延川南山西组煤岩微相特征及其对煤层气开发的指导意义

梅俊伟，王运海，杨媛媛

（中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏南京210011）

延川南山西组煤岩微相特征及其对煤层气开发的指导意义

梅俊伟，王运海，杨媛媛

（中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏南京210011）

延川南山西组含煤岩系发育于三角洲平原亚相，其煤相类型主要为潮湿森林沼泽相，是延川南煤层气田的主要产气层段。以岩心、测井资料、煤岩分析数据为基础，依据成煤物质的形成条件及保存环境，将煤相进一步细分为高位森林泥炭沼泽、中位森林泥炭沼泽及低位森林泥炭沼泽三种微相类型；并在此基础上，探讨煤岩微相与煤层厚度、夹矸厚度、煤岩含气量、煤岩物性及围岩封存性能的关系，揭示煤层气的高产富集规律。研究结果表明中位森林泥炭沼泽微相区最有利于煤层气开发，其次为低位森林泥炭沼泽微相区。

延川南；山西组；煤岩微相；煤层气

延川南煤层气田位于鄂尔多斯盆地东南缘，陕北斜坡、晋西扰褶带与渭北隆起的交汇处（图1），具有丰富的煤层气及煤成天然气资源[1-3]。近年来，一些学者对本区煤层地质特征和单井产能从整体上进行了研究，明确了二叠系山西组含煤层段为有利开发层系并评价了煤层气开发的可行性[4-8]。但从前期试验井组的开发效果来看，区内单井产能参差不齐，日产气从50 m3/d到2 000 m3/d不等。而导致煤层气单井产能出现如此之大平面差异的地质因素尚不明确,这制约了煤层气经济高效开发的进程。鉴于此，本文拟对山西组含煤岩系的沉积特征，尤其是对煤岩微相，从成因机理上深入剖析，进一步探讨煤岩微相与煤层气富集的关系，分析煤层气富集主控因素，并据此划分煤层气平面富集区块，为开发井位的整体部署提供详实地质依据。

1 煤岩沉积特征

二叠纪早期，鄂尔多斯地区地壳又复上升，海水逐渐退出，整个华北陆台维持一个广阔的滨海平原环境，水系发育，广泛发育冲积平原及三角洲平原[9-10]。延川南地区此时气候温暖潮湿，森林沼泽广布，沉积了由三角洲平原相为主的碎屑岩及泥炭所组成的山西组。

图1 鄂尔多斯盆地区域构造单元划分及工区位置图Fig.1 Tectonic units division of Ordos Basin and work area location

1.1 煤岩相标志

1.1.1 煤岩煤质特征

基于29口取心井煤芯观察显示，山西组煤层以光亮型、半亮型煤为主，其次为半暗淡型煤；宏观煤岩成分以镜煤、亮煤为主，夹有少量暗煤；煤样具有玻璃及强玻璃光泽、脆性好、易破碎且断口多成参差状；内生割理及外生裂隙较发育。煤样分析化验资料统计表明，区块内山西组煤岩灰分含量介于7.8%～26.5%，平均14.6%，主要以低灰分煤为主；煤样挥发分介于7.3%～20.4%，平均10.3%，属于低挥发分煤；煤岩演化程度较高，镜质体反射率1.9%～3.2%，以贫煤、无烟煤为主；在含水量方面，水分含量均在2%以下；整体来看，具有较好的生气条件和吸附条件。

1.1.2 煤相类型

煤相为一定形成环境下所沉积的泥炭物质的表现，是煤的原始成因类型，凝胶化指数（GI）和植物保存指数（TPI）是目前分析煤相类型极其沉积环境最广泛的应用指标[11]。依据狄塞尔煤相分类模式并结合延川南2号煤层显微组分分析数据绘制GI—TPI交会图（图2），区域煤岩主要属于三角洲平原沉积环境下的潮湿森林沼泽相及较浅覆水森林沼泽相。

图2 延川南气田二叠系山西组煤岩TPI—GI交会图Fig.2 TPI—GI cross plot of coal in Permian System Shanxi group of South Yanchuan gas field

1.2 煤岩微相特征及其形成机理

延川南区域在成煤物质形成之前，上游陆源碎屑不断向海推进，在盆地边缘形成由建设性三角洲组成的三角洲裙，其地势平缓、构造稳定，为各类成煤植物的快速生长和保存提供了良好的条件。基于煤岩的宏观及微观资料研究表明，本区煤岩厚度、层数及其组分和含气量受所处沉积位置的不同而具有明显的差异性。煤岩形成的物质基础是泥炭，但首先得有大量植物的持续繁殖，其次是植物遗体能够较好保存，因此，依据成煤物质的有利形成条件和保存环境，可将煤相进一步细分为高位森林泥炭沼泽、中位森林泥炭沼泽及低位森林泥炭沼泽三种微相类型（图3）。

图3 延川南气田二叠系山西组煤岩微相成因模式图Fig.3 Genetic model of coal microfacies in Permian System Shanxi group of South Yanchuan gas field

1.2.1 高位森林泥炭沼泽

分布于主河道两侧附近，河道水体所负载的陆源碎屑由于地质引力减弱易在此区卸载堆积，致使地势不断上升，河床便逐渐在一个比河岸两侧地形较高的冲脊上流动[12]，直至改道迁移。从成煤物质的形成条件来看，干扰植物繁茂生长的主要因素为：距离分支河道近，地表沉积物以砂砾质粗碎屑组分为主，不利于植物的稳定生长；洪泛期河道负载陆源碎屑常在此处堆积，混杂于植物遗体中，影响了泥炭物质的纯度。从保存环境来看，受河道侧向迁移影响，前期沉积物易被重新搬或改造，难以在原地稳定堆积；由于地势相对较高，可容纳沉积物的空间较小，植物遗体易于暴露地表而被氧化分解，属于过度补偿沉积。岩心及测井资料分析表明：此类煤层分布不稳定，层数虽多但单层厚度偏小，煤层净厚2～4 m，横向连续性差且夹矸发育，剖面上常成鸡窝状；煤岩显微组分中镜质组含量较低，为42%～68%；宏观煤岩类型以半暗型、暗淡型为主，光泽暗淡，硬度、韧性及比重均较大，割理不发育，灰分含量高，在18%以上。电测曲线呈现多个峰态，一般为3个以上，分布不均匀，由于单煤层厚度较薄，曲线峰角较尖锐。

1.2.2 中位森林泥炭沼泽相

距离分支河道相对较远，主要包括沼泽、浅水湖泊等沉积微相，形成了延川南煤层气开发区的主体。从成煤物质形成条件看，此区域地表与平均潜水面基本持平，常年湿润且地下潜水中含有丰富的营养物质，适宜高等植物的迅速生长，能形成大规模的茂密森林；由于距离主体河道相对较远，洪泛期溢出水体中的悬浮陆源碎屑颗粒被高位森林泥炭沼泽相区植被阻挡，故对此区域的影响有限。从保存环境来看，植物遗体的堆积速度与潜水面的上升速度保持基本一致，属于均衡沉积，能形成持续稳定的泥炭堆积物。岩心资料分析表明，此类煤层厚度大而分布稳定，横向连续性好，煤层净厚4.1～6.8 m，除局部区域外普遍为单层夹矸；煤岩显微组分中镜质组含量较高，为75%～85%；宏观煤岩类型以光亮型、半亮型为主，光泽强度较强，性脆易压碎，韧性及比重较小，割理、裂隙较发育，灰分含量较低，为8%～16%。电测曲线呈现2～3个峰态，分布较均匀，单层厚度大，峰角圆润。

1.2.3 低位森林泥炭沼泽相

位于地势低洼区，主要为中、深水湖泊微相发育区。从成煤物质形成条件看，大部分地区低于平均潜水面，常年被积水覆盖，以水生植物为主，植物遗体相对较少，离主河道最远，受外来陆源碎屑物质影响最小。从保存环境看，以水下还原环境为主，利于沉积物的保存，但由于沉积速度较慢，影响了的泥炭堆积层的厚度，属于欠补偿沉积。岩心资料分析表明：此类煤层厚度整体偏薄，一般为2.5～4.2 m，夹矸层数在1层以下；煤岩显微组分中镜质组含量较高，在80%以上；宏观煤岩类型以光亮型、半亮型为主，灰分含量最低，一般不超过13%。电测曲线呈现1～2个峰态，峰角较圆润。

1.3 煤岩微相分布特征

在煤相成因机理研究的基础上，建立了3种煤相的测井识别模式，对工区内煤相进行了判别和划分。延川南煤相分布具有“南北呈带、东西分块”的趋势（图4，为了不影响显示效果，省略了开发井），即煤相分布受沉积的控制遵循相序递变的规律。含煤岩系沉积时期，主河道位于工区的东北角，沿盆地斜坡自南东向北西方向延伸，受主河道的影响在工区东北区块发育高位森林泥炭沼泽微相，随着河道影响作用的减弱及植被生长和保存条件的完善，在中部发育了最有利与煤炭聚集和保存的中位森林泥炭沼泽微相，随着地势的进一步降低，在西部发育了低位森林泥炭沼泽微相。

图4 延川南二叠系山西组煤岩微相平面分布图Fig.4 Coal microfacies plane distribution of Permian System Shanxi group in South Yanchuan gas field

2 沉积特征对煤层气开发的指导意义

影响煤层气高产富集的主要因素包括烃源岩条件、煤储层条件及保存条件[13-15]。沉积环境对煤层气开发的指导意义在于：成煤物质基础的多少决定了煤层厚度及其分布的稳定性；煤岩煤质类型的不同决定了煤层生气能力、含气量及煤储层物性的差异性；煤岩围岩分布特征决定了对煤层气的封存能力。

2.1 煤岩微相对煤层厚度的影响

由煤层厚度及夹矸平面分图可以看出（图5a、b），延川南区域煤层厚度明显受沉积相带的控制。在西北部低位森林泥炭沼泽微相分布区成煤物质基础较少，但保存环境较好，煤层厚度较薄但分布稳定,平均为3 m，夹矸不发育，平均小于0.3 m；中部中位森林泥炭沼泽微相区成煤物质基础好且能有效保存，煤层厚度较大且分布稳定，平均4.5 m，夹矸厚度较小，平均0.4 m；东北部高位森林泥炭沼泽微相区，受植物生长条件及保存环境的影响，成煤物质基础较少，煤层厚度逐渐减薄且分布不稳定，平均2.7 m，由于离主河道较近，洪泛期河道沉积物易在此堆积，导致夹矸厚度较厚，平均1.25 m。

2.2 煤岩微相与含气量及储层物性的关系

图5 延川南气田山西组含煤岩系属性特征分布图Fig.5 Attribute property distribution of coal bearing formation in Shanxi group of South Yanchuan gas field

煤岩微相的形成机理分析表明，不同沉积环境中煤层的煤岩类型、煤质特征具有差异性，进而导致生气能力、含气量及储层物性的变化。由图5中c、d图可以看出，在低位森林泥炭沼泽微相区，泥炭保存条件好，显微煤岩组分中镜质组含量高，生气能力强，煤层平均含气量大于20 m3/t，宏观煤岩类型以光亮煤和半亮煤为主，有利于内生割理及外生裂隙的形成，提供了较好的储集渗流空间，煤层平均孔隙度5.75%，平均渗透率为0.32×103μm2；中位森林泥炭沼泽微相区泥炭的保存环境与低位区类似，具备较好的生气能力和储层物性，平均含气量为18 m3/t，孔隙度5.5%，平均渗透率为0.3×103μm2；高位森林泥炭沼泽微相区泥炭保存条件较差，丝炭化作用明显，显微煤岩组分中惰质组含量较高，加上外来矿物的干扰，灰分产率高，致使煤层生气能力减弱，含气量7.4 m3/t，宏观煤岩类型以半暗煤、暗淡煤为主，煤质致密、坚硬、韧性大，不利于压裂改造，储层平均孔隙度为3.75%，渗透率为0.15×103μm2。

2.3 煤岩微相对煤储层围岩的控制

煤储层围岩是封堵煤层气的主要屏障，其封盖能力与围岩的岩性、物性、厚度及连续性相关[16]。研究区煤层围岩以砂泥岩为主，围岩封盖能力随碎屑组分颗粒变细及泥质含量增高而增强。从剖面及平面分布图（图5e、f）上看，受沉积环境的继承性影响，在低位森林泥炭沼泽及中位泥炭森林沼泽微相区，煤层围岩以湖泊沼泽及河道间泥质沉积为主，伴有少量细粒溢岸砂体沉积，对煤层的封盖能力较强，平均砂泥比分别小于8%和20%；在东北部高位森林泥炭沼泽微相区，河道砂体及溢岸砂体沉积逐渐增多，封存能力减弱，平均砂地比在35%以上，有些甚至可直接作为天然气储层，严重影响了煤储层的含气量。

3 结论

1）依据成煤物质的形成条件及保存条件，区内山西组煤岩可细分为高位、中位及低位森林泥炭沼泽三种微相类型。高位森林泥炭沼泽微相不利于成煤物质的形成和保存，煤层厚度薄、夹矸厚、灰分高、煤质差；中位森林泥炭沼泽微相最有利于成煤物质的形成和保存，煤层厚度大、夹矸较少、灰分较低、煤质较好；低位森林泥炭沼泽微相虽不利于成煤物质的形成，但具有优越的保存条件，煤层厚度虽偏薄，但夹矸厚度小甚至没有夹矸，灰分低、煤质好。

2）基于煤岩沉积环境和煤层厚度、夹矸厚度、含气性、物性及围岩的封存性能的关系分析表明，延川南山西组含煤岩系煤层气开发应优先选择中位森林泥炭沼泽微相区，其次为低位森林泥炭沼泽微相区；高位森林泥炭沼泽微相区由于煤层厚度偏薄，含气量低，储层物性差，围岩封存能力弱，暂不适宜煤层气的高效开发。

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（编辑：杨友胜）

Coal rock microfacies characteristics and its guiding significance for coalbed methane development in Shanxi group of South Yanchuan area

Mei Junwei,Wang Yunhai and Yan Yuanyuan
(Research Institute of Petroleum Exploration and Development,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210011,China)

Coal bearing formation in Shanxi group of South Yanchuan area develops in delta plain facies.Being mesohylile paludal facies,its coal facies types is the main gas productive reservoir of coalbed methane(CBM).Based on core,well logging data,coal rock analysis data,and according to formation conditions and preserving environment of coal forming material,coal facies was fur⁃ther subdivided into three types of microfacies types such as high forest peat swamp,middle forest peat swamp,and low forest peat swamp.On this basis,through discussing relationship among coal microfacies and coal bed thickness,stone band thickness,meth⁃ane content,coal physical properties,storage performance,the enrichment law was revealed.The researches show that middle for⁃est peat swamp microfacies is the most beneficial to CBM development,followed by low forest peat swamp.

South Yanchuan area,Shanxi group,coal microfacies,coalbed methane(CBM)

TE122

A

2015-03-03。

梅俊伟（1979—），男，博士，工程师，非常规油气勘探开发研究。