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河東煤田譚坪勘查區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征

2024-01-22 12:38:06孫國忠
中國煤炭地質(zhì) 2023年12期
關鍵詞:蓋層泥質(zhì)煤層氣

孫國忠

(北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司,北京 100040)

0 引言

煤層氣作為一種清潔能源,越來越受到人們的重視。鄂爾多斯盆地是中國一個重要的含煤盆地,同時含有豐富的煤層氣資源,是我國重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地[1-2]。煤層氣成藏特征研究已經(jīng)成為煤層氣勘探開發(fā)過程中的一個熱門研究領域[3]。在國內(nèi)外已經(jīng)有不少學者對此進行了深入研究。

影響煤層氣成藏的地質(zhì)因素有構造地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、含氣量、煤層埋藏深度、水文地質(zhì)條件和儲層物性等方面[4-7]。目前對煤層氣成藏控制因素的研究集中在構造、沉積和水文控氣3 個方面[8-10]。構造對煤層氣的賦存、成藏以及勘探開發(fā)具有重要的控制作用[11],開放性正斷層造成煤層氣逸散,壓型逆斷層封閉性較好,有利煤層氣的保存[12];沉積環(huán)境通過控制煤層的形成、儲蓋組合以及空間展布特征,從而影響煤巖生氣能力和儲集條件[13];水動力條件則影響煤層氣的分布、運移和保存,徑流和排泄活躍的地下水不利于煤層氣的保存,而相對滯留的地下水具有良好的封堵作用[14-15]。

國內(nèi)煤層氣領域的學者和專家們,通過地質(zhì)勘探、測井、壓裂、排采、測試化驗等多種手段對煤層氣藏特征等方面進行了深入研究和探討,孟貴希、楊予生等指出,不同構造單元的煤層氣富集模式不同[16-17]。李曙光等指出,開發(fā)煤層氣層系的選擇需要考慮:儲層的特性、流體性質(zhì)、儲量規(guī)模、壓力系統(tǒng)、經(jīng)濟效益等各種因素,初步形成了較為完整的煤層氣開發(fā)理論體系[18]。

國外視煤層氣為重要能源,并把煤層氣作為新的勘探目標。目前美國煤層氣生產(chǎn)井有80 000 口以上,2022 年美國煤層氣產(chǎn)量達437 億m3。美國煤層氣勘探開發(fā)的成功很快引起世界各國的重視與興趣。加拿大把煤層氣作為的主要能源資源,加緊開展評價和研究。英國于1991 年引進美國技術進行煤層氣勘探開發(fā)。俄羅斯等國通過煤層氣資源的評價,已肯定它是重要的第二動力資源[19-20]。

通過對研究區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征研究,探索研究煤層氣的勘探開發(fā)途徑,多角度提高煤層氣勘探和開發(fā)效率[21-22],可為地方經(jīng)濟的發(fā)展提供有力的支持。也可為其它區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)提供經(jīng)驗和借鑒。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構造

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣河東煤田南部,大地構造位置地處華北地臺鄂爾多斯斷塊關王廟北東向褶帶中部。區(qū)內(nèi)構造變形微弱,基本構造形態(tài)為走向北東-北北東、傾向北西的單斜構造,地層傾角最大8°,最小3°,一般5°。斷距大于30 m 的斷層2 條,孤立斷點6 處,在井田東部發(fā)育有北東向次級寬緩背、向斜構造。未見巖漿巖侵入及陷落柱。

1.2 聚煤環(huán)境

研究區(qū)含煤地層為石炭系本溪組、太原組,二疊系山西組,平均地層厚度110.50 m,共含煤10 層。煤層總厚度約9.43 m,含煤系數(shù)8.53%,可采煤層總厚度8.53 m,可采含煤系數(shù)7.72%。

太原組主要發(fā)育海相沉積[23],聚煤沉積環(huán)境為濱海平原上的潮坪、潟湖-潮坪三角洲沉積體系,晚石炭世后期由于環(huán)境變遷頻繁,泥炭沼澤化時間較短,海水時而直接進入泥炭沼澤,形成的煤層薄而不穩(wěn)定,潟湖相和淺海相灰?guī)r直接覆于煤層之上,構成煤層直接頂板,如K3灰?guī)r下的8 號煤和K4灰?guī)r下的7 號煤層;晚石炭世中期形成的10 號煤層是在潟湖、潮坪長期拓展夷平沼澤化后開始形成,潮坪泥炭沼澤化后氣候適宜,植物繁茂,沉積補償作用平衡,本區(qū)的10 號煤層就是此時期形成,全區(qū)普遍發(fā)育。

山西組在鄂爾多斯盆地東緣為一套陸相三角洲、近海三角洲與陸表海過渡相沉積的泥質(zhì)含煤巖系[25],沉積聚集時地殼相對穩(wěn)定,沼澤泥炭廣泛發(fā)育,成煤來源充分,形成于平緩的下三角洲平原環(huán)境,河流作用較小,堆積與補償均衡,此期形成較厚且穩(wěn)定的2 號煤層??刹擅簩淤x存于山西組中下部,煤層底板為泥質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖。

2 可采煤層分布

2.1 可采煤層分布特征

2.1.1 山西組煤層發(fā)育特征

山西組厚度33.05~74.20 m,平均厚度53.29 m,與下伏地層整合接觸。巖性主要由黑色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及煤層組成,中上部以灰色、黑灰色厚層狀中細粒砂巖為主,間夾泥巖,粉砂巖和2~3層薄煤。砂巖多具波狀層理,以富含煤屑和大量云母碎片為特征。

2號煤位于山西組下部,上距K8砂巖(下石盒組底部砂巖)18.50~32.41 m,平均28.50 m,下距3 號煤層1.15~7.40 m,平均2.40 m,煤層頂板多為泥質(zhì)砂巖、泥巖、粉砂巖,少見細粒砂巖,偽頂為細—中粒砂巖,底板為泥質(zhì)砂巖、泥巖。2 號煤層全區(qū)可采,煤層自然厚度2.30~7.20 m,平均5.20 m,屬厚煤層,煤層變異系數(shù)(r)0.140 8,可采性指數(shù)(Km)=1.00,為穩(wěn)定煤層(圖1)。

圖1 2號煤層厚度等值線Figure 1 No.2 coal seam thickness contour

2.1.2 太原組煤層發(fā)育特征

太原組厚度27.35~74.80 m,平均厚度44.40 m,可采含煤系數(shù)5.8%。

10 號煤層位于太原組下部,屬于全區(qū)可采煤層,平均厚度2.59 m,煤厚變異系數(shù)(r)0.24,煤層可采性指數(shù)(Km)=92,為穩(wěn)定煤層。直接頂板為灰?guī)r,灰?guī)r(L2)厚度1.15~8.00 m,平均厚度3.83 m。10 號煤層上距3 號煤層29.32~64.68 m,平均41.87m。3號與10 號煤層間發(fā)育有K3砂巖,10 號煤層上距K3砂巖底21.66~54.72 m,平均35.77 m,下距K2砂巖頂界0.80~29.45 m,平均8.78 m,層位相對穩(wěn)定。

從煤層厚度等值線圖可以看出,煤層厚度由井田中部向四周增大,整體上南部厚度大于北部,在井田西北部厚度最小的見煤點厚度為0.8 m,井田東南部厚度最大的見煤點厚度為4.7 m。研究區(qū)先期開采地段內(nèi)10號煤層厚度變化不大,最厚點位于該地段中北部,厚度3.45 m,最薄點為位于該地段西南部,厚度2.07 m(圖2)。

圖2 10號煤層厚度等值線Figure 2 No.10 coal seam thickness contour

2.2 可采煤層埋深分布情況

2 號煤層埋藏深度623.60~1 223.80 m,平均849.07 m,底板標高-414.41~359.74 m(圖3)。

圖3 2號煤埋深等值線Figure 3 No.2 coal seam depth contour

10 號煤層埋藏深度664.80~1 272.79 m,平均894.72 m,底板標高-462.02~311.01 m(圖4)。

圖4 10號煤層埋深等值線Figure 4 No.10 coal seam buried depth contour

中部和西北部埋藏較深,南部和東北部埋深稍淺,對煤層氣勘探開發(fā)而言,總體埋深適中。

3 煤儲層特征

3.1 煤巖煤質(zhì)特征

2號、10號煤均以半亮型煤為主。3號煤以半暗型煤為主,結構均一,夾鏡質(zhì)條帶,塊狀構造。10號煤層沿層面見星散狀黃鐵礦。

2號煤顯微煤巖組分以有機組分為主,有機組分含量為76.7%~93.76%,平均90.0%,有機組分含量中鏡質(zhì)組含量為73.3%~87.91%,平均81.8%,其中上分層含量高于下分層;惰質(zhì)組含量為12.09%~26.7%。平均19.65%;無機組分以黏土類為主,占5.54%~14.20%,平均9.10%,其它組分含量普遍很低。

10 號煤層顯微煤巖組分以有機組分為主,有機組分含量為86.2%~93.3%,平均89.96%。有機組分含量中鏡質(zhì)組含量75.1%~80.6%,平均78.5%;惰質(zhì)組含量19.4%~24.9%。平均21.51%;無機組分以黏土類為主,占6.0%~11.9%,平均7.9%,其它組含量普遍很低(表1)。

表1 顯微組分和礦物測定結果Table 1 Maceral and mineral determination results

煤層鏡煤最大反射率1.86%~2.28%,平均為1.98%~2.10%。2 號煤層、10 號煤層揮發(fā)分含量約為11%,黏結性指數(shù)除個別孔大于5以外,其余均為0。說明本區(qū)2 號煤層、10 號煤層變質(zhì)程度較高,變質(zhì)階段為(Ⅵ)。

3.2 煤層滲透性及儲層壓力

在Y01、Y05 孔對2+3 號煤層及10 號煤層采用注入/壓降法進行了煤層氣試井,取得各可采煤層的原始滲透率及儲層壓力參數(shù)(表2)。2+3 號煤層的滲透率為0.012 3~0.020 8 mD,平均不到0.1 mD,滲透率較低;10號煤層滲透率(0.037 mD)稍高。

表2 煤層注入/壓降數(shù)據(jù)表Table 2 Coal seams injection/pressure drop data table

研究區(qū)2+3 號煤層儲層壓力為3.68~4.68MPa,儲層壓力梯度為0.422~0.516 MPa/100m,10 號煤儲層壓力為4.567 MPa,儲層壓力梯度為0.5 MPa/100m,可采煤層屬欠壓狀態(tài)。

4 煤層含氣性及儲層特征

4.1 含氣性特征

2 號煤層含氣量7.5~22.0 m3/t,一般13.6 m3/t;3號煤層含氣量8.1~21.7 m3/t,一般12.0 m3/t;10 號煤層含氣量6.5~17.9m3/t,一般11.6 m3/t。

2 號煤層CH4含量為81.0%~96.9%,一般90.9%;3 號煤層CH4含量為84.7%~98.5%,平均91.9%,10 號煤層CH4含量81.3%~97.7%,一般89.9%。

從分布范圍看,沿下寬井背斜煤層氣含量較高,而沿下寬井向斜煤層氣含量相對較低;從煤層氣組分數(shù)據(jù)可以看出,區(qū)內(nèi)CH4含量變化范圍較大。

4.2 煤層氣儲層參數(shù)

4.2.1 孔隙性

根據(jù)研究區(qū)Y01 孔煤層氣試井資料,2 號煤層孔隙度為1.3%~4.6%,平均3.3%;3 號煤層為3.3%~3.9%,平均3.4%;10 號煤層為2.6%~4.3%,平均3.7%,均屬低孔隙度煤層。

4.2.2 變質(zhì)程度

2 號煤層最大鏡煤反射率(Romax)為1.95%~2.20%,平均2.01%;3 號煤層最大鏡煤反射率(Romax)為1.98%~2.30%,平均2.06%;10 號煤層最大鏡煤反射率(Romax)為2.00%~2.28%,平均2.15%,屬中煤級煤(VII)。

太原組10 號煤層變質(zhì)程度高于山西組2 號煤層及3號煤層。

4.2.3 等溫吸附特性

采取等溫吸附樣8個,其中2號煤層4個,3號煤層1 個,10 號煤層8 個,根據(jù)相關標準測定了等溫吸附參數(shù)(表3)。

表3 煤層等溫吸附試驗成果Table 3 Coal bed isothermal adsorption test results

影響煤的等溫吸附過程的因素有煤的灰分、氣體成分、溫度、水分。等溫吸附的煤樣是在水分平衡條件下獲得,是解吸樣品縮分樣。根據(jù)試驗結果,2 號煤層的空氣干燥基蘭氏體積(VL)為28.4~30.7 cm3/g,蘭氏壓力(p)為1.0~1.84 MPa;10 號煤層的空氣干燥基蘭氏體積為22.3~28.9 cm3/g,蘭氏壓力為0.8~1.1 MPa。

影響煤的等溫吸附過程的因素有煤的灰分、氣體成分、溫度、水分。等溫吸附的煤樣是在水分平衡條件下獲得,是解吸樣品縮分樣。根據(jù)試驗結果,2 號煤層的空氣干燥基蘭氏體積(VL)為28.4~30.7 cm3/g,蘭氏壓力(p)為1.0~1.84 MPa;10 號煤層的空氣干燥基蘭氏體積為22.3~28.9 cm3/g,蘭氏壓力為0.8~1.1 MPa。

2 號煤理論含氣量12.54~25.07 m3/t,含氣飽和度32.15%~39.15%,臨界解吸壓力0.40~0.63 MPa。3 號煤理論含氣量13.32 m3/t,含氣飽和度33.55%,臨界解吸壓力0.51 MPa。10 號煤理論含氣量18.01 m3/t,含氣飽和度13.05%,臨界解吸壓力0.17 MPa。

研究區(qū)煤儲層具較強的吸附能力,臨界解吸壓力較低,含氣飽和度也低,是該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的重要的影響因素。

5 影響煤層氣賦存因素

5.1 烴源巖因素

烴源巖因素主要是煤巖組分和煤化程度,影響煤生烴能力,同時影響煤層對甲烷的吸附能力,對煤層氣開發(fā)能力也有一定影響[23]。

2 號煤層鏡質(zhì)組含量73.30%~87.91%,平均81.8%;惰質(zhì)組含量12.09%~26.7%。平均19.65%。3 號煤層鏡質(zhì)組含量69.3%~85.24%,平均79.39%;惰質(zhì)組含量14.76%~30.1%,平均20.51%。10 號煤層鏡質(zhì)組含量75.10%~80.6%,平均78.5%;惰質(zhì)組含量19.4%~24.9%,平均21.51%。

對本區(qū)煤層氣來說,比較有利的烴源條件是該區(qū)煤的鏡質(zhì)組的含量較高,顯微組分含量也是以鏡質(zhì)組最高,占比達69.3%~87.9%,是影響煤層含氣量的因素之一。

煤對氣體吸附勢能因氣體化學成分以及煤的孔隙結構、物質(zhì)組成、煤級等而異。一般來說,煤級增高(鏡質(zhì)組反射率小于4.5%時)、微孔比表面積增大,煤的吸附勢能增強。分子偏心因子不同所造成的分子極性差異,形成煤對不同流體分子吸附能力的大小順序:水>二氧化碳>烴氣>氮氣。研究區(qū)煤層鏡質(zhì)組最大反射率1.86%~2.28%,主要為高煤階煤,煤化程度較高,對煤層氣的生成和富集較為有利。

5.2 煤層氣封蓋條件

研究區(qū)內(nèi)構造變形微弱,井田內(nèi)較大斷裂構造2 條,構造相對簡單,煤層氣向外運移的斷裂構造較少,沒有巖漿巖侵入,未見陷落柱,構造對煤層氣的影響較小,有利于煤層氣保存。

陸源形成的蓋層主要由砂質(zhì)泥巖和泥巖及粉砂巖組成,其封蓋性能主要受巖石結構、泥質(zhì)礦物含量及成巖作用的影響,封蓋性變化大。

化學成因的蓋層多由泥質(zhì)微晶灰?guī)r、白云巖及膏巖、鹽巖組成,此類蓋層一般呈區(qū)帶性分布。由于后期成巖作用的影響,此類蓋層雖巖性致密,但導致封蓋性變差。

混合成因的蓋層屬于化學成因碳酸鹽礦物與陸源泥質(zhì)巖組合,巖性由灰、云質(zhì)泥質(zhì)巖類,以及陸源沉積的鋁土質(zhì)巖與化學成因的灰?guī)r經(jīng)風化混合而成。此類蓋層結構致密,成分較復雜,封蓋能力較強,在后期的成巖作用主要以壓實為主,致使巖石更加致密。這類蓋層多呈區(qū)域性分布,現(xiàn)今鄂爾多斯坳陷區(qū)下古生界氣藏的蓋層就屬于這種類型。

研究區(qū)系陸源成因蓋層,是華北地區(qū)天然氣藏的主要區(qū)域性蓋層,多為泥巖,厚度較大,有效屏障煤層氣逸散,為較有利蓋層(圖5)。

圖5 2號煤層頂板巖性分布Figure 5 No.2 coal seam roof lithologic distribution

5.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)自下而上發(fā)育四套含水層系(表4)。含水層巖性以松散砂土、礫石、砂巖、灰?guī)r等為主,富水性較弱,大氣降水對淺部含水層影響較為明顯。太原組含水層的水質(zhì)類型以HCO3·Cl-Na 和HCO3·SO4-Na 型為主,是承壓含水層。涌水量為0.000 1~0.018 9L/(s·m),滲透系數(shù)為0.000 61~0.190 31 m/d。

表4 含水層特征Table 4 Aquifer characteristics

本次研究以奧陶系灰?guī)r抽水試驗成果為例,結合南部王家?guī)X煤礦的奧陶系灰?guī)r水位資料,分析得出研究區(qū)奧灰水位標高420~550 m(圖6)。巖溶地下水水力坡度相對較大,一般為18‰~30‰,地下水化學類型為SO4-Ca·Na+,反映出巖溶發(fā)育較弱,滲流不暢,徑流條件差等特點。

圖6 奧陶系灰?guī)r含水層水位等值線Figure 6 Contour of water level of Ordovician limestone aquifer

含水層之間發(fā)育有隔水層(表5),含水層間水力聯(lián)系弱,滲透性極差,巖性以泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r為主。

表5 隔水層特征Table 5 Water barrier characteristics

含煤地層含水層富水性弱,煤層氣逸散方向自西向東,地下水總體上徑流方向自東向西,兩者方向不同,對煤層氣產(chǎn)生一定的水力封堵作用,使煤儲層壓力在深部地區(qū)增高,煤儲層儲集吸附能力增強。地下水在勘查區(qū)西南部形成滯留區(qū),有利于保存煤層氣。

6 結論

煤層氣儲層壓力主要取決于煤層的埋藏深度,隨著埋藏深度增加,壓力不斷增大,吸附能力增強,符合煤層埋藏深度增加,含氣量同時也隨著增加的規(guī)律。

研究區(qū)屬低滲、低地解比、儲量豐度特低、低飽和的小型氣田,但煤層中煤層氣含量較高,因此,具有一定的煤層氣開發(fā)利用前景。

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