系煤系地層是在奧陶系古風(fēng)化殼之上，受古構(gòu)造和沉積古地理等因素綜合作用的產(chǎn)物。含煤地層主要為C2t和P1s。C2t沉積期主要是障壁島－澙湖及濱外碳酸鹽陸棚沉積體系；P1s沉積期主要是三角洲沉積體系。

沁水盆地石炭－二疊系共含煤16層，單層最大厚度6.5m，煤層總厚度為1.2～23.6m。其中C2t的15號煤層和P1s的3號煤層為主采煤層，在全盆地穩(wěn)定分布、厚度大；含2套煤系泥巖，分別是C2t煤系泥巖和P1s煤系泥巖，總厚度約30～150m。

C2t煤層總厚度一般4.0～9.0m，主要可采煤層為15號煤層，9號煤層局部可采，其余煤層僅少數(shù)局部可采。15號煤層厚度大，一般為1.2～7.0m，總體上盆地北部煤層較厚，盆地南部較薄，且橫向穩(wěn)定，連續(xù)性好。北部發(fā)育三角洲平原，煤層相對較厚，多在4m以上，其中富煤帶位于陽泉一帶，煤層厚度可達(dá)7m。中部、南部為澙湖沉積，煤層相對較薄，約2～3m。沁水－晉城一帶為濱外碳酸鹽陸棚沉積，煤層也較厚，可達(dá)3m以上。

P1s煤層總厚度為0.25～11.51m，平均4.94m。其中3號煤層為主采煤層，厚度大（1～8m）且穩(wěn)定，橫向上連續(xù)性好。3號煤層在盆地南部厚度總體上較北部地區(qū)厚，東南部最厚，北部稍厚，中部最薄，厚度多在1m左右。盆地北部的太原西山－壽陽－陽泉一帶煤層厚度變化不大，基本在2～3m之間；盆地中部、南部煤層厚度差異較大（1～7m），左權(quán)－榆社－平遙一帶和武鄉(xiāng)地區(qū)煤層厚度多在1m左右，和順局部地區(qū)煤層厚度可達(dá)2m以上，而在左權(quán)地區(qū)煤層厚度則小于1m。在沁源－安澤－陽城一帶煤層厚度逐漸增大，在屯留、潘莊－樊莊地區(qū)煤層厚度在6m左右；晉城和潞安等地可高達(dá)5m。

沁水盆地C2t煤系泥巖主要形成于分流間灣和前三角洲。C2t煤系泥巖厚度分布在10～60m之間，在陽泉、左權(quán)－武鄉(xiāng)－襄垣一線以東地區(qū)煤系泥巖厚度較大，最厚達(dá)50余米?？傮w上看，由東到西、東北到西南煤系泥巖厚度呈變薄的趨勢，在南部陽城地區(qū)煤系泥巖厚度約10m，霍山隆起周緣最厚處不足30m，榆次－祁縣一帶厚度約25m左右。

P1s煤系泥巖主要是形成于泛濫盆地相，在河漫湖泊、河漫沼澤形成較厚的泥巖層。山西組煤系泥巖厚度分布在20～90m之間，在陽泉、武鄉(xiāng)－沁縣－襄垣地區(qū)沉積較厚的泥巖層，最厚可達(dá)90多米；在太原、陽城－沁水地區(qū)較薄，約20～30m?？傮w上看，北部厚南部薄，東邊厚西邊薄。

2 煤系氣源巖地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)是烴源巖油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，通常用總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w（TOC））、氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w（“A”））、總烴含量（w（HC））、熱解生烴潛量（w（S1＋S2））等地球化學(xué)參數(shù)來反映烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度?？傮w上，沁水盆地石炭－二疊系煤系氣源巖具有w（TOC）高、可溶有機(jī)質(zhì)（w（“A”）、w（HC））低和w（S1＋S2）低的特征（表1），這主要與沁水盆地煤系氣源巖熱演化程度高有關(guān)。

2.1.1 煤巖有機(jī)質(zhì)豐度

如表1所示，沁水盆地C2t煤巖的w（TOC）分布在48.51%～85.3%，平均為70.86%。其w（“A”）、w（HC）、w（S1＋S2）因受成熟度影響而變化較大：w（“A”）分布在0.005%～2.20%之間 ，平均0.2 0 2 9% ；w（HC）分布 在5 2～7 5 0 8μg／g之 間 ，平均1 0 3 4μg／g；w（S1＋S2）介 于0.0 5～242.3mg／g， 平 均 50.34mg／g。P1s煤巖的w（TOC）分布在40.81% ～ 85.43%， 平 均 為73.84%；w（“A”）分 布 在0.0025% ～1.60% 之 間， 平 均0.3257%；w（HC）分布在30～5482μg／g 之 間，平 均 1425μg／g；w（S1＋S2）為0.14～340.6mg／g，平均63.5mg／g。

從w（TOC）平面分布看，C2t煤巖在陽泉、陽城地區(qū)可達(dá)80%，盆中大部分地區(qū)小于60%，向東、西兩側(cè)逐漸增加，w（TOC）分布在63%～79%之間。沁水盆地大部分地區(qū)，P1s煤巖w（TOC）大于70%，盆中及南部陽城、晉城一帶w（TOC）可達(dá)80%以上。w（“A”）在陽泉和陽城地區(qū)最低，均小于0.001%，盆中地區(qū)一般為0.001%～0.10%，向西w（“A”）和w（HC）急劇增大，霍山以西w（“A”）大于0.5%，汾西、蒲縣一帶可達(dá)1.0%以上，w（HC）可達(dá)10000～17000μg／g以上。

沁水盆地C2t、P1s煤巖的w（S1＋S2）大多比較低。南部陽城、晉城及東北部陽泉一帶w（S1＋S2）均小于5mg／g，盆中大部分地區(qū)低于10mg／g，盆地東側(cè)襄垣－和順一帶可達(dá)30～50mg／g，霍山以西最高，可達(dá)120～220mg／g。

2.1.2 煤系泥巖有機(jī)質(zhì)豐度

沁水盆地石炭－二疊系煤系地層主要發(fā)育C2t和P1s共2套煤系泥巖。如表1所示，沁水盆地C2t煤系泥巖w（TOC）分布在0.13%～28.98%，平均為2.76%；w（“A”）分布在0.0019%～0.2888%之間，平均0.0466%；w（HC）分布在4～545μg／g之間，平均155μg／g；w（S1＋S2）介于0.007～21.17mg／g，平均1.29mg／g。P1s煤系泥巖的w（TOC）分布在0.09%～20.73%，平均為3.06%；w（“A”）分布在0.0015%～0.3129%之間，平均0.0685%；w（HC）分布在5～1234μg／g之間，平均209μg／g；w（S1＋S2）為0.005～14.55mg／g，平均0.99mg／g。從平面分布上看，沁水盆地C2t煤系泥巖w（TOC）大多分布在1.0%～3.0%之間，呈現(xiàn)2個高值區(qū)（w（TOC）＞3.0%），分別是榆次－太谷－榆社－和順地區(qū)、安澤－長治－高平－沁水地區(qū)。沁水盆地P1s煤系泥巖w（TOC）大部分分布在1.0%～6.0%之間，北部地區(qū)w（TOC）普遍較高，達(dá)3.0%以上，盆地內(nèi)沁源－沁縣－襄垣地區(qū)相對較低，為1.0%～2.5%。

沁水盆地石炭－二疊系煤系泥巖的可溶有機(jī)質(zhì)（w（“A”）、w（HC））比較低，P1s煤系泥巖的w（“A”）、w（HC）平均分別是0.0685%、209μg／g，C2t煤系泥巖的w（“A”）、w（HC）平均各為0.0406%、155μg／g（表1）。w（“A”）和w（HC）低值區(qū)（w（“A”）＜0.005%、w（HC）＜25μg／g）在盆地北部深凹陷區(qū)和南部陽城－晉城一帶。盆地內(nèi)w（“A”）一般小于0.025%，w（HC）小于100μg／g，而霍山以西最高，w（“A”）為0.05%～0.10%，w（HC）可達(dá)250μg／g以上。

沁水盆地C2t、P1s煤系泥巖的w（S1＋S2）均很低：南部陽城、晉城及北部陽泉一帶w（S1＋S2）常小于0.1mg／g，盆地內(nèi)部一般小于0.5mg／g，高值區(qū)分布在霍山以西，一般為1～2mg／g，最高可達(dá)5mg／g以上。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是烴源巖生烴能力的直接反映，也是評價烴源巖質(zhì)量的重要參數(shù)。不同類型的烴源巖，其生油、生氣能力各不相同。通常，評價有機(jī)質(zhì)類型采用元素組成、熱解分析、顯微組分鏡鑒、碳同位素組成等方法來判別。

沁水盆地C2t、P1s煤巖的顯微組分組成以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，穩(wěn)定組含量低，一般低于10%，顯微組分鏡鑒顯示為典型的腐殖型（圖1），僅蒲縣東河礦區(qū)一帶有部分的腐泥煤。在干酪根元素組成上，H／C原子比主要集中在0.20～0.85之間，O／C原子比主要集中在0.02～0.10之間，屬于高演化的Ⅲ型干酪根范疇（圖2）。從穩(wěn)定碳同位素分析（圖3）可知，沁水盆地C2t、P1s煤巖的碳同位素普遍較重（－23‰～－25.6‰）；瀝青“A”中飽和烴體積分?jǐn)?shù)大部分小于25%，芳烴體積分?jǐn)?shù)較高，分布在11%～58%之間，飽和烴／芳烴比值比較低，一般小于0.4，說明C2t、P1s煤巖為典型Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。

表1 沁水盆地煤系氣源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計

沁水盆地C2t、P1s煤系泥巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次是惰質(zhì)組，穩(wěn)定組較低（圖1），大部分煤系泥巖屬于Ⅲ型干酪根范圍，小部分屬于Ⅱ2型干酪根范圍。干酪根元素組成上，H／C原子比主要集中在0.25～0.75之間，O／C原子比主要集中在0.03～0.20之間，大部分煤系泥巖屬于高演化的Ⅲ型干酪根范圍，小部分屬于Ⅱ型干酪根范圍（圖2）。干酪根穩(wěn)定碳同位素分析（圖3）顯示，沁水盆地C2t、P1s煤系泥巖的碳同位素普遍偏重（－23.5‰～－25.9‰），飽和烴體積分?jǐn)?shù)一般低于35%，大部分小于20%，主要屬于Ⅲ型干酪根范疇。

圖1 沁水盆地煤系氣源巖顯微組分組成圖

圖2 沁水盆地煤系氣源巖元素組成圖

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

沁水盆地石炭－二疊系煤系氣源巖顯示出高的有機(jī)質(zhì)成熟度，具有“兩高（鏡質(zhì)組反射率（Ro）、最大熱解峰溫（tmax）高）、三低（H／C原子比、氫指數(shù)（IH）、有效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比（w（Cp）／w（TOC））低）”特征（表2）。該盆地多數(shù)地區(qū)已達(dá)到高成熟－過成熟階段，但不同地區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度分布不均衡，Ro變化較大：在盆地南部（晉城、陽城一帶Ro＞3.0%）、盆地東北部（陽泉一帶Ro＞2.5%）有機(jī)質(zhì)成熟度最高；霍山以西有機(jī)質(zhì)成熟度最低，Ro分布在0.7%～1.25%。盆地里Ro一般為2.0%～2.5%。盆地東翼Ro多小于1.5%，左權(quán)－襄垣地區(qū)相對較高，可達(dá)1.5%～2.0%。

圖3 氣源巖飽和烴體積分?jǐn)?shù)與碳同位素關(guān)系圖

表2 沁水盆地煤系氣源巖有機(jī)質(zhì)成熟度統(tǒng)計

2.3.1 煤巖有機(jī)質(zhì)成熟度

沁水盆地P1s煤巖（以3號煤層為主）Ro普遍較高，一般分布在1.3%～3.8%之間（圖4（a））。從Ro平面分布來看，總體上南高北低，有2個高值區(qū)：分別是交城－祁縣－太谷－清徐地區(qū)（Ro最高可達(dá)3.2%以上）；陽城－晉城－沁水地區(qū)（Ro最高可達(dá)3.8%以上）。tmax分布在420～550℃，總體上盆地周緣低于盆地內(nèi)部：在太古－榆社一帶和南部晉城－陽城－高平一帶tmax最高可達(dá)550℃，盆地的西北部交城－小虎峪一帶、霍山隆起西緣以及左權(quán)－襄垣一帶最低為420～450℃。

C2t煤巖（以15號煤層為主）處于高成熟－過成熟階段，Ro一般分布在1.6%～4.0%之間（圖4（b））。Ro的分布：總體上南高北低，盆地中心高兩翼低；盆地南部煤巖Ro普遍大于3.0%，陽城－晉城地區(qū)最高可達(dá)4.0%以上；交城－祁縣－太谷－清徐地區(qū)Ro普遍大于3.0%，最高可達(dá)3.6%以上。tmax分布在450～550℃之間，總體上盆地周緣低于盆地內(nèi)部：在太古－榆社一帶和南部晉城－陽城－高平一帶tmax最高可達(dá)550℃，盆地的西北部交城－小虎峪一帶、霍山隆起西緣以及左權(quán)－襄垣一帶最低為450～480℃。

圖4 沁水盆地P1s煤巖（a）和C2t煤巖（b）的Ro平面分布圖

2.3.2 煤系泥巖有機(jī)質(zhì)成熟度

沁水盆地P1s煤系泥巖大部分Ro分布在1.5%～3.0%之間，處于高成熟－過成熟階段。Ro總體上呈盆地南部與東北部高（東北部陽泉地區(qū)Ro可達(dá)2.76%、南部陽城－晉城Ro＞3.0%）、中心高，兩翼低的特點，與P1s煤巖Ro平面分布基本一致。tmax為447～550℃，平均510℃，總體上是盆地邊緣比盆地中心低，南部地區(qū)和北部地區(qū)偏高，西北地區(qū)和霍山隆起西緣最低，僅為450℃。

C2t煤系泥巖大部分Ro分布在1.8%～4.0%之間，也處于高－過成熟階段，總體上呈南高北低，盆地中心高、兩翼低的特點，與C2t煤巖Ro平面分布特征類似，也有2個高成熟度地區(qū)，分別是榆次－太谷－榆社一帶（Ro最高可達(dá)3.4%以上）、沁水－陽城－晉城地區(qū)（Ro最高可達(dá)4%以上）。tmax為447～550℃，平均503℃，總體上是盆地邊緣tmax比盆地中心低，南部地區(qū)和北部地區(qū)較高，西北地區(qū)和霍山隆起西緣較低，最低為447℃。

3 煤系氣源巖生氣評價

沁水盆地廣泛發(fā)育石炭－二疊系（C2t和 P1s）煤系氣源巖，厚度大，分布穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)成熟度高，具備很好的生氣潛力，為該盆地煤層氣藏的形成提供了氣源條件［14，16，17］。 以 P1s 為 例，筆者對沁水盆地煤系氣源巖（煤巖和煤系泥巖）進(jìn)行生氣評價。由于沁水盆地內(nèi)不同地區(qū)煤系氣源巖的Ro、w（TOC）、w（S1＋S2）和w（“A”）等地球化學(xué)特征差異較大，故根據(jù)沁水盆地煤系氣源巖評價標(biāo)準(zhǔn)［21］和陳建平等［22］提出的煤系有機(jī)質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，采取分區(qū)塊（即盆內(nèi)平緩褶皺區(qū)、盆緣緩斜帶、盆緣陡褶帶和晉中斷陷區(qū)［20］），分別對 P1s煤巖和煤系泥巖進(jìn)行生氣評價。

3.1 煤巖生氣評價

沁水盆地P1s煤巖有Ro普遍較高，區(qū)域上變化大，總體呈南北分區(qū)、東西分帶的特點，不同區(qū)塊顯示出不同的生氣性。生氣評價結(jié)果（表3、圖5（a））表明，沁水盆地P1s煤巖以較好－好的氣源巖為主，在陽城－晉城、太原西山、壽陽－陽泉、安澤－沁水、沁源一帶、左權(quán)－和順、榆次－平遙等區(qū)塊均有分布；在榆社一帶、安澤北部盆內(nèi)褶皺區(qū)等區(qū)塊煤巖為較差－差的氣源巖。w（“A”）評價顯示：P1s煤巖屬較好的氣源巖占50%，屬好的氣源巖占7.2%，較差的氣源巖占14.2%；較好的氣源巖分布廣泛，多分布在盆緣緩斜帶，而盆地內(nèi)平緩區(qū)的氣源巖相對較差。w（S1＋S2）評價表明，P1s煤巖為較好的氣源巖占35.5%，較好－好的氣源巖占43%，較差的氣源巖占14.3%。

3.2 煤系泥巖生氣評價

應(yīng)用w（TOC）、w（“A”）和w（S1＋S2）等指標(biāo)，對沁水盆地P1s煤系泥巖進(jìn)行生氣評價，見表4。結(jié)果表明：沁水盆地P1s煤系泥巖以較差和較好氣源巖分布最廣，好氣源巖零星分布，盆地內(nèi)褶皺區(qū)煤系泥巖為差氣源巖。在沁水、陽城、晉城、陽泉、太原西山、晉中、壽陽和霍山以西等地煤系泥巖相對較好，多為較好－好氣源巖（局部也存在較差－較好氣源巖），而安澤－沁源、長子－襄垣、和順等地區(qū)煤系泥巖相對較差，多為較差氣源巖，盆內(nèi)褶皺區(qū)的榆社－武鄉(xiāng)－沁縣一帶山西組煤系泥巖最差。

從平面分布總體上看，成熟度較高的沁水盆地南部和陽泉地區(qū)、成熟度較低的晉中斷陷和霍山以西地區(qū)煤系泥巖多達(dá)較好－好氣源巖，而盆內(nèi)平緩區(qū)的安澤北部和榆社一帶和盆緣緩褶帶內(nèi)煤系泥巖較差，為較差或差氣源巖（圖5（b））。

表3 沁水盆地P1s煤巖生氣評價結(jié)果

表4 沁水盆地P1s煤系泥巖生氣評價結(jié)果

圖5 沁水盆地P1s煤巖（a）和煤系泥巖（b）生氣評價結(jié)果

4 結(jié)論

1）系統(tǒng)研究了沁水盆地石炭－二疊系煤系氣源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度等地球化學(xué)特征。沁水盆地C2t和P1s煤系氣源巖（煤巖和煤系泥巖）有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型，具有高w（TOC）、低w（“A”）和w（HC）、低w（S1＋S2）和IH的特征。沁水盆地煤系氣源巖Ro變化大，分布不均衡，總體上呈現(xiàn)“盆地南部（陽城－晉城Ro＞3.0%）與東北部（陽泉Ro＞2.5%）高、盆地東翼（Ro＜2.0%）與西翼（Ro＜1.5%）低”的特點。

2）分區(qū)塊評價了沁水盆地P1s煤巖和煤系泥巖的生氣潛力。沁水盆地不同區(qū)塊煤系氣源巖具有不同的生氣性：P1s煤巖以較好－好的氣源巖為主，主要分布在陽城－晉城、太原西山、壽陽－陽泉、安澤－沁水、沁源一帶、左權(quán)－和順、榆次－平遙等地；P1s煤系泥巖主要為較差－較好的氣源巖，但在太原西山、陽城－晉城、左權(quán)－和順和榆次－平遙等地可達(dá)到較好－好的氣源巖。

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