沁水盆地柿庄南区块煤层气藏地质特征

丰庆泰

（中国煤炭地质总局119勘探队，河北邯郸 056107）

沁水盆地柿庄南区块煤层气藏地质特征

丰庆泰

（中国煤炭地质总局119勘探队，河北邯郸 056107）

∶沁水煤盆地煤层分布广泛，厚度稳定，煤变质程度高。通过对柿庄南区块的山西组3＃、太原组15＃煤层的区域构造地质、沉积特征、水文地质条件、煤层气储层等特征的分析，认为该区寺头断层水力封闭，3＃煤层顶板以厚泥岩为主，15＃煤层顶板为分布稳定的石灰岩层，储层封盖性好，煤层裂隙发育渗透性好，气含量高，储层埋藏深度适中，是煤层气开发的有利区域。

∶沁水盆地；含煤沉积；煤层气；储层特征

沁水盆地赋存石炭二叠纪含煤岩系,煤层分布广泛,厚度稳定,区域地质构造简单。盆地南部煤层为优质无烟煤,埋深适中,煤层气含量高,是我国煤层气最早产业化开发的地区。柿庄南区块位于盆地东南部,沁水复向斜东翼南部转折端,行政区划隶属山西省沁水县。

1 沁水盆地煤层气藏地质构造特征

1.1 区域地质构造

沁水煤盆地属中朝准地台内的二级构造单元,现今地质构造面貌是经历了海西期、印支期、燕山期和喜山期地质构造运动的一个近南北向大型复式向斜。盆地内石炭、二叠纪煤系地层广泛稳定分布,煤系沉积之后经历长期的持续稳定沉降,沉积了巨厚的由北向南增厚的三叠纪河湖相碎屑岩盖层。三叠纪末期的印支运动,使华北地台逐步解体,沁水盆地整体抬升,并开始遭受剥蚀。在燕山期自西向东挤压应力作用下,区内构造运动最为强烈,随山西隆起石炭系、二叠系及三叠系等地层抬升、褶皱及局部断裂。盆内南部和北部发育近南北向次级褶皱为主,局部发育EW、NE和弧形轴向的褶皱;盆地中部发育NNE向褶皱。盆内大断裂以NE、NNE和NEE向高角度正断层为主,主要分布在盆地西北、西南及东南部的盆地边缘,后期地质构造对盆内改造较弱。燕山期区内莫霍面上拱,晋城、阳泉地区煤系下部有岩浆侵入,形成不均衡的高地热场,使煤的变质程度先经历深成变质作用后又经历岩浆热变质作用,促使煤的变质程度进一步提高形成贫煤、无烟煤。由于岩浆热变质作用是在煤层被抬升、褶皱、剥蚀,上覆岩层静压力逐渐减小的情况下进行的,因而对割理及煤的外生裂隙的生成、保存等均产生了有别于深成变质作用的影响[1]喜山期山西隆起区产生北西-南东向的拉张应力利于生成区内煤层的割理、裂隙开启及张性裂隙提高了煤层的渗透率[2]。

1.2 柿庄南区块地质构造

柿庄南区块的构造位置在沁水盆地南部向西北倾的斜坡带上。地层平缓,煤层分布稳定。该区最大断层是呈北东向展布的寺头正断层,并作为区块西北边界。寺头正断层从北东向西南延伸,在本区北部呈NE向,断距100 m,倾角70°,倾向NW;南部呈北东向转NEE向,断距和倾角均变小,断距40～70m,倾角40～65°,倾向NW和NNW。寺头断层落差由西南向北东方向增大,向北部达100多米。钻探证实,该断层破碎带胶结致密,导气、导水能力差,是一条封闭性断裂构造。二维地震勘探资料显示,本区构造比较简单,总的形态是一近南北向复背斜,东翼较缓,西翼较陡。区内次级背向斜发育,自西向东呈南北向、NNE分布排列,这些褶曲宽缓、两翼基本对称,倾角10°左右。本内存在多条隐伏小断层,局部发育陷落柱。沁水盆地东南部地质构造和3＃煤层底板标高等值线图见图1。

研究表明:华北晚古生代煤田受区域地质构造的控制,煤层主要埋藏类型为先沉降后抬升型的Ⅴ型,石炭—二叠纪含煤岩系底界的最大埋深曾达4 400m,距今5 Ma左右煤层才被抬升至距地表600 m以浅,对气藏的破坏相对较弱,煤层气逸散时间较短,使该区煤层含气量和含气饱和度均较高[3]。

图1 沁水盆地东南部3#煤层底板等高线图

图2 沁水盆地南部煤系地层综合柱状示意图

2 含煤沉积与煤层

2.1 含煤地层沉积特征

柿庄南区块煤系地层有上古生界中石炭统本溪组 (C2b)、上石炭统太原组 (C3t),下二叠统山西组(P1s)和下石盒子组(P1x)、上二叠统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)和新生界第四系(Q),其中主要含煤地层山西组和太原组在本区广泛分布,保存完整[4]。

太原组为一套海陆交互相沉积,形成了陆表海碳酸盐岩台地相沉积体系和堡岛沉积体系的复合沉积体系。地层平均厚度100m左右,岩性为中-细粒砂岩、粉砂岩与泥岩、灰岩和煤互层,其中浅海相灰岩稳定分布,其中含有丰富的海相动物化石蜓科、珊瑚、腕足类,是该组地层对比的重要标志。

山西组为发育于陆表海沉积背景之上的三角洲沉积,以三角洲河口砂坝,支流间湾过渡到三角洲平原相,地层厚度平均50 m左右,岩性为灰岩深灰色砂岩、粉沙岩为主,夹泥岩、粉砂质泥岩和煤层,其中底界K7砂岩特征明显,分布稳定,是该组地层对比的重要标志层。

2.2 煤层赋存特征

沁水盆地南部山西组和太原组含煤层系共发育煤层6～11层,煤层厚度较大、全区分布稳定的有山西组3＃煤和太原组15＃煤层,是煤层气勘探和生产的主力煤层。3＃煤层平均净厚度约5.90m,其顶板的岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主,局部为细、中粒砂岩,底板有粉砂岩和泥岩。15＃煤层平均净厚度约3.60m,直接顶板为泥岩或钙质泥岩,老顶为K灰岩,底板为泥岩。煤层横向上连续,个别地方有冲刷或分岔现象,横向分布的稳定性较3＃煤差。区域地层综合柱状示意见图2。

区内煤层埋深总体变化呈北深南浅,中部深东部浅的趋势。主力煤层的埋深总体变化趋势相似,3煤层埋深450 m～570 m之间；15＃煤层埋深在550 m～670m之间；15＃煤层的埋深比3＃煤层深约100 m～110 m左右。区内主力煤层厚度大,结构简单且分布稳定,埋藏深度一般小于1 000 m,深度适中适合进行大规模的煤层气勘探与开发。

3 水文地质及地下水动力条件

3.1 含水层分布

影响煤层气开采的主要含水层有:煤系基底奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层；太原组灰岩K2及K3含水层；山西组K8砂岩裂隙含水层；上下石盒子组砂岩裂隙含水层和第四系松散砂砾石含水层。太原组的含水层与山西组的含水层之间有百米厚的砂泥岩互层相隔,与上覆的地表水系也不存在水动力联系,太原组之下有厚达10 m～20 m的本溪组铝土质泥岩封隔了下伏的奥灰水。上述含水层各自形成了各自独立的承压水动力系统,基本没有层间越流现象。

3.2 地下水动力条件

沁水盆地是在历经印支、燕山及喜山三次大的地质构造运动后形成的构造盆地,石炭系、二叠系煤系地层在盆地形成之前已经历了一定的压实作用,盆地形成后流体运动的驱动力主要是重力。柿庄南区块地下水埋藏较深,径流缓慢,基本为单向流动[5],反映地下水径流条件随埋深在不同部位存在着差异。地下水在重力作用下从高势能的东南部向西北方向顺层流动,遇寺头断层形成水力滞流封闭区,以静水压力形式将煤层气封堵,造成储层压力升高,有利于煤层气的保存、富集。寺头断层位置，见图1。位于寺头断层以东南的区域煤层气资源富集,开发前景良好。

4 煤层气储层特征

4.1 煤岩特征

柿庄南区块主要为无烟煤3＃(RO为2.9%～3.3%)。 3＃煤和15＃煤的煤岩分析结果显示,主要是半亮煤和半暗煤组成,夹亮煤和暗煤条带。3＃煤镜质组含量73.2%～92.9%,惰质组含量 1.7%～23.7%,壳质组含量甚微;15＃煤镜质组含量79.7%～94.9%,惰质组含量4.0%～20.3%,壳质组含量甚微。无机矿物质主要为黏土矿物,灰分含量小于10%,属于中-低灰煤。煤岩特征表明,该区泥炭沉积当时的沼泽环境有利于成煤物质较多地转化为凝胶化组分,提供成煤后形成煤层原生割理裂隙的物质基础和煤层气的解吸通道和导流能力,镜质组中的大量逸气微孔也为煤层气提供了储存空间。无机物含量低使煤基质有足够大的有机颗粒内表面积吸附气体,保证煤层能够赋存大量的煤层气资源。

4.2 煤层裂隙分布与渗透性

通过对煤层气井钻探的煤芯观察,割理和裂隙在亮煤和半亮煤中发育,而在暗煤和半暗煤中不发育。 3＃煤外生裂隙一般2～8条/6 cm,长度5 cm～10 cm,有的宽度可达1mm;割理比较发育,一般10～20条/6 cm。15＃煤外生裂隙一般2～8条/6 cm,多以1条主裂缝为主,有些可见两组近垂直的裂隙;割理比较发育,一般17～28条/6 cm,可见网状割理。该区主煤层除了局部地区受断层影响外保留了煤的原生结构,割理发育是煤层在区域热变质过程中形成了大量“气胀节理”[6]和深部岩体的“拱劈作用”共同作用的结果,同时与宽缓褶皱相伴生的NE 50°～60°外生裂隙也比较发育,使该区煤层总体上具备了较好的渗透性和导流能力。但该区域很多割理和裂隙被方解石充填,影响了煤层气的渗透,柿庄南区块及邻区煤层渗透率平面上变化较大,反映出煤层渗透性分布不均匀性的特点。3＃煤的渗透率比较高,在0.01mD～5.51mD之间,多在1mD以上;15＃煤埋藏比3＃煤深约100m,测定的渗透率比3＃煤差,在0.02mD～1.45mD之间,多数在1mD以下。

4.3 煤储层压力和含气性

根据试井结果,该区3＃煤储层压力为2.47 MP～3.83 MPa,压力梯度为0.48 MPa/100m～0.75MPa 100m;15＃煤储层压力为4.07 MPa～6.11 MPa,压力梯度为0.64 MPa/100 m～0.97MPa/100 m,属欠压地层。井温测井资料显示,柿庄南区块区3＃煤储层温度24.2℃～27.3℃,15＃煤储层温度28.5℃～29.43℃,地温梯度约为1.8℃/100m～2.2℃/100m比正常地温梯度略偏低。含气量测试结果表明,3煤层(原煤)含气量 12 ～ 26m3/t;15＃煤层(原煤)气含量 13 m3/t～29m3/t。除个别地方含气量偏低外,柿庄南区块及其周围是一个煤层气富集区,具有充足的煤层气资源基础。

5 结论

柿庄南区块煤储层厚度大而稳定、盖层封闭性好、封闭的地下水动力条件弱,是煤层气保存的有利区域。沁水盆地南部煤系地层经历了稳定沉降后的深成变质,又经历抬升过程中的岩浆热变质叠加形成高含气量、低渗透性无烟煤。研究区煤系地层顶、底都有致密泥岩封盖层,地下水动力较弱,煤层气赋存条件好,煤层割理裂隙发育,是煤层气开发的有利区域,尤其是3＃煤储层含气量和其他开发条件均优于下部15＃煤层。加快沁水煤盆地柿庄南煤层气资源勘探开发力度,不仅可为“气化山西”提供优质的清洁能源,又能超前解放高瓦斯煤层,为煤矿安全生产创造有利条件。

[1]刘焕杰,秦勇,桑树勋.山西南部煤层气地质[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.

2]李金海,苏现波,林晓英，等.沁水盆地煤层气开发区岩石节理发育特征[J].矿业安全与环保,2008(5):37-39.

[3]接铭训,李明宅.沁水盆地南部煤层气勘探前景[J].勘探家,2000,5(2):39-43.

[4]程保洲.山西晚古生代沉积环境与聚煤规律[M].太原:山西科学技术出版社,1992.

[5]王红岩,张建博,刘洪林.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征[J].煤田地质与勘探,2001,29(3):33-36.

[6]姚艳斌,刘大锰,汤达祯，等.沁水盆地煤储层微裂隙发育的煤岩学控制机理[J].中国矿业大学学报,2010,39(1):6-8.

The Geological Characteristics of CBM Reservoir of Southern Shizhuang in Qinshui Basin

FENG Qing－tai
（No.119 Prospective Team， China Coal Geology General Bureau， Handan Hebei， 056107）

In Qinshui Basin， there existextensive coal seams， stable in thicknesswith highlymetamorphic grade.The author，by analyzing the structural geology， depositing characteristics， hydro－geological conditions， CBM resources and other factors in No.3， No.15 coal seams in Southern Shizhuang of this basin， puts forward the view that this area is suitable for developing CBM because in Shitou Fault， the water is sealed， in No.3 Group， the floor seam ismainly consisted of thickmudstones， in No.15 Group， the floor is consisted of stable lime stones， and it iswell sealed with high contentof gaswhile the coal seam is buried in appropriate depth.

Qinshui Basin； coal－bearing deposit； CBM； reservoir characteristics

∶P618 < class="emphasis_bold"> 文献标识码∶

∶A

1674－0874（2012）03－0072－03

2012－01－18

国家科技重大专项［2011ZX05042］

丰庆泰（1954－），男，河北南宫人，高级工程师，研究方向：煤层气地质。

〔责任编辑 石白云