沁水盆地沁源地区煤层含气量分布规律及控气地质因素分析

邓志宇 刘羽欣 王 力 王春东 王利娜

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

沁水盆地沁源地区煤层含气量分布规律及控气地质因素分析

邓志宇 刘羽欣 王 力 王春东 王利娜

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

本文通过对沁源地区进行详细地质研究，从多个角度归纳了该区两套煤层含气量特征的主控因素。结果表明，沁源地区煤层含气量主要受构造、煤层埋深、厚度、沉积共同控制，其次为顶底板岩性以及水文地质条件等。2号煤层含气情况受后期构造影响较大，而9+10号煤层含气性相对来说主要取决于其自身生气能力以及围岩结构特性的差异。综合分析认为，本区东南部为2号煤层下一步煤层气勘探的有利目标区；中部为9+10号煤层的有利目标区。

沁源地区 煤层 含气量 控气因素

沁源地区位于沁水含煤盆地中部，地处太岳山东麓，系沁河发源地，地形以低山丘陵为主，整体西北高而东南低，交通便利。

沁源地区煤炭勘探历史久远，勘查程度较高，已达到勘探阶段，区内煤矿主要有留神峪、沁新、新达、新源、东盛等，而煤层气勘探进展却较为缓慢。早在1995年，国外公司就在沁源地区进行了煤层气资源调查工作。在“十一五”、“十二五”期间，该区已完成若干口煤层气井，取得了一系列煤层参数和生产数据资料，但总体上排采效果不佳。因此弄清控气地质因素，是本区目前迫切需要解决的关键问题。本文重点对沁源地区2号、9+10号煤储层进行研究，查清煤层含气分布特征及地质主控因素，为本区煤层气的勘探开发提供决策依据。

1 地质背景

沁源地区位于沁水盆地复式向斜的轴部，西邻霍山隆起，东邻太行山隆起。煤系地层总体为一个走向近南北、向东倾斜的宽缓复向斜构造，其轴向近南北。整体构造较为复杂，次级褶皱构造较为发育，主要呈NNE、NNW向展布，断层主要集中分布在本区西部和南部的沁水盆地翼部，特别是转折端应力集中部位，多为NE-NNE走向(图1)。

图1 沁源地区构造纲要图

本区自西向东依次出露寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及三叠系地层，其上零星分布第三系粘土、第四系黄土及冲洪积层。含煤地层为石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组及下石盒子组，其中具有开发价值的为上石炭统太原组和下二叠统山西组煤系地层。上石炭统太原组9号、10号煤层和下二叠统山西组2号煤层为该区主力煤层。2号煤层埋深300～2100m，主要发育宏观煤岩类型为光亮煤、半亮煤和半暗煤；9号煤层与10号煤层相距较近，多数情况下合并为一层研究，记为9+10号煤，埋深400～2200m，9号煤的煤层厚度较10号煤层厚，主要为暗淡煤、半暗煤，并含有少量半亮煤。

2 含气量分布特征

限于沁源地区煤层气井井位稀疏，目前已查明区含气量展布情况变化较大。2号煤层含气量整体表现为西部地区煤层气含量低于东部含气量，在构造作用强烈地区含气量普遍较低。9+10号煤层含气量平面分布整体表现为由西向东增高，中南部含气量最高，北部其次，较2号煤层含气特征有一定差异，分析认为差异性主要源自于其后期受构造活动影响相对较弱，煤层自身生气能力以及围岩结构特性的影响相对增大。

3 煤层气控气地质因素分析

地质因素是决定煤层气富集及产出的关键，是影响煤层气井产能的内在因素。沁源地区煤层气含量的分布规律与区内的地质构造、埋深、煤厚、沉积、水文地质条件以及围岩封闭性等地质因素具有重要的关系。

3.1 构造作用

煤岩限于脆性较大，其连续完整性极易受到地层应力的影响，从而使其气藏保存条件发生变化。断层和褶皱是影响煤层气富集最主要的构造因素。

断层构造对煤层气分布的影响主要表现在裂缝、破碎带的发育以及应力变化造成的煤层甲烷解吸/吸附。沁源地区断裂体系总体呈NNE向展布，断层性质主要为逆断层，且多具扭动特征，因此其断层面的不同岩性封闭及上下盘裂隙发育的差别必然导致断层两盘含气量的差别。断层两侧的牵引褶曲部位应力值显著增加，煤层储压增大，且裂隙较为发育，易于煤层气富集。不同性质断层对煤层气的控制作用与分布特征是截然不同的。正断层褶曲部位受拉伸作用变薄，裂缝较为发育，从而形成一定的储气空间；逆断层断层面的封闭性、褶曲位置围岩和煤储层的相对致密性以及高应力值均利于煤层气的保存。在断层面两侧一般形成两个平行断层呈对称的条带状构造应力高值区，煤层甲烷含量相对升高，成为阻止煤层甲烷进一步向断层运移的天然屏障(图2、图3)。

图2 断层构造与煤层含气量关系示意图

图3 煤层含气量与断层距离关系统计曲线

褶皱控气主要体现在煤层的倾斜程度以及应力状态变化造成的不同部位煤储层压力的差异。背斜构造两翼以及中和面以下的压应力利于煤层气的聚集，而在顶板封盖条件较好时，中和面以上也会运移聚集游离气，从而呈现高含气性。向斜构造的两翼以及中和面以上也表现出明显的压应力，是煤层气聚集的有利部位(图4)。沁源地区整体形态为一近南北走向宽缓单斜构造，受断层控制其单斜构造背景上次一级褶皱较为发育，这些次级褶皱起伏规模不一，从几十米到数百米，轴向多为北北东、北北西，少量为近东西向。依据该区主断裂特征及构造形态自西向东可划分为西部挤压构造带、中部宽缓背斜带、东部凹槽带三个构造单元，西部挤压构造带地层隆起幅度高、煤层埋深浅，中部宽缓背斜带北部构造平缓，发育低幅度大型背斜圈闭，对煤层气聚集保存较为有利。沁源地区所在的聚煤聚气盆地-沁水盆地即是一个NNE向的复式向斜盆地，同时本区2号煤层东南部的高含气量区位于东部凹槽带复合向斜的翼部。

图4 褶皱构造与煤层含气量关系示意图

3.2 埋深影响

大量实际资料表明，在一定深度范围内，煤层的含气量随埋藏深度增大而增加。通过沁源地区的物探及实钻已取得的资料来看，该区煤层埋深变化较大，2号煤层埋深范围为300～2100m，平均1318m，变化趋势为由西向东、由南向北煤层逐渐加深。9+10号煤层埋深400～2200m，平均为1383m，整体变化趋势与2号煤层相似。两主要目的煤层埋深平面特征与含气量分布具有近似正相关性。同时从图5中可以看出，本区2号与9+10号煤层随着埋深的增加，含气量均表现出相应增加的趋势。

图5 沁源地区主要目的煤层埋深与含气量关系图

3.3 煤厚影响

煤层厚度及其变化对含气量有较大影响，表现在煤层厚度直接影响煤层气的生成量，同时厚煤带可以为煤层气提供良好的储集场所。在同一构造稳定区域，煤层含气量一般会随着煤层厚度而呈现明显的正相关变化。

沁源地区2号煤层厚度在3.1～6.9m之间，平均为4.6m，一般不含夹矸，局部含一层夹矸，总体趋势为中、北部较厚，南部较薄，其含气量特征表现为厚度较大的地区特别是东南部含气量高，西部较薄区域含气量较低。9+10号煤层合并厚度一般为0.81～5.45m，平均为3.23m，多含2～3层夹矸，北部煤层有减薄分叉现象，厚度变化的总体趋势为由北向南渐薄。整体而言，其含气量变化与煤层厚度具有一定相关性，在中南部煤层较厚区域其含气量呈现高值。图6显示出本区两套主要目的煤层含气量与煤厚呈近似正相关的关系。

3.4 沉积条件

沉积对煤层含气量分布控制的主要表现形式之一便是煤相。不同的煤相特征代表着不同的覆水深度和水流变化情况，不同的水体特征造成了不同的氧化还原环境，从而导致不同的水体中煤岩类型的差异。因此，利用不同成煤环境中易生成煤岩类型可以用来判断煤相特征。根据尚冠雄(1997)等对华北地台煤相的研究表明，石炭-二叠纪时期沁水盆地中南部的主要泥炭沼泽类型主要为较深覆水森林沼泽、覆水森林沼泽和湿地森林沼泽相为主的聚煤环境组合特征，并以覆水森林沼泽和湿地沼泽相为主要发育煤相。本区出现的煤相类型均属于森林沼泽相类型，即深覆水森林沼泽相、覆水森林沼泽相、湿地森林沼泽相、干燥森林沼泽相，各相特征见表(表1)。随着镜煤、亮煤含量增加，煤储层生烃潜力增加，因此深覆水、覆水森林沼泽相为优势煤相。

图6 沁源地区主要目的煤层厚度与含气量关系图

深覆水森林沼泽相覆水森林沼泽相湿地森林沼泽相干燥森林沼泽相优势宏观煤岩类型光亮煤半亮煤半暗煤暗淡煤镜煤-亮煤含量>80%50～80%20～50%<20%

沁源地区2号煤层南部发育覆水森林沼泽相，含气量等相对高值区也与煤相分布相一致，但由于沁源地区构造条件复杂，含气量的最高值区出现在东南部。9+10号煤层主要发育湿地森林沼泽相和干燥森林沼泽相，局部发育覆水森林沼泽相，含气量高值区出现在覆水森林沼泽相与湿地森林沼泽相过渡位置，但在覆水较深的中西部位置表现出相对低值。

3.5 水文地质条件

水文地质条件对煤层气的富集及运移起重要作用，影响煤层气的赋存与分布。通常水文地质条件控气具有双重性：地下水的滞流区对煤层有较好的封闭作用，煤层气吸附在煤层孔隙中，受到了来自周围岩层以及水流的封堵作用，从而有利于煤层气的富集；而径流区则由于地下水流动性强，促使煤层气逸散，不利于煤层气的富集。

沁源地区位于霍山泉域东部边界外的深埋区，按含水介质的不同可将区内划分为三大含水层组，分别为碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组、裂隙含水层组以及松散岩类孔隙水含水层组。其中碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组主要发育于奥陶系中统及寒武系中、上统地层，是本区的主要含水层组，在埋深较深时随着岩溶裂隙发育程度变差富水性减弱。主要隔水层组为寒武系下统及元古、太古界隔水层组；石炭系中统本溪组隔水层组及二叠系碎屑岩层间隔水层组。刘洪林等研究认为，沁源地区煤系地层现代构造应力场为中主应力差，地下水径流缓慢-停滞，水力封闭条件较好，使得煤层气受水力封闭作用而富集。

本区山西组、太原组整体含水性弱，上下有隔水层，具有独立、完整的水文地质单元，煤层气保存条件较好，有利于煤层气聚集。

3.6 围岩条件

煤层含气量大小与顶、底板岩性有关。煤层顶底板岩性透气性大小，对煤层气保存有相当大的影响。一般来说，顶底板岩性越致密越有利于煤层气的保存。泥岩对煤层的封盖效果较好，主要是因为：一是其较小的孔隙空间可有效防止气藏逸散，对煤层气的保存起着积极的作用；二是可以隔绝煤层与围岩的水动力联系，避免了压裂、排采工程中的水动力流失，使得煤层气开发工程的实施更加有效。而砂岩由于具有相对较大的孔隙度，灰岩则常含有较大的溶蚀空间，均不利于煤层气的聚集。

沁源地区2号煤层顶板岩性主要为泥岩，其次为砂质泥岩、含砂泥岩，顶板厚度1.4～6.7m，平均为4.13m，厚度由西向东增大，东南部厚度最大；底板主要为砂质泥岩，其次为泥岩、含砂泥岩，其中根土岩占92%，底板厚度1.1～2.7m，平均2.04m，厚度变化趋势与底板接近一致，在东南部厚度达到最大。由此，2号煤储层的顶底板封闭性能较好，且其厚度与煤层含气特征呈正相关关系。9+10号煤层顶板主要为灰岩，厚度1.0～7.8m，平均4.00m，局部地区煤层顶板相变为泥岩或粉砂质泥岩，封盖能力较一般；底板主要为泥岩，其次为砂质泥岩、含砂泥岩，厚度1.0～2.0m，平均1.00m，由北向南厚度变大，在南部达到最大，且中部局部地区底板泥岩含铝质较高，对煤层气的保存较为有利。由此可见，9+10号煤层底板封闭性较好，煤储层含气特征与其底板岩性及厚度具有一定相关性。

4 结论

(1)沁源地区2号、9+10号煤层含气量平面分布整体均表现为“西低东高”的特征。2号煤层含气情况受后期构造影响较大，而9+10号煤层含气性相对来说主要取决于其自身生气能力以及围岩结构特性的差异。

(2)沁源地区煤层气含气量的影响因素主要为构造、煤层埋深、厚度、沉积，其次为顶底板岩性以及水文地质条件等。煤层自身生气能力好、构造配置有利、封闭条件好的地区利于煤层气的富集，积极寻找含气量主控因素对本区下一步的勘探部署具有指导意义。

(3)受目前井数限制，本区含气量的平面特征目前并未详细查明。但据目前已获得资料结合以上分析，可做如下推测：区内构造、沉积、埋深、厚度及围岩封闭性对2号煤层含气量的控制作用明显，由它们与含气量的相关关系认为东南部为2号煤层下一步煤层气勘探的有利目标区；9+10号煤层的埋深、厚度及围岩特征等对其含气性控制贡献较大，推测本区中部为9+10号煤层的有利目标区。但需要注意的是由于该区埋深较大，开发经济性需要全面分析研究。

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(责任编辑 王一然)

Analysis of Distribution Characteristics and Controlling Geological Factors of Gas Content in Qinyuan Region of Qinshui Basin

DENG Zhiyu, LIU Yuxin, WANG Li, WANG Chundong, WANG Lina

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

This paper induces the main controlling factors of the coal seam gas content from several angles based on the detailed geological research of the Qinyuan region. The results showed that the gas content of Qinyuan region is mainly affected by structure, coal seam buried depth, thickness and sedimentary, followed by the lithologic of roof and floor and hydrogeological conditions, etc. The gas bearing of No.2 coal seam is greatly influenced by the later tectonic movement, and yet the gas containing feature of No. 9 and No.10 coal seams is greatly influenced by their gas generation capacity and the structural characteristics of surrounding rock. It is proposed that the southeast area of No.2 coal seam will be the favorable target area for coalbed methane exploration in the future, and the middle area is the favorable target area of No.9 and No.10 coal seam.

Qinyuan region; coal seam; gas content; factors of controlling gas

邓志宇，男，硕士研究生，助理工程师，主要从事煤层气地质研究工作。