譚青松

（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

（中石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

汪 劍，劉 靜，陳玉婷，王霽霞

柳 溪，田思思，陳源裕，馮 玲

（中石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552）

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石油、天然氣的需求與日俱增，但卻面臨能源短缺瓶頸的制約。煤層氣作為常規(guī)油氣的重要補(bǔ)充，其戰(zhàn)略地位十分顯著。中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)始于20世紀(jì)90年代，起步較晚，無論煤層氣地質(zhì)學(xué)的基本理論還是勘探開發(fā)工藝的研究應(yīng)用均還不夠完善，因此，對(duì)煤層氣及其成藏原理進(jìn)行研究，勘探開發(fā)利用煤層氣藏既存在現(xiàn)實(shí)要求也具有廣闊前景。下面，筆者以山西省沁水盆地鄭莊區(qū)塊為例，通過對(duì)影響煤層氣成藏的主控因素：煤層厚度、煤層埋深、煤巖熱演化程度、儲(chǔ)層物性、圍巖封閉條件、構(gòu)造條件、水動(dòng)力條件、陷落柱等逐一展開分析，逐步認(rèn)識(shí)煤層氣成藏富集規(guī)律，為下步勘探開發(fā)提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省的東南部，東依太行山隆起，南接中條山隆起，西鄰霍山隆起，北靠五臺(tái)山隆起，是華北晚古生代成煤期以后，由斷塊差異性抬升作用形成的山間斷陷盆地［1］。盆地南部煤層氣田總體構(gòu)造形態(tài)為一馬蹄形斜坡，東、西、南3個(gè)方向?yàn)槁∑饏^(qū)，北部與沁水盆地腹地相接；東南部為一組北東向－近東西向正斷層組成的弧形斷裂發(fā)育帶，即由寺頭與后城腰2條大斷層控制的斷裂帶，而其他區(qū)域無大型斷層，主要發(fā)育北北東和近南北向的小的褶皺構(gòu)造。鄭莊區(qū)塊即位于該斜坡帶南部，地表地形以丘陵為主，地層寬闊平坦，地層傾角一般2°～7°，平均只有4°，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。礦區(qū)面積約982.7km2，資源量大，有望建成9×108m3產(chǎn)能，勘探開發(fā)前景廣闊。

2 煤層氣成藏主控因素

2.1 煤層厚度

單位重量煤層含氣量不直接受煤層厚度的影響，但是煤層總的含氣量卻隨著煤層厚度的增加而增大［2］。薄煤層也可以抽采煤層氣，但由于含氣量低，開采穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時(shí)間短，產(chǎn)量少，從經(jīng)濟(jì)角度看是不利的。目前，根據(jù)多個(gè)地區(qū)煤層氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，煤層氣選區(qū)時(shí)煤層厚度下限為1m。煤層厚度越大，對(duì)形成氣藏越有利，煤層厚度是煤層氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。

沁水盆地屬于華北石炭－二疊系聚煤盆地，主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組。山西組屬發(fā)育于陸表海沉積背景之上的三角洲沉積，煤層總厚4～10m，總體趨勢(shì)為南厚北薄、東西厚中間薄。其中3號(hào)煤為其主要煤層，厚3～7m，橫向連續(xù)，分布極為穩(wěn)定。太原組為海陸交互相沉積。煤層總厚3～9m，總體趨勢(shì)為北厚南薄，與山西組煤層變化趨勢(shì)相反。其中，15號(hào)煤為其主要煤層，厚2～5m，較3號(hào)煤層略薄，分布相對(duì)穩(wěn)定。沁水盆地山西組3號(hào)煤與太原組15號(hào)煤厚度均達(dá)到了煤層氣選區(qū)開采的厚度要求，是該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的有利目的層。

2.2 煤階

煤層氣是煤巖在熱演化變質(zhì)作用下產(chǎn)生的，隨著變質(zhì)作用的加深，煤階由低向高轉(zhuǎn)化，生氣量也隨之增加。沁水盆地3號(hào)、15號(hào)煤煤階以亮煤和鏡質(zhì)組煤為主，鏡質(zhì)組反射率為2.4%～4%，這類組分的含量高，煤巖熱演化程度高，生氣潛力大。

2.3 煤層埋深

煤層的埋藏深度是控制煤層生氣和成藏保存的重要控制因素之一，其對(duì)煤層氣的影響表現(xiàn)在2個(gè)方面［3］。首先，隨著煤層埋深的增加其含氣量呈規(guī)律性的增長(zhǎng)，原因在于埋深增大，煤巖變質(zhì)作用程度加劇，微孔隙、裂隙更發(fā)育，使煤層吸附能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致煤層中甲烷氣體含量增多；同時(shí)，地層壓力增大，封閉性增強(qiáng)，有利于甲烷儲(chǔ)集成藏。另一方面，煤層含氣量隨著煤層埋深增加又不是無限制增加的。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，當(dāng)深度達(dá)到1200m，地層壓力到9MPa以后，煤層含氣量增長(zhǎng)變緩，甚至逐漸減少。

沁水盆地煤樣朗格繆爾等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，煤層 （干燥基）原煤對(duì)氣體吸附量達(dá)到飽和即接近蘭氏體積時(shí)，隨著埋深的增加，地層溫度升高，煤層孔隙度、滲透率降低，對(duì)氣體吸附量減少，且開采成本也跟著增加。鄭莊地區(qū)除了局部洼槽區(qū)比較深以外，主力煤層3號(hào)煤埋藏深度一般在500～1200m，這一深度范圍適合煤層氣經(jīng)濟(jì)開采。

2.4 儲(chǔ)層物性

對(duì)于煤層氣來說，煤層既是氣源層，又是儲(chǔ)層。它是一種雙孔隙巖層，由基質(zhì)孔隙和裂隙組成，有其獨(dú)特的割理、裂隙系統(tǒng)。前者是甲烷氣吸附儲(chǔ)集的場(chǎng)所，后者是氣體運(yùn)移和產(chǎn)出的通道。煤層滲透率是控制煤層氣產(chǎn)能大小的關(guān)鍵參數(shù)，其主要取決于煤質(zhì)、煤巖壓實(shí)程度及煤巖中割理、裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，煤層中孔隙度、滲透率均偏低。

鄭莊地區(qū)3號(hào)煤層孔隙以微孔為主，發(fā)育了少量的中孔和大孔，孔隙度2.02%～6.48%，滲透率0.136～3.42×10－3μm2。晉試1井電鏡掃描結(jié)果顯示，3號(hào)煤層原始滲透率為0.51×10－3μm2，割理密度約500條／m，煤層裂縫發(fā)育，滲透性較好，達(dá)到了煤層氣勘探選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煤層滲透率的要求［4］。

2.5 圍巖

與常規(guī)氣藏相比，煤層氣不僅對(duì)煤層頂板要求嚴(yán)格，對(duì)煤層底板要求也同樣嚴(yán)格，這是與它自生自儲(chǔ)式儲(chǔ)層特征分不開的。圍巖頂?shù)装逯饕峭ㄟ^維持吸附和解吸的平衡，減少游離氣的逸散和減弱交替地層水的影響來對(duì)煤層氣成藏起作用。而對(duì)頂?shù)装宓囊笾饕w現(xiàn)在巖層巖性、厚度上。大套的致密泥巖、鹽巖及膏巖等，透氣性差，可以形成良好的封蓋層，能保持較高地層壓力，維持最大的吸附量，有效地減少煤層氣的散失，而利于煤層氣保存。

通過對(duì)沁水盆地已鉆井3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性與含氣量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装鍨槟鄮r時(shí)比砂巖儲(chǔ)層含氣量明顯要大。鄭莊地區(qū)3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性主要為泥巖或碳質(zhì)泥巖，厚度16～70m，厚度大，致密堅(jiān)硬且分布比較穩(wěn)定，封蓋能力強(qiáng)，對(duì)煤層氣的保存較為有利。

2.6 構(gòu)造

構(gòu)造是煤層氣儲(chǔ)集、保存的重要控制因素，它主要是通過地殼運(yùn)動(dòng)，改變地層壓力，打破煤層中吸附氣與游離氣之間動(dòng)態(tài)平衡，使二者相互轉(zhuǎn)化，從而影響煤層中吸附氣的含量。

1）褶皺和斷裂 壓性構(gòu)造發(fā)育區(qū)煤層含氣性優(yōu)于張性構(gòu)造發(fā)育區(qū)；逆斷層發(fā)育區(qū)煤層含氣性優(yōu)于正斷層發(fā)育區(qū)；向斜構(gòu)造富氣，背斜構(gòu)造相對(duì)貧氣［5］。對(duì)于褶皺作用，向斜構(gòu)造兩翼及軸部中和面以上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，特別是中和面以上應(yīng)力明顯集中，有利于煤層氣封存；而背斜構(gòu)造的兩翼及軸部中和面以下表現(xiàn)為壓應(yīng)力，特別是中和面以下出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，利于煤層氣聚集。對(duì)于斷裂作用來說，逆斷層斷面呈封閉性，煤層氣不易散失，同時(shí)，壓力增大，吸附甲烷氣體也增多；相反，正斷層斷面呈開發(fā)性，應(yīng)力釋放而降壓解吸，是煤層氣逸散的通道。

2）陷落柱 陷落柱是在奧陶系灰?guī)r中發(fā)育的一種比較特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，分幾類，主要通過溝通煤層頂?shù)装?、減少煤層厚度或直接連通地表而使甲烷氣體散失，其已成為煤層氣勘探開發(fā)一大制約因素。鄭莊區(qū)塊陷落柱形成主要是石炭－二疊系可溶巖層受活躍地下水強(qiáng)徑流溶蝕作用 （見圖1）和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。識(shí)別陷落柱主要通過其地震反射特征，在地震剖面上主要表現(xiàn)為：標(biāo)準(zhǔn)反射波在小范圍內(nèi)突然中斷、消失或變?nèi)跫胺瓷洳ㄍ噍S不同程度向中心彎曲傾斜的現(xiàn)象等［6］（見圖2）。

圖1 陷落柱形成示意圖

圖2 陷落柱在地震剖面上的反應(yīng)

在沁水盆地內(nèi)的局部地區(qū)，小斷層和陷落柱相當(dāng)發(fā)育。它們使煤層的連續(xù)性受到嚴(yán)重破壞，影響了煤層的含氣性，是影響煤層氣勘探成效的重要原因之一。因此對(duì)其進(jìn)行研究，分析其成因及分布規(guī)律顯得相當(dāng)重要。

鄭莊區(qū)塊整體為北傾寬緩斜坡，區(qū)內(nèi)斷層走向多為NE－NNE向，主要形成于喜山期。除南部寺頭與后城腰斷層比較大以外 （100～600m），其它斷層規(guī)模較小，一般在10～50m，個(gè)別小于10m，多分布于東部，與兩條大斷層走向基本一致，且距離相近。

經(jīng)過研究落實(shí)，區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)各類陷落柱134個(gè)，以圓錐狀半截柱為主，直徑一般在100～300m，受二維地震資料的限制，直徑小于100m的陷落柱解釋較少。陷落柱分布具有明顯不均勻性，主要分布于褶皺槽部與撓曲部，并沿著斷裂走向展布，斷裂帶是集中發(fā)育區(qū)。

3）含氣量與構(gòu)造關(guān)系 對(duì)鄭莊區(qū)塊3號(hào)煤層含氣量與構(gòu)造關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，煤層含氣量較高的井主要分布在向斜構(gòu)造 （負(fù)向構(gòu)造）和單斜下傾方向，而距斷層、陷落柱比較近 （小于150m）或斷裂發(fā)育區(qū)，煤層的含氣量較低 （見圖3）。部署井位時(shí)，應(yīng)盡量避開斷層與陷落柱發(fā)育區(qū)，以提高勘探成效。

圖3 鄭莊地區(qū)3號(hào)煤層含氣量與構(gòu)造關(guān)系

2.7 水動(dòng)力條件

地下水條件發(fā)生變化，影響地層液體壓力和含氣飽和度的變化，從而打破煤層中吸附氣、溶解氣和游離氣間的原有平衡，進(jìn)而影響煤層中甲烷氣體的含量。一般情況下，地層水弱交替區(qū)或交替水阻滯區(qū)，地層液體各項(xiàng)指標(biāo)變化小，原有平衡變化小，煤層氣散失少，有利于煤層氣保存；地下水活躍區(qū)，原有平衡被破壞，煤層中吸附氣減少，從而造成煤層含氣量的減少，并且地下水活躍區(qū)易于形成陷落柱發(fā)育區(qū)，煤層氣易散失，不利于煤層氣的保存。但也有例外，如在承壓水區(qū)，上覆地層和煤層含水層壓力大，易引起煤層中甲烷氣體吸附量增加，并形成水動(dòng)力封堵，造成煤層氣的富集成藏。

沁水盆地形成后，盆地南部地下水在重力驅(qū)動(dòng)下從高地勢(shì)的霍山地區(qū)向低地勢(shì)的晉城地區(qū)順層涇流［7］，水流方向?yàn)闁|、南，在張性斷裂及巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)，引起地下水排泄。

區(qū)內(nèi)主要區(qū)域含水層有4層：新生界松散孔隙含水層、三疊系裂隙含水層、石炭－二疊系砂巖裂隙含水層和奧陶系灰?guī)r裂縫巖溶含水層。前2層離主要煤層較遠(yuǎn)，并有厚度比較大粘土層、泥巖層，形成好的區(qū)域隔水層，對(duì)古生界灰?guī)r影響甚??；石炭－二疊系裂隙含水層，下石盒子組厚層泥巖和本溪組鋁土巖隔水性能好，水動(dòng)力條件較弱，對(duì)煤層沖刷散失小，有利煤層氣保存，且石炭－二疊系地層出露地表，接受地表水與大氣降水，在地層下傾方向形成承壓水區(qū)，有利于形成承壓水封閉的煤層氣藏；中奧陶石灰?guī)r層富水性較強(qiáng)，受水面積廣，裂縫發(fā)育，為地下水溶蝕作用提供了有利條件。當(dāng)?shù)叵驴扇苄曰規(guī)r溶蝕到一定程度時(shí)，產(chǎn)生大量孔洞，最終，由于上覆地層重力作用導(dǎo)致上部巖層坍塌、跨落，從而形成陷落柱，這也是陷落柱比較發(fā)育的重要因素。

3 結(jié) 論

（1）煤層氣的生成、儲(chǔ)層、封藏、運(yùn)移、聚集和保存，不同于常規(guī)天然氣，有著其特殊的成藏條件，并且不同地區(qū)由于地質(zhì)作用等不同，成藏規(guī)律有很大差異。因此，在研究過程中，在借鑒其他地區(qū)成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，要結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)，研究出適合該地區(qū)地質(zhì)特征的成藏條件。

（2）煤層氣成藏的主控因素包括煤層厚度、煤層埋深、煤巖熱演化程度、儲(chǔ)層物性、圍巖封閉條件、構(gòu)造條件、水動(dòng)力條件、陷落柱等，影響因素極其復(fù)雜。

（3）鄭莊地區(qū)具有煤層厚度大、埋藏適中、分布穩(wěn)定、熱演化程度高、生氣潛力大等有利條件。在研究過程中，主要針對(duì)構(gòu)造特征、斷層和陷落柱分布規(guī)律等對(duì)該區(qū)煤層氣成藏影響比較大的因素展開分析，選區(qū)時(shí)做到規(guī)避斷層和陷落柱發(fā)育區(qū)，優(yōu)選向斜背景下的正向構(gòu)造，從而為今后井位優(yōu)化部署提供了更多地質(zhì)依據(jù)。