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第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Yanzhou Coal Mining Co., Jining 273500, China; 3. PetroChina Huabei Oilfield Co., Renqiu 062552, China; 4. Natural Geological Library of China, Beijing 100083, China Abstract Through deepened analysis of CBM geological conditions and reservoir conditions in Anze block, the CBM enrichment law and its major influencing factors were discussed. The results show that coal petrol- ogy and structure of coal seam, as well as lithological characteristics of roof and floor rocks of coal seam are three key factors influencing gas content. Generally, gas content was manly controlled by coal rank. The higher coal metamorphic degree resulted in higher adsorption capacity of coal, and thus the greater gas con- tent. Locally, gas content is also influenced by buried depth of coal, faults, folds and lithology of seam roof and floor. In structurally gentle zone, CBM content increased with burial depth. In faulting zone, gas content in the upthrow side of normal fault was obviously lower than that in the downthrown side. CBM dispersed obviously through faults. Mudstone and shale roof and floor of coal seam show better sealing capacity than that of sandstone roof and floor. Keywords CBM enrichment; coal rank; fault; fold; lithology roof and floor of the coal seam; Anze block 安泽区块位于沁水盆地中西部, 总面积约 1 542 km2, 呈南北向展布, 为沁水盆地内煤层气勘探开发 新区。前期研究受限于发展阶段及资料累积,针对 该区的研究也仅限于煤层气的形成和演化特征,而 对该区块的煤层气富集规律及主控因素的研究甚 少。安泽区块为沁水盆地内的与之具有相同地质背 景的煤层气产地,经多阶段、多热源叠加演化,煤 储层物性具有较强的非均质性,开采难度较大。研 ChaoXing 第 6 期 侯月华等 沁水盆地安泽地区煤层气富集主控地质因素 61 究区煤层在煤层气逸散带临界深度附近停留时间较 长,导致煤层气可能发生一定程度的逸散[1]。 虽然前人对安泽区块煤层气富集控制因素的研 究较少, 但对沁水盆地煤层气成藏主控地质因素的研 究比较全面。闫宝珍等[2]认为沁水盆地煤层气储层在 具有“先天”优势的前提下,煤层气的富集受控于构 造、热力场和水动力等因素综合影响;黄孝波等[3]、 左银卿等[4]认为构造运动、水动力条件、煤层埋深、 煤岩组成及热演化程度是控制沁水盆地煤层气成藏 的主要地质因素;孙粉锦等[5]、时伟等[6]认为构造、 水动力分区及顶、 底板岩性分布等控制着煤层气的富 集;崔思华等[7]认为沁水煤层气成藏的主控因素有烃 源岩条件、 煤储层物性条件与煤层气保存条件; 秦勇 等[8]认为沁水盆地煤层气富集受构造动力学各因素 共同控制;洪峰等[9]从煤层气封盖机理角度,认为沁 水盆地煤层气富集受盖层封闭能力的影响。 本文基于 研究区最新的钻井、 测井和岩心等资料, 并结合前人 对沁水盆地煤层气富集规律的研究思路, 从煤的岩石 学特征、 构造、 顶底板岩性 3 个方面对安泽区块的煤 层气富集及主控因素进行较为深入的研究, 以期为该 区后续的煤层气勘探开发提供指导。 1 地质概况 安泽区块是沁水盆地西南部重要的煤产地[10], 西邻霍山背斜,东邻沁水复向斜。地层产状平缓, 位于沁水盆地内平缓褶皱带[11],构造较沁南其他区 块简单图 1。 安泽区块本溪组和下石盒子组均含薄煤层或煤 线,但煤厚较薄,经济价值低。山西组 3 号煤层为 该区煤层气开采的目的煤层, 为本文研究的目标煤层 全文中储层参数均为 3 号煤层参数值。3 号煤层在 区内基本上大面积稳定分布, 煤层埋深 8001200 m, 埋深适中,有利于煤层气的开采。煤阶为贫煤–无烟 煤,变质程度相对较高,可形成具有一定价值的煤 层气藏。 2 安泽区块煤储层特征 a. 煤岩煤质特征 区块内自北向南煤阶呈升高趋势,北部主要为 瘦煤,南部以贫煤为主,含少量无烟煤,煤岩组分 以 镜 质 组 为 主 49.892.23 、 惰 质 组 次 之 7.7750.2,未见壳质组。煤质结果显示为中灰 分、低水分、低挥发分煤。安泽区块煤层具有镜质 组含量高、热演化程度高,具备有利的生气条件。 b. 煤储层吸附能力及含气量 煤储层的吸附能力是影响煤层气富集的重要因 图 1 安泽区块构造及煤层底板等值线图 Fig.1 Structures and contours of seam floor in Anze block 素[12]。Langmuir 体积和 Langmuir 压力衡量煤储层 的吸附性能。 研究区煤干燥无灰基的 Langmuir 体积 为 19.5542.87 m3/t,平均 32.56 m3/t;Langmuir 压 力为 1.612.43 MPa,平均 1.96 MPa,则区块煤储层 煤层气吸附能力较好。 含气量是影响煤层气产能的重要因素之一,安 泽区块 3 号煤层含气量实测值为 4.0224.45 m3/t, 一般在 15 m3/t 左右。 研究区煤储层含气量等值线如 图 2 所示,南部煤储层含气性大于北部煤储层的含 气性,东部较西部含气性大。 3 安泽区块煤层气富集控制因素 3.1 煤岩石学特征 煤岩既是煤层气的生气源岩,也是其储集层, 因此煤层气的富集与煤岩性质密切相关[13]。煤储层 吸附性能随水分含量、挥发分产率与灰分产率的增 加而减小减弱,随镜质组含量的增大而增强,随惰 质组含量的增大而减弱。分析安泽区块煤储层吸附 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 45 卷 能力与煤岩特征之间的关系,其变化规律与前人研 究结果一致。 图 2 安泽区块 3 号煤含气量等值线图 Fig.2 A contour map of gas content of coal seam No.3 in Anze block 基于前人研究,结合安泽区块煤阶与煤储层吸 附能力的关系分析结果图 3认为, 煤化程度是影响 吸附能力的根本因素。煤的变质作用改变了煤的结 构及化学成分[14],使得煤中水分、挥发分产率、镜 质组与惰质组含量随煤的镜质体反射率变化而变 化,从而导致煤的吸附性能的变化。Langmuir 体积 随镜质体反射率增大整体上呈正相关关系图 3。 因 此,可用镜质体反射率平面分布规律来表征煤储层 吸附能力的分布规律,即区块南部较北部吸附能力 强,东部较西部吸附能力强。 3.2 构造对煤层气富集的控制 3.2.1 构造平缓带的煤层气富集规律 构造平缓带只存在正常的地层升降,地层几乎 不受挤压或拉张应力的改造。煤层气富集主要表现 图 3 煤阶与煤储层吸附能力之间的关系 Fig.3 Relationship between coal rank and coal adsorption capacity 在埋深对煤层气生成和保存的影响。随煤层埋深的 增加,煤储层温度、压力逐渐增加,煤化作用增强, 煤层含气量逐渐增加,煤层上覆地层厚度的封盖能 力逐渐增强,有利于煤层气的保存[15]。图 4 为安泽 区块地层剖面 AA’不同部位煤层气含量分布图。 剖面 AA’所处地层构造简单剖面位置如图 2 所 示,煤层气含量随埋深的增加而增加。 图 4 安泽区块 A-A’剖面不同部位 3 号煤含气量分布图 Fig.4 Gas content distribution of seam No.3 at different parts of cross section A-A’in Anze block 3.2.2 断层发育带的煤层气富集规律 a. 断层两盘对煤层气富集的纵向控制 如表 1 所示正断层 F1 和 F2 下降盘的煤体破 坏程度较上升盘的煤体破坏程度强,即下降盘较上 升盘构造活动强,且下降盘煤层含气量一般高于上 升盘煤层含气量,F1 和 F2 位置如图 2 所示。分析 其原因可能为下降盘在下降过程中,对煤层产生 ChaoXing 第 6 期 侯月华等 沁水盆地安泽地区煤层气富集主控地质因素 63 表 1 断层上升盘和下降盘原生煤、构造煤发育程度表 Table 1 Development degree of primary coal and cataclastic coal in upthrow side and downthrow side of fault 位置 井号 Rmax/ 原生煤厚占总煤厚比 构造煤厚占总煤厚比 含气量/cm3g-1 F1下降盘 Q17-6 1.93 0.326 923 0.673 077 17.325 F1上升盘 An46 1.77 0.667 373 0.332 627 5.58 F2下降盘 An1-43 2.54 0.071 43 0.928 57 17.236 An13 2.32 0.1792 45 0.820 755 11.34 F2上升盘 An3 2.58 0.142 857 0.857 143 11.75 揉搓作用,温度升高,造成局部煤变质程度增 强,煤层生烃量的增加;下降盘相对下降为升压过 程,上升盘相对上升为降压过程,地层升降过程中 可能导致上升盘煤层气逸散、含气量降低,下降盘 气源补充、含气量升高;下降盘运动中伴生的次级 断裂、煤体结构破坏程度增强,减弱了煤层的透气 性,破坏了煤层气的逸散通道,不利于煤层气的逸 散,使得煤层气相对富集[16]。 因此,断层下降盘与上升盘构造运动强弱,导 致两盘煤体结构破坏程度及煤变质程度的差异,进 而影响两盘的含气量大小。 表 2 为正断层 F1、F2 和 F3 上升盘和下降盘顶 底板岩石力学参数表。断层下降盘煤层顶底板明显 比上升盘煤层顶底板弹性模量高,即下降盘顶底板 抗形变能力较上升盘顶底板好。下降盘顶底板的泊 松比较上升盘顶底板泊松比小,即下降盘顶底板形 变量较上升盘顶底板形变量小。因此,总体上正断 层下降盘煤储层的保存条件较上升盘煤储层的保存 条件有利, 断层下降盘的含气量较上升盘含气量高。 这与图 2 煤层气的分布规律一致。 表 2 断层上升盘和下降盘顶底板岩石力学参数表 Table 2 Rock mechanics parameter of roof and floor rocks in the upthrow side and downthrow side of faults F1,F2 and F3 顶板 底板 位置 井位 弹性模量/GPa 泊松比 弹性模量/GPa 泊松比 含气量/cm3g-1 F1下降盘 Q17-6 2.27 0.28 2.36 0.28 17.325 F1上升盘 An46 2.19 0.28 2.12 0.28 5.58 F2下降盘 An1-43 2.35 0.28 2.23 0.29 17.236 F2上升盘 An3 1.79 0.29 1.84 0.28 11.75 F3下降盘 An17 2.56 0.26 2.85 0.25 17.91 F3上升盘 An1-54 1.96 0.29 15.63 b. 断层对煤层气富集的横向控制 图 5 为安泽区块剖面 B–B’的 7 口井含气量与断 层关系图平面位置如图 2。一般而言,正断层多为 张性,煤层及围岩结构松散,透气性好,易于煤层 气逸散,含气量降低[17-18]。对比埋深相差不大的 Q14-4 井和 Q13-4 井理论上,前者煤层厚度远小 于后者,两者都位于背斜一翼,因此 Q14-4 井的含 气量应小于 Q13-4 井的含气量。但实际上,前者的 含气量明显高于后者的含气量。分析原因可能为 Q13-4 井靠近断层,气体逸散,导致煤层气含量急 剧降低。 3.2.3 褶皱发育带的煤层气富集规律 向斜轴部煤层的底部及底板岩层发育张性裂 隙,部分煤层气逸散,翼部为煤层气富集区;背斜 轴部煤层顶板及顶板岩层发育张性裂隙,部分煤层 气逸散,翼部为煤层气富集区[19-20]。 如图 6 所示,剖面 C–C’穿过两个小型背斜平 面位置如图 2 所示。 An22 井与 An19 井位于背斜一 图 5 安泽地区剖面 B–B’不同部位 3 号煤含气量分布图 Fig.5 Gas content distribution of seam No.3 at different parts of section B-B’in Anze block ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 6 安泽区块剖面 C–C’不同部位 3 号煤含气量分布图 Fig.6 Gas content distribution of seam No.3 at different parts of section C-C’in Anze block. 岩性分布图。图 2 中区块内 An45 井附近含气量突 然减小,为含气量变化异常点,原因为顶底板为砂 岩,孔渗性大,煤层气易于逸散。 3.3 煤层顶底板岩性及封闭性 煤层气的纵向逸散受控于煤储层顶底板岩层的 封盖性能。刘焕杰等[21]认为封盖层性能取决于盖层 的岩性、厚度及抵抗外力的能力。砂岩结构相对松 散,孔隙大且透气性好,有利于煤层气的逸散;泥 岩及砂质泥岩结构相对致密,透气性差且封闭程度 高,有利于煤层气的保存[22]。 安泽区块 3 号煤层顶底板多为泥岩–砂质泥岩、 泥质砂岩及少量砂岩。整体上,煤层顶底板较致密, 突破压力为 815 MPa,饱和抗压强度为 6.2538.05 MPa,抗拉强度为 0.72.32 MPa,渗透性差,具有 较强的封盖能力。图 7 为安泽区块 3 号煤层顶底板 岩性分布图。图 2 中区块内 An45 井附近含气量突 a 顶板 b 底板 图 7 安泽区块 3 号煤层顶、底板岩性分布图 Fig.7 Lithological distribution of the roof and the floor of seam No.3 in Anze block ChaoXing 第 6 期 侯月华等 沁水盆地安泽地区煤层气富集主控地质因素 65 然减小,为含气量变化异常点,原因为顶底板为砂 岩,孔渗性大,煤层气易于逸散。 4 结 论 a. 安泽区块煤储层吸附能力受煤阶影响较大, 导致煤层气含气量总体呈现东高西低、南高北低的 分布规律。 b. 正断层对煤层气含气量的控制表现为正断 层上升盘含气量明显小于下降盘。主要原因可能与 构造活动期两盘的生烃量差异,地层剥蚀回弹期间 上下盘的压力差异导致逸散,以及上下盘顶底板岩 石力学性质引起的岩性封闭能力差异等有关。 c. 安泽区块煤层气富集的局部有利区域是顶 底板为泥岩的封闭区,煤层气富集较不利的区域为 断层发育区和顶底板为砂岩的封盖区。 参考文献 [1] 秦勇, 宋党育, 王超. 山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控 气特征[J]. 煤炭学报,1997,2238–13. 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