張集礦山西組煤成氣儲層分布特征分析

吳建鑫

(成都理工大學，四川 成都 610066)

1 張集礦區山西組煤成氣儲層特征

1.1 研究區地層概況

研究區底部以太原組與海相泥巖分界。二疊系總厚度980 m，分上、下統，其中上統包括石千峰組、上石盒子組；下統包括下石盒子組、山西組。都為含煤系地層，含煤32層，厚720 m，總厚為36.09 m，含煤系數為5.0%。

其中 13-1煤層是二疊系下統山西組(P1sh)的第一個含煤段，厚約65 m，含有一層可采煤層。底部是一層灰黑色的泥巖，其上覆地層為泥砂巖互層，中部是以中、粗砂巖為主的巖層。煤厚為0～8.28 m，平均厚度4.41 m，與16-1煤層的層間距為101.78 m。局部含夾矸1～3層。西三采區的煤層大部分地段含有1層的夾矸，部分含有兩層及以上的夾矸，單層夾矸常位于煤層底部，夾矸厚度為0.34～0.79 m，為泥巖、炭質泥巖；四線以東十九線與十八線附近煤層一般常含有1層夾矸，位于煤層的下部，厚約0.3 m，且多為泥巖；東一采區深部的大部分地段煤層中上部含有1層的夾矸，而部分地段含有2～3層的夾矸，多為炭質泥巖。其可采指數為97.06%，為全區穩定的主采和首采煤層。

1.2 山西組的沉積環境

淮南礦區的山西組地層厚度分布比較穩定，一般在70 m左右，其中山西組下部主要是黑色的呈塊狀層理的泥巖，是在海灣環境中沉積發育的。泥巖之上被一套粉砂巖和泥巖互層所覆蓋，呈現透鏡狀層理，屬于遠砂壩沉積環境，其上是石英細砂巖，分選性較好，具波狀層理，屬河口沙壩沉積環境，是一套呈楔形交錯層理的細-中粒砂巖，屬河口壩沉積，常常發育一些同生的小斷層，砂體呈指狀沉積，所以屬三角洲前緣沉積。

綜述以上沉積特征，山西組的沉積環境主要是三角洲沉積環境。由于它是從海灣開始形成三角洲平原的，且地形沒有大的突變，故屬于下三角洲平原。此種沉積環境有利于成煤儲氣。

1.3 煤成氣儲層類型及砂巖作為儲層的可能性

所謂儲層就是具有一定的儲集空間并可使儲存在其中的流體在有壓力的環境下可自由流動的巖層。砂巖氣在我國的煤氣儲量中占有很大的比例，在能源結構中占有重要的一環，因此研究砂巖儲層的分布特征，有助于找到更多的能源。淮南張集礦區的含煤巖系中煤成氣主要儲存在上石盒子組、下石盒子組和山西組中的泥頁巖、砂巖及煤層中。含煤巖系的砂巖幾乎占了一半，砂巖的總厚度大多在80 m左右。砂巖儲層儲氣可能性較大的是致密砂巖和粗砂巖。砂巖中的非常規天然氣并非產自砂巖本身，而是由附近的煤層及泥頁巖中的非常規天然氣運移到砂巖中。由于致密砂巖孔隙度小，即成煤氣的儲集空間較小，煤成氣因低滲透性儲存在其中不易逸散，因此可能儲存有部分的煤成氣。粗砂巖的孔隙度非常大，即煤成氣的儲集空間很大，此時煤成氣儲存的決定性因素主要取決于蓋層巖層的性質。若蓋層是致密的泥頁巖、煤層之類的巖層能夠對砂巖層構成一個良好的圈閉作用，儲存在粗砂巖中的煤成氣就不易逸散；若蓋層的孔隙度較大或是發育有較多的裂縫、斷裂、節理時，即沒有形成一個完整的圈閉時，煤成氣就會因高滲透性而逸散出去。綜上所述，砂巖層具有煤成氣儲存的可能。

1.4 張集礦山西組煤成氣儲層分布特征

山西組厚度大于3.5 m的優勢厚煤層，又不同于上石盒子組和下石盒子組，本組沉積較好的是13-1煤，其中最厚的在十二3孔出現，達9.1 m，為特厚煤層，深度約690 m,其偽頂和偽底均為較為松軟的薄黏土層，其直接頂主要是粉砂巖和粉砂質泥巖，直接底則是細粒砂巖。由于此處在特厚煤層，有成為煤層氣儲層的優勢條件。

(1)含煤巖系泥頁巖層位分布特征。山西組泥頁巖類中沉積較厚的仍然與上、下石盒子組的巖性一樣，均為粉砂質泥巖，但沉積的厚度卻只是它們的一半，為15.66 m。該優勢層位處于山西組的底部，深度約為728 m，其上覆巖層是一層厚的標志層“13-1煤”。

(2)含煤巖系砂巖層位分布特征。山西組的煤層是主要的生氣源巖，煤層所占比例比上、下石盒子組的煤層比例都大，大約為18%，具有煤層氣勘探的價值，主要分布在礦區的東南部和東北部的中部。泥頁巖所占的比例與砂巖相當，約為40%。山西組的砂巖在六9和十五9孔所占比例最大，位于礦區西南區域的中部以及東北區域的中部。五10孔處出現泥頁巖很多、砂巖非常少的現象，而在十五9孔卻沒有泥頁巖的沉積。

2 張集礦煤成氣儲層厚度分布規律

2.1 山西組泥頁巖儲層分布規律

山西組的泥頁巖厚度平面展布特征與山西組的煤層厚度分布大體相似，但厚度比煤層大許多，主要分布在礦區的西北角、中部局部以及東南部，厚度基本上大于22 m，以五10孔、十一2孔、十五1孔、67-61孔以及十四6孔為沉積中心，山西組泥頁巖厚度等值線環形分布，其中最厚的位于五10孔，達到了34 m。厚度較薄的區域在以六9孔、十一12孔、十二5孔、十二3孔、十四2孔以及十五5孔為中心的凹陷區，厚度不到17 m。東北和西北角的泥頁巖層厚度比較穩定，厚度約22 m。

2.2 山西組粉細砂巖儲層分布規律

勘探區西北部總體上呈現出“南北分帶，東西展布”的趨勢，且厚度等值線由北向南依次減小，其最大值為32 m，在七勘探線內厚度變化比較急劇。而西南部的粉細砂巖層厚度比較穩定，基本上維持在3 m左右。在礦區東南角處以三21孔為沉積中心，厚度等值線呈環形展布，且由中心向四周依次變厚，三21中心處厚度最大，達到了34 m，為全區最厚處。

2.3 山西組中粗砂巖儲層分布規律

中粗砂巖厚度分布總體上呈現出一種對稱分布，對稱軸的方向大致是北東-南西，尤其是西南部有個像蝴蝶狀的厚度等值線分布圖，它是以六勘探線為對稱軸，厚度等值線呈向兩邊依次減小的環形分布。其中最大厚度在六勘探線上的六9孔，達到了49 m。東北部中粗砂巖的厚度分布較穩定，維持在6 m左右。中粗砂巖在勘探區的邊緣部分地區沒有沉積的跡象。

3 影響煤成氣儲層厚度的因素

含煤巖系的沉積環境是各組的各巖層沉積厚度的決定性因素。不同的沉積相將導致在礦區各部位形成不同厚度的巖儲層，煤巖層越厚，含煤巖系的原始狀態保存越完整，生成和儲存的煤成氣就越多。開發煤成氣首先要對含煤巖系儲層的厚度分布特征有一個系統而深入的了解，對于厚度值偏小的勘探區因不具備開發價值，而不納入勘探范圍內。

山西組13-1煤層是本組的優勢層位，煤層發育最好，沉積厚度最大，它所在的沉積環境是水下三角洲平原成煤環境。山西組13-1煤層的局部有一些薄煤層出現，主要是處在分流河道發育的地方，成煤后受河流的后生沖蝕作用比較強烈。山西組中發育最好的泥頁巖類是直接位于13-1煤之下的粉砂質泥巖，厚度為15 m，它所處的沉積環境屬于前三角洲—海灣沉積。如張集礦區是位于13-1煤之下呈現指狀分布的砂巖體，反映出它是以河口壩為特征的沉積序列。

4 結論

煤系地層煤成氣儲層分布特征研究對煤成氣資源評價與非常規氣共采具有一定指導意義。通過對張集礦區鉆孔數據的統計，以MAPGIS、Surfer和Section軟件為數據成圖工具，通過對各巖石地層煤成氣儲層的平面分布特征和縱向分布特征對比分析，得出如下結論：(1)張集礦含煤巖系中泥頁巖層最厚，砂巖層次之，煤層最薄；(2)煤層呈現出分區分布形式，勘探區的東北部和西北部煤層厚度穩定分布，中部東南方煤層較厚，儲層發育相對有利；(3)泥頁巖厚度分布呈現出“東西分帶，南北展布，南厚北薄”的趨勢，在礦區的南緣頁巖氣儲層發育相對有利；(4)礦井東南部和西北部粉細砂巖是全區最厚的部位，可能是砂巖氣儲存的有利場所，東北角厚度分布也較穩定，具有一定的致密砂巖氣資源勘探的價值；(5)中粗砂巖在煤系地層中厚度最高達100 m以上，主要分布在礦區的西南和東部局部地區，是否能成為煤成氣的有利儲層尚待進一步研究。