沁水盆地武鄉南煤層氣賦存主控地質因素及富集區預測

2022-01-19 09:34:26宋慧波安紅亮劉順喜于振鋒王保玉王長征

煤炭學報 2021年12期

宋慧波，安紅亮，劉順喜，于振鋒，金毅，王保玉,4，王長征，3

(1.河南理工大學資源環境學院，河南焦作 454000；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西晉城 048200；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南焦作 454000；4.河南理工大學煤系氣資源高效開發利用研究院，河南焦作 454000)

煤層氣為自生自儲的非常規天然氣，以吸附態、游離態、水溶態和固溶態賦存于煤層或煤系地層中，屬于煤的伴生礦產資源[1]。沁水盆地含有豐富的煤與煤層氣資源，是我國重要的煤層氣產業基地。武鄉南區塊位于沁水盆地中部，煤與煤層氣資源豐富，2017年，榆社-武鄉地區煤層氣勘探取得重大突破，預測煤層氣資源量達2 414億 m3，屬于超大型煤氣田。但豐富資源量與靶區尋找困難、單井開采量低，高產氣量井少、開采效率低[2]等問題形成巨大的現實矛盾，因此迫切需要開展煤層氣主控地質因素研究，對富集區進行優選。

影響煤層氣成藏的地質因素有構造條件、沉積環境、含氣量、煤層埋藏深度、水文地質條件和儲層物性等方面[3-6]。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[7-8]。構造對煤層氣的賦存、成藏以及勘探開發具有重要的控制作用[9-10]，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[11-12]；沉積環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[13-15]；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對煤層氣的保存，而相對滯留的地下水具有良好的封堵作用[16-17]。煤層氣選區評價方法較多，有灰色關聯法、BP神經網絡、模糊物元法、數值模擬法、基于測井和地震信息方法等。這些方法均是利用地質評價與數值模擬相結合進行分析，不能很好的解決指標的選擇和權重的確定，以及“模糊性”問題。但多層次模糊數學方法通過把煤層氣富集區優選過程劃分層次，使模糊和非定量化指標得到量化，做到了定性與定量方法相結合[18-20]。該方法在實際應用中通過數學處理與人的經驗、主觀判斷相結合，能夠客觀有效的分析目標準則體系層次間的非序列關系，因而得到廣泛的應用。武鄉南煤層整體埋深大，深部煤層氣富集區預測相對較復雜，多層次模糊數學評價法更符合研究區的實際情況，能夠更好地優選煤層氣富集區。

基于以上情況，筆者在分析武鄉南區塊含煤巖系沉積環境、儲層特征以及煤層氣富集主控地質因素的基礎上，通過層次分析和模糊數學相結合的評價方法，對煤層氣富集區進行了預測，為該區塊煤與煤層氣的高效開發利用提供了理論支撐，同時也對煤礦安全生產和環境保護極具重要意義[21]。

1 地質概況

沁水盆地是華北晚古生代在成煤期之后由斷塊差異性抬升形成的山間斷陷盆地[22]，古構造上屬于華北地臺中帶，在晚古生代主要呈現出海陸交互的古地理背景。晚古生代末期，隨著古蒙古洋的閉合，海水向南退出，華北板塊內部轉化成大型的內陸湖泊沉積環境。武鄉南位于沁水盆地中部(圖1)，地處榆社武鄉斷裂背斜構造帶內[23]，構造相對簡單，通過地震剖面、野外填圖和鉆井資料研究表明，區內發育斷裂和褶曲構造共22處，其中正斷層16條，逆斷層4條，背斜2個，受燕山和喜馬拉雅早期構造運動改造，現今構造形態主要呈NNE和NE向。

沁水盆地武鄉南區塊含煤地層主要為石炭—二疊系太原組和山西組(圖1)。太原組地層平均厚108.2 m，巖性由含生物碎屑灰巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖和煤層組成，全組含灰巖5～7層，主要灰巖層自下而上依次命名為K2，K3，K4，K5。灰巖中普遍含有燧石結核、燧石條帶和豐富的海相動物實體、遺跡化石。山西組地層平均厚52.8 m，底部以標志層K7砂巖(北岔溝砂巖)之底與太原組分界，巖性由粉砂質泥巖、砂巖、泥巖和煤層構成。

研究區含煤巖系自下而上發育太原組巖溶裂隙含水層和山西組碎屑巖孔裂隙含水層。太原組含水層以K2～K5四層灰巖為主，灰巖中裂隙不發育，富水性較差，同時各灰巖含水層之間被泥巖、砂質泥巖分隔獨立，滲透性低，水力聯系弱，對15號煤層影響較小。山西組含水層以下部K8砂巖為主，富水性較差[24]，對3號煤影響較小。區內構造為單斜構造，地下水徑流方向與地層傾向相反或呈高角度相交，水體流動不僅要克服巖石顆粒的吸附力和摩擦力，還要克服自身重力和隔水層壓力，因此地下水徑流微弱。

2 沉積環境及儲層特征

2.1 沉積相及巖相古地理特征

沉積相是沉積環境及在此環境中形成的沉積物特征的綜合反映，因而常作為研究礦產資源沉積背景的基礎[25]。前人對沁水盆地主要含煤巖系的沉積環境進行過系統研究，提出了石炭—二疊紀古地理格架和高分辨率層序地層的沉積序列[26]。明確了該盆地上石炭—下二疊統太原組形成于陸表海碳酸鹽巖臺地、障壁海岸和三角洲沉積環境[27]。山西組形成于海陸過渡相的河控三角洲沉積環境[28]。

2.1.1沉積相組成特征

通過研究區鉆井巖心數據及連井剖面對比研究，太原組識別出淺海、潮坪、障壁島、潟湖4種沉積相。潮坪相包括為泥坪、泥炭坪、混合坪和砂坪沉積亞相。山西組發育下三角洲平原沉積亞相，進一步又可分為泥炭沼澤、水下分流間灣和水下分流河道3種沉積微相(圖1)。

太原組演化以淺海、障壁島、潟湖和潮坪交互沉積為特征(圖2)，自下而上劃分3個巖性段即：下部碎屑巖段(K1砂巖底到K2灰巖底)——由障壁島和潮坪相沉積組成；中部灰巖段(K2灰巖底到K4灰巖頂)——由淺海相、障壁島相和潮坪相沉積組成；上部碎屑巖段(K4灰巖頂到K7砂巖底)——由潟湖、障壁島和潮坪相沉積組成。淺海相巖性主要由泥巖和生物碎屑泥晶灰巖構成。障壁島相巖性以厚層狀中—細粒石英砂巖為主，發育交錯層理。潮坪相巖性為薄層粉砂巖、泥巖、炭質泥巖和煤。潟湖相巖性由灰巖和含菱鐵礦泥巖組成。太原組15號煤層發育在潮坪相泥炭坪沉積環境中。

圖2 武鄉南區塊W7井太原組相柱狀

山西組為下三角洲平原沉積環境，系一套分流河道、分流間灣和泥炭沼澤微相沉積，呈多次交替出現(圖3)，巖性由砂巖、泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖和煤層組成。分流河道主要為中厚層狀和厚層狀細砂巖，發育平行層理和槽狀交錯層理。分流間灣由砂質泥巖與泥巖組成，發育水平層理。泥炭沼澤主要由黑色泥巖、炭質泥巖和煤構成。山西組3號煤層形成于下三角洲平原泥炭沼澤沉積環境。

圖3 武鄉南區塊W7井山西組相柱狀

2.1.2巖相古地理特征

通過鉆孔巖心數據，統計了研究區砂泥比數據，繪制了太原組和山西組的砂泥比等值線圖(圖4)。太原組沉積期，砂巖主要分部在研究區中部和東南部，砂泥比大于0.55，西南部含泥量高，砂泥比小于0.25。山西組整體砂泥比較高，區內中部含泥量大，砂泥比小于0.25。

圖4 武鄉南區塊太原組和山西組砂泥比等值線

基于砂泥比，結合巖性、沉積序列和灰巖厚度分布特征等諸多因素繪制了武鄉南區塊太原組和山西組沉積期的巖相古地理圖(圖5)。太原組沉積期，區塊北部主要為淺海相(砂泥比小于0.25)和潮坪灰巖-砂泥巖相(砂泥比在0.55～0.25)，尤其在東北部，潮坪中泥炭坪沉積較為發育，煤層較厚。東南部和中部發育障壁島砂巖相，并在關家坡東南側出現濱岸砂巖相(2者的砂泥比均大于0.55)。潟湖灰巖-泥巖-粉砂巖相(砂泥比小于0.25)主要分布在障壁島砂巖相和濱岸砂巖相之間。山西組沉積期，區塊演變為下三角洲平原沉積環境，南部發育泥炭沼澤-黑色泥巖相和分流間灣泥巖-粉砂巖相(砂泥比小于0.25)。分流河道砂巖相分布在東南部和北部地區(砂泥比大于0.55)。

圖5 武鄉南區塊太原組和山西組沉積期巖相古地理示意

2.2 儲層特征

2.2.1煤層空間展布特征

研究區主采煤層為太原組15號煤和山西組3號煤。太原組為典型的海陸交互相沉積，該組地層沉積旋回韻律明顯，煤層多賦存于灰巖和砂質泥巖底部。K1砂巖(晉祠砂巖)和K2灰巖的巖性特征明顯，層位較穩定且厚度變化較小和分布廣泛，是煤層對比的良好標志層。通過統計本區27口鉆井煤層厚度數據，并利用K1和K2標志層進行煤層對比后顯示，15號煤層厚1.2～6.72 m，平均3.481 m，煤層自北向南存在分叉現象，自上而下分層編號為15-1，15-2和15-3(圖6)，厚度逐漸變薄。

山西組為三角洲相沉積，K7砂巖(北岔溝砂巖)為太原組和山西組的分界標志層，層間距變化范圍小，規律性明顯。基于K7標志層對3號煤層進行對比分析顯示：3號煤層厚0.38～5.84 m，具分叉特征，自上而下分層編號有3-1，3-2，單層厚度在0.30～3.99 m，整體厚度自北向南具增加趨勢，煤層結構簡單、全區穩定可采(圖6)。

圖6 武鄉南區塊15號和3號煤層南北向對比

2.2.2煤巖煤質特征

選取研究區主采煤層具有代表性的12個煤樣，所有樣品均進行工業分析和顯微組分測定(表1)。研究區煤樣為黑色亮-暗煤，塊狀，條帶狀結構，煤層夾1～2層泥巖或炭質泥巖，宏觀煤巖類型為半亮型煤。

表1 武鄉南區塊煤樣綜合測試結果

煤層作為生氣層和儲氣層，其變質程度對含氣量具有重要的影響。煤樣顯微組分實驗表明：研究區煤樣以鏡質組為主，惰質組次之，不含殼質組，顯微煤巖類型為微鏡惰煤。煤樣的鏡質組含量為34.3%～86.0%；平均63.85%，惰質組含量7.8%～39.5%，平均25.88%；Ro為2.43%～2.80%，平均2.59%。工業分析表明：固定碳為43.95%～82.62%，平均67.84%；水分為1.02%～2.15%，平均1.48%；灰分為11.98%～56.49%，平均21.85%；揮發分為8.65%～22.23%，平均為12.66%。研究區的主采煤層的水分較低，固定碳含量大，煤中甲烷吸附空間大，表明煤層的吸附能力較強，有利于煤層氣的賦存[29]。

2.2.3煤的吸附性能

結合研究區煤層特征，對研究區煤樣進行等溫吸附實驗分析，煤樣的空氣干燥基Langmuir體積VL為17.88～38.64 cm3/g，平均為33.65 cm3/g。Langumuir壓力PL為2.05～2.75 MPa，平均2.41 MPa。分析結果顯示煤儲層吸附氣含量較高。

3 煤層氣富集的主控地質因素分析

3.1 構造作用

沁水盆地屬于華北克拉通內一個構造活動相對較弱的斷陷盆地，構造活動相對穩定且聚煤條件較好，這決定了沁水盆地具有豐富的煤層氣生氣母質和穩定的氣藏圈閉條件，因此其盆地構造背景有利于煤層氣的生成和保存。

地處榆社—武鄉斷裂背斜構造帶內的武鄉南區塊發育多條斷層(圖7)，斷層多以NNE向，斷距介于20～50 m。張小東等[30]對沁水盆地長治區塊地質構造復雜程度進行定量劃分，并分析了對煤層氣產能的影響。結合研究區實際地質條件，選取斷層密度、延展長度和傾角以及斷距4個參數作為評價指標，見表2。

圖7 武鄉南區塊15號和3號煤層含氣量與構造疊合

表2 構造復雜程度判定

基于以上劃分標準，研究區內東南部斷層密度和延展長度大，斷距普遍大于40 m，為構造復雜區。該地區斷層性質主要為正斷層，斷層面缺乏斷層泥，封閉性較差，導致該地區的15號和3號煤含氣量均較低。區內W26-W8-W18勘探井西部一帶正斷層傾角、斷距和延展長度較小，發育的逆斷層密度小，故劃分為構造較簡單區。該區正斷層規模小，逆斷層為壓性，斷層面附近受擠壓應力作用，透氣性較差，煤層氣缺乏逸散通道，因此整體含氣量較高。實測鉆井含氣量與以上分析結果表現出較好的一致性，這充分驗證了研究區對構造復雜類型劃分方法的合理性。

3.2 頂板封蓋性

煤層頂板巖性和厚度對煤層氣富集至關重要。具體來說，巖性越致密、頂板越厚，越有利于煤層氣富集[31]。

太原組15號煤層頂板多為沼澤相或潮坪相沉積的泥巖和砂質泥巖(圖8)。東北部和西南部砂質泥巖分部廣泛，其中該區塊東北部W7勘探井附近的15號煤層頂板為封蓋性較好的砂質泥巖，隔斷了各含水層之間煤層氣水力逸散的通道，具有較好的垂向封堵效果，使含氣量增加。研究區W20-W21-W8勘探井附近15號煤層頂板為透氣性較好的細砂巖，對煤層氣的封蓋性能弱，因此含氣量低。

圖8 武鄉南區塊15號和3號煤層頂板巖性分布特征

山西組3號煤頂板巖性主要為分流間灣砂質泥巖和泥炭沼澤泥巖。研究區的西南處3號煤層頂板為封蓋性能好的泥巖，煤層含氣量高。西北處和東南處3號煤的頂板巖性為透氣性較好的細砂巖，對煤層氣封堵較差，含氣量較低。

實驗數據分析表明，煤層頂板厚度與含氣量呈現較好的正相關性(R2分別為0.650 5和0.567 5)，如圖9所示。厚層頂板更加有效的阻止了氣體向外運移，為煤層氣富集提供了良好的蓋層條件。

圖9 武鄉南區塊15號和3號煤層頂板厚度與含氣量的關系

3.3 煤厚與含氣量的關系

煤儲層作為煤層氣的吸附載體，其厚度對含氣量具有顯著的影響作用。太原組沉積期，研究區北部和東北部為泥炭坪環境，有利于植物生長和埋藏，易于厚煤層形成，生氣潛力大。中部障壁島砂巖相(W23井附近)和東南部濱岸砂巖相，不利于植物生長，煤厚較薄，生氣條件差。中南部潟湖相煤厚較大，生氣條件好。山西組沉積期，研究區南部發育泥炭沼澤，是厚煤層形成的良好環境。北部為分流河道砂巖相，不利于植物生長和泥炭堆積，煤層厚度小。

平面展布特征表明：太原組15號煤厚度自西南向東北逐漸增加，中北部煤層整體較厚(圖10)，含氣量變化趨勢與煤厚相似，北部較高，向南部逐漸降低。山西組3號煤厚度變化自南向北變薄，含氣量變化除南部部分區域外，其變化趨勢整體與煤厚一致。同時，通過武鄉南區塊15號和3號煤層厚度與含氣量的相關性分析表明：煤層厚度與含氣量呈明顯的正相關關系(R2分別為0.872 5和0.957 6)(圖11)。究其原因，煤儲層既是煤層氣的儲集空間，也是氣體逸散的封堵蓋層。煤層屬于高密度和低滲透性的巖層，上、下部分對中部分層氣體向頂板擴散起著強烈的封蓋作用，煤層厚度越大，擴散路徑越長，阻力就越大，對煤層氣的保存就越有利[32]。

圖10 武鄉南區塊15號和3號煤層厚度等值線

圖11 武鄉南區塊15號和3號煤層厚度與含氣量的關系

3.4 埋深與含氣量的關系

研究區15號煤層埋深介于706.4～2 002.8 m，平均1 458.6 m，3號煤層埋深介于595.2～1 858.9 m，平均為1 333.5 m。煤層氣地質學研究表明，隨著煤層埋深增加煤層上覆地層厚度封蓋性增強，且由于壓實作用使煤層孔滲性下降、封閉性變好，對煤層氣的封存比較有利[33]。統計數據分析結果表明：15號和3號煤層含氣量與埋深呈正相關性(R2分別為0.842 8 和0.752 3)(圖12)。從平面上分析，研究區為一傾向向西的單斜構造(傾角約20°)，中部存在貫穿南北的逆斷層，15號煤層與3號煤層埋深自東南向西北呈現先增加后降低的趨勢(圖13)。煤層含氣量與埋深變化趨勢總體一致。含氣量隨著煤層埋深增加而變化明顯，實質是隨著煤層埋深增加，煤層中甲烷吸附壓力增加，從而導致煤層氣的吸附量增加。

圖12 武鄉南區塊15號和3號煤層埋深與含氣量的關系

圖13 武鄉南區塊15號和3號煤層埋深等值線

4 富集區預測

4.1 評價方法

4.1.1各層次指標重要系數的確定

通過上述本區塊煤層氣地質控制因素分析，并結合前人研究成果和研究區實際情況，用層次分析法將研究區煤層氣預測指標分為資源條件和地質條件2個層次。武鄉南區塊的煤層氣富集區評價定義為A，煤層氣富集預測指標主要考慮資源條件(B1)和賦存條件(B2)。資源條件(B1)分為煤厚(C11)和含氣量(C12)。賦存條件(B2)分為構造條件(C21)、頂板巖性(C22)和埋深(C23)。評價時在遵循客觀性和主體特殊性兩大原則基礎上，根據(表3，其中，μi，μj為2個因素，2個因素的比值為uij組成矩陣中的數值)對不同層次和相同層次指標進行兩兩重要性比較，建立構造判斷矩陣。利用Matlab軟件計算出判別矩陣最大特征根λmax及其對應的特征向量，特征向量數值即為各評價指標的相對權重系數(表4，其中，WB為相對于目標層A而構成B的特征向量；WC1為相對于B1指標層C1的特征向量；WC2為相對于B2指標層C2的特征向量)。為保證計算結果的客觀性和合理性，本次采用SAATY T L[34]提出的一致性檢驗，如下所述：

表3 判斷矩陣標度及其含義

表4 各指標相對于目標層的重要性系數

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CIRI

(2)

其中，n為判斷矩陣階數；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；CI為一致性指標；CR為隨機一致性比率。若CR<10%，表明判斷矩陣的結果具有可接受的一致性，檢驗通過。研究區的3個判斷矩陣的隨機性比率分別為0，0和0.96%，均小于10%，得出判斷矩陣的特征向量為相對應評價指標的權重(表5)。

表5 資源條件與地質條件的主要參數及其權重

4.1.2隸屬度和隸屬函數

基于鉆井、測井資料，并結合上述煤層氣地質控制因素綜合分析，運用模糊數學評價方法，將各個控制因素評價標準分為最有利、較有利和不利。以前人研究煤層氣儲層參數評價標準為基礎[18,20,35]，結合研究區的地質實際情況，建立了0～1的隸屬度和隸屬函數評價標準(表6，其中，M′為煤層厚度；N′為含氣量)。為了盡可能最大接近實際情況，在武鄉南區塊現有煤層氣資源勘探開發資料的基礎上建立了煤層氣富集區多層次模糊評價模型(表7)。

表6 煤層氣富集因素評價標準及隸屬函數

表7 煤層氣富集區塊優選多層次模糊數學評價模型

4.2 評價結果

根據上述指標體系、選區標準與隸屬函數，統計武鄉南15號和3號煤層氣評價參數的具體數據，并對其進行賦值，得出其隸屬度。通過使每個評價參數的隸屬度和權重系數相乘，然后結合煤儲層特征、含氣性特征、頂板巖性、埋深以及研究區的沉積環境和構造特征等因素綜合分析后繪制了武鄉南煤層氣富集預測圖(圖14)。煤層氣綜合評價結果反映煤層氣的富集性和可采潛力，按評價值的大小將研究區煤層氣富集區塊劃分為有利區塊(Ⅰ類)、較有利區塊(Ⅱ類)、較不利區塊(Ⅲ類)和不利區塊(Ⅳ類)，其中Ⅰ類區塊綜合評價指數大于0.7，Ⅱ類為0.6～0.7，Ⅲ類為0.5～0.6，Ⅳ類在0.5以下。評價結果表明：武鄉南區塊15號煤煤層氣富集區位于區塊北部和東北部W26-W31-W41勘探井一帶，3號煤煤層氣富集區主要分布在W1-W20-W2勘探井一帶。