呼鲁斯太矿区煤层气成藏条件分析

姚海鹏，李 彬

（1.内蒙古自治区煤田地质局,呼和浩特 010010；2.内蒙古煤炭地质调查院，呼和浩特 010010）

煤层气是在成煤过程中形成的、赋存在煤层中的、以甲烷为主的混合气体，煤矿亦称瓦斯[1]。煤层气是自生自储的非常规天然气，包括吸附、游离、溶解三种赋存状态，是高效优质的一种清洁能源，对于保护大气环境、改善能源结构、缓解能源紧张、综合开采煤炭，实现煤炭资源的综合利用具有重要作用[2-4]。内蒙古虽是煤炭资源大省，但主要以低变质程度煤为主。目前国内煤层气的商业性开发，以高变质程度煤为主。因此对内蒙古自治区进行煤层气成藏条件分析、进行煤层气选区评价工作、开发煤层气，建成保障首都、服务华北、面向全国的清洁能源输出基地，建成我国北方的生态安全屏障具有重要作用。

1 区域地质背景

矿区位于内蒙古阿拉善左旗呼鲁斯太镇，距旗政府（巴彦浩特镇）约70 km。矿区所处大地构造单元为中朝大陆板块（Ⅰ）鄂尔多斯断块Ⅰ1西缘褶皱冲断带（I11）的贺兰山-横山堡段（I1-21）。该构造带自震旦纪至侏罗纪是一个沉降较深的地带，尤以中石炭世-晚三叠世为甚，为主要聚煤期。晚三叠世时，受到印支运动影响，先期的沉积构造格局彻底改变，先期沉积盆地被改造。早期燕山运动虽未产生地层间的不整合，但使侏罗纪的沉降减少，中期燕山运动使前白垩系产生了北北东向复式褶皱及断裂，并对包括勘查区在内的呼鲁斯太矿区总体构造的形成有较大影响。白垩纪晚期的燕山运动已较前期大大减弱，全区普遍抬升隆起，造成晚白垩世沉积缺失。新生代以来，该区主要受喜山运动影响，构造应力场发生变化，受印度板块与欧亚板块碰撞挤压本区南部发育了具碰撞谷性质的银川地堑，但是构造运动仍以隆升为主。区域构造相关的深大断裂为贺兰山大断裂，是三级构造单元的分界，依贺兰山东麓作北北东向展布，于石嘴山处与黄河大断裂相交，该断裂为重力断层，倾向南东，倾角80°左右，断距2 000～3 600 m。向南与龙首-六盘山深断裂相交，断裂形成于燕山期。本区发育的地层主要有寒武系、石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组，三叠系中统纸坊组、上统延长组，侏罗系中下统延长组、第四系，其中石炭系上统太原组，二叠系下统山西组为本区的主要目的层。

2 成藏条件分析

2.1 生气条件

煤层气与常规天然气的显著区别之一是：煤层既是煤层气的源岩又是储集岩。因此煤层的发育特征对于煤层气的赋存特征及其的开发都很重要，决定着煤层气的经济开发性，也是煤储层评价的重要指标。

1）煤层发育情况。本勘查区主要煤层赋存于上石炭统太原组（C3t）及下二叠统山西组（P1s）中，共计含煤25层(太原组可采煤层13层，山西组可采煤层4层。石盒子组含煤3-4层均不可采)。煤系地层平均厚度258.0 m，煤层平均总厚24.69 m，含煤系数9.6%，可采煤层平均总厚20.68 m，含煤系数8.0%。本勘查区煤层较发育，可采煤层多、厚度大、层位较稳定，夹矸一般1-3层、结构简单，可采煤层间距不大、一般在30 m以内，具备良好生气能力。

2）煤岩因素。①煤岩类型与煤层气的生气潜力及开发难易都有很大的关系。一般认为镜质组含量高，具有很好生烃能力，产气量也高[5]。本勘查区宏观煤岩类型以半亮煤为主，其次为半暗煤，夹镜煤、亮煤条带，煤中有机质含量高（占84.4%～96.8%），有机质中以镜质组为主（在64%～85%之间）、壳质组含量很少。因此煤层具有很好的生烃能力。②煤变质对煤层气含量的影响，主要是通过对煤的生气量和吸附能力的控制作用体现的。大量研究表明，煤的生气量随着煤变质程度的增加而增大。前人研究表明，高变质程度的贫煤、无烟煤，微孔发育，占总孔隙体积的50%以上，大中孔所占比例较低，平均小于总孔隙体积的20%。中变质程度的肥煤、焦煤、瘦煤，大中孔发育，尤以焦煤最高，可占总孔隙体积的 38%左右，微孔相对较低、小于总孔隙体积50%。因此中演化变质程度的煤，大中孔发育，对煤层气的降压、解吸、扩散、运移有利，是煤层气储层评价中最有利的煤级；并且由于第二次煤化作用跃变大量流体的生成和集中释放，造成中煤级中肥、焦煤阶段割理最发育，储层渗透性较好[6]。③本勘查区总体以焦煤为主，其次为肥煤、瘦煤。矿区北部太原组各可采煤层以肥煤为主，焦煤次之；山西组各煤层偏南部为焦煤，北部为气煤。矿区南部煤变质程度较高，其中山西组 2、3 号煤层及太原组 5、9、10、12、13、15、22 号等煤层，以主焦煤为主，仅在井田南部边界和深部有少量瘦煤。太原组6、7、8号煤，则多为瘦煤，其次是主焦煤和贫煤。从分布上自北向南，从浅到深由主焦煤变为瘦煤、贫煤。

3）煤层埋深。由于本区煤层中未发现岩浆活动，因此煤变质作用主要受到煤层埋深影响。由于本区为一倾向南西的单斜构造，造成煤变质程度在空间上的差异，进而影响到煤层的生烃能力。例如本区由北向南煤变质程度逐渐增加，矿区北部主要为气肥煤，中部则为主焦煤，南部则变为瘦贫煤。再者，煤层埋深也会对煤层气储存有重要影响。煤层埋深越深、盖层越厚，越有利于煤层气的储存；随着煤层埋深的增加，压力也在增加，也有利于煤层气的吸附。本区的西南边缘煤层埋深较深，是较为有利的煤层气储集区。

2.2 保存条件

1）构造因素：构造作用直接或间接控制着从含煤地层形成至煤层气生成聚集全过程，是最重要的因素。煤层形成前后的构造运动对煤层气的生成、富集成藏、保存均有深刻影响。聚煤期后构造控制着生、储、盖层性能及组合，并影响煤层气运移、聚集、保存特征，从而影响煤层气勘探开发潜力[7]。本区在中石炭世-晚三叠世处于构造运动稳定期，盆地持续沉降、接受沉积，成为本区的主要聚煤期。之后经历了印支末期抬升剥蚀改造，燕山中期挤压造山，燕山晚期褶皱逆冲和喜马拉雅期断陷与推覆改造作用，形成了贺兰山逆冲推覆构造带。本区从区域构造上来说，处于逆冲断裂形成的的断块背景中，北为正谊关断裂，西为牙马乌苏断裂，西南为小松山断裂，东为贺兰山断裂。虽然断块活动造成煤系地层零星分割，煤层气逸散，使其总体处于不利的煤层气构造环境，但是断块活动也在一定程度上造成煤层松动，提高了煤层渗透性。本区处于断块背景下相对稳定的地区，周围的断裂为逆冲性质，断层面闭合，使得煤层气难以通过断层而运移散失，而且由于断层面附近应力集中，使得煤层气受到压力增加，因此煤层吸附甲烷量增多，煤层含气量相对增高[8]。

2）封盖层因素：煤层气成藏除了具备很好的生烃能力外，还取决于良好的封盖条件。煤层顶底板岩层的封盖性能，对煤层气的保存和富集仍起着很重要的作用。良好的封盖层可减少煤层气的渗流运移和散失，保持较高的地层压力，维持较高的含气量。煤层顶底板基本可分三类：中砂岩、细砂岩；灰岩、页岩；页岩、砂质页岩。其中绝大部分为页岩、砂质页岩。前者厚度—般达3～5 m以上，有时厚达10 m多，组份均以石英为主、胶结致密，岩石饱水时抗压强度大于500 kg/cm2、干燥时达1 000 kg/cm2以上，抗剪强度在366 kg/cm2以上、风干后500 kg/cm2以上。故当砂岩作为直接顶板时，稳定性良好，封闭条件好。灰岩厚1～3 m，致密坚硬，未见溶洞，饱水抗压强度900 kg/cm2以上，抗剪强度400 kg/cm2以上，稳定性良好。煤层底板多为砂质页岩或页岩，据本区地下水微弱的特点以及邻区（乌达、石炭井)生产井情况，—般不致引起软化变形，浸水后不易膨胀，底板稳定性良好。再者，煤系上覆盖层条件较优越，石盒子组、石千峰组地层主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩互层组成。从石千峰组到太原组发育多层泥岩、砂质泥岩，成为石炭—二叠纪煤层很好的上覆盖层条件。特别是石盒子组地层，不仅岩性细、厚度大，而且直接覆盖在煤系上，对含煤地层起到良好封盖作用。

3）水文地质条件。本区气候干燥，雨量稀少，蒸发量大。区内山体比高不大，相对高差一般20～50 m，沟谷不甚发育，地形较平缓。区内沟谷平时干涸无水，雨季山洪始有流水，唯有呼鲁斯太沟有季节性流水、但水量不大。地下水主要补给以大气降水为主，但因页岩、高岭石泥岩、砂质页岩等隔水层的存在，大气降水补给量甚少。因此，本区以孔隙裂隙水为主的水文地质条件属简单类型。各含水带之间均以煤层及煤层顶底板砂质页岩、页岩为隔水层，各含水带水位标高、水质类型各有差异，其间一般不发生水力联系，水力循环微弱，有利于煤层气的保存。再者，对井田内主要断层的透水情况也进行了调查，发现钻孔揭露各断层破碎带时冲洗液消耗量甚微，导水性不强，地下水径流微弱，有利于煤层气的保存。

3 结束语

呼鲁斯太矿区煤层发育良好，可采煤层较多，厚度大、镜质组含量较高，具有较强的生烃能力；矿区煤层埋深适中，主要以中等变质程度的焦煤、肥煤为主，割理发育，煤储层渗透性较好。矿区处于逆冲断裂形成的的断块背景中，断层面密闭，矿区内断层多为逆断层，不利于煤层气散失。煤层顶底板主要为泥岩、砂质泥岩、灰岩，上覆石盒子组地层岩性细、厚度大，水文地质条件简单，水力循环微弱。因此矿区煤层气保存条件较好，具有良好开发前景。

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