馬立濤,胡維強,劉玉明,李洋冰,柳雪青

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

煤層氣作為一種新能源，在美國、加拿大和澳大利亞等國家已形成工業(yè)規(guī)模[1～3]。我國煤層氣資源總量約為(30～35)×1012m3，大體與常規(guī)天然氣資源量相當[4]。按照盆地統(tǒng)計，鄂爾多斯盆地煤層氣資源量最大，占全國的27%。鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)天然氣勘探開發(fā)潛力巨大[5]。臨興區(qū)塊在上古生界發(fā)育海陸過渡相的煤系地層，其烴源巖主要是煤巖和暗色泥巖[6～8]，煤層氣資源十分豐富[9，10]。以往針對臨興地區(qū)上古生界的研究主要集中在致密砂巖儲層特征、成藏條件等方面[11～15]，對煤層含氣量分布規(guī)律及其影響因素的分析研究相對較少[16]。筆者綜合運用地質(zhì)、測井、煤巖含氣量測試、煤巖工業(yè)分析、煤巖顯微組分分析及生產(chǎn)動態(tài)等資料，在詳細研究地質(zhì)特征和構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上，對煤層平面分布特征、煤層含氣量分布規(guī)律以及影響因素進行系統(tǒng)研究，確定了主力煤層及其含氣量的分布特征，分析了埋深、鏡質(zhì)體反射率、水分、灰分、鏡質(zhì)組含量、惰質(zhì)組含量等對煤層含氣量的影響，并對該區(qū)煤層含氣性有利區(qū)進行預(yù)測，為后期煤層氣資源評價和勘探開發(fā)提供指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

臨興地區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地東部的晉西撓褶帶山西省西部臨縣和興縣境內(nèi)(圖1)。研究區(qū)總體為簡單的單斜構(gòu)造，僅在局部有差異，中部有紫金山巖體的侵入，形成紫金山隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)煤系地層主要為海陸過渡相沉積環(huán)境，其中太原組為潮坪相沉積，巖性以泥巖為主，夾雜砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r，頂部發(fā)育有2套煤層。山西組為一套三角洲平原沉積，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，夾雜少量灰?guī)r，中部發(fā)育煤層。研究區(qū)已有多口探井在上古生界中鉆遇煤層氣，其鄰近的楊家坡、保德、大牛地等大中型氣田也已相繼投入開發(fā)[11]。

2 煤層平面分布特征

臨興地區(qū)上古生界主要發(fā)育海陸過渡相的煤系地層。煤層主要分布在石炭系-二疊系的山西組、太原組、本溪組，其中山西組、太原組是主要的含煤巖系，同時也是研究區(qū)主要的含氣層系。通過眾多學(xué)者[12,17，18]對研究區(qū)的相關(guān)研究及其實際生產(chǎn)資料表明，山西組的4+5號煤層(以下簡稱“4+5號煤層”)和太原組的8+9號煤層(以下簡稱“8+9號煤層”)是研究區(qū)的主力煤層。

4+5號煤層主要分布于山西組中部，其厚度整體較薄，為2.5～6.0m，均值3.7m。在平面上，羅峪口鎮(zhèn)-喬家洼一帶及雷家磧鄉(xiāng)-城莊一帶的煤層分布較厚，煤層厚度基本上在4.5m以上，最高可達7.0m。蔡家會鎮(zhèn)-唐家莊一帶地區(qū)周邊的煤層分布較薄，煤層厚度在3.0m以下，其中唐家莊地區(qū)的煤層最薄，煤層厚度都在2.5m以下(圖2(a))。整體上來看，研究區(qū)北部和南部的4+5號煤層較厚，而中部較薄。

圖2 臨興地區(qū)上古生界4+5號(a)和8+9號(b)煤層厚度等值線圖

8+9號煤層主要分布于太原組頂部，非常穩(wěn)定，厚度為5.0～10.0m，均值7.2m。在平面上，橫城村-孟家坪鄉(xiāng)和曙頭-城莊一帶的煤層最厚，均在9.0m以上，最高可達15.0m；趙家坪鄉(xiāng)-白家岔-唐家莊一帶的煤層分布最薄，主要分布在5.0m以下。從羅峪口鎮(zhèn)-喬家洼-赤家洼一帶的煤層逐漸增厚，而赤家洼往蔡家會鎮(zhèn)方向的煤層卻逐漸減薄，同樣雷家磧鄉(xiāng)往蔡家會鎮(zhèn)方向的煤層也逐漸減薄(圖2(b))。整體上來看，研究區(qū)東北部和東南部8+9號煤層較厚，而其北部和西部煤層相對較薄。

3 煤層含氣量平面分布規(guī)律

煤層含氣量不但受區(qū)域控制，還有受層位控制[19，20]。不同地區(qū)甚至是同一地區(qū)不同煤層間的含氣量往往存在較大差異，因為煤層氣在地下的分布是不均勻的。通過選取臨興地區(qū)4+5號煤層和8+9號煤層的樣品進行含氣量測試分析表明，4+5號煤層含氣量主要分布于6.87～22.88m3/t之間，均值為12.88m3/t。從平面上來看，4+5號煤層含氣量分布范圍較廣，在趙家坪鄉(xiāng)以西和曙頭-城莊-雷家磧鄉(xiāng)一帶的煤層含氣量較高，均在16.00m3/t以上；而在喬家洼-赤家洼及橫城村一帶的煤層含氣量較低，多在10.00m3/t以下(圖3(a))。整體顯示，4+5號煤層含氣量由北向南逐漸增加。8+9號煤層含氣量主要分布于6.32～29.31m3/t之間，均值14.87m3/t。從平面來看，8+9號煤層含氣量分布較為穩(wěn)定，在蔡家會鎮(zhèn)-曙頭-城莊一帶的含氣量最高，均在24.00m3/t以上，最高可達29.00m3/t；而在趙家坪鄉(xiāng)-白家岔一帶的煤層含氣量較低，均在10.00m3/t以下(圖3(b))。整體來看，研究區(qū)中部及東南部煤層含氣量較高，而北部煤層含氣量較低，且8+9號煤層含氣量要整體高于4+5號煤層。

圖3 臨興地區(qū)上古生界4+5號(a)和8+9號(b)煤層含氣量等值線圖

4 煤層含氣量影響因素分析

4.1 埋深和成熟度對煤層含氣量的影響

通過對臨興地區(qū)4+5號煤層和8+9號煤層樣品測試分析表明：4+5號煤層埋深主要介于1718～1887m之間，平均1788m；其鏡質(zhì)體反射率主要分布于0.93%～1.19%之間，均值1.07%。8+9號煤層埋深主要介于1800～1962m之間，平均1865m。鏡質(zhì)體反射率主要分布于1.03%～1.36%之間，均值1.22%。研究區(qū)的煤層埋深適中，主要屬于肥煤-焦煤，熱演化處于成熟階段。根據(jù)研究區(qū)煤層含氣量與埋深及鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系圖(圖4)來看，總體上呈現(xiàn)出正相關(guān)性，即煤層含氣量隨埋深及鏡質(zhì)體反射率的增大逐漸增高。

圖4 煤層含氣量與埋深(a)、鏡質(zhì)體反射率(b)關(guān)系圖

4.2 水分和灰分對含氣量的影響

通過對研究區(qū)上古生界煤巖進行工業(yè)分析結(jié)果顯示：4+5號煤層水分質(zhì)量分數(shù)主要介于0.19%～1.14%之間，均值0.50%；灰分質(zhì)量分數(shù)主要分布于6.47%～45.57%之間，均值22.13%。8+9號煤層水分質(zhì)量分數(shù)主要介于0.20%～1.20%之間，均值0.61%；灰分質(zhì)量分數(shù)主要分布于9.62%～66.51%之間，均值22.19%。煤巖中的水分含量較低，灰分含量變化較大。從研究區(qū)煤層含氣量與水分及灰分質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系圖(圖5)來看，總體上呈現(xiàn)出負相關(guān)性，即煤層含氣量隨水分和灰分質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低。

圖5 煤層含氣量與水分(a)、灰分(b)質(zhì)量分數(shù)關(guān)系圖

4.3 顯微組分含量對含氣量的影響

研究區(qū)的顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組。4+5號煤層鏡質(zhì)組體積分數(shù)主要介于45.0%～93.9%之間，均值71.7%；惰質(zhì)組體積分數(shù)主要分布于0.6%～43.3%之間，均值24.8%。8+9號煤層鏡質(zhì)組體積分數(shù)主要介于51.6%～95.5%之間，均值80.2%；其惰質(zhì)組體積分數(shù)主要分布于4.5%～38.5%之間，均值18.5%。據(jù)前人[21，22]對鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組含量與含氣量關(guān)系的研究表明，鏡質(zhì)組的吸附能力要強于惰質(zhì)組，相同煤階富鏡質(zhì)組的煤吸附能力要強于富惰質(zhì)組的煤。由研究區(qū)煤層含氣量與鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組體積分數(shù)的關(guān)系圖(圖6)來看，煤層含氣量與鏡質(zhì)組體積分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而與惰質(zhì)組體積分數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。

圖6 煤層含氣量與鏡質(zhì)組(a)、惰質(zhì)組(b)體積分數(shù)關(guān)系圖

5 煤層含氣性有利區(qū)預(yù)測

表1 臨興地區(qū)山西組和太原組試氣成果表

通過對臨興地區(qū)上古生界煤層基本地質(zhì)條件及其含氣量的影響因素綜合分析認為，沉積較穩(wěn)定，厚度較大，埋藏較深，熱演化程度相對較高，鏡質(zhì)組含量較高，水分含量較少，灰分含量較低，惰質(zhì)組含量較少的含煤區(qū)域，煤層含氣量相對較高。

臨興地區(qū)4+5號煤層橫向變化大，連續(xù)穩(wěn)定性不高，含氣量相對較低，是區(qū)內(nèi)次要的勘探目的層，在研究區(qū)南部雷家磧鄉(xiāng)-城莊一帶煤層分布較穩(wěn)定，含氣量也相對較高，有一定的勘探潛力。8+9號煤厚度大，分布穩(wěn)定，含氣量相對高，是區(qū)內(nèi)首要勘探目的層，在研究區(qū)東南部薯頭-城莊一帶煤層厚度最大，含氣量高，資源潛力大，擁有巨大的勘探前景。臨興地區(qū)不同層位試氣結(jié)果(表1)顯示，4+5號煤層氣井日產(chǎn)氣量低于1×104m3，8+9號煤層存在日產(chǎn)氣量超過1×104m3以上的試氣井，與預(yù)測結(jié)果相符合。

6 結(jié)論

1)臨興地區(qū)上古生界山西組4+5號煤層厚度為2.5～5.5m，均值3.7m；含氣量主要分布于6.87～22.88m3/t之間，均值為12.88m3/t。太原組8+9號煤層主要分布于5.0～10.0m，均值7.2m；含氣量主要分布于6.32～29.31m3/t之間，均值為14.87m3/t。

2)臨興地區(qū)煤層含氣量隨埋深、鏡質(zhì)體反射率及鏡質(zhì)組含量的增加而逐漸增高，隨水分、灰分及惰質(zhì)組含量的增加而逐漸降低。

3)臨興地區(qū)東南部薯頭-城莊一帶的太原組8+9號煤層和南部雷家磧鄉(xiāng)-城莊一帶的4+5號煤層為含氣有利區(qū)。

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