劉燕海 劉東娜,2 常鎖亮,2 陳 強,2 常澤光 鄒雨 程劍波

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

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★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

太原西山煤田古交區(qū)塊煤層氣成藏地質(zhì)單因素分析

劉燕海1劉東娜1,2常鎖亮1,2陳 強1,2常澤光1鄒雨1程劍波1

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

為了分析太原西山煤田古交區(qū)塊內(nèi)影響煤層氣成藏的地質(zhì)因素，本文從含煤巖系地層分析入手，討論了煤儲層頂?shù)装鍘r性與厚度、煤層厚度、煤巖煤質(zhì)、煤化程度、儲層埋深、區(qū)域構(gòu)造熱事件以及地質(zhì)構(gòu)造與煤層氣成藏之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，煤層頂?shù)装搴穸扰c儲層氣含量不具有明顯的相關(guān)性；氣含量與煤儲層厚度呈正相關(guān)，與煤中灰分、揮發(fā)分和水分含量呈負(fù)相關(guān)。含煤巖系煤儲層至少經(jīng)歷了三次生烴高峰，煤層熱演化是影響煤層氣生成量的主控因素；區(qū)內(nèi)主體向斜和正斷層的斷裂構(gòu)造是控氣的主要原因。研究區(qū)煤層氣成藏主要受控于煤化作用與構(gòu)造特征，同時受煤儲層埋藏深度和煤層厚度影響，是多種因素影響下綜合作用的結(jié)果。

太原西山煤田 煤層氣成藏 相關(guān)性分析 地質(zhì)因素

我國煤層氣資源儲量十分豐富，據(jù)統(tǒng)計，我國煤層氣資源儲量高達(dá)3～4萬億m3。近幾年，沁水盆地南部高階煤的煤層氣開發(fā)取得了很大的成功，鄂爾多斯盆地東緣低—中階煤的煤層氣研究也取得了重要進展。太原西山煤田與鄂爾多斯含煤盆地東緣相鄰，煤類以中—高變質(zhì)程度的焦煤和瘦煤為主，煤層氣資源量可達(dá)820億m3，是我國重要的煤層氣潛在商業(yè)開發(fā)區(qū)之一。

煤層氣儲層的特征和氣含量受諸多地質(zhì)因素制約。聚煤沉積環(huán)境和地層層序?qū)γ簝拥暮穸取⑦B續(xù)性、滲透性和煤層氣賦存封堵性具有重要控制作用，煤層埋深—熱演化和構(gòu)造改造作用對煤儲層生氣和儲氣皆有重要影響。本文以山西藍(lán)焰集團開采2#、8#、9#煤層的煤層氣為對象，利用現(xiàn)有煤田鉆井和煤層氣參數(shù)井資料及野外實測地層剖面資料為基礎(chǔ)，從地層層序、煤巖煤質(zhì)、煤層埋深、構(gòu)造熱事件及構(gòu)造特征等方面研究入手，分析了研究區(qū)內(nèi)影響煤層氣成藏的主控地質(zhì)因素，旨在為進一步劃分區(qū)塊內(nèi)的煤層氣封存單元及預(yù)測區(qū)塊尺度的煤層氣富集有利區(qū)并揭示煤層氣成藏規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

西山煤田位于華北克拉通中部，呂梁山脈中段東緣。古交區(qū)塊位于西山煤田西北部，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)主要以NW-SE向褶皺構(gòu)造和NE-SW向斷裂構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造多為正斷層，如圖1所示，其中NW-SE向馬蘭向斜呈S型貫穿本區(qū)，古交斷層、屯蘭斷層和李家社斷層是研究區(qū)內(nèi)主要的區(qū)域斷裂構(gòu)造。

圖1 西山煤田古交區(qū)塊構(gòu)造圖

自晚古生代石炭—二疊紀(jì)含煤巖系形成以后，西山煤田經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜山運動三次區(qū)域構(gòu)造運動。印支運動時期，揚子板塊與華北板塊發(fā)生剪刀式碰撞拼合作用，本區(qū)隨華北克拉通整體隆升遭受剝蝕。燕山運動時期，華北克拉通受庫拉-太平洋板塊NW向俯沖的影響，呂梁山地區(qū)形成西部以基底巖系為核部的大型背斜隆起構(gòu)造和東部以沉積蓋層變形為主的復(fù)式向斜構(gòu)造。本區(qū)位于呂梁山復(fù)式向斜的東翼，同時受燕山期巖漿活動影響，煤層因巖漿熱作用影響變質(zhì)程度較高，特別是狐偃山巖體附近煤層形成圍繞狐偃山的環(huán)帶狀煤級分布特征。喜山運動時期，本區(qū)在拉張環(huán)境下形成一系列正斷層。在印度板塊向歐亞大陸俯沖的背景下，本區(qū)經(jīng)歷了強烈構(gòu)造抬升作用和剝蝕作用形成現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

太原西山煤田主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組(C2t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)。太原組沉積于瀉湖-濱海、三角洲-潮坪環(huán)境，主要由砂巖、泥巖、砂泥巖、灰?guī)r和煤層組成，地層厚度一般介于120～166 m，平均厚度為130 m，含主采煤層8#和9#煤層；山西組沉積于濱海三角洲平原-湖泊環(huán)境，主要由砂巖、泥巖、砂泥巖及煤層組成，地層厚度一般介于30～66 m，平均厚度為45 m，含主采煤層2#煤層。古交區(qū)塊2#、8#和9#煤層氣含量、埋藏深度、煤厚及工業(yè)分析參數(shù)均值見表1。

表1 2#、8#和9#煤層氣含量及相關(guān)參數(shù)平均值表

2 實驗部分

本次研究數(shù)據(jù)源于太原西山煤田古交區(qū)塊煤層氣參數(shù)井及部分煤層鉆孔井，包括東曲井田8口井、馬蘭井田14口井和屯蘭井田10口井，共32口井，數(shù)據(jù)結(jié)果均為平均值。按照GB212-2008煤的工業(yè)分析方法測定了灰分(Ad)、水分(Mad)和揮發(fā)分(Vdaf)等項目；根據(jù)GBT19559-2008 煤層氣含量測定方法現(xiàn)場解吸測試了2#、8#和9#煤層的瓦斯含量，按照參數(shù)井鉆孔設(shè)計，在煤層頂板、底板取芯各不少于2 m，煤層上、中、下部分各取一瓦斯樣解吸。采用數(shù)理統(tǒng)計方法將收集的鉆孔資料及樣品測試數(shù)據(jù)按照煤層和礦區(qū)分組進行氣含量單因素相關(guān)性分析。

3 生烴潛力

3.1 煤變質(zhì)程度

煤儲層的煤巖組分和煤變質(zhì)程度對煤層的吸附能力具有重要控制作用，煤巖組分類型和含量與煤層吸附能力相關(guān)，一般惰質(zhì)組含量越高，吸附能力越弱；鏡質(zhì)組含量越高，吸附能力越強。煤化程度不僅影響煤層生烴量和生烴類型，而且影響煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和吸附能力。隨著煤化程度的增大，蘭氏體積增大，煤儲層對煤層氣的吸附能力增強。

古交區(qū)塊煤層主要以焦煤和瘦煤為主，2#、8#和9#煤層煤的鏡質(zhì)組反射率均值分別為1.81%、1.83%和2.18%，煤巖顯微成分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組含量很低。煤層鏡質(zhì)組含量高且鏡質(zhì)組反射率值較高，煤樣的等溫吸附實驗表明2#、8#和9#煤層的蘭氏體積均值分別為22.21 ml/g、24.81 ml/g、25.53 ml/g，表明古交區(qū)塊煤儲層的吸附能力較強，且隨著鏡質(zhì)組反射率的增大，蘭氏體積有增大的趨勢。

古交區(qū)塊煤層氣含量均值以8#煤層最高，2#煤層最低，且均低于其相應(yīng)的蘭氏體積，不具有隨蘭氏體積增大氣含量也增大的趨勢。按古交區(qū)塊主采煤層的變質(zhì)程度，其煤層氣生成量應(yīng)該高于其蘭氏體積量，但主采煤層空氣干燥基氣含量均值卻遠(yuǎn)低于蘭氏體積，表明煤層氣在生成之后曾受其他因素影響，曾發(fā)生大量的逸散。

3.2 構(gòu)造熱事件

煤層氣生成量受控于煤的變質(zhì)程度，而煤變質(zhì)程度受控于含煤盆地的沉降埋藏史和熱史。以往研究表明中—晚三疊世時期，鄂爾多斯原始含煤盆地煤系地層埋深達(dá)到3000～4000 m，作為鄂爾多斯三疊紀(jì)聚煤盆地的一部分，西山煤田含煤巖系主采煤層此時完成初級煤化作用。晚三疊世華北東部、北緣及南緣發(fā)生強烈的巖漿構(gòu)造熱事件，鄂爾多斯盆地也發(fā)生了顯著的構(gòu)造熱事件，受構(gòu)造熱事件影響，西山煤田局部地區(qū)煤層在晚三疊世異常熱古地溫影響下煤級定型。燕山期晚侏羅世—早白堊世，華北克拉通發(fā)生了強烈的巖漿—構(gòu)造熱事件，該時期內(nèi)普遍存在古地溫異常，西山煤田石炭二疊系煤層煤化作用最終完成，局部地區(qū)受巖漿熱作用影響，鏡質(zhì)組反射率可高達(dá)4.0%～5.0%。綜上所述，西山煤田煤儲層至少經(jīng)歷了3次生烴高峰，表明西山煤田主采煤層均具有足夠的生烴潛能。

煤變質(zhì)程度不僅影響煤層生氣量，而且隨著煤化作用的進行，煤層的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化以及煤層孔裂隙結(jié)構(gòu)的改變造成煤層吸附能力增強。古交區(qū)塊主采煤層均具有較高的吸附能力，煤儲層蘭繆爾體積均大于22 ml/g，與其較高的煤變質(zhì)程度和非埋深作用造成的異常古地溫密切相關(guān)。

4 影響煤層氣成藏的單因素分析

4.1 煤層及頂?shù)装搴穸扰c氣含量

煤層的頂?shù)装鍘r性是影響儲層封閉性的直接因素。據(jù)鉆孔資料揭示，2#煤層直接底板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，少數(shù)鉆孔見細(xì)砂巖，厚度變化較大，一般為1～5 m；直接頂板以砂質(zhì)泥巖為主，其次為泥巖，厚度一般為0.5～3 m；頂?shù)装鍧B透性均差。8#煤層直接底板以砂質(zhì)泥巖為主，其次為泥巖，厚度變化較大，一般為1～4 m；直接頂板以泥巖為主，其次為灰?guī)r，局部為砂質(zhì)泥巖，頂?shù)装鍧B透性均差。9#煤層直接底板一般為砂質(zhì)泥巖和泥巖，局部為細(xì)砂巖，厚度變化較大，一般為0.8～4 m；直接頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，個別鉆孔見細(xì)砂巖，厚度一般為0.5～2 m，頂?shù)装鍧B透性均差。以上表明本區(qū)主采煤層的頂?shù)装鍘r性多以泥質(zhì)巖和砂質(zhì)泥巖為主，煤儲層封閉性相對較好。

但數(shù)據(jù)分析顯示本區(qū)2#、8#和9#煤層氣含量與煤層頂板及底板厚度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.074和0.10，不具有明顯的相關(guān)性。因此，本區(qū)煤儲層頂?shù)装宓膸r性和厚度對煤層氣含量控制作用不明顯。2#煤層厚度一般介于0.9～4.2 m，平均厚度為2.3 m。8#煤層厚度一般介于1.3～4.6 m，平均厚度為3.3 m。9#煤層厚度一般介于0.7～4.7 m，平均厚度為2.0 m。煤層厚度與氣含量相關(guān)系數(shù)僅為0.261，相關(guān)性較弱，表明煤層厚度增加，煤層氣含量具有隨之略有增大的趨勢，如圖2所示。

圖2 古交區(qū)塊主采煤層氣含量與煤厚關(guān)系散點圖

4.2 煤巖煤質(zhì)特征與氣含量

之前的研究表明煤中水分因占據(jù)煤層空隙結(jié)構(gòu)從而使煤層吸附能力降低，且影響十分顯著；此外，隨著煤層灰分、揮發(fā)分含量的增加，煤儲層的吸附能力亦降低。

由表1可知，2#煤層灰分(Ad)產(chǎn)率在21.14%～25.95 %，均值為24.31 %；水分(Mad)含量均值為0.62%～0.79%，均值為0.68%；揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為19.43%～22.70%，均值為20.88%。8#煤層灰分產(chǎn)率為15.70%～25.84%，均值為22.09 %；Mad含量為0.58%～0.83%，均值為0.69 %；揮發(fā)分Vdaf產(chǎn)率為17.58%～19.95%，均值為17.82%。9#煤層灰分Ad產(chǎn)率為20.11%～25.15%，均值為22.32%；Mad含量為0.61%～0.81%，均值為0.70 %；Vdaf產(chǎn)率為15.36%～19.47%，均值為17.67%。

古交區(qū)塊氣含量與水分、灰分、揮發(fā)分關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著揮發(fā)分、灰分和水分含量的增高，古交區(qū)塊煤儲層氣含量呈降低趨勢。

圖3 古交區(qū)塊氣含量與水分、灰分、揮發(fā)分關(guān)系散點圖

4.3 埋藏深度與氣含量

以往研究表明，隨著埋深增加，儲層壓力增大，在一定程度上煤層氣含量隨著煤層的埋深增加而增加。古交區(qū)塊煤儲層埋藏深度以馬蘭向斜核部埋深最大，埋深趨勢由北向南增加。本區(qū)2#、8#、9#煤層氣含量顯示出明顯的隨著埋深增加而增加的趨勢，如圖4所示，這與古交區(qū)塊埋深與氣含量關(guān)系的已知研究結(jié)果一致。

圖4 古交區(qū)塊主采煤層氣含量與埋深的關(guān)系散點圖

4.4 構(gòu)造特征與氣含量

褶皺與斷裂構(gòu)造對煤層氣儲層改造作用十分明顯，通過改變儲層的連續(xù)性、埋深、壓力和封閉性從而影響煤層氣運移和成藏。古交區(qū)塊煤儲層分布特征主體受馬蘭向斜構(gòu)造控制，2#煤層氣含量以馬蘭向斜核部較周圍煤層較高，而北西部正斷層較發(fā)育的地區(qū)氣含量相對較低。原因在于區(qū)內(nèi)張性斷裂發(fā)育，斷層附近儲層壓力降低，形成開放通道，不利于煤層氣的吸附儲集，形成低氣含量區(qū)。這表明古交區(qū)塊煤層儲氣成藏受到構(gòu)造因素影響顯著，地質(zhì)構(gòu)造是控制古交區(qū)塊煤層氣成藏的一個重要因素。

5 結(jié)論

本文通過對古交區(qū)塊主采煤層煤層氣成藏地質(zhì)影響因素分析，主要取得到以下幾點認(rèn)識：

(1)西山煤田含煤巖系煤儲層至少經(jīng)歷了3次生烴高峰，煤變質(zhì)程度和以構(gòu)造巖漿熱作用為主的煤變質(zhì)演化過程使主采煤層具備較高生烴潛力的主要因素。

(2)主采煤層的頂?shù)装宸忾]性相對較好，煤層頂?shù)装搴穸扰c儲層含氣量不具有明顯的相關(guān)性；含氣量與煤儲層厚度呈正相關(guān)；氣含量與灰分、水分和揮發(fā)分呈明顯負(fù)相關(guān)。

(3)馬蘭向斜和以正斷層性質(zhì)為主的斷裂構(gòu)造及煤層埋藏深度是控制古交區(qū)塊煤層氣含量的主要地質(zhì)因素。

綜上所述，古交區(qū)塊煤層氣含量可能受多種地質(zhì)因素控制，準(zhǔn)確地分析采區(qū)范圍內(nèi)影響氣含量的地質(zhì)因素需要進一步進行含煤層氣系統(tǒng)和煤層氣封存單元劃分。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield

Liu Yanhai1, Liu Dongna1,2, Chang Suoliang1,2, Chen Qiang1,2, Chang Zeguang1, Zou Yu1, Cheng Jianbo1

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2.Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

To analyze the geological influence factors of coalbed methane (CBM) reservoir forming in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield, the author discussed the relationships between the CBM reservoir forming and thickness and lithology of coal reservoir roof and floor, thickness of coal seam, constituents of coal, coal rank, burial depth of coal seam, regional structure thermalevent, geologic structure. The research results showed that there was no significant correlation between the thickness of roof and floor and CBM content of the reservoir; the CBM content was positively correlated with the thickness of coal reservoir, while was negatively correlated with the content of ash, volatiles and moisture content in coals. In addition, the coal seams had experienced at least three periods of hydrocarbon generation by thermal pyrolysis, and the thermal evolution was the main controlling factor in the CBM generation; syncline and normal fault in the area were the main reason of CBM control.The CBM reservoir forming in the Gujiao block was mainly influenced by coal coalification and tectonic characteristics, as well as many other integrated factors, such as the buried depth and thickness of coal seam.

Taiyuan Xishan coalfield, CBM reservoir forming, correlation analysis, geological factor

山西省煤基重點科技攻關(guān)項目——山西省煤層氣成藏模式與儲層評價(MQ2014-01)

劉燕海，劉東娜，常鎖亮等. 太原西山煤田古交區(qū)塊煤層氣成藏地質(zhì)單因素分析[J]. 中國煤炭，2017,43(4)：38-42，47. Liu Yanhai, Liu Dongna, Chang Suoliang, et al. Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield[J]. China Coal, 2017,43(4):38-42，47.

P618.11

A

劉燕海(1992-)，男，內(nèi)蒙古商都人，碩士研究生，主要從事煤層氣相關(guān)研究。