蔣達源 文志剛 何文祥

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 荊州 434023;2.長江大學地球環(huán)境與水資源學院，武漢 430100)

沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)程度最高的盆地，煤層氣資源豐富。含煤地層主要為太原組和山西組，煤層厚度大、大面積分布，熱演化程度高，生氣量大;煤儲層割理發(fā)育，構造線交匯部位裂隙發(fā)育，煤層氣產出條件好;煤層上覆有效厚度較大，水動力條件好，煤層氣保存條件有利。國土資源部新一輪資源評價結果表明，該盆地煤層氣地質資源量39500.42×108m3，可采資源量為 11216.22×108m3。

2005年以前，中國煤田地質總局、中聯煤層氣公司、中石油和中石化等多家單位在沁水盆地進行了煤層氣勘探試驗，包括勘探評價先導性試驗和開發(fā)利用試驗，取得了重大的勘探成果，具備煤層氣商業(yè)化開發(fā)條件。2005年以來，由華北油田公司負責的沁水煤層氣田勘探開發(fā)工作取得重大進展，實現了沁水盆地南部煤層氣的規(guī)模開發(fā)。

1 煤層氣成因

煤層氣生成、吸附－解析、擴散滲流等是造成其碳同位素、組分及含量等地球化學特征差異的重要原因，可根據地球化學特征辨別其成因。沁水煤層氣田煤層氣組分以CH4為主，一般大于98%。N2、CO2含量低，一般都小于1%，C2H6含量微量，C2C1遠小于0.001。沁水煤層氣田煤層氣δ13C1值一般分布在－29.6‰～－35.4‰。

陳振宏等人通過煤層氣組分和碳同位素組成研究，對沁水盆地南部煤層氣的地球化學特征及成因進行了分析，發(fā)現該區(qū)煤層氣碳同位素組成(δ13C1)介于－ 61.7‰～ －28.7‰，且多為－40‰～－30‰，為高—過成熟的熱成因氣［1］。甲烷碳同位素總體偏輕，其原因可能是受強烈的水動力條件和解析－擴散－運移效應的綜合影響。

王彥龍等通過煤層氣碳氫同位素及成分組成的研究，明確了沁水煤田的煤層氣成因，并在我國首次使用氫同位素辨識煤層氣的成因，并建立了相應的氫同位素判識指標［2］。研究表明，沁水盆地煤層氣在后期改造作用控制下，其甲烷碳同位素組成總體偏輕，盆地西北部的煤層氣具有次生生物氣的地球化學特征。

2 煤儲層特征及儲層評價

煤儲層特征包括孔裂隙特征、滲透性、非均質性、吸附性、含氣性等，是煤層氣地質特征的重要組成部分。

2.1 煤儲層的吸附性、含氣性

煤層氣主要以吸附氣的形式賦存于煤儲層中，煤吸附性的高低取決于煤的巖石學組成、化學結構、煤級、灰分含量等煤自身的因素。吸附性與溫度、壓力等地質影響因素共同作用，控制了煤儲層的含氣性?？傮w上，沁水盆地太原組煤層較山西組煤層對甲烷的平均理論飽和吸附量相對更高;區(qū)域上，山西組煤層蘭氏體積由南向北呈現逐漸降低的趨勢;太原組煤層蘭氏體積以沁水礦區(qū)最高，從沁水礦區(qū)向四周地段逐漸降低［3］。

桑樹勛等人通過煤孔隙分析和干煤樣、平衡水煤樣、注水煤樣等溫吸附試驗的對比研究，初步明確了煤吸附氣體的固氣作用機理和液態(tài)水對煤基質吸附氣體的影響機理［4］。研究表明:盆地南部煤儲層凝聚一吸附孔隙比較發(fā)育，當氣體壓力的增大到飽和蒸氣壓附近時，氣體發(fā)生多分子層吸附和凝聚現象;相較于干煤樣和平衡水煤樣，注水煤樣的實驗結果更接近真實情況，有望成為最常用的等溫吸附實驗法;煤儲層中的液態(tài)水在儲層條件下可提升煤基質吸附氣體的能力，吸附規(guī)律更符合蘭格繆爾模型。

胡國藝等人［5］通過罐解吸實驗，明確了沁水盆地高階煤的煤層氣解吸特征。研究表明:沁水盆地煤解吸過程可分為快速解吸和穩(wěn)定解吸兩個階段;煤解吸氣的碳同位素δ13C1值變重速率與煤層氣解析速率相一致，也分為急劇變重和緩慢變重兩個階段。

近年來多位學者對沁水盆地影響煤層含氣量的地質因素進行了研究和探討，其中李金海等人首次引入封閉層的概念，研究了煤層上下一定層段的巖性組合特征對煤層氣保存的影響［6］。研究表明:煤層含氣量是受諸多地質條件綜合作用的結果，主控因素為厚度、埋深、熱演化程度、含氣性、煤儲層水動力條件和頂底板封閉性等;煤層氣資源的豐富程度與煤層的厚度、含氣性成正相關關系，與埋藏深度呈拋物線函數，即在一定深度范圍內煤層氣含量埋深增大而增加，超過這一深度厚有減小趨勢;水動力封閉有利于煤層氣的吸附及富集，而交替活躍的水動力條件將打破吸附和游離氣之間的平衡，使吸附氣逐漸減少，影響煤層氣的保存;煤層氣含量與封閉系數呈正相關關系，總體上位于封閉系數值較大區(qū)域的井的含氣量較高;煤演化程度的高低直接決定了煤層含氣量的大小，二者存在正相關關系。

2.2 儲層物性特征

山西沁水盆地為我國煤層氣最為富集的地區(qū)，但儲層滲透率低，非均質性強，而且煤層氣儲集層有別于常規(guī)天然氣儲層。它具有基質孔隙和裂隙的雙孔隙，其滲透率的分布受到眾多因素的影響，包括構造特征、應力狀態(tài)、埋藏深度、煤體結構、煤巖煤質特征、儲層壓力及煤階等。

針對煤儲層的孔隙、裂隙發(fā)育特征、主控因素及其對儲集性能的影響，一些學者在沁水盆地做了大量工作并取得了豐碩的成果［7－10］。沁水盆地一般發(fā)育兩組裂隙，北部陽泉 —壽陽一帶裂隙最為發(fā)育，煤層氣解吸速率快，南部晉城一帶部分裂隙被熱液礦物充填導流能力變差，導致氣體解吸速率較北部小。在相同構造條件下陸相沉積的山西組煤光亮和半亮煤比例低，煤儲層的滲透性差，吸附時間比海陸交互相沉積的太原組煤要長，氣體解吸速率低［7］。該盆地主要發(fā)育以吸附孔為主并具有良好孔隙連通性的Ⅱ類高變質較弱變形程度煤儲層［8］。在高煤級階段，煤相因主導控制沁水盆地煤儲層孔隙系統(tǒng)的差異發(fā)育從而間接控制這儲層物性的優(yōu)劣［9］?；钏嗵空訚珊蜕帜嗵空訚上喑练e有利于形成孔隙系統(tǒng)結構相對合理、物性相對較好的煤儲層［9］。沁水盆地儲層微裂隙發(fā)育特征及主控因素為盆地多發(fā)育樹枝狀或羽狀微裂隙，裂隙具有較好定向性，且礦物充填現象少見，煤的微裂隙密度較大，裂隙在鏡質組內最為發(fā)育，其中均質鏡質體中的裂隙最密集，其次是基質鏡質體，其他顯微組分中裂隙發(fā)育很少甚至不發(fā)育，亮煤較半亮煤、半暗煤及暗煤更有利于微裂隙的發(fā)育，弱水動力、弱氧化環(huán)境下沉積的煤有利于微裂隙的發(fā)育［10］。

孫立東等人通過對沁水盆地煤層滲透性影響因素的研究認為:煤層裂隙特別是割理的發(fā)育情況決定了滲透率的大小，同時煤層割理的發(fā)育又受煤級控制，后期熱液礦物充填會造成割理滲透性嚴重變差，而煤巖組成、礦物質、煤相等因素對煤層割理滲透性的作用較小;煤層埋深和有效應力與滲透率呈負指數關系;隨著煤層氣的開采煤基質收縮作用增大了儲層的滲透性［11］。

傅雪海等人對沁水盆地煤儲層滲透性數值的模擬表明，割理的發(fā)育程度主導控制著煤儲層的滲透性，煤層滲透率隨割理面密度的增加呈指數形式增大，割理寬度又受到應力場的控制，在一定范圍內，滲透率隨著埋深、有效應力的增大呈指數形式變?。?2］。

3 煤層氣形成動力場研究

沁水盆地構造動力能及其演化總體經歷了4個階段:包括印支期構造應力場、燕山期構造應力場、喜山期構造應力場以及現代構造應力場。熱動力能條件及其演化和由其控制的煤化作用同樣經歷了4個階段，其中，燕山中期的劇烈?guī)r漿活動是熱動力能條件演化的關鍵時期。地下水動力能條件及其演化包括3個階段:燕山運動早中期古水文地質期、燕山運動中晚期古水文地質期以及現今地下水動力條件［13］。秦勇等人研究認為，水文地質單元邊界、現代地下水分區(qū)分帶特性、地下水地球化學場等因素在很大程度上控制著煤層氣的聚集特征。根據這些條件之間的不同匹配，分析了整個沁水盆地煤層氣形成的水動力條件，發(fā)現沁水盆地的娘子關泉域韓莊井田、陽泉一礦、三礦礦區(qū)，辛安泉域沁縣、武鄉(xiāng)、榆社地區(qū)，延河泉域大寧 —潘莊 —樊莊一帶，煤層氣因水力封閉而富集［14］。

煤層氣成藏動力場的研究工作，過去主要考慮單因素作用，控氣作用機理及多因素的耦合研究較少。秦勇等人首次運用構造應力場、煤層鏡質組光性組構特征、構造變形特征三因素的耦合研究了煤層氣成藏構造動力條件，為以后的研究提供了新思路。他們通過模擬實驗研究，針對煤儲層天然裂隙開合程度的變化，提出煤基塊彈性自調節(jié)綜合效應。他們認為，在恒定煤級下，煤儲層孔隙、裂隙流體壓力增大，綜合效應逐漸減弱;在恒定流體壓力條件下，煤級與煤層彈性自調節(jié)綜合效應呈負相關關系;煤層彈性自調節(jié)綜合效應隨煤級的變化嚴格受到煤結構演化的控制。針對高煤級煤層氣成藏，他們進一步提出了彈性自封閉效應，認為該效應是沁水盆地煤層氣普遍富集的重要地質原因［14－16］。

4 煤層氣成藏分析

沁水盆地山西組為淺水三角洲沉積，太原組為一套海陸交互相沉積，發(fā)育多套煤層，其中山西組3#煤和太原組15#煤，煤層厚度大，分布穩(wěn)定，為沁水煤層氣田的主要氣源巖。煤巖有機顯微組分分析表明，沁水盆地石炭—二疊系煤鏡質組含量高，并以均質鏡質體和基質鏡質體為主，具有較強的生氣能力。煤層形成后埋深增加，溫度升高，煤層在深成變質作用下第一次生氣，在三疊紀末期煤層埋深達到最大值，鏡質組反射率達到1.2左右。燕山晚期的區(qū)域構造熱事件，使煤層所處的溫度大幅度升高，煤化作用加劇，引起煤層再次生氣。此次生烴作用的生氣量巨大，約占總生氣量的68%［17］，這為煤層氣富集成藏提供了強大的氣源。此外燕山期巖漿活動的動力擠壓及熱力變形，增加和擴展了圍巖及煤層的裂隙構造，為煤層氣的聚集成藏提供了通道和空間［18］。

宋巖等人在古地溫梯度、煤層埋藏史研究的基礎上，探討了沁水盆地煤層氣成藏過程和聚氣歷史。通過對盆地南部陽城—翼城一帶和西部霍州地區(qū)的煤層氣地球化學特征、煤層熱演化史和聚氣歷史的對比研究提出，盆地回返抬升程度直接控制著煤層氣藏的富集程度，抬升越淺煤層氣保存條件越差，抬升回返時間晚越短，煤層氣散失的時間就短，對煤層氣藏的保存有利［19］。蘇現波等人根據國內外相關資料，提出了煤層氣藏的5種邊界類型:水動力邊界、風氧化帶邊界、斷層邊界、物性邊界和巖性邊界，并進行了邊界作用機理的探討，對沁水盆地南部煤層氣藏的邊界進行了劃分和厘定［20］。宋巖等人根據國內外相關資料，提出了煤層氣藏的“2類10型”分類方案，并對沁水盆地南部煤層氣藏的類型進行了劃分和厘定［20］。

4.1 煤層成藏條件

沁水盆地煤層熱演化度高，生氣潛力大，含氣量高，含氣飽和度大，煤層厚度大，橫向連續(xù)性好，分布穩(wěn)定，煤層割理、裂隙發(fā)育，孔隙裂隙連通性好，滲透率大于0.50×10－3μm2，滿足工業(yè)開采條件。甲烷碳同位素分析表明煤層氣藏具有原生特點，煤層頂底板巖性致密，突破壓力高，沁水煤層氣田位于地下水交替滯流區(qū)或滯緩區(qū)，水動力條件弱，煤層氣得以大量保存，利于煤層氣的勘探開發(fā)［21］。

4.2 煤層氣成藏期次

沁水盆地石炭 —二疊系煤系地層，三疊紀以來主要經歷兩次油氣充注。第一次充注在三疊紀末—早侏羅世。此時，三疊系到達最大埋深，煤化作用處在正常古地溫梯度環(huán)境下，服從深成變質規(guī)律。第二次充注在晚侏羅世 —早白堊世，為主要的煤層氣成藏期。有機包裹體以氣烴包裹體為主，有機包裹體均一化溫度達到176～210℃。受燕山晚期區(qū)域構造熱事件影響，結合氣烴包裹體的發(fā)育程度，學者認為第二期是煤層氣大量生成階段，生氣量遠大于煤層自身的吸附能力，因而開始向頂板砂巖充注成藏［22］。

4.3 煤層氣成藏控氣作用

構造演化控制著煤層氣成藏過程，深成變質與燕山期構造熱事件疊加所引起的二次生烴是盆地煤層氣藏形成的主要氣源，高構造應力差值區(qū)為煤層氣高滲區(qū)。山西組的淺水三角洲沉積體系控制了煤層頂板砂、泥巖的分布，頂板泥巖分布區(qū)氣體封蓋能力強。三角洲平原沼澤相形成的煤層厚度大、分布穩(wěn)定，還原環(huán)境的覆水沼澤形成了高鏡質組含量煤而利于割理發(fā)育，煤層滲透率高，吸附能力強。煤層氣的部分源于生物成因氣，煤層氣排采過程中甲烷碳同位素以溶解—運移分餾效應為主［23］。

4.4 富集單元劃分

煤層氣富集單元劃分是探索煤層氣成藏規(guī)律、進行煤層氣資源和選區(qū)評價、制定科學的煤層氣勘探程序、提高煤層氣勘探成功率的重要基礎。根據構造發(fā)育特征、煤層埋藏深度、煤階分布、煤層氣含量變化等特點，沁水盆地石炭 —二疊紀含煤地層的煤層氣富集單元可劃分為沁南富氣區(qū)、東翼斜坡帶富氣區(qū)、西翼斜坡帶富氣區(qū)、西山富氣區(qū)和高平—晉城富氣區(qū)，其中沁南富氣區(qū)是勘探前景較好的富氣區(qū)［24］。

5 結語

沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)較為成熟的地區(qū)，煤層氣資源量較大，但目前對該盆地的勘探開發(fā)主要集中在南部。今后應加強沁水盆地北部的地質研究，加快北部地區(qū)勘探開發(fā)進程。煤儲層非均質性，煤儲層主要物性要素與構造背景、采動變化以及煤層氣井產能之間的關系和機理，還有待研究。沁水盆地各煤層的煤相展布特征，煤層吸附性、含氣性與煤相之間的關系，煤相對煤儲層孔裂隙發(fā)育特征的控制作用等尚未研究，可作為下一步研究的重點。

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