鄂尔多斯盆地西缘桌子山矿区煤层气成藏模式_秦荣芳.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Coalfield Geology Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China Abstract In order to clarify accumulation conditions of coalbed methaneCBMof Zhuozishan mining area in In- ner Mongolia of Northwest China, the paper systematically analyzed the thickness, burial depth, coal petrology and property, gas content, roof and floor sealing and hydrogeological conditions of the main coal seams in the study area. The study area has favorable accumulation conditions with large thickness of coal seams, appropriate depth, abundant hydrocarbon-generation matter, high gas content and well sealing conditions. Based on the comprehen- sive analysis of the structure , roof and floor sealing, and hydrogeological conditions of the study area, three types of CBM reservoir-ing models were put forward that is the type of faults and cap rock sealing, the type of imbricate fan of thrust faults and hydraulic type of self-enclosed multiple coal seams. Keywords western Ordos basin; Zhuozishan mining area; coalbed methane; reservoir-ing model 桌子山矿区位于内蒙古自治区西部，是我国重 要的含煤区，构造位置位于鄂尔多斯盆地西缘。该 矿区是内蒙古自治区中煤阶气肥煤、焦煤的主要集 中地区，也是目前区内为数不多的高瓦斯矿井集中 地区。前期煤田地质勘查、煤层气钻井以及矿井开 采资料证实该矿区的石炭–二叠系煤层具有良好的 煤层气勘探开发潜力。据以往研究工作可知，石炭– 二叠系含煤地层煤层热演化程度较高、煤阶高，煤 层发育层数较多，厚度较大，且含气量较高，埋深 适中，但煤层气勘探程度低，系统的煤层气成藏条 件研究较少，而煤层气成藏条件则是煤层气开发评 价的基础[1]。笔者以桌子山矿区石炭–二叠系煤层为 研究对象，通过系统收集研究区已有煤炭、煤层气 勘探工作成果与研究资料，对研究区范围内煤层气 成藏条件与成藏模式进行研究，以期为桌子山矿区 后续进一步的煤层气勘探开发提供理论支撑。 1 区域地质背景 桌子山矿区位于华北赋煤构造区鄂尔多斯盆地 赋煤构造亚区褶皱西缘褶皱–逆冲赋煤构造带北段[2]。 ChaoXing 第 3 期 秦荣芳等 鄂尔多斯盆地西缘桌子山矿区煤层气成藏模式 55 桌子山矿区整体上是一个轴向近南北的背斜，两翼 断层都比较发育， 东翼的构造较复杂且发育逆断层， 西翼发育正断层。本区成煤时处于稳定的构造单元 内，沉积环境稳定；成煤期后历经海西运动、印支 运动及燕山运动，受区域构造应力场东西向和南北 向挤压，发育大型压性、压扭性断裂和逆冲–推覆构 造，成为盆地西缘褶皱–逆冲赋煤构造带的组成部 分。煤系后期改造较为明显，构造格局对煤层气的 成藏具有明显的控制作用，使煤层的埋深发生较大 的变化，生气能力得到不同程度的加强，在封闭气 藏单元边界，生成的烃类气体得到良好的保存。但 是近EW向正断层如卡布其向斜东翼发育的众多横 向正断层，使断层附近煤储层的外生裂隙较发育， 在开放气藏单元边界，造成正断层附近的煤储层中 气体大量逸散。 桌子山矿区含煤地层为石炭–二叠系太原组、 二 叠系山西组。其中太原组为海陆交互相含煤沉积， 基本全区发育。 山西组分布范围大体与太原组相同， 为一套纯陆相含煤岩系， 该煤系为河流–三角洲沉积 体系。聚煤中心位于北部库里火沙兔地区。山西组 下段广泛发育海水退去后的残留湖泊、小型河流的 岸后沼泽及三角洲成煤环境，此时河流作用较弱， 形成了稳定的厚煤层，为煤层气的大量生成创造了 条件，且该组煤系旋回性较强，煤层与泥岩互层现 象较多，偶见砂岩夹层，这对煤层气的保存十分有 利。山西组上段河流作用较强，煤层较薄，富集较 为局限，且以砂岩沉积为主，故其生气条件及保存 条件较山西组下段差。太原组成煤时，受局部海退 影响，研究区经历了短暂潮坪沉积之后，迅速被河 流三角洲沉积取代[3-4]，这使得太原组煤层发育较 好。该时期聚煤中心为北部库里火沙兔地区，也是 太原组煤层气的有利生气位置。 2 煤层气成藏条件 煤层气藏的形成包括生气、储集和保存 3 个方 面的条件。生储条件主要受煤层厚度和煤变质程度 影响，保存条件主要受盖层、地质构造作用及水文 地质条件等影响。 2.1 煤层发育 研究区石炭–二叠系太原组和二叠系山西组含 煤 217 层，煤厚 1.1824.6 m，平均 10.16 m。北部 卡布其勘查区以东、火沙兔勘查区及其以西煤层累 厚可达 1424 m，中部累厚可达 1220 m图 2a。太 原组–山西组煤层埋深 1001 500 m，总体呈“北浅 南深”的特征，且由西向东埋深逐渐增大。局部区 域研究区西北部由西向东埋深逐渐变小图 2b。 图 1 鄂尔多斯盆地西缘构造纲要图[2] Fig.1 Tectonic outline of the western margin of Ordos basin 图 2 山西组–太原组煤层累厚及埋深等值线图单位 m Fig.2 Contours of accumulative thickness and buried depth of coal seams in Shanxi and Taiyuan ation ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 46 卷 山西组煤层分布于山西组下段，基本全区分布。 主力煤层9号煤层厚度06.83 m， 埋深43.61 500 m。 太原组煤层亦分布于太原组下段，主力煤层 16 号 煤层基本全区发育， 厚度 0.159.6 m， 埋深 124.74 1 500 m，与 9 号煤层的埋深变化趋势基本一致。 研究区主力煤层镜质体最大反射率为 0.9 1.2，煤类主要属焦煤、肥煤和气煤。宏观煤岩类 型为半亮型煤和半暗型煤，镜质组体积分数平均为 50.085.6，具有丰富的生烃物质基础。 2.2 煤层含气性 研究区煤层气含量通过以往施工的煤炭钻孔及 煤层气参数井来获得，实测煤层气含量 1.0513.13 m3/t。 其中北部木尔沟勘查区煤层气含量为 2.6212.62 m3/t，卡布其勘查区煤层气含量为 1.6013.13 m3/t，白 云乌素勘查区煤层气含量为 1.0510.18 m3/t，布尔嘎 斯泰勘查区煤层气含量为 1.089.75 m3/t表 1。整体 上看，同一构造单元内由浅到深煤层气含量呈增大趋 势图 3。 表 1 桌子山矿区含气量统计 Table 1 Gas content statistics of Zhuozishan mining area 气成分比例平均/ 勘查区 煤层 煤层气含量/m3t-1 CH4 CO2 N2 9 3.7012.62 77.12 5.08 17.81 木尔沟 14 2.626.91 71.63 5.49 22.88 9 3.7012.88 73.45 2.41 24.15 10 10.1313.13 64.67 2.35 32.98 卡布其 16 1.6012.99 71.75 4.65 23.6 8 1.231.55 33.69 3.49 62.83 9 1.91 84.73 8.06 7.21 白云乌素 16 1.0510.18 61.82 2.35 35.43 8 1.082.92 21.81 3.78 74.41 9 3.48 10 3.19 79.57 3.73 16.70 布尔嘎斯泰 16 1.399.75 60.54 4.55 34.91 图 3 煤层含气量随埋深变化趋势 Fig.3 Variation of CBM content with buried depth 2.3 煤层顶底板封闭性 煤层的顶底板对煤层气有着一定程度的保存作 用[5]，尤其在较为复杂的构造中，其对煤层气的保 存作用至关重要。煤层特殊的双孔隙结构，微孔发 育，主要表现为毛细管力，而盖层的毛细管力可以 阻止气体的逸散。毛细管力的大小取决于毛细管半 径大小及其分布，盖层岩石的岩性、粒度以及致密 程度控制着毛细管大小。岩性粒度细小，可以阻挡 和减缓气体扩散、渗流，使煤层气得到保存[6]。 统计各勘查区煤炭勘查钻孔 295 口，对主力煤 层 9、16 号煤层的顶底板岩性进行了统计，顶底板 岩性主要以细碎屑岩为主， 除个别区域发育砂岩外， 泥岩砂质泥岩占比基本均大于 50，对煤层气的 封盖性较为有利。 9号煤层顶板的细碎屑岩泥岩砂质泥岩粉砂 岩比例在中部和南部出现较高值，底板细碎屑岩比 例基本上全区均大于 60；16 号煤层顶底板细碎屑 岩比例基本上全区大于 60，细碎屑岩比例整体呈 现出南北高、中间较低的变化趋势。 2.4 水文地质条件 研究区煤系有 4 个含水层， 分别位于二叠系下统 石盒子组至山西组第四岩段、 下二叠统山西组第二岩 段、上石炭统–下二叠统太原组上部、石炭系中统本 溪组，含水层水矿化度 0.7231.21 g/L，含水带富水 性均较弱。3 个隔水层分别位于下二叠统山西组第三 岩段、下二叠统底部山西组第一岩段、上石炭–下二 叠统太原组底部， 岩性以煤层， 砂质泥岩及黏土岩为 主，厚度 019.48 m，基本全区发育，隔水性能良好。 本区水文地质条件较简单，含煤地层含水层富 水性弱，矿化度较高，反映了水动力条件较弱，对 ChaoXing 第 3 期 秦荣芳等 鄂尔多斯盆地西缘桌子山矿区煤层气成藏模式 57 煤层气的逸散未产生明显的影响，有利于煤层气的 富集成藏。但在断裂构造发育区，由于断裂破坏了 原含水层的天然稳定性，使含水层之间发生了一定 的水力联系[7-8]，不利于煤层气的保存。 3 煤层气成藏模式 综合考虑构造、顶底板封盖性以及水文地质条 件，将研究区煤层气成藏模式分为 3 类断层与盖 层封堵型成藏模式、叠瓦扇式逆冲断层与水力封堵 型成藏模式、多煤层自封闭型成藏模式。 3.1 断层与盖层封堵型成藏模式 研究区断层与盖层封堵型成藏模式见图 4。该成 藏模式典型的代表区域在阿尔巴斯勘查区。受桌子山 矿区大地构造的影响，阿尔巴斯勘查区内断裂构造较 为发育。 勘查区中部发育低角度逆冲断层， 贯穿南北， 近南北向，倾向西，南部边界发育高角度正断层，走 向基本为东西向，倾向北。逆冲断层上盘地层发生抬 升，埋深变浅，上覆地层压力变小，煤储层吸附性减 弱，煤层气由吸附态转化为游离态并散失。此外，南 部发育的高角度张性正断层破坏了煤储层的连续性， 转化为游离态的气体沿断层大量逸散。在逆冲断层下 盘处，由于逆冲断层本身的封堵性以及构造压应力的 存在，且煤层顶板围岩封堵性良好，细碎屑岩占比高 达 97以上，因此，煤层气多在断层下盘富集成藏。 图 4 断层与盖层封堵型成藏模式 Fig.4 Reservir-ing model of faults and cap rock sealing 3.2 叠瓦扇式逆冲断层与水力封堵型成藏模式 研究区叠瓦扇式逆冲断层与水力封堵型成藏模 式见图 5。以滴沥帮乌素勘查区为例，煤层气较易在 逆冲断层下盘的地下水滞留区富集成藏。 逆断层以韧 性变形为主，两端地层封闭性好，地层压力大，煤层 气不容易发生逸散[9]。在向斜部位，地下水由两翼进 入核部，形成滞流区，利于煤层气的保存。同时，多 煤层发育条件下， 上盘煤层发生抬升， 上覆地层压力 减小， 煤层吸附性减弱， 在背斜轴部容易变形破裂造 成气体逸散。 叠瓦扇式逆冲断层构造压应力大， 在地 层上覆压力双重作用条件下， 可以形成有利储层。 并 且，煤层顶板封堵性好，可有效地防止煤层气逸散。 因此， 逆冲断层下盘、 水动力条件较弱的地下水滞流 区是煤层气富集成藏的有利部位。 图 5 叠瓦扇式逆冲断层与水利封堵型成藏模式 Fig.5 Reservoir-ing model of imbricate fan-shaped thrust faults and hydraulic sealing 3.3 多煤层自封闭型成藏模式 煤层气逸散以扩散方式为主，浓度差是其扩散的 主要动力。在其他初始条件相似的情况下，煤储层厚 度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就 越长。进一步而言，煤储层本身就是一种高度致密的 低渗透性岩层，上下分层对中部分层有强烈的封盖作 用，煤储层厚度越大，中部分层中煤层气向顶底板扩 散的路径就越长，扩散阻力就越大[10]。研究区多煤层 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 46 卷 自封闭型成藏模式图 6以棋盘井勘查区为代表， 这种 成藏模式的特点是构造发育相对较为简单，煤层发育 层数多。煤储层本身对煤层气逸散起到了封堵作用， 中部分层是煤层气富集成藏的有利区。 图 6 多煤层自封闭型成藏模式 Fig.6 Reservoir-ing model of multiple self-enclosed coal seams 4 结 论 a. 鄂尔多斯盆地西缘桌子山矿区石炭–二叠系 煤层厚度大、层数多、埋深适中；煤的变质程度中 等，镜质体最大反射率 0.91.2，整体上煤层镜 质组显微组分占比大， 镜质组体积分数平均 50.0 85.6，具有良好的生烃物质基础；主力煤层含气差 异性较大，煤层含气量 1.0513.13 m3/t，同一构造 单元内由浅到深煤层含气量呈增大趋势。 b. 根据研究区构造、顶底板岩性及水文地质条 件等特征，提出 3 种成藏模式① 断层与盖层封堵 型，其特点为发育低角度逆冲断层，在盖层封堵作 用下，煤层气在逆断层下盘富集成藏；② 叠瓦扇式 逆冲断层与水力封堵型，逆冲断层下盘、水动力条 件较弱的地下水滞流区是煤层气富集成藏的有利部 位； ③ 多煤层自封闭型， 其特点是构造发育较简单， 煤层层数多， 煤储层本身对煤层气逸散起封堵作用， 中部分层是煤层气富集成藏的有利区。 参考文献 [1] 宋岩，刘洪林，柳少波，等. 中国煤层气成藏地质[M]. 北京 科学出版社，2010. 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