劉建軍 (中石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

林玉祥 (山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510)

張鵬豹 (中石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

沁水盆地煤層氣富集的主控因素分析

劉建軍 (中石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

林玉祥 (山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510)

張鵬豹 (中石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

煤層氣富集與水文地質(zhì)條件關(guān)系密切，對(duì)沁水盆地的構(gòu)造、水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究。沁水盆地燕山期至喜山期的構(gòu)造活動(dòng)為一個(gè)完整的過(guò)程，即構(gòu)造活動(dòng)由褶皺隆起到斷陷隆起的過(guò)程；根據(jù)構(gòu)造活動(dòng)對(duì)煤層氣藏成藏過(guò)程及其演化的影響，可以將氣藏劃分為原生型、調(diào)整型和改造型等3種類型；沁水盆地含水層主要碳酸鹽巖類、碎屑巖夾碳酸鹽巖類、碎屑巖類和松散巖類等4種類型；地下水水質(zhì)主要有3種類型：HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—Ca·Mg型；HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—K+Na型；HCO3—K+Na、SO4—Ca·Mg型。

沁水盆地；煤層氣；構(gòu)造；水文地質(zhì)；主控因素

沁水盆地位于山西省中南部，是晚古生代的殘留盆地，其東部和東南部為太行山隆起，西部為霍山隆起，西南部為中條山隆起，北部為五臺(tái)山隆起。盆地內(nèi)發(fā)育地層為前寒武系，寒武系，奧陶系峰峰組，石炭系本溪組和太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，三疊系，侏羅系，第三系和第四系。主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，太原組含煤5～10層，其中15#煤為主要煤層，山西組含煤2～7層，3#煤為主要煤層[1]。沁水盆地晚古生代太原組和山西組賦存著豐富的天然氣資源，其中煤層氣資源量為3.3×1012m3。沁水盆地南部不僅是重要的無(wú)煙煤工業(yè)基地，而且已成為中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)之一。

1 沁水盆地構(gòu)造地質(zhì)特征及其對(duì)煤層氣保存的影響

1.1沁水盆地構(gòu)造地質(zhì)特征

三疊紀(jì)以來(lái)，沁水盆地經(jīng)歷了燕山期褶皺隆升和喜山期斷陷隆升的過(guò)程，但這種隆升是不均衡的，其構(gòu)造活動(dòng)也具有不均衡性，主要表現(xiàn)在沁水盆地內(nèi)線性延伸的背、向斜構(gòu)造帶具有多方向互相疊置交切等現(xiàn)象，不同走向的斷層力學(xué)性質(zhì)普遍有過(guò)轉(zhuǎn)換過(guò)程，說(shuō)明燕山期有過(guò)多期次應(yīng)力方向不同的構(gòu)造活動(dòng)。但盆地內(nèi)背、向斜褶皺構(gòu)造在分布上具有一定的等間距性，較為均勻、廣泛地布滿整個(gè)盆地，表明是在較均勻、緩慢的擠壓作用下形成的產(chǎn)物[2-3]。

1)燕山期構(gòu)造地質(zhì)特征 燕山期巖漿活動(dòng)具有多期性，主要巖漿活動(dòng)帶有呂梁山區(qū)活動(dòng)帶，右玉-晉中-臨汾-中條山活動(dòng)帶，北部邊緣活動(dòng)帶，太行山區(qū)活動(dòng)帶，南部有翼城巖漿巖體，北部的祁縣巖漿巖體。在沁水盆地內(nèi)線性延伸的背向斜構(gòu)造帶具有多方向互相疊置交切等現(xiàn)象，表明燕山期有過(guò)多期次應(yīng)力方向不同的構(gòu)造活動(dòng)。中、上侏羅統(tǒng)分別與下伏地層呈角度不整合接觸以及下白堊統(tǒng)角度不整合于上侏羅統(tǒng)之上也表明沁水盆地燕山期構(gòu)造活動(dòng)頻繁。

沁水盆地是一個(gè)燕山期形成的向斜構(gòu)造，相對(duì)于周邊的大型褶皺隆起構(gòu)造，它是一個(gè)構(gòu)造拗陷或稱為構(gòu)造盆地。雖然構(gòu)造活動(dòng)頻繁，但其構(gòu)造變形如褶皺及沖斷活動(dòng)不及周邊隆起強(qiáng)烈，向斜內(nèi)以舒緩的波狀平行褶皺為主，除少數(shù)地區(qū)外，斷裂不發(fā)育，規(guī)模也較小，從這點(diǎn)看其對(duì)煤層氣保存是比較有利的。

2)喜山期構(gòu)造地質(zhì)特征 沁水盆地在喜山期表現(xiàn)為隆起上升活動(dòng)，如緊鄰的廊固、保定、石家莊及邯鄲凹陷新生界沉積最大厚度分別達(dá)10000、8000及5000m；而太行山脈的最大剝蝕深度已達(dá)阜平群及贊皇群，最大剝蝕厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5000m，可見相對(duì)隆起幅度之大。在總體隆起的背景下區(qū)內(nèi)活動(dòng)是不均衡的，最顯著的表現(xiàn)是自上新世以來(lái)晉中斷陷、臨汾斷陷的出現(xiàn)，其新生界最大沉積厚度分別達(dá)到4600、2000m。

沁水盆地及相鄰地區(qū)新生界內(nèi)部還有多期地層不整合關(guān)系，最顯著的角度不整合見于榆社地區(qū)；更新統(tǒng)大墻、離石及馬蘭等黃土層不整合于下更新統(tǒng)樓則峪組、上新統(tǒng)張村組及任家垴組之上，下伏層傾角可達(dá)10°左右。此外上新統(tǒng)張村組與任家垴組之間，下更新統(tǒng)樓則峪組與張村組之間，中更新統(tǒng)離石與下更新統(tǒng)大墻組之間都有平行或微角度不整合，而上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)則可覆于任何不同層位之上。

燕山期至喜山期的構(gòu)造活動(dòng)可以理解為一個(gè)完整的過(guò)程，即構(gòu)造活動(dòng)由褶皺隆起到斷陷隆起的過(guò)程。由于活動(dòng)的多期性，應(yīng)力方向多次交變必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的松馳，而最終發(fā)生較大規(guī)模的正斷活動(dòng)即強(qiáng)烈的隆起抬升及斷陷盆地[3-4]。

1.2構(gòu)造活動(dòng)對(duì)煤層氣保存的影響

按照構(gòu)造活動(dòng)對(duì)煤層氣藏成藏過(guò)程及其演化的影響，可以將氣藏劃分為原生型、調(diào)整型和改造型3種類型。

1)原生型煤層氣藏 原生型煤層氣藏主要形成于燕山期一期成藏，在該區(qū)表現(xiàn)為北東向構(gòu)造和近東西向構(gòu)造，煤系地層烴源巖形成的烴類氣體進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)聚，在先于或同期形成的構(gòu)造或巖性圈閉中聚集成藏，其后氣藏基本上沒有顯著變化，煤層氣藏的規(guī)模取決于烴類氣體的補(bǔ)充和擴(kuò)散、水溶、氧化等引起的散失之間的相對(duì)強(qiáng)度，總體上氣藏自燕山期以來(lái)變化不大，保存條件最好。沁水盆地南部TL007背斜是該類型氣藏的典型代表。TL007背斜位于成莊區(qū)塊西部，形成于燕山早期。在其后地質(zhì)歷史時(shí)期中受寺頭-后城腰走滑斷裂消減帶的保護(hù)，氣藏基本上沒有顯著變化，目前日產(chǎn)氣平均4000m3以上。

2)調(diào)整型煤層氣藏 調(diào)整型煤層氣藏至少包括燕山期、喜山早期2期成藏。其在燕山期第1次成藏與原生型模式成藏相同，只是在喜山早期北東-南西向擠壓作用下，燕山期北東-南西向褶皺遭受改造，疊加了新的一期構(gòu)造變形，新形成的圈閉既是原來(lái)的氣藏，又接受了來(lái)自原型氣藏因構(gòu)造變動(dòng)引起的煤層氣再分配的氣源，形成第2期成藏過(guò)程，氣藏的規(guī)模主要取決于新一輪構(gòu)造變形疊加后圈閉的規(guī)模，保存條件較好。固縣背斜是該類型氣藏的典型代表。固縣南背斜位于固縣背斜南高點(diǎn)，走向北北西，形成于燕山晚期-喜山期。受寺頭左旋走滑斷層的影響，在燕山期北東-南西向褶皺背景上遭受調(diào)整，背斜軸向由北東向，調(diào)整為北北西向，疊加了新的一期構(gòu)造變形，氣藏的規(guī)模主要取決于新一輪構(gòu)造變形疊加后氣藏的規(guī)模，日產(chǎn)氣平均3000m3左右。

3)改造型煤層氣藏 改造型煤層氣藏是原生型或調(diào)整型煤層氣藏遭受后期改造，使原生型(或調(diào)整型)氣藏破壞、煤層氣大量散失，氣藏規(guī)模大大減小而最終殘留的氣藏。既包括斷裂、裂隙和“陷落柱”等構(gòu)造活動(dòng)引起的散失，也包括水動(dòng)力、氧化作用對(duì)氣藏的顯著改造。一般這類氣藏氣源補(bǔ)充不足，散失量顯著大于補(bǔ)給，導(dǎo)致氣藏規(guī)模越來(lái)越小。玉溪背斜是該類型氣藏的典型代表。玉溪背斜位于樊莊區(qū)塊中部，走向北北西，形成于燕山晚期-喜山期。受寺頭左旋走滑斷層的影響，在燕山期北東-南西向褶皺背景上遭受改造，疊加了新的一期北北西向構(gòu)造變形，雖然玉溪背斜的面積規(guī)模比較大，但受斷層切割，造成煤層氣散失，日產(chǎn)氣平均只有幾百方左右。

2 沁水盆地水文地質(zhì)特征及水動(dòng)力對(duì)煤層氣保存條件的影響

2.1主要含水層

盆地內(nèi)主要含水層組按其含水類型和結(jié)合地層時(shí)代可分為4類：碳酸鹽巖類含水層組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組、碎屑巖類裂隙含水層組和松散巖類孔隙含水層組。

1)碳酸鹽類含水層 中奧陶統(tǒng)馬家溝組-峰峰組為碳酸鹽類含水層，受埋深、巖溶發(fā)育規(guī)律及構(gòu)造等因素的影響，含水性具有明顯的水平分區(qū)和垂直分帶性，在剖面上，具有“上弱下強(qiáng)”的含水性分布規(guī)律。

2)碎屑巖夾碳酸鹽巖含水層 上石炭統(tǒng)太原組為海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖含水層，在盆地東側(cè)邊緣出露，為區(qū)內(nèi)主要含水層組，其富水程度主要取決于碳酸鹽巖巖溶裂隙的發(fā)育程度。

3)碎屑巖類裂隙含水層 包括二疊-三疊系一套以陸相沉積為主的碎屑巖類，主要為砂巖裂隙含水。含水層以風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙為主，屬弱含水層。徑流區(qū)與排泄區(qū)不明顯，除少部分沿構(gòu)造破碎帶向深部流動(dòng)外，以沿走向運(yùn)動(dòng)為主。含水層相對(duì)呈層狀，不同層位含水層各具補(bǔ)給區(qū)，其間水力聯(lián)系較弱。

4)松散巖類孔隙含水層組 主要由第三系、第四系松散沉積巖類組成。單位涌水量因地而異，為農(nóng)田灌溉和生活用水的主要含水層，主要孔隙含水層分布于下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

2.2含水層及煤層水質(zhì)特征

沁水盆地南部的地下水水質(zhì)主要有3種類型：第1種為HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—Ca·Mg型水，主要為新生界沖積、洪積孔隙含水層；第2種為HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—K+Na型水，主要為碎屑巖裂隙含水層和碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶隙含水層；第3種為HCO3—K+Na、SO4—Ca·Mg型水，主要為中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖類含水層。由上向下地下水礦化度有所增高，但中奧陶統(tǒng)水層Cl-未見明顯增大，表明該層位地下水交替作用較強(qiáng)。

2.3水動(dòng)力對(duì)煤層氣保存條件的影響

煤層氣吸附在煤巖基塊微孔隙內(nèi)表面中，地下水的運(yùn)動(dòng)直接造成煤層氣的解吸擴(kuò)散和滲流。在沁水盆地南部，煤層氣的含量往往存在很大的差異。這種現(xiàn)象除了煤層本身存在不均質(zhì)性以外，與區(qū)塊之間的水動(dòng)力條件關(guān)系密切。當(dāng)煤層頂板為泥巖類隔水層時(shí)，有利于煤層氣的保存與富集；煤層氣和地下水具有邊界條件上的相同屬性，阻水的斷層一般阻氣，可以阻止煤層氣的逸散，而導(dǎo)水的斷層則可以造成煤層氣逸散，隔水層可以阻止氣體逸散，而含水層則可促進(jìn)氣體逸散。只有當(dāng)含水層中的地下水運(yùn)移方向和煤層氣逸散方向相反，而且地下水運(yùn)移速度大于煤層氣逸散速度時(shí)，才表現(xiàn)出明顯的封堵作用。在沁水盆地南部樊莊區(qū)塊西部為地下水高壓區(qū)，有利于3#煤層對(duì)煤層氣的吸附，因此煤層氣總體來(lái)說(shuō)應(yīng)在西部富集，但由于局部地段地下水動(dòng)力的變化及其煤層滲透性差異，煤層氣的開發(fā)潛力不同。樊莊區(qū)塊北部地下水由東南向西北流動(dòng)，在固6-10井一帶形成地下水高壓區(qū)，且該地段煤層的滲透率尚可，形成煤層氣自流飽和區(qū)，因此是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)塊。樊莊區(qū)塊蒲池一帶地下水由北向南匯集，再加上煤系地層由東南方向向中心傾斜，導(dǎo)致煤系地層中地下水的壓力較大，且這一地段煤層的滲透率也較好，易形成煤層氣自流飽和區(qū)，也是該區(qū)煤層氣開發(fā)的有利區(qū)塊。

[1]劉煥杰，秦勇，桑樹勛，等.山西南部煤層氣地質(zhì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[2]秦勇，張德民，雪海，等.沁水盆地中南部現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與煤儲(chǔ)層物性關(guān)系之探討[J].地質(zhì)論評(píng),1999,45(6):576-583.

[3]鄧攀，魏國(guó)齊，楊泳. 儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫定量預(yù)測(cè)中地質(zhì)數(shù)學(xué)模型的建立與應(yīng)用研究[J].天然氣地球科學(xué), 2006,17(4):480-486.

[4]宋巖，王喜雙.新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)天然氣晚期成藏的控制作用[J].天然氣地球科學(xué),2003,14(2):103-106.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.016

P618.1

A

1673-1409(2012)01-N050-03