潘思東，崔周達

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.云南恩洪煤礦，云南 曲靖 655005)

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山西沁水盆地南部煤層氣儲層特征及成藏主控因素研究

潘思東1，崔周達2

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.云南恩洪煤礦，云南 曲靖 655005)

以沁水盆地南部3號煤為研究對象，利用壓汞法、掃描電鏡觀察等分析方法，研究了煤層氣儲層特征。結合構造解析、盆地分析以及前人研究成果，探討了區(qū)內煤層氣成藏主控因素。研究表明：3號煤層煤巖類型以半亮煤為主，儲層裂隙系統(tǒng)發(fā)育，煤巖熱演化程度較高，生烴潛力巨大；壓汞孔隙度在1.40%～5.87%之間，滲透率(0.06～0.58)×10-3um2，儲層較致密，儲集空間以孔隙和裂隙為主。逐一分析了沉積作用、巖漿侵入活動、水動力作用以及構造作用對煤層氣聚集成藏的控制，綜合分析認為頂、底板泥巖(致密砂巖)發(fā)育區(qū)、巖漿侵入活動活躍區(qū)、水動力弱～滯留區(qū)以及構造活動較弱區(qū)為煤層氣的主要富集區(qū)域。

煤層氣；儲層特征；成藏條件；控制因素

煤層氣作為優(yōu)質清潔的天然氣資源，美國、加拿大、澳大利亞等國已形成規(guī)?；a(chǎn)能。近幾年，我國加大了對煤層氣的勘探開發(fā)力度，取得了一定成績，2014年產(chǎn)能已達3.71×109m3，其中僅沁水盆地產(chǎn)能就達3.00×109m3。至2014年底沁水盆地共完成鉆井數(shù)達10500口左右，占71%；探明地質儲量4.350×1011m3，占65%[1]。沁水盆地南部是我國最重要的煤層氣生產(chǎn)區(qū)域，以3號煤為主力煤層，我國學者對該區(qū)煤層氣儲層特征[2-9]及成藏主控因素[9-14]進行過大量研究，做了大量的實際工作。本文在系統(tǒng)總結前人研究成果的基礎上，開展沁水盆地南部3號煤儲層特征及成藏理論研究，對成藏關鍵問題進行深入分析與討論，形成系統(tǒng)的煤層氣儲層研究方法，為該區(qū)域及國內其他區(qū)塊煤層氣的勘探開發(fā)提供借鑒意義。

1 地質背景

工區(qū)位于沁水復式向斜南部，東、西、南三面分別為太行山隆起、霍山凸起和中條山隆起。構造相對簡單，主要為褶皺，斷層不發(fā)育，整體呈北北東向的大型復式向斜構造，軸線處于沁水-沁縣連線且兩翼對稱性較好，地層東翼較西翼平緩。地層為華北地區(qū)層系，志留紀、泥盆紀以及下石炭世等地層缺失，盆地邊緣出露上古生界、中生界地層，盆內主要出露三疊紀地層。本區(qū)含煤地層以上石炭統(tǒng)太原組以及下二疊統(tǒng)山西組為主，為近海海陸交互沉積。煤系地層沉積以后，該區(qū)地層受到多期構造運動，出現(xiàn)多次沉降、抬升，煤上地層存在差異性剝蝕，而煤層則經(jīng)歷了緩慢演化、演化波動、快速演化、演化終止等4個階段。本文研究對象3號煤層為山西組，其分布廣泛、厚度大(一般5～6m)、縱橫向發(fā)育較穩(wěn)定，埋深在100～1000m之間。3號煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，厚度大于10m，底板主要為泥巖，具有良好的封閉性[13]。

2 煤儲層特征

2.1 煤巖類型

研究區(qū)3號煤層煤巖類型主要為半亮煤，其次為半暗煤。煤巖最大鏡質組反射率在1.96%～2.98%之間，平均2.28%；鏡質組含量72.1%～89.2%，平均81.8%；惰質組5.8%～16.9%，平均11.7%；礦物含量在2.7%～11.9%之間，平均7.2%。區(qū)內半亮煤脆性較大，原生、次生裂隙發(fā)育，充填程度較低，僅部分被方解石半充填，此外還發(fā)育白色的方解石薄膜和黑色的暗煤條帶。在掃描電鏡下觀察，可見煤巖表面賦存不同形狀的黃鐵礦，裂隙發(fā)育情況更加清楚，在縫面處可見高嶺石、伊利石等黏土礦物。該區(qū)鏡質組含量較高，表明煤巖沉積時為強還原環(huán)境，形成的煤層氣儲層物性也較好。此外，鏡質組含量較高也說明煤巖生氣潛力巨大。

2.2 儲層物性及儲集空間特征

利用常規(guī)壓汞法對煤儲層孔隙進行研究[14]。壓汞法可定量分析孔半徑在3.75nm以上的儲層孔隙參數(shù)，所測得數(shù)據(jù)為有效孔隙。實驗選取采自不同礦區(qū)的樣品進行，采樣深度分布適中，以保證數(shù)據(jù)的代表性。實驗結果表明(表1)：孔隙度隨著采樣深度的遞增呈現(xiàn)減少的趨勢，個別樣品如BF3-1規(guī)律性不強是由于受構造運動的影響，儲層裂隙及割理發(fā)育，孔隙度值有所增加；壓汞孔隙度介于1.40%～5.87%之間，平均3.94%，說明區(qū)內3號煤儲層較致密；進汞飽和度為15.08%～35.42%，平均23.75%，說明煤儲層有效孔隙較少，連通程度較差；退汞效率59.52%～81.22%，平均68.12%，說明煤儲層退汞效率較高，儲層滲透性能較好；隨著埋藏深度的增加，滲透率有逐漸增長的趨勢，這可能和裂隙發(fā)育情況、儲層壓力變化有關。

表1 煤孔隙壓汞實驗結果

根據(jù)代表煤樣壓汞實驗結果，結合煤層氣儲層分類標準，認為該區(qū)儲層屬于Ⅰ～Ⅱ儲層。結合掃描電鏡觀察，3號煤儲集空間主要為孔隙和裂隙，儲層類型為孔隙型、孔隙～裂隙型和裂隙型儲層。

3 煤層氣成藏主控因素

研究區(qū)優(yōu)越的地質條件是煤層氣聚集成藏的基礎，具體而言主要包括以下幾個方面內容。

3.1 沉積作用

研究區(qū)山西組沉積時期由于華北地臺的整體抬升，沉積環(huán)境由海相逐漸朝陸相過渡，區(qū)內出現(xiàn)南北差異沉降和南北相帶分異現(xiàn)象。沉積相逐漸由三角洲相轉變?yōu)槌逼?淺水陸棚相，海相沉積朝陸相煤系沉積發(fā)展[6]。

沉積環(huán)境對煤層發(fā)育有重要影響，區(qū)內河流相形成的煤系地層往往不穩(wěn)定且較薄，淺水三角洲相為該區(qū)3號煤煤層氣的主要烴源巖。三角洲沉積體系主要有三角洲平原分流河道、分流間彎和河口壩。其中分流間彎對煤層形成影響最大，其分布廣泛、水體深度適中，易廣泛發(fā)育形成穩(wěn)定煤層，厚度介于4～8m之間，形成了以榆社、沁水、晉城等區(qū)為代表的煤層；三角洲平原分流河道分布于安澤-胡縣以西，河口壩分布于研究區(qū)東南部，整體上分布范圍均較小，形成的煤層厚薄不一，極不穩(wěn)定。

淺水三角洲中的三角洲平原對泥炭沼澤的形成極其有利，分流河道也可在廢棄河道中堆積形成大量泥炭沼澤。因此，利于形成煤-砂-煤的地層組合模式，易形成自生自儲式煤層氣氣藏。

沉積環(huán)境通過控制煤相從而控制煤的生烴潛力。沼澤還原性不同，生烴潛力也不同，沼澤相生烴潛力由小到大為干燥森林、潮濕森林、較淺覆水森林、較深覆水森林、低位(蘆葦)[15]。因此，沉積環(huán)境的不同也導致了區(qū)內3號和15號煤層含氣量的不同。

當然，沉積體系縱向上還可控制巖性組合從而影響煤層氣儲層的封存能力。3號煤層泥巖、粉砂質泥巖占比達50%，頂、底板泥巖以及部分砂巖(泥質含量較高)均非常致密，且厚度較大，具有較好的封蓋能力[16]。如潘莊、成莊地區(qū)，上覆蓋層厚度達40m，單井產(chǎn)量較高，平均達4900m3/d；而鄭莊、樊莊東部等區(qū)塊上覆蓋層有效厚度不足10m，煤層氣產(chǎn)量較低，不足1000m3/d。

3.2 構造熱事件

沁水盆地3號煤層熱演化程度較高，最大Ro達2.5%，構造熱事件較大地提高了煤層熱演化程度。結合構造演化特征，分析盆地埋藏演化史后認為沁水南部煤層氣成藏過程主要經(jīng)歷了3個時期[17]：第1次生成時期為海期-印支期，三疊系末期埋藏深度達到最大，為正常地溫梯度及古地熱場，鏡質組反射率為1.2%左右，此時為第1次生氣時期，生烴量為46.47～81.45m3/t；第2次生氣時期為燕山期，此時處于異常古地溫時期，煤化作用快速增大促使煤層氣二次生成，其作用范圍廣、持續(xù)時間長，生氣量達到最大，介于97.86～359.10m3/t之間，為主要成氣時期；喜山期的氣藏改造和調整階段，基本不生氣。構造熱事件主要影響第2次生氣階段，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[11,18]：

(1)巖漿侵入活動促進煤巖二次生氣 巖漿侵入的熱力作用促使煤層氣化，產(chǎn)生疊加生氣，而沒有巖漿侵入的地區(qū)二次生氣不明顯，如晉城礦區(qū)在晚侏羅世-早白堊世生氣量快速增加，最高達160m3/t，而同時期的潞安礦區(qū)生氣量增加幅度極少，主要靠一次生氣(圖1)。實驗證明，巖漿侵入形成高溫高壓環(huán)境，煤分子發(fā)生變化，進一步加大了煤的變質作用，增加熱演化程度，進而增加了生氣量。

圖1 不同區(qū)域階段生氣量比較

(2)巖漿侵入活動增加了煤巖孔隙度 利用熱解分析儀進行熱力烘烤，實驗表明，煤巖在經(jīng)過熱力烘烤后，煤巖氣孔數(shù)量明顯增加，原有氣孔明顯加大。通過統(tǒng)計實驗所用煤樣熱力烘烤后孔隙度、滲透率的變化，認為煤巖孔隙度和滲透率都有不同程度的增加，且隨著烘烤時間的增加，孔、滲也不斷增加(表2)。

(3)巖漿侵入活動利于形成裂隙系統(tǒng) 巖漿侵入活動形成的高溫環(huán)境使生氣量迅速增加，且遠大于煤層的吸附能力，游離氣不斷向外突破產(chǎn)生突破壓力致使煤巖破裂。同時巖漿侵入本身產(chǎn)生構造應力以及熱力作用，煤巖更易破裂。巖漿在煤巖層內冷卻過程中，由于熱脹冷縮作用，還會形成張裂隙。此類裂隙最易發(fā)育的地方為流體運移拐角處、凹痕處等應力集中區(qū)?？傊?，巖漿侵入通過產(chǎn)生裂縫增加了煤巖滲透率，改善了煤層導流能力。

表2 熱力烘烤實驗煤巖孔隙度和滲透率的變化

3.3 水動力特征

水動力作用對煤層氣富集成藏及分布有重要作用，水動力強度和方向控制著煤層氣的分布[19-21]。研究區(qū)為復式向斜構造，通過重力作用，地表大氣降水源源不斷地通過巖石滲流至向斜軸部，整體呈現(xiàn)出盆地邊緣往中心滲流的特征。因此，不同于常規(guī)氣藏，煤層氣氣藏向斜部位含氣量明顯高于背斜部位，向斜軸部含氣量高于翼部(圖2)。將水動力作用劃分為強動力區(qū)、弱動力區(qū)和滯流區(qū)，其中弱動力區(qū)和滯流區(qū)對煤層氣聚集成藏有利。研究區(qū)東部為強動力區(qū)，含氣量小于10m3/t；西部及南部大部分區(qū)域為滯流區(qū)，含氣量普遍大于20m3/t，最高達26m3/t；中部弱動力區(qū)分布廣泛，含氣量一般在18m3/t以上。

圖2 研究區(qū)3號煤層水動力特征示意

3.4 構造作用

構造作用控制煤層氣的生成和保存，對煤層氣的聚集成藏有重要作用。

(1)煤層氣具有向斜控氣的特征[22]。研究區(qū)為大型的復式向斜構造，由于向心流動作用，向斜部位煤層氣不易散失；向斜軸部氣藏水礦化度往往較高，煤層氣較少溶于水中；向斜軸部中和面與兩翼呈正應力，頂?shù)装辶严恫话l(fā)育，煤層氣易于保存。

(2)研究區(qū)石炭系-二疊系煤層沉積時期構造活動強度較弱，活動強度介于西側鄂爾多斯盆地和東側華北以東斷塊之間，地層變形適中、裂隙發(fā)育適中，均有利于煤層氣的保存[23]。

(3)燕山早期區(qū)內應力活動較弱，形成原生型煤層氣氣藏且基本未被改造；燕山期-喜馬拉雅早期在NE-SW向構造應力作用下，對燕山早期形成的NE-SW褶皺進行改造，煤層逐步抬升，但持續(xù)時間在0～27Ma之間，持續(xù)時間短且回返時間晚，改造破壞程度有限，形成調整型煤層氣氣藏；喜馬拉雅晚期構造應力轉變?yōu)槔瓘垜Γ辛严稄堥_度變大，且形成新的張裂隙，對煤巖儲層滲流能力有較大改善[24]。

4 結 論

(1)沁水盆地南部3號煤層煤巖類型以半亮煤為主，煤巖脆性較大，原生、次生裂隙發(fā)育且充填程度較低，鏡質組含量較高，熱演化程度高，煤巖生氣潛力巨大。

(2)壓汞法測量煤樣孔隙度在1.40%～5.87%之間，滲透率(0.06～0.58)×10-3um2，儲層較致密，裂隙相對發(fā)育，較好地改善了儲層滲透性能。

(3)研究區(qū)煤層氣聚集成藏是多因素控制的，并非單一控制，表現(xiàn)出“協(xié)同、互補、共存”的特征。研究認為沉積作用、巖漿侵入活動、水動力作用以及構造作用是成藏主控因素，確定了頂、底板泥巖(致密砂巖)發(fā)育區(qū)、巖漿侵入活動活躍區(qū)、水動力弱-滯留區(qū)以及構造活動較弱區(qū)為區(qū)內煤層氣的主要富集區(qū)域。

[1]龍勝祥，李辛子，葉麗琴，等.國內外煤層氣地質對比及其啟示[J].石油與天然氣地質，2014，35(5)：696-703.

[2]許啟魯，黃文輝，劉 貝，等.沁水盆地南部15號煤儲層物性特征分析[J].煤礦安全，2015，46(3)：160-163.

[3]王軍鵬.沁水盆地南部煤層氣儲層敏感性評價與保護技術研究[J].中國煤層氣，2014，11(1)：25-29.

[4]李俊乾，盧雙舫，薛海濤，等.高階煤層氣儲層非均質性及其定量評價—以沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊為例[J].石油與天然氣地質，2016，37(1)：72-79.

[5]孫夢迪，于炳松，朱 華，等.山西沁水盆地南部3號煤層儲集空間特征與變質程度的關系[J].中國煤炭地質，2011，23(11)：31-35.

[6]楊克兵，嚴德天，郭建東，等.沁水盆地南部煤系地層層序及聚煤控制因素[J].天然氣勘探與開發(fā)，2014，37(3)：24-27，51.

[7]劉 貝，黃文輝，敖衛(wèi)華，等.沁水盆地南部煤中礦物賦存特征及其對煤儲層物性的影響[J].現(xiàn)代地質，2014，28(3)：645-652.

[8]陸小霞，黃文輝，陳燕萍，等.沁水盆地南部深煤層孔隙結構特征[J].東北石油大學學報，2015，39(3)：41-49.

[9]張 碩，張小東，李學文，等.沁水盆地南部煤層氣儲層特征及可采性研究[J].中國煤炭地質，2015，27(11)：31-35.

[10]趙賢正，楊延輝，孫粉錦，等.沁水盆地南部高階煤層氣成藏規(guī)律與勘探開發(fā)技術[J].石油勘探與開發(fā)，2016，43(2)：303-309.

[11]王紅巖，萬天豐，李景明，等.區(qū)域構造熱事件對高煤階煤層氣富集的控制[J].地學前緣(中國地質大學(北京)；北京大學)，2008，15(5)：364-368.

[12]趙偉偉.沁水盆地南部地質條件及其煤層氣成藏優(yōu)勢分析[J].中國煤炭地質，2009，21(S1)：19-21.

[13]景興鵬.沁水盆地南部煤層氣儲層壓力分布規(guī)律的研究[D].西安:西安科技大學，2009.

[14]張 謙，黃文輝，郭立夫，等.沁水盆地南部3號煤層含氣量主控地質因素分析[J].科學技術與工程，2015，15(13)：13-19.

[15]楊克兵，嚴德天，馬鳳芹，等.沁水盆地南部煤系地層沉積演化及其對煤層氣產(chǎn)能的影響分析[J].天然氣勘探與開發(fā)，2013，36(4)：22-29.

[16]孫粉錦，王 勃，李夢溪，等.沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)主控地質因素[J].石油學報，2014，35(6)：1070-1079.

[17]孫萬祿.中國煤層氣盆地[M].北京：地質出版社，2005.

[18]任戰(zhàn)利，趙重遠，陳 剛，等.沁水盆地中生代晚期構造熱事件[J].石油與天然氣地質，1999，20(1)：46-48.

[19]傅雪海，秦 勇，王文峰，等.沁水盆地中一南部水文地質控氣特征[J].中國煤炭地質，2011，3(1)：31-34.

[20]傅雪海，王愛國，陳鎖忠，等.壽陽一陽泉煤礦區(qū)控氣水文地質條件分析[J].天然氣工業(yè)，2005，25(1)：33-36.

[21]付江偉，傅雪海，胡 曉，等.焦作礦區(qū)煤層氣開發(fā)的水文地質條件分析[J].中國礦業(yè)，2011，20(4)：106-109.

[22]李貴中，王紅巖，吳立新，等.煤層氣向斜控氣論[J].天然氣工業(yè)，2005，25(1)：26-28.

[23]鄭德順，周 璐，楊登銀，等.樊莊地區(qū)山西組煤層控氣綜合因素分析[J].科學技術與工程，2014，14(12)：6-10，16.

[24]魏書宏，韓少明.沁水煤田南部煤層氣構造控氣特征研究[J].煤田地質與勘探，2003，31(3)：30-31.

[責任編輯：施紅霞]

Accumulation Main Control Factors and Reservoir Characters of Coalbed Gas in Southern Part of Qinshui Basin of Shanxi Province

PAN Si-dong1，CUI Zhou-da2

(1.Resource School，China Geological University(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Yunnan Enhong Coal Mine，Qujing 655005，China)

It taking the third coal seam of the southern part of Qinshui basin as studying object，then coalbed gas reservoir characters was studied by pressure pump method and scanning electron microscope.Accumulation main control factors were discussed by structural analysis，basin analysis and studying results of predecessors.The results showed that the lithotype of the third coal seam was seimbright coal，fractures developed fully in reservoir layers，the thermal evolution degree of coal and rock mass was high，and the potential that generating hydrocarbon is tremendous，the pore ratio of pressure pump belong 1.40%～5.87%，and permeate ratio is about(0.06～0.58)×10-3um2，reservoir layers is densely，the main reservoir room is pore and fracture.The actions that to coalbed gas accumulation and reservoir were analyzed，which included deposition effect，rock magma invade，water dynamic ，structural effect and so on.After synthesis analysis，the main accumulation zone of coalbed gas were the development zone of mudstone(densely sandstone) in roof and floor，the active zone of magma invading，the weak-retention zone of water dynamic and the weak zone of structural movement.

coalbed gas；reservoir character；accumulation condition；main control factor

2016-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.003

國家自然科學基金(41101098)

潘思東(1965-)，女，云南昆明人，高級工程師，在職博士研究生，主要從事礦產(chǎn)普查與勘探科研及煤層氣專業(yè)方向的實驗教學工作。

潘思東，崔周達.山西沁水盆地南部煤層氣儲層特征及成藏主控因素研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：11-14.

TE122.2

A

1006-6225(2016)06-0011-04