沁水盆地沁源地區煤層含氣量分布規律及控氣地質因素分析

鄧志宇 劉羽欣 王 力 王春東 王利娜

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

沁水盆地沁源地區煤層含氣量分布規律及控氣地質因素分析

鄧志宇 劉羽欣 王 力 王春東 王利娜

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

本文通過對沁源地區進行詳細地質研究，從多個角度歸納了該區兩套煤層含氣量特征的主控因素。結果表明，沁源地區煤層含氣量主要受構造、煤層埋深、厚度、沉積共同控制，其次為頂底板巖性以及水文地質條件等。2號煤層含氣情況受后期構造影響較大，而9+10號煤層含氣性相對來說主要取決于其自身生氣能力以及圍巖結構特性的差異。綜合分析認為，本區東南部為2號煤層下一步煤層氣勘探的有利目標區；中部為9+10號煤層的有利目標區。

沁源地區 煤層 含氣量 控氣因素

沁源地區位于沁水含煤盆地中部，地處太岳山東麓，系沁河發源地，地形以低山丘陵為主，整體西北高而東南低，交通便利。

沁源地區煤炭勘探歷史久遠，勘查程度較高，已達到勘探階段，區內煤礦主要有留神峪、沁新、新達、新源、東盛等，而煤層氣勘探進展卻較為緩慢。早在1995年，國外公司就在沁源地區進行了煤層氣資源調查工作。在“十一五”、“十二五”期間，該區已完成若干口煤層氣井，取得了一系列煤層參數和生產數據資料，但總體上排采效果不佳。因此弄清控氣地質因素，是本區目前迫切需要解決的關鍵問題。本文重點對沁源地區2號、9+10號煤儲層進行研究，查清煤層含氣分布特征及地質主控因素，為本區煤層氣的勘探開發提供決策依據。

1 地質背景

沁源地區位于沁水盆地復式向斜的軸部，西鄰霍山隆起，東鄰太行山隆起。煤系地層總體為一個走向近南北、向東傾斜的寬緩復向斜構造，其軸向近南北。整體構造較為復雜，次級褶皺構造較為發育，主要呈NNE、NNW向展布，斷層主要集中分布在本區西部和南部的沁水盆地翼部，特別是轉折端應力集中部位，多為NE-NNE走向(圖1)。

圖1 沁源地區構造綱要圖

本區自西向東依次出露寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及三疊系地層，其上零星分布第三系粘土、第四系黃土及沖洪積層。含煤地層為石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組及下石盒子組，其中具有開發價值的為上石炭統太原組和下二疊統山西組煤系地層。上石炭統太原組9號、10號煤層和下二疊統山西組2號煤層為該區主力煤層。2號煤層埋深300～2100m，主要發育宏觀煤巖類型為光亮煤、半亮煤和半暗煤；9號煤層與10號煤層相距較近，多數情況下合并為一層研究，記為9+10號煤，埋深400～2200m，9號煤的煤層厚度較10號煤層厚，主要為暗淡煤、半暗煤，并含有少量半亮煤。

2 含氣量分布特征

限于沁源地區煤層氣井井位稀疏，目前已查明區含氣量展布情況變化較大。2號煤層含氣量整體表現為西部地區煤層氣含量低于東部含氣量，在構造作用強烈地區含氣量普遍較低。9+10號煤層含氣量平面分布整體表現為由西向東增高，中南部含氣量最高，北部其次，較2號煤層含氣特征有一定差異，分析認為差異性主要源自于其后期受構造活動影響相對較弱，煤層自身生氣能力以及圍巖結構特性的影響相對增大。

3 煤層氣控氣地質因素分析

地質因素是決定煤層氣富集及產出的關鍵，是影響煤層氣井產能的內在因素。沁源地區煤層氣含量的分布規律與區內的地質構造、埋深、煤厚、沉積、水文地質條件以及圍巖封閉性等地質因素具有重要的關系。

3.1 構造作用

煤巖限于脆性較大，其連續完整性極易受到地層應力的影響，從而使其氣藏保存條件發生變化。斷層和褶皺是影響煤層氣富集最主要的構造因素。

斷層構造對煤層氣分布的影響主要表現在裂縫、破碎帶的發育以及應力變化造成的煤層甲烷解吸/吸附。沁源地區斷裂體系總體呈NNE向展布，斷層性質主要為逆斷層，且多具扭動特征，因此其斷層面的不同巖性封閉及上下盤裂隙發育的差別必然導致斷層兩盤含氣量的差別。斷層兩側的牽引褶曲部位應力值顯著增加，煤層儲壓增大，且裂隙較為發育，易于煤層氣富集。不同性質斷層對煤層氣的控制作用與分布特征是截然不同的。正斷層褶曲部位受拉伸作用變薄，裂縫較為發育，從而形成一定的儲氣空間；逆斷層斷層面的封閉性、褶曲位置圍巖和煤儲層的相對致密性以及高應力值均利于煤層氣的保存。在斷層面兩側一般形成兩個平行斷層呈對稱的條帶狀構造應力高值區，煤層甲烷含量相對升高，成為阻止煤層甲烷進一步向斷層運移的天然屏障(圖2、圖3)。

圖2 斷層構造與煤層含氣量關系示意圖

圖3 煤層含氣量與斷層距離關系統計曲線

褶皺控氣主要體現在煤層的傾斜程度以及應力狀態變化造成的不同部位煤儲層壓力的差異。背斜構造兩翼以及中和面以下的壓應力利于煤層氣的聚集，而在頂板封蓋條件較好時，中和面以上也會運移聚集游離氣，從而呈現高含氣性。向斜構造的兩翼以及中和面以上也表現出明顯的壓應力，是煤層氣聚集的有利部位(圖4)。沁源地區整體形態為一近南北走向寬緩單斜構造，受斷層控制其單斜構造背景上次一級褶皺較為發育，這些次級褶皺起伏規模不一，從幾十米到數百米，軸向多為北北東、北北西，少量為近東西向。依據該區主斷裂特征及構造形態自西向東可劃分為西部擠壓構造帶、中部寬緩背斜帶、東部凹槽帶三個構造單元，西部擠壓構造帶地層隆起幅度高、煤層埋深淺，中部寬緩背斜帶北部構造平緩，發育低幅度大型背斜圈閉，對煤層氣聚集保存較為有利。沁源地區所在的聚煤聚氣盆地-沁水盆地即是一個NNE向的復式向斜盆地，同時本區2號煤層東南部的高含氣量區位于東部凹槽帶復合向斜的翼部。

圖4 褶皺構造與煤層含氣量關系示意圖

3.2 埋深影響

大量實際資料表明，在一定深度范圍內，煤層的含氣量隨埋藏深度增大而增加。通過沁源地區的物探及實鉆已取得的資料來看，該區煤層埋深變化較大，2號煤層埋深范圍為300～2100m，平均1318m，變化趨勢為由西向東、由南向北煤層逐漸加深。9+10號煤層埋深400～2200m，平均為1383m，整體變化趨勢與2號煤層相似。兩主要目的煤層埋深平面特征與含氣量分布具有近似正相關性。同時從圖5中可以看出，本區2號與9+10號煤層隨著埋深的增加，含氣量均表現出相應增加的趨勢。

圖5 沁源地區主要目的煤層埋深與含氣量關系圖

3.3 煤厚影響

煤層厚度及其變化對含氣量有較大影響，表現在煤層厚度直接影響煤層氣的生成量，同時厚煤帶可以為煤層氣提供良好的儲集場所。在同一構造穩定區域，煤層含氣量一般會隨著煤層厚度而呈現明顯的正相關變化。

沁源地區2號煤層厚度在3.1～6.9m之間，平均為4.6m，一般不含夾矸，局部含一層夾矸，總體趨勢為中、北部較厚，南部較薄，其含氣量特征表現為厚度較大的地區特別是東南部含氣量高，西部較薄區域含氣量較低。9+10號煤層合并厚度一般為0.81～5.45m，平均為3.23m，多含2～3層夾矸，北部煤層有減薄分叉現象，厚度變化的總體趨勢為由北向南漸薄。整體而言，其含氣量變化與煤層厚度具有一定相關性，在中南部煤層較厚區域其含氣量呈現高值。圖6顯示出本區兩套主要目的煤層含氣量與煤厚呈近似正相關的關系。

3.4 沉積條件

沉積對煤層含氣量分布控制的主要表現形式之一便是煤相。不同的煤相特征代表著不同的覆水深度和水流變化情況，不同的水體特征造成了不同的氧化還原環境，從而導致不同的水體中煤巖類型的差異。因此，利用不同成煤環境中易生成煤巖類型可以用來判斷煤相特征。根據尚冠雄(1997)等對華北地臺煤相的研究表明，石炭-二疊紀時期沁水盆地中南部的主要泥炭沼澤類型主要為較深覆水森林沼澤、覆水森林沼澤和濕地森林沼澤相為主的聚煤環境組合特征，并以覆水森林沼澤和濕地沼澤相為主要發育煤相。本區出現的煤相類型均屬于森林沼澤相類型，即深覆水森林沼澤相、覆水森林沼澤相、濕地森林沼澤相、干燥森林沼澤相，各相特征見表(表1)。隨著鏡煤、亮煤含量增加，煤儲層生烴潛力增加，因此深覆水、覆水森林沼澤相為優勢煤相。

圖6 沁源地區主要目的煤層厚度與含氣量關系圖

深覆水森林沼澤相覆水森林沼澤相濕地森林沼澤相干燥森林沼澤相優勢宏觀煤巖類型光亮煤半亮煤半暗煤暗淡煤鏡煤-亮煤含量>80%50～80%20～50%<20%

沁源地區2號煤層南部發育覆水森林沼澤相，含氣量等相對高值區也與煤相分布相一致，但由于沁源地區構造條件復雜，含氣量的最高值區出現在東南部。9+10號煤層主要發育濕地森林沼澤相和干燥森林沼澤相，局部發育覆水森林沼澤相，含氣量高值區出現在覆水森林沼澤相與濕地森林沼澤相過渡位置，但在覆水較深的中西部位置表現出相對低值。

3.5 水文地質條件

水文地質條件對煤層氣的富集及運移起重要作用，影響煤層氣的賦存與分布。通常水文地質條件控氣具有雙重性：地下水的滯流區對煤層有較好的封閉作用，煤層氣吸附在煤層孔隙中，受到了來自周圍巖層以及水流的封堵作用，從而有利于煤層氣的富集；而徑流區則由于地下水流動性強，促使煤層氣逸散，不利于煤層氣的富集。

沁源地區位于霍山泉域東部邊界外的深埋區，按含水介質的不同可將區內劃分為三大含水層組，分別為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、裂隙含水層組以及松散巖類孔隙水含水層組。其中碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組主要發育于奧陶系中統及寒武系中、上統地層，是本區的主要含水層組，在埋深較深時隨著巖溶裂隙發育程度變差富水性減弱。主要隔水層組為寒武系下統及元古、太古界隔水層組；石炭系中統本溪組隔水層組及二疊系碎屑巖層間隔水層組。劉洪林等研究認為，沁源地區煤系地層現代構造應力場為中主應力差，地下水徑流緩慢-停滯，水力封閉條件較好，使得煤層氣受水力封閉作用而富集。

本區山西組、太原組整體含水性弱，上下有隔水層，具有獨立、完整的水文地質單元，煤層氣保存條件較好，有利于煤層氣聚集。

3.6 圍巖條件

煤層含氣量大小與頂、底板巖性有關。煤層頂底板巖性透氣性大小，對煤層氣保存有相當大的影響。一般來說，頂底板巖性越致密越有利于煤層氣的保存。泥巖對煤層的封蓋效果較好，主要是因為：一是其較小的孔隙空間可有效防止氣藏逸散，對煤層氣的保存起著積極的作用；二是可以隔絕煤層與圍巖的水動力聯系，避免了壓裂、排采工程中的水動力流失，使得煤層氣開發工程的實施更加有效。而砂巖由于具有相對較大的孔隙度，灰巖則常含有較大的溶蝕空間，均不利于煤層氣的聚集。

沁源地區2號煤層頂板巖性主要為泥巖，其次為砂質泥巖、含砂泥巖，頂板厚度1.4～6.7m，平均為4.13m，厚度由西向東增大，東南部厚度最大；底板主要為砂質泥巖，其次為泥巖、含砂泥巖，其中根土巖占92%，底板厚度1.1～2.7m，平均2.04m，厚度變化趨勢與底板接近一致，在東南部厚度達到最大。由此，2號煤儲層的頂底板封閉性能較好，且其厚度與煤層含氣特征呈正相關關系。9+10號煤層頂板主要為灰巖，厚度1.0～7.8m，平均4.00m，局部地區煤層頂板相變為泥巖或粉砂質泥巖，封蓋能力較一般；底板主要為泥巖，其次為砂質泥巖、含砂泥巖，厚度1.0～2.0m，平均1.00m，由北向南厚度變大，在南部達到最大，且中部局部地區底板泥巖含鋁質較高，對煤層氣的保存較為有利。由此可見，9+10號煤層底板封閉性較好，煤儲層含氣特征與其底板巖性及厚度具有一定相關性。

4 結論

(1)沁源地區2號、9+10號煤層含氣量平面分布整體均表現為“西低東高”的特征。2號煤層含氣情況受后期構造影響較大，而9+10號煤層含氣性相對來說主要取決于其自身生氣能力以及圍巖結構特性的差異。

(2)沁源地區煤層氣含氣量的影響因素主要為構造、煤層埋深、厚度、沉積，其次為頂底板巖性以及水文地質條件等。煤層自身生氣能力好、構造配置有利、封閉條件好的地區利于煤層氣的富集，積極尋找含氣量主控因素對本區下一步的勘探部署具有指導意義。

(3)受目前井數限制，本區含氣量的平面特征目前并未詳細查明。但據目前已獲得資料結合以上分析，可做如下推測：區內構造、沉積、埋深、厚度及圍巖封閉性對2號煤層含氣量的控制作用明顯，由它們與含氣量的相關關系認為東南部為2號煤層下一步煤層氣勘探的有利目標區；9+10號煤層的埋深、厚度及圍巖特征等對其含氣性控制貢獻較大，推測本區中部為9+10號煤層的有利目標區。但需要注意的是由于該區埋深較大，開發經濟性需要全面分析研究。

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(責任編輯 王一然)

Analysis of Distribution Characteristics and Controlling Geological Factors of Gas Content in Qinyuan Region of Qinshui Basin

DENG Zhiyu, LIU Yuxin, WANG Li, WANG Chundong, WANG Lina

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

This paper induces the main controlling factors of the coal seam gas content from several angles based on the detailed geological research of the Qinyuan region. The results showed that the gas content of Qinyuan region is mainly affected by structure, coal seam buried depth, thickness and sedimentary, followed by the lithologic of roof and floor and hydrogeological conditions, etc. The gas bearing of No.2 coal seam is greatly influenced by the later tectonic movement, and yet the gas containing feature of No. 9 and No.10 coal seams is greatly influenced by their gas generation capacity and the structural characteristics of surrounding rock. It is proposed that the southeast area of No.2 coal seam will be the favorable target area for coalbed methane exploration in the future, and the middle area is the favorable target area of No.9 and No.10 coal seam.

Qinyuan region; coal seam; gas content; factors of controlling gas

鄧志宇，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事煤層氣地質研究工作。