山西柳林地区煤系地层对比特征

黄晓明 林亮 王赞维 张文忠 蔡夏磊

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

山西柳林地区煤系地层对比特征

黄晓明 林亮 王赞维 张文忠 蔡夏磊

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

山西柳林煤层气区块的煤系地层是在奥陶系海相碳酸盐岩基础之上发育的一套包含了灰岩、煤层和碎屑岩在内的海相、海陆交互及三角洲相的石炭-二叠系沉积地层层序。所有这些地层在以往的工作中已得到充分鉴别,并且在区块东部均有出露。通过对地质标志层的特征描述并结合测井资料所做的地层对比,进而深入了解了该区煤系地层的横向展布格局。

柳林煤层气区块 地层对比 测井

Abstract:The coal bearing sequence of Liulin CBM block developed overlying the basal Ordovician marine carbonate.It is composed of Permian-Carboniferous coal seams with marine limestone,shale and transitionaldeltaic clast sediments.All these sequences are well defined by extensive studies and can be observed in outcrop along the eastern portion of the block.T o provide the description work of the geological markers that can be combined with well-logging correlation to understand and gain insights into the geometry and lateral continuity of the coal seams.

Keywords:Liulin CBM block;stratigraphic correlation;logging

柳林煤层气区块位于山西省离石市柳林县境内,河东煤田中段,地质构造上属于鄂尔多斯含油气盆地东缘。因此,柳林及周边地区一直是煤炭勘探开采和油气及煤层气勘探开发的热点地区。由于针对不同地质资源的勘探着眼点和技术要求不尽相同,使得该区域的地层单位划分和命名上也不尽相同。煤层气地质勘探介于煤田地质勘探和油气地质勘探之间,执行煤层气地质勘探任务的有来自煤田的队伍,也有来自油田的队伍,从而导致在资料的统一和使用上,即使是在合作团队成员之间有时也会有一些出入。有鉴于此,我们根据柳林煤层气区块煤层气井的钻探实践,认真梳理并详细描述了该地区石炭-二叠系煤系地层的地质特征。通过岩芯描述并对比测井曲线特征,初步建立起岩性-测井响应模型,并依据测井-录井资料对三口煤层气井钻遇的地层进行了区域上的追踪对比。

1 地层发育特征

柳林煤层气区块在地层区划上属于华北地层区,在资源利用上又叠加了煤炭开采和油气勘探与开发。伴随着地质勘探工作的逐步深入,柳林地区的地层划分也呈现出多元且精细化方向发展,地层划分见图1。在华北聚煤区范围内依据岩性组合及含煤性,通常把石炭系太原组地层分为三个岩性段,即晋祠段、毛儿沟段和东大窑段。把二叠系山西组地层划分为两个岩性段,即北岔沟段和下石村段。在生产实践中也有人将太原组最晚一套海相灰岩(L5)顶作为太原组和山西组的分界,或将山西组地层三分。长庆油田结合多年的油气勘探实践,依据沉积层序和含煤特征,将太原组地层从上到下两分为太1段和太2段。将山西组地层也分为上、下两段,并根据沉积旋和含油气特征将山2段自上而下划分为山21、山22和山23三个亚段。

图1 柳林地区实钻地层剖面

(1)中石炭统本溪组(C2b)

本区本溪组地层平行不整合覆于中奥陶统峰峰组(O2f)浅灰色灰岩之上,是以下古生界侵蚀面为基底,沉积的第一套上古生界海相砂泥岩地层层序,局部夹灰岩沉积,顶界为太原组底砂岩晋祠砂岩(K1)。本区煤田钻孔揭露的本溪组地层厚度达39m,煤层气井均未钻穿本溪组地层,据文献记载,离柳矿区本溪组地层厚度变化较大,为3.5～39m,平均厚31m。

本溪组下部地层为“铁铝岩段”,由一套中厚-厚层状粉-细砂岩、泥岩互层组成。粉砂岩为灰黑色,厚层状,具有黄铁矿结核,裂隙发育,方解石及泥质充填。细砂岩为灰色,中厚层状,成分以石英、长石为主,平行层理,含较多铝质,断口参差状,具黄铁矿结核和黄铁矿晶体。泥岩为深灰-黑色,中厚层状,含少量砂质,均匀层理,裂隙发育,泥质充填,具少量黄铁矿结核。铝质泥岩为浅灰色,中厚层状,铝质含量丰富,具少量黄铁矿结核,裂隙发育,泥质充填,均匀层理,断口平坦,手摸有滑感。

本溪组上部地层为“畔沟段”,由一套中厚-厚层状细砂岩、泥岩和灰岩互层组成。本区灰岩发育1～2层,可作为进入本溪组地层的标志层,即畔沟灰岩(Lb),岩性为灰-深灰色,中厚-厚层状,隐晶质结构,含方解石脉,具少量黄铁矿结核,不规则裂隙发育,泥质及方解石充填,硅质半充填。细砂岩为黑色厚层状,石英为主含白云母碎片,具黄铁矿结核,方解石脉,夹泥岩薄层,平行层理,参差状断口。铝质泥岩为灰色,中厚层状,均匀层理,裂隙发育,无充填,断口平坦。泥岩为黑色,中厚层状,含丰富的白云母碎片,偶见碳质碎屑。斜交裂隙发育,无充填或泥质充填,均匀层理,断口平坦。

(2)上石炭统太原组(C3t)

太原组地层是在本溪组地层基础上形成的一套海相滨岸-潮坪、泻湖、障壁岛和风暴沉积层序,由灰-浅灰色砂岩、深灰色粉砂岩、砂质泥岩、黑色泥岩、煤和深灰色灰岩组成。含灰岩5～7层,煤10余层,其中可采和局部可采煤层4～5层。太原组地层厚度在本区分布稳定,为90～100m。根据沉积旋和岩性组合特征,可将太原组地层分为三个岩性段。

太原组下部地层为“晋祠段”,主要由一套中厚-厚层状中砂岩、细-粉砂岩、泥岩和煤层组成,局部夹灰岩薄层。底部为晋祠砂岩(K1),为浅灰-灰白色、厚层状细-中粒长石石英砂岩,次磨圆-次棱角颗粒,分选中等,普遍硅质胶结,见少量黄铁矿结核,方解石脉,偶见碳质泥砾,表观孔隙度差。泥岩为黑色薄层状,水平纹理发育,具黄铁矿结核和植物根茎化石,裂隙发育,岩芯破碎。其它粉-细砂岩和铝质泥岩的发育特征与本溪组地层类似,表明了相近的沉积条件。值得一提的是,在晋祠段下部地层中还钻遇了两层灰岩,应该与太原西山地区的“吴家峪灰岩”相当。本区10#煤层发育,厚度为0.5～1.8m,为黑色半亮型煤,玻璃-金属光泽,均一状结构,位于本段顶部。

太原组中部地层为“毛儿沟段”,主要由泥岩、泥质粉砂岩、泥质灰岩-灰岩和煤层互层组成。泥岩为黑色薄层状,具平行纹理,含腕足类化石,含少量黄铁矿和白云母碎片,岩芯破碎,裂隙发育,钙质充填。本区8号煤和9号煤横向分布稳定,且为地震波组的强反射轴(TC2),是很好的地质标志层,厚度约为2～6m,为黑色半亮型煤,玻璃-金属光泽,块状,易碎,割理和内生裂隙发育,见黄铁矿结核,煤取芯气泡强烈,表明具有较高的煤层气含量。灰岩-泥灰岩为灰黑色,中厚层状,下部灰岩(L1)为泥晶结构,含丰富的生物碎屑,裂隙发育且未充填,相当于“庙沟灰岩”。上部灰岩(L2-3)有时分两层,为隐晶质结构,具方解石脉,含丰富的蜓类化石,岩芯坚硬,具裂隙,泥质-钙质充填,相当于“毛儿沟灰岩”。本段顶部有时见一层薄煤,7#煤。

太原组上部地层为“东大窑段”,主要由灰岩、粉砂岩和泥岩组成。本段含两层较厚的灰岩段,底部L4灰岩(斜道灰岩)为深灰色生物碎屑灰岩,质纯,隐晶质结构,含方解石脉,向上含少量黄铁矿,具裂隙,钙质充填。上部L5灰岩(东大窑灰岩)为深灰色含生物碎屑微晶灰岩,含腕足类化石,偶见陆源碎屑混入物,因此有人将该灰岩顶作为太原组和上覆地层山西组的地层分界。这两套灰岩之间的地层在本区为灰黑色薄层状粉砂岩,具平行层理,从图1可以看出泥质含量较高(高伽码值),这与区域上的七里沟砂岩(太1砂组)区别较大,反映出了不同的沉积相带特征。在这套砂岩顶和L5灰岩底之间发育了一层较为稳定的薄煤层即6#煤。L5灰岩上覆地层为一套含海相化石泥岩,在区块东北部的成家庄剖面有出露,厚10m,井下揭露5～6m,根据化石组合将其归为太原组地层,岩芯描述为:灰黑色,薄层状,半坚硬,局部破碎,裂隙发育,钙质充填。

(3)下二叠统山西组(P1s)

进入二叠纪,本区海水逐渐退出。山西组是在太原组海相地层层序之上沉积的一套海陆交互相、水下分流河道、三角洲平原和湖泊-沼泽相含煤地层,主要由灰-浅灰色砂岩、灰黑色粉砂岩、灰黑色-黑色泥岩和煤层组成,含煤9层,其中可采和局部可采煤层3～4层。地层厚度稳定,为50～60m,与下伏太原组整合接触,局部冲刷接触。根据沉积旋和含煤性,将山西组地层分为上、下两个岩性段。

山西组下部地层为“北岔沟段”,主要由一套薄-中厚层状中砂岩、细-粉砂岩、泥岩和煤层组成。根据碎屑岩颗粒由粗到细,最后到煤的沉积旋特征,可将本段划分为三个岩性亚段。

下部山23砂组不十分发育,山西组底砂岩(北岔沟砂岩,K3)在本区不足1m,局部缺失,岩芯描述为灰色,中厚层状中砂岩,基底式硅质胶结,石英为主,长石次之,分选性差,具交错层理,岩芯坚硬,参差状断口。其上为深灰色中厚层状细砂岩,具平行层理,再向上变为灰黑色粉砂岩-砂质泥岩,见黄铁矿,斜交裂隙发育。顶部为5#煤,为黑色,半亮型煤,强玻璃光泽,阶梯状断口,均一状结构。

中部山22亚段为一套砂-泥岩和煤层间互地层,砂岩为灰-深灰色中厚层状细砂岩,成份以石英为主,长石次之,含菱铁质及白云母碎片,具平行层理,与下伏地层过渡接触,也有冲刷接触。粉砂岩为灰黑色,薄层状,含植物根系化石,节理、裂隙发育岩芯半坚硬,性脆,较破碎。泥岩为灰黑色,薄层状,具植物茎叶化石,含少量黄铁矿,节理发育,岩芯破碎。本段含两层主要煤层:4#煤为黑色,半亮型,强玻璃光泽,割理中等发育,均一状结构。3#煤为黑色,半暗型煤,沥青光泽,粉末状。

上部山21亚段为粉砂岩-细砂岩间互夹薄煤层,细砂岩为中厚层状,石英为主,长石次之,含海绿石、菱铁矿,硅质胶结。粉砂岩为灰黑色-薄层状,断口平坦。2#煤层较为发育,但一般不足半米,为黑色-半暗型煤,玻璃光泽,阶梯状断口,均一状结构。1#煤局部发育,为半暗-半亮型块煤。

山西组上部地层为“下石村段”,由灰色砂泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩及煤线组成,泥岩中常夹有砂质条带。本段电性曲线平缓,自然伽玛值较高,在本区厚约10m。

2 地层对比

尽管柳林区块地震勘探工作不足,但随着该地区煤层气钻井地质勘探程度的提高,并结合煤田钻孔的全井段取芯资料。使我们可以通过综合分析对比岩性组合、岩石学特点、录井和测井曲线特征;在单井剖面上界定岩性、识别地质标志层、划分沉积旋和地层组、段。在联井剖面上进行追踪和对比,如图2所示的三口单井的联井剖面,以反映沉积地层的组合特点和变化规律划分沉积相序以及了解地质标志层的横向展布特点。

本区上古生界煤系地层是在下古生界地层遭受长期风化剥蚀后形成的古风化壳基础上,沉积的一套海相-海陆交互相含煤层系。由于本区煤层气井均未钻穿石炭系地层,因此本文不讨论上古-下古沉积界面的岩-电特征。

石炭系地层中的地质标志层主要包括本溪组和太原组的灰岩、太原组的底砂岩和煤层。

畔沟灰岩(Lb)在本区分布较为稳定,可达1.75～2m,可以作为进入本溪组地层的标志层。太原组的吴家峪灰岩(L0)在区块东南部边界发育,它和本溪组灰岩的测井曲线特征表现为高电阻和低伽玛的特点。庙沟灰岩(L1)和毛儿沟灰岩(L2-3)常与泥岩和泥质灰岩互层,横向分布稳定,整套地层厚约10m,电阻率曲线表现为跳跃的高阻特征,伽玛曲线表现为锯齿状低值。斜道灰岩(L4)和东大窑灰岩(L5)质地较纯且单层沉积地层较厚,为3～10m,电性特征明显,表现为箱状的高电阻和低伽玛特点,横向分布稳定,可以作为进入太原组的标志地层。

晋祠砂岩(K1)在本区厚度变化较大但分布稳定,一般为2～8m,并夹有泥质或凝灰质薄层,以至于有时在录井和电测曲线上难以识别,总体电性特征表现为中高电组和低伽玛、间有高伽玛峰值。

太原组的煤层特征明显,主要目的煤层包括8#煤、9#煤和10#煤,单层厚度在2～6m之间,横向分布稳定,其中8号煤和9号煤相距不远,在区块大部分地区合为一层较厚的煤层(图2),在地震剖面上构成强反射层(TC2),在测井曲线特征上表现为高电阻、低伽玛和低密度曲线,极易辨认。另外6#煤层较薄,不足1m,但横向分布稳定,位于L5灰岩之下。而L5灰岩上覆地层有时也发育一层薄煤(6+),可作为太原组和山西组的地层分界。

图2 柳林地区煤层气钻井连井剖面

二叠系山西组地层中的地质标志层主要包括山2段、山1段砂组和煤层。

区域上的山西组底砂岩北岔沟砂岩(K3)在本文讨论的区域内不十分发育,局部缺失,以至于山西组和太原组地层的岩性分界不明显,而山西组内部砂岩还是极具特点的。

山22段和山21段砂岩横向分布稳定,厚达4～10m,尽管岩石致密,孔隙度低,但由于裂隙和节理发育,导致地层含水明显,电阻率曲线为中低阻值,且深浅电阻率曲线幅度相差明显,表现出了一定的渗透性。山1段砂组泥质含量较高,表现为高伽玛锯齿状和平缓的中高电阻率曲线特征。

山西组煤层特征明显,主要目的煤层包括3#煤、4#煤和5#煤,厚度在0.5～2.5m之间。横向分布稳定。4#煤和5#煤距离较近,一般不超过5m,在地震剖面上构成强反射层(TP10),在测井曲线特征上表现为高电阻、低伽玛和低密度曲线,易于辨认。2#煤时断时续,1#煤不甚发育,且厚度很薄,在钻井过程中易于漏判。这时就要根据沉积旋特点和地层层序特征,包括地层厚度来综合判断,卡准层位。从石盒子组底砂岩骆驼脖子砂岩(K4)到山西组3#煤之间,在本区包含了两个沉积旋和三个岩性组合,沉积地层厚度约为25～30m。

3 结语

井下岩芯描述和野外地层露头观察为我们提供了丰富的第一手资料,综合测井-录井曲线特征所进行的地层对比工作则是识别和分析、利用柳林区块石炭-二叠系煤系地层中的地质标志层的重要手段。

单井综合地层剖面的建立不但理清了柳林地区地层单位的划分和沉积地层发育特征之间的关系,同时也初步建立起了岩性-岩相-沉积旋和测井响应之间的对应关系,并可以此作为深入了解该地区石炭-二叠系煤系地层横向展布特征,以及沉积相带划分的工作起点。

连井地层剖面的建立使我们得以选择好最恰当的标准层来标定地层组、段的分界,提高了地质标志层和沉积旋的对比精度。进而为煤层的细分和对比,计算煤层气储量、合理划分开发层系、煤层气井网部署、排采过程的动态分析等提供了可靠的地质依据。

[1] 煤炭部中国煤田地质局.中国主要煤矿资源图集第一卷[M].北京:煤炭部中国煤田地质总局,1996.

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[3] 陈恭洋等.油气田地下地质学[M].北京:石油工业出版社,2007.

[4] 张德江.大力推进煤矿瓦斯抽采利用[J].中国煤层气,2010(1).

《2010第十届国际煤层气论坛》将在北京召开

“2010第十届国际煤层气论坛”将于2010年10月19-21日在北京亮马河饭店召开,会期3天。本届大会由国家安全生产监督管理总局和美国环保局联合主办,国家安全生产监督管理总局信息研究院(煤炭信息研究院)承办。

“国际煤层气论坛”作为煤层气领域的一项重要活动,已经成为一个促进国内外煤矿瓦斯/煤层气抽放利用技术和经济合作平台,极大地推动煤层气产业发展。本届论坛主要内容包括煤层气开发潜力与前景展望、中国煤层气项目最新进展、中国煤层气产业化所面临的机遇与挑战、煤层气开发新技术及其应用、煤矿瓦斯/煤层气抽放与利用技术、煤矿通风瓦斯利用技术、煤矿瓦斯/煤层气项目的融资、政策法规、国际机构援助及融资渠道。

欢迎国内外代表提交论文,在规定时间内提交的论文将有机会列入会议论文集并且优先安排在大会上发言。会务组联系电话:010-84657948,Email:cbmc@coalinfo.net.cn,网站:www.coalinfo.net.cn。

Correlation Features of the Coal Measure in Liulin Block,Shanxi

Huang Xiaoming,Lin Liang,Wang Zanwei,Zhang Wenzhong,Cai Xialei
(China United Coalbed Methane Co.Ltd.,Beijing 100011)

黄晓明,男,毕业于浙江大学地质系,高级工程师,从事煤层气地质勘探与开发工作。

(责任编辑 刘 馨)