山西柳林地區煤系地層對比特征

黃曉明 林亮 王贊維 張文忠 蔡夏磊

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

山西柳林地區煤系地層對比特征

黃曉明 林亮 王贊維 張文忠 蔡夏磊

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

山西柳林煤層氣區塊的煤系地層是在奧陶系海相碳酸鹽巖基礎之上發育的一套包含了灰巖、煤層和碎屑巖在內的海相、海陸交互及三角洲相的石炭-二疊系沉積地層層序。所有這些地層在以往的工作中已得到充分鑒別,并且在區塊東部均有出露。通過對地質標志層的特征描述并結合測井資料所做的地層對比,進而深入了解了該區煤系地層的橫向展布格局。

柳林煤層氣區塊 地層對比 測井

Abstract:The coal bearing sequence of Liulin CBM block developed overlying the basal Ordovician marine carbonate.It is composed of Permian-Carboniferous coal seams with marine limestone,shale and transitionaldeltaic clast sediments.All these sequences are well defined by extensive studies and can be observed in outcrop along the eastern portion of the block.T o provide the description work of the geological markers that can be combined with well-logging correlation to understand and gain insights into the geometry and lateral continuity of the coal seams.

Keywords:Liulin CBM block;stratigraphic correlation;logging

柳林煤層氣區塊位于山西省離石市柳林縣境內,河東煤田中段,地質構造上屬于鄂爾多斯含油氣盆地東緣。因此,柳林及周邊地區一直是煤炭勘探開采和油氣及煤層氣勘探開發的熱點地區。由于針對不同地質資源的勘探著眼點和技術要求不盡相同,使得該區域的地層單位劃分和命名上也不盡相同。煤層氣地質勘探介于煤田地質勘探和油氣地質勘探之間,執行煤層氣地質勘探任務的有來自煤田的隊伍,也有來自油田的隊伍,從而導致在資料的統一和使用上,即使是在合作團隊成員之間有時也會有一些出入。有鑒于此,我們根據柳林煤層氣區塊煤層氣井的鉆探實踐,認真梳理并詳細描述了該地區石炭-二疊系煤系地層的地質特征。通過巖芯描述并對比測井曲線特征,初步建立起巖性-測井響應模型,并依據測井-錄井資料對三口煤層氣井鉆遇的地層進行了區域上的追蹤對比。

1 地層發育特征

柳林煤層氣區塊在地層區劃上屬于華北地層區,在資源利用上又疊加了煤炭開采和油氣勘探與開發。伴隨著地質勘探工作的逐步深入,柳林地區的地層劃分也呈現出多元且精細化方向發展,地層劃分見圖1。在華北聚煤區范圍內依據巖性組合及含煤性,通常把石炭系太原組地層分為三個巖性段,即晉祠段、毛兒溝段和東大窯段。把二疊系山西組地層劃分為兩個巖性段,即北岔溝段和下石村段。在生產實踐中也有人將太原組最晚一套海相灰巖(L5)頂作為太原組和山西組的分界,或將山西組地層三分。長慶油田結合多年的油氣勘探實踐,依據沉積層序和含煤特征,將太原組地層從上到下兩分為太1段和太2段。將山西組地層也分為上、下兩段,并根據沉積旋和含油氣特征將山2段自上而下劃分為山21、山22和山23三個亞段。

圖1 柳林地區實鉆地層剖面

(1)中石炭統本溪組(C2b)

本區本溪組地層平行不整合覆于中奧陶統峰峰組(O2f)淺灰色灰巖之上,是以下古生界侵蝕面為基底,沉積的第一套上古生界海相砂泥巖地層層序,局部夾灰巖沉積,頂界為太原組底砂巖晉祠砂巖(K1)。本區煤田鉆孔揭露的本溪組地層厚度達39m,煤層氣井均未鉆穿本溪組地層,據文獻記載,離柳礦區本溪組地層厚度變化較大,為3.5～39m,平均厚31m。

本溪組下部地層為“鐵鋁巖段”,由一套中厚-厚層狀粉-細砂巖、泥巖互層組成。粉砂巖為灰黑色,厚層狀,具有黃鐵礦結核,裂隙發育,方解石及泥質充填。細砂巖為灰色,中厚層狀,成分以石英、長石為主,平行層理,含較多鋁質,斷口參差狀,具黃鐵礦結核和黃鐵礦晶體。泥巖為深灰-黑色,中厚層狀,含少量砂質,均勻層理,裂隙發育,泥質充填,具少量黃鐵礦結核。鋁質泥巖為淺灰色,中厚層狀,鋁質含量豐富,具少量黃鐵礦結核,裂隙發育,泥質充填,均勻層理,斷口平坦,手摸有滑感。

本溪組上部地層為“畔溝段”,由一套中厚-厚層狀細砂巖、泥巖和灰巖互層組成。本區灰巖發育1～2層,可作為進入本溪組地層的標志層,即畔溝灰巖(Lb),巖性為灰-深灰色,中厚-厚層狀,隱晶質結構,含方解石脈,具少量黃鐵礦結核,不規則裂隙發育,泥質及方解石充填,硅質半充填。細砂巖為黑色厚層狀,石英為主含白云母碎片,具黃鐵礦結核,方解石脈,夾泥巖薄層,平行層理,參差狀斷口。鋁質泥巖為灰色,中厚層狀,均勻層理,裂隙發育,無充填,斷口平坦。泥巖為黑色,中厚層狀,含豐富的白云母碎片,偶見碳質碎屑。斜交裂隙發育,無充填或泥質充填,均勻層理,斷口平坦。

(2)上石炭統太原組(C3t)

太原組地層是在本溪組地層基礎上形成的一套海相濱岸-潮坪、瀉湖、障壁島和風暴沉積層序,由灰-淺灰色砂巖、深灰色粉砂巖、砂質泥巖、黑色泥巖、煤和深灰色灰巖組成。含灰巖5～7層,煤10余層,其中可采和局部可采煤層4～5層。太原組地層厚度在本區分布穩定,為90～100m。根據沉積旋和巖性組合特征,可將太原組地層分為三個巖性段。

太原組下部地層為“晉祠段”,主要由一套中厚-厚層狀中砂巖、細-粉砂巖、泥巖和煤層組成,局部夾灰巖薄層。底部為晉祠砂巖(K1),為淺灰-灰白色、厚層狀細-中粒長石石英砂巖,次磨圓-次棱角顆粒,分選中等,普遍硅質膠結,見少量黃鐵礦結核,方解石脈,偶見碳質泥礫,表觀孔隙度差。泥巖為黑色薄層狀,水平紋理發育,具黃鐵礦結核和植物根莖化石,裂隙發育,巖芯破碎。其它粉-細砂巖和鋁質泥巖的發育特征與本溪組地層類似,表明了相近的沉積條件。值得一提的是,在晉祠段下部地層中還鉆遇了兩層灰巖,應該與太原西山地區的“吳家峪灰巖”相當。本區10#煤層發育,厚度為0.5～1.8m,為黑色半亮型煤,玻璃-金屬光澤,均一狀結構,位于本段頂部。

太原組中部地層為“毛兒溝段”,主要由泥巖、泥質粉砂巖、泥質灰巖-灰巖和煤層互層組成。泥巖為黑色薄層狀,具平行紋理,含腕足類化石,含少量黃鐵礦和白云母碎片,巖芯破碎,裂隙發育,鈣質充填。本區8號煤和9號煤橫向分布穩定,且為地震波組的強反射軸(TC2),是很好的地質標志層,厚度約為2～6m,為黑色半亮型煤,玻璃-金屬光澤,塊狀,易碎,割理和內生裂隙發育,見黃鐵礦結核,煤取芯氣泡強烈,表明具有較高的煤層氣含量。灰巖-泥灰巖為灰黑色,中厚層狀,下部灰巖(L1)為泥晶結構,含豐富的生物碎屑,裂隙發育且未充填,相當于“廟溝灰巖”。上部灰巖(L2-3)有時分兩層,為隱晶質結構,具方解石脈,含豐富的蜓類化石,巖芯堅硬,具裂隙,泥質-鈣質充填,相當于“毛兒溝灰巖”。本段頂部有時見一層薄煤,7#煤。

太原組上部地層為“東大窯段”,主要由灰巖、粉砂巖和泥巖組成。本段含兩層較厚的灰巖段,底部L4灰巖(斜道灰巖)為深灰色生物碎屑灰巖,質純,隱晶質結構,含方解石脈,向上含少量黃鐵礦,具裂隙,鈣質充填。上部L5灰巖(東大窯灰巖)為深灰色含生物碎屑微晶灰巖,含腕足類化石,偶見陸源碎屑混入物,因此有人將該灰巖頂作為太原組和上覆地層山西組的地層分界。這兩套灰巖之間的地層在本區為灰黑色薄層狀粉砂巖,具平行層理,從圖1可以看出泥質含量較高(高伽碼值),這與區域上的七里溝砂巖(太1砂組)區別較大,反映出了不同的沉積相帶特征。在這套砂巖頂和L5灰巖底之間發育了一層較為穩定的薄煤層即6#煤。L5灰巖上覆地層為一套含海相化石泥巖,在區塊東北部的成家莊剖面有出露,厚10m,井下揭露5～6m,根據化石組合將其歸為太原組地層,巖芯描述為:灰黑色,薄層狀,半堅硬,局部破碎,裂隙發育,鈣質充填。

(3)下二疊統山西組(P1s)

進入二疊紀,本區海水逐漸退出。山西組是在太原組海相地層層序之上沉積的一套海陸交互相、水下分流河道、三角洲平原和湖泊-沼澤相含煤地層,主要由灰-淺灰色砂巖、灰黑色粉砂巖、灰黑色-黑色泥巖和煤層組成,含煤9層,其中可采和局部可采煤層3～4層。地層厚度穩定,為50～60m,與下伏太原組整合接觸,局部沖刷接觸。根據沉積旋和含煤性,將山西組地層分為上、下兩個巖性段。

山西組下部地層為“北岔溝段”,主要由一套薄-中厚層狀中砂巖、細-粉砂巖、泥巖和煤層組成。根據碎屑巖顆粒由粗到細,最后到煤的沉積旋特征,可將本段劃分為三個巖性亞段。

下部山23砂組不十分發育,山西組底砂巖(北岔溝砂巖,K3)在本區不足1m,局部缺失,巖芯描述為灰色,中厚層狀中砂巖,基底式硅質膠結,石英為主,長石次之,分選性差,具交錯層理,巖芯堅硬,參差狀斷口。其上為深灰色中厚層狀細砂巖,具平行層理,再向上變為灰黑色粉砂巖-砂質泥巖,見黃鐵礦,斜交裂隙發育。頂部為5#煤,為黑色,半亮型煤,強玻璃光澤,階梯狀斷口,均一狀結構。

中部山22亞段為一套砂-泥巖和煤層間互地層,砂巖為灰-深灰色中厚層狀細砂巖,成份以石英為主,長石次之,含菱鐵質及白云母碎片,具平行層理,與下伏地層過渡接觸,也有沖刷接觸。粉砂巖為灰黑色,薄層狀,含植物根系化石,節理、裂隙發育巖芯半堅硬,性脆,較破碎。泥巖為灰黑色,薄層狀,具植物莖葉化石,含少量黃鐵礦,節理發育,巖芯破碎。本段含兩層主要煤層:4#煤為黑色,半亮型,強玻璃光澤,割理中等發育,均一狀結構。3#煤為黑色,半暗型煤,瀝青光澤,粉末狀。

上部山21亞段為粉砂巖-細砂巖間互夾薄煤層,細砂巖為中厚層狀,石英為主,長石次之,含海綠石、菱鐵礦,硅質膠結。粉砂巖為灰黑色-薄層狀,斷口平坦。2#煤層較為發育,但一般不足半米,為黑色-半暗型煤,玻璃光澤,階梯狀斷口,均一狀結構。1#煤局部發育,為半暗-半亮型塊煤。

山西組上部地層為“下石村段”,由灰色砂泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖及煤線組成,泥巖中常夾有砂質條帶。本段電性曲線平緩,自然伽瑪值較高,在本區厚約10m。

2 地層對比

盡管柳林區塊地震勘探工作不足,但隨著該地區煤層氣鉆井地質勘探程度的提高,并結合煤田鉆孔的全井段取芯資料。使我們可以通過綜合分析對比巖性組合、巖石學特點、錄井和測井曲線特征;在單井剖面上界定巖性、識別地質標志層、劃分沉積旋和地層組、段。在聯井剖面上進行追蹤和對比,如圖2所示的三口單井的聯井剖面,以反映沉積地層的組合特點和變化規律劃分沉積相序以及了解地質標志層的橫向展布特點。

本區上古生界煤系地層是在下古生界地層遭受長期風化剝蝕后形成的古風化殼基礎上,沉積的一套海相-海陸交互相含煤層系。由于本區煤層氣井均未鉆穿石炭系地層,因此本文不討論上古-下古沉積界面的巖-電特征。

石炭系地層中的地質標志層主要包括本溪組和太原組的灰巖、太原組的底砂巖和煤層。

畔溝灰巖(Lb)在本區分布較為穩定,可達1.75～2m,可以作為進入本溪組地層的標志層。太原組的吳家峪灰巖(L0)在區塊東南部邊界發育,它和本溪組灰巖的測井曲線特征表現為高電阻和低伽瑪的特點。廟溝灰巖(L1)和毛兒溝灰巖(L2-3)常與泥巖和泥質灰巖互層,橫向分布穩定,整套地層厚約10m,電阻率曲線表現為跳躍的高阻特征,伽瑪曲線表現為鋸齒狀低值。斜道灰巖(L4)和東大窯灰巖(L5)質地較純且單層沉積地層較厚,為3～10m,電性特征明顯,表現為箱狀的高電阻和低伽瑪特點,橫向分布穩定,可以作為進入太原組的標志地層。

晉祠砂巖(K1)在本區厚度變化較大但分布穩定,一般為2～8m,并夾有泥質或凝灰質薄層,以至于有時在錄井和電測曲線上難以識別,總體電性特征表現為中高電組和低伽瑪、間有高伽瑪峰值。

太原組的煤層特征明顯,主要目的煤層包括8#煤、9#煤和10#煤,單層厚度在2～6m之間,橫向分布穩定,其中8號煤和9號煤相距不遠,在區塊大部分地區合為一層較厚的煤層(圖2),在地震剖面上構成強反射層(TC2),在測井曲線特征上表現為高電阻、低伽瑪和低密度曲線,極易辨認。另外6#煤層較薄,不足1m,但橫向分布穩定,位于L5灰巖之下。而L5灰巖上覆地層有時也發育一層薄煤(6+),可作為太原組和山西組的地層分界。

圖2 柳林地區煤層氣鉆井連井剖面

二疊系山西組地層中的地質標志層主要包括山2段、山1段砂組和煤層。

區域上的山西組底砂巖北岔溝砂巖(K3)在本文討論的區域內不十分發育,局部缺失,以至于山西組和太原組地層的巖性分界不明顯,而山西組內部砂巖還是極具特點的。

山22段和山21段砂巖橫向分布穩定,厚達4～10m,盡管巖石致密,孔隙度低,但由于裂隙和節理發育,導致地層含水明顯,電阻率曲線為中低阻值,且深淺電阻率曲線幅度相差明顯,表現出了一定的滲透性。山1段砂組泥質含量較高,表現為高伽瑪鋸齒狀和平緩的中高電阻率曲線特征。

山西組煤層特征明顯,主要目的煤層包括3#煤、4#煤和5#煤,厚度在0.5～2.5m之間。橫向分布穩定。4#煤和5#煤距離較近,一般不超過5m,在地震剖面上構成強反射層(TP10),在測井曲線特征上表現為高電阻、低伽瑪和低密度曲線,易于辨認。2#煤時斷時續,1#煤不甚發育,且厚度很薄,在鉆井過程中易于漏判。這時就要根據沉積旋特點和地層層序特征,包括地層厚度來綜合判斷,卡準層位。從石盒子組底砂巖駱駝脖子砂巖(K4)到山西組3#煤之間,在本區包含了兩個沉積旋和三個巖性組合,沉積地層厚度約為25～30m。

3 結語

井下巖芯描述和野外地層露頭觀察為我們提供了豐富的第一手資料,綜合測井-錄井曲線特征所進行的地層對比工作則是識別和分析、利用柳林區塊石炭-二疊系煤系地層中的地質標志層的重要手段。

單井綜合地層剖面的建立不但理清了柳林地區地層單位的劃分和沉積地層發育特征之間的關系,同時也初步建立起了巖性-巖相-沉積旋和測井響應之間的對應關系,并可以此作為深入了解該地區石炭-二疊系煤系地層橫向展布特征,以及沉積相帶劃分的工作起點。

連井地層剖面的建立使我們得以選擇好最恰當的標準層來標定地層組、段的分界,提高了地質標志層和沉積旋的對比精度。進而為煤層的細分和對比,計算煤層氣儲量、合理劃分開發層系、煤層氣井網部署、排采過程的動態分析等提供了可靠的地質依據。

[1] 煤炭部中國煤田地質局.中國主要煤礦資源圖集第一卷[M].北京:煤炭部中國煤田地質總局,1996.

[2] Wenxiang Liu,Coal-bed Methane Potential of the east Ordosbasin,China.Chevron Texaco,2006.

[3] 陳恭洋等.油氣田地下地質學[M].北京:石油工業出版社,2007.

[4] 張德江.大力推進煤礦瓦斯抽采利用[J].中國煤層氣,2010(1).

《2010第十屆國際煤層氣論壇》將在北京召開

“2010第十屆國際煤層氣論壇”將于2010年10月19-21日在北京亮馬河飯店召開,會期3天。本屆大會由國家安全生產監督管理總局和美國環保局聯合主辦,國家安全生產監督管理總局信息研究院(煤炭信息研究院)承辦。

“國際煤層氣論壇”作為煤層氣領域的一項重要活動,已經成為一個促進國內外煤礦瓦斯/煤層氣抽放利用技術和經濟合作平臺,極大地推動煤層氣產業發展。本屆論壇主要內容包括煤層氣開發潛力與前景展望、中國煤層氣項目最新進展、中國煤層氣產業化所面臨的機遇與挑戰、煤層氣開發新技術及其應用、煤礦瓦斯/煤層氣抽放與利用技術、煤礦通風瓦斯利用技術、煤礦瓦斯/煤層氣項目的融資、政策法規、國際機構援助及融資渠道。

歡迎國內外代表提交論文,在規定時間內提交的論文將有機會列入會議論文集并且優先安排在大會上發言。會務組聯系電話:010-84657948,Email:cbmc@coalinfo.net.cn,網站:www.coalinfo.net.cn。

Correlation Features of the Coal Measure in Liulin Block,Shanxi

Huang Xiaoming,Lin Liang,Wang Zanwei,Zhang Wenzhong,Cai Xialei
(China United Coalbed Methane Co.Ltd.,Beijing 100011)

黃曉明,男,畢業于浙江大學地質系,高級工程師,從事煤層氣地質勘探與開發工作。

(責任編輯 劉 馨)