路艷霞 張飛燕 吳 英 季 璐 劉長青 田 璐 柳超超

(中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院, 江蘇 210036)

鄂爾多斯盆地面積達40×104km2, 是中國大型煤炭基地, 盆地內(nèi)煤層氣資源量占中國煤層氣總資源量的1/3, 開發(fā)潛力巨大。當前, 鄂爾多斯盆地是中國煤層氣勘探開發(fā)的熱點地區(qū)之一, 其中盆地東緣大寧- 吉縣和韓城地區(qū)勘探開發(fā)效果良好, 初步顯示出該盆地具有良好的煤層氣開發(fā)前景。位于其南部的延川南地區(qū)勘探也取得一定進展獲得工業(yè)氣流。本文在延川南地區(qū)基本地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上, 進一步對比分析該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)潛力, 為以后的勘探開發(fā)提供一定指導。

1 研究區(qū)概況

延川南地區(qū)位于晉陜交界處, 以黃河為界分為山西省部分和陜西省部分。構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東南緣晉西撓褶帶與渭北隆起交匯處延川南區(qū)塊。下二疊統(tǒng)山西組2#煤和上石炭統(tǒng)太原組10#煤是該區(qū)主力煤層, 煤層埋深300～1500m, 屬中高變質(zhì)程度煤, 是我國中高煤階煤層氣富集的有利地區(qū)之一。

目前區(qū)塊內(nèi)煤層氣井延1 井排采已初見成效。獲得最高日產(chǎn)氣量2632m3, 實現(xiàn)了煤層氣工業(yè)氣流的突破。說明延川南地區(qū)煤層具有一定的經(jīng)濟可采性, 通過大井組排采, 地層壓力整體降至解吸壓力以后, 煤層氣可望達到高產(chǎn)。

圖1 延川南工區(qū)位置圖

2 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯含煤盆地是我國含石炭二疊紀、晚三疊世和早侏羅世三套含煤巖系的特大型含煤盆地。鄂爾多斯盆地在經(jīng)歷了太古界、元古界構(gòu)造變形以后形成穩(wěn)定的結(jié)晶基底, 由于早古生代的加里東運動, 內(nèi)蒙褶皺帶與秦嶺褶皺帶的隆起, 使該盆地成為與外海局部相連的近海, 形成中石炭世至二疊紀早期的近海含煤沉積, 印支運動使鄂爾多斯盆地成為克拉通內(nèi)的內(nèi)陸盆地, 形成晚三疊及早侏羅世含煤巖系的沉積; 進入新生代以后在隆起的背景上產(chǎn)生剪張作用, 破壞了盆地的完整性。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣南段河東煤田的南部。東以紫荊山斷裂帶與晉西隆起帶相連, 西接鄂爾多斯盆地韓城礦區(qū), 屬盆地內(nèi)穩(wěn)定型海陸交互相含煤碎屑沉積, 由于從晚石炭世至早二疊世早期成煤物質(zhì)充分, 沉積環(huán)境穩(wěn)定, 同時又連續(xù)沉積了晚二疊世及早三疊世厚度較大的陸相碎屑巖, 形成含煤巖系的蓋層, 有利于含煤巖系的沉積賦存。古生代以后的燕山運動、喜馬拉雅運動對本區(qū)影響不大, 所以井田內(nèi)主要可采煤層厚度較大, 層位穩(wěn)定, 構(gòu)造簡單。

3 煤層氣基本地質(zhì)特征

3．1 區(qū)域構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)整體構(gòu)造相對簡單, 地層向NW 傾斜, 以NE 向逆斷層為主, 局部發(fā)育正斷層, 走向NNE向。區(qū)塊內(nèi)存在3 條NE 向大斷層將河東區(qū)分成3個部分, 分為東南煤礦開采區(qū)、東部平臺區(qū)、西部平臺區(qū) (圖2) 。

東部平臺區(qū)2煤埋深1000m 以淺, 構(gòu)造簡單,局部發(fā)育小斷層, 地層傾向近NW, 中間地層較平緩,其北東部上柏房村附近發(fā)育一對次一級的背向斜褶皺,軸向北東;西部平臺區(qū)2#煤埋深1000m 以深,構(gòu)造簡單,局部發(fā)育小斷層,地層向西傾向,褶皺變形程度較低。兩平臺區(qū)間存在兩條延伸較長的主斷層,西北邊斷層是逆斷層,走向NNE,傾向ES,傾角55．3°,延伸約17．75km;東南邊斷層是逆斷層,走向NNE,傾向SE,傾角61．3°,延伸約20．36km。兩條斷層夾雜一構(gòu)造復(fù)雜帶。東南部淺層風化帶與東部平臺區(qū)邊界斷層是正斷層,傾向NW,走向NE,傾角40．19°,延伸距離17．18km。

圖2 延川南地區(qū)2#煤層頂面標高等值線 (m) 圖

3．2 煤層發(fā)育特征

山西組2#煤、太原組10#煤全區(qū)分布穩(wěn)定,是本區(qū)煤層氣勘探的主力煤層; 其余煤層橫向穩(wěn)定性較差, 厚度變化大, 可作為煤層氣兼探層。

2#煤層賦存于山西組下部, 為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層, 煤層厚度為2．09～8．65m, 平均厚度5．97m。煤層在區(qū)塊內(nèi)總體呈東南厚西北薄的變化趨勢, 東南部厚度達到8m, 西北部厚度2．5m; 煤層受沉積相控制, 區(qū)塊中部形成多個聚煤中心, 厚度超過6m, 是主力目標煤層。10#煤層厚度較薄, 為兼探層; 賦存于太原組下部, 煤層層位穩(wěn)定, 煤層厚0．79～6．50m, 平均厚2．57m, 區(qū)塊內(nèi)呈現(xiàn)四周厚,中間薄的趨勢, 在南部最厚達到5m, 中部最薄小于1m。區(qū)塊煤層埋深總體由西北向東南逐漸變淺。

4 煤儲層及其含氣性

4．1 煤巖煤質(zhì)特征

(1) 煤巖特征

通過對延川南地區(qū)煤樣觀察： 2#煤層宏觀煤巖類型, 以半亮型煤為主, 其次光亮型和半暗型煤。宏觀煤巖成分以亮煤為主, 夾少量鏡煤和暗煤, 偶見絲炭薄層。結(jié)構(gòu)均一。裂隙面有時被方解石充填。

煤樣實驗分析2#煤鏡質(zhì)組含量為39．7%～81．6%, 平 均 值73．85%; 10#煤 鏡 質(zhì) 組 含 量 為46．4%～81．3%, 平均值69．47% (表1) 。較高的鏡質(zhì)組含量表明, 該區(qū)煤聚集于還原的封閉環(huán)境,有利于煤層氣的生成。

(2) 煤質(zhì)特征

區(qū)塊內(nèi)鉆孔的煤質(zhì)化驗主要指標, 總體上自東南向西北隨著煤層的埋深增大, 煤的揮發(fā)分值逐步變小, 表現(xiàn)為煤的變質(zhì)程度不斷加深, 煤類的水平分帶與垂直分帶明顯。2#煤灰分含量為4．36%～27．62%, 平 均 值16．47%; 10#煤 灰 分 含 量 為7．61%～24．74%, 平均值15．11% (表1) ?？傮w2#煤層具有低灰到低中灰煤的特點。2#煤揮發(fā)分含量為7．22%～20．36%, 平均值10．48%; 10#煤揮發(fā)分含量為7．02%～16．87%, 平均值10．34%(表1) , 具有低揮發(fā)分煤的特點。2#煤和10#煤水分含量均小于2%。低揮發(fā)分、特低硫煤; 低灰-低中灰、低揮發(fā)分、低含水煤層有利于煤層氣儲集空間的發(fā)育。

表1 延川南地區(qū)煤的顯微組分及工業(yè)分析

綜上所述, 區(qū)內(nèi)煤巖特征良好, 宏觀煤巖特征以半亮煤為主, 煤巖以低灰- 低中灰煤為主, 揮發(fā)分含量普遍低, 煤化程度高, 煤巖煤質(zhì)特征及煤化程度完全滿足煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價的要求。

4．2 煤巖演化程度

延川南區(qū)塊2#煤鏡質(zhì)體反射率變化為1．99%～2．44%, 由東向西、由東南向西北隨埋藏深度加大而增高。10#煤鏡質(zhì)體反射率變化為2．03%～2．42%?？傮w上, 本區(qū)煤巖演化程度較高, 屬貧煤, 為高階煤。區(qū)內(nèi)煤變質(zhì)程度高, 具有很強的生氣能力和吸附能力。

對于煤層氣選區(qū)來說, 區(qū)內(nèi)的煤階與大寧- 吉縣地區(qū)基本一致, 非常有利于煤層氣勘探, 在目前延川南煤階范圍內(nèi), 煤層生氣量大, 割理發(fā)育, 煤巖儲集性能好。

4．3 煤的孔隙裂隙特征

煤層既是烴源巖, 又是儲集層。煤儲層具有雙孔隙結(jié)構(gòu)- 基質(zhì)孔隙和裂隙, 且具有自身獨特的割理系統(tǒng)。煤的基質(zhì)孔隙決定煤的吸附能力, 裂隙對煤層氣的運移和產(chǎn)出起決定作用。

據(jù)703 號孔煤層氣試井資料, 2#煤層孔隙率為2%, 按照實驗室測定的真密度和視密度計算求得：2#煤層的孔隙率為1．3%～4．6%, 平均3．3%;10#煤層的孔隙率為2．6%～4．3%, 平均3．7%。延1 井2#煤層實驗室測定孔隙率為3．71%, 測井解釋孔隙率為8%, 延2 井測定孔隙率平均3．2%。分析本地區(qū)孔隙度相對較低。

煤層為非均質(zhì)雙孔隙儲集類型, 煤化作用過程中生成的大量揮發(fā)性物質(zhì)以吸附態(tài)賦存在煤的基質(zhì)孔隙中, 氣體的產(chǎn)出須先從煤體內(nèi)表面解吸, 通過微孔擴散, 流入裂隙系統(tǒng), 最終匯入井筒。因此,裂隙是氣體運移的主要通道, 它關(guān)系到儲層的滲透性, 決定開發(fā)井的產(chǎn)能高低。通過煤樣觀察顯示,研究區(qū)煤層裂隙相對發(fā)育。裂縫僅局部被方解石等礦物充填。

4．4 煤的吸附性能

根據(jù)目前延1 井排采生產(chǎn)特征反映,隨著井底壓力的小幅變化,日產(chǎn)氣量響應(yīng)明顯,表現(xiàn)為煤層解吸特征,2#煤儲層解吸壓力3．95MPa,解吸壓力高,臨儲比值也較高,是非常有利的煤層氣開發(fā)條件。

原煤飽和吸附量 (VL) —蘭氏體積： 延1 井變化于30．84～34．18m3/t 之間, 平均32．18m3/t; 延2井變化于30．60～34．30m3/t 之間, 平均32．18m3/t。蘭氏壓力值延1 井變化于1．86～2．50MPa 之間, 延2 井變化于2．53～2．55MPa 之間。說明延川南區(qū)塊煤層有比較強的吸附能力。與大寧- 吉縣地區(qū)對應(yīng)的5#煤蘭氏體積平均值25．06m3/t 相比, 該地區(qū)煤層的吸附能力稍高。

4．5 煤層滲透率及控制因素

通過注入壓降試井, 實測煤儲層滲透率范圍介于0．032～0．1735mD 之間。受煤層非均質(zhì)性、氣井所在構(gòu)造部位及測試人員素質(zhì)、測試手段、資料處理方法、經(jīng)驗等因素的影響, 煤層氣勘探實測煤層滲透率差別較大, 部分測試結(jié)果不具有代表性。不論測試結(jié)果的正確與否, 可以分析滲透率的變化趨勢及相對較有利區(qū)。從埋藏深度與滲透率的關(guān)系看, 隨著埋深的增加滲透率降低。對該區(qū)煤層滲透性綜合研究認為, 該區(qū)煤層滲透率多不會超過2mD?？梢酝ㄟ^水力壓裂等手段改變外部條件來提高儲層的滲透率進行后期開采。

4．6 煤層含氣性

據(jù)實測煤層氣樣品解吸測試數(shù)據(jù)顯示延川南地區(qū)煤層含氣量相對較高。2#煤為6～24．24m3/t , 平均12．5m3/t , 其中延3 井最高達到24．24m3/t。10#煤為5～19．87m3/t (已完成煤層氣井的數(shù)據(jù)) 。平面上, 整個區(qū)域煤層氣含量都較高, 其中中部和深部含氣量升高, 縱向上2#煤含氣量高于10#煤。

5 煤層氣保存條件及資源量分布

從構(gòu)造封蓋性、圍巖封蓋性及地下水動力方面等對延川南地區(qū)的煤層氣保存條件進行分析。

5．1 構(gòu)造條件

研究區(qū)構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地東南緣, 晉西撓褶帶與渭北隆起的交匯處, 區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造條件相對簡單。目前區(qū)內(nèi)發(fā)育3 條規(guī)模較大斷裂, 呈NNE、NE 和近SN 向展布。西部平臺區(qū)和東部平臺區(qū)構(gòu)造簡單, 斷裂稀少, 且斷層多為逆斷層, 逸散量有限, 為勘探開發(fā)有利區(qū)。就目前煤層氣勘探井較少的情況下, 構(gòu)造斷裂發(fā)育對煤層氣含量影響程度尚未形成一定規(guī)律。

5．2 圍巖條件

延川南地區(qū)內(nèi)主要煤層的頂?shù)装鍘r性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖類, 屬于封閉性能好的巖層, 利于煤層氣的儲存。2#煤層頂板主要以泥巖為主, 局部存在砂巖頂板。砂巖頂板主要分布在區(qū)塊東南部和中部, 對煤層氣成藏不利; 10煤層的頂板多為灰?guī)r (K2灰?guī)r) , 灰?guī)r對煤成氣的封蓋能力較泥巖、砂巖弱, 但區(qū)塊內(nèi)石灰?guī)r裂隙、溶洞不發(fā)育, 多被方解石充填, 較致密, 具有一定的封蓋能力。

延川南地區(qū)煤系區(qū)域蓋層條件較優(yōu)越, 多為砂巖、泥巖互層, 區(qū)域可對比性良好, 而且直接覆蓋在煤系地層上, 起到了良好的封蓋作用。

5．3 水文地質(zhì)

對本區(qū)主力煤層煤層氣儲存主要影響因素水文地質(zhì)煤系地層中的石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r、砂巖巖溶裂隙含水層組和二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層組。

從現(xiàn)有資料來看, 煤系地層中的含水層整體富水性弱- 中等, 徑流比較緩慢, 地下水交替作用不強, 對煤層氣的封蓋和富集比較有利。

6 與大寧- 吉縣、韓城區(qū)塊對比

研究區(qū)北部、南部分別為大寧—吉縣、合陽-韓城區(qū)塊, 兩個區(qū)塊已獲得較好煤層氣勘探開發(fā)先導試驗效果。延川南區(qū)塊與大寧- 吉縣區(qū)塊地質(zhì)條件相類似, 具有較好的勘探潛力。

延川南區(qū)塊與大寧—吉縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣, 處在同一構(gòu)造單元。延川南區(qū)塊已有煤層氣井獲取地層壓力參數(shù)為3．63～9．36MPa, 與大寧—吉縣區(qū)塊地層壓力接近; 山西組、太原組煤層厚度1．7～5．1m 與大寧- 吉縣、韓城厚度相近; 埋深898～979m 與大寧- 吉縣300～1200m 相似; 滲透率0．032～0．2265md 大于大寧- 吉縣、韓城區(qū)塊的最小值0．01md; 含氣量6～17．13m3/t 相對韓城區(qū)塊較高 (表2) 。

表2 大寧- 吉縣、延川南、韓城煤儲層條件對比表

[1] 馮三利, 葉建平, 張遂安．鄂爾多斯盆地煤層氣資源及開發(fā)潛力分析 [J] ．地質(zhì)通報, 2002, 21 (10) ：658- 662．

[2] 陳桃花, 李建芳, 李曉玲, 等．陜晉鄂爾多斯盆地延川南地區(qū)煤成氣資源及選區(qū)評價．2009, 11．

[3] 陳剛, 李五忠, 孫斌．大寧- 吉縣地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征及富集高產(chǎn)主控因素分析 [C] ．2010 年全國煤層氣學術(shù)研討會論文集, 2010, 9： 167- 175．

[4] 蘇現(xiàn)波, 林曉英．煤層氣地質(zhì)學 [M] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2009, 16．