西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征_黄平.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048000, China Abstract The gas-bearing properties is an important parameter to determine the exploration and development of coalbed methaneCBM. The methane carbon isotopeδ13C1 can reflect the reservoir condition of CBM effectively. Based on the date of measured gas content from CBM well, the characteristic of gas content distribution in coalbed was analyzed, and the correlations and models of gas content, the burial depth of coalbed, geological structure were built. The characteristic of δ13C1 distribution was discussed and it had an indicative function to the distribution of gas-bearing properties. Findings show that, the gas content in the Xishan block is an average of 6.87 m3/t, 8.4 m3/t, 9.6 m3/t in the No.2, 8 and 9 coalbed respectively. The gas content was mainly influenced by burial depth of coalbed and structural configuration. The δ13C1 value of the No.8 in the study area ranges from -65.33‰ to -40.94‰ and its average is -45.88‰, and there was a posi- tive correlation between coalbed gas content and δ13C1. δ13C1 generally is getting heavy with increase of gas content. δ13C1 is mainly controlled by the coalbed methane desorption- diffusion-transport effect and hydrodynamic condition. Keywords Xishan block; gas-bearing properties; methane carbon isotope; influence factor 煤层气勘探开发效果受控于煤储层含气性，煤 层含气性包括含气量和含气饱和度，煤储层含气量 对于煤层气井产量有至关重要的影响。关于煤储层 含气性影响因素方面，前人已经做了大量研究，Y Chen 等[1]、 Y B Yao 等[2]认为构造和地下水动力条件 是影响煤层气成藏最重要的因素。随煤层埋深的增 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 45 卷 加，煤层含气量总体上呈现出升高的趋势，当超过 一定深度时煤层含气量反而降低，温度是影响深部 煤储层含气量的关键因素[3-6]。李贵中等[7]研究晋城 矿区煤层含气量与褶皱构造关系时指出，在盆地斜 坡、向斜轴部煤层含气量较高。孙庆宇等[8]分析不 同断层上下盘含气量数据认为，煤层含气量随远离 正断层面而升高，断层上盘更利于气体封存。煤演 化程度、煤层厚度、煤层顶底板岩性及水文地质条 件等因素对煤层含气量也产生重要影响[9-13]。煤层 气甲烷碳同位素是煤层气赋存条件的重要参数，甲 烷碳同位素的轻重与含气量的高低有密切关系，控制 含气性的因素与控制煤层甲烷碳同位素的因素存在一 致性[14-17]。煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征研 究已经取得了显著成果，但如何针对某个实际区块进 行分析的资料较少。本文根据山西沁水盆地西山区块 煤层气井实测含气量数据，系统剖析煤层含气量和煤 层甲烷碳同位素分布特征及其对含气性分布的指示作 用，为西山区块的煤层气勘探开发提供理论依据。 1 区域地质背景 西山区块位于沁水盆地的西北部图 1， 研究区 总体构造为一复式向斜，西北部翘起，向东南倾斜， 地质构造较复杂，区内沟谷分布广泛。西山区块主 要包括官地、西铭、东曲和马兰等矿。钻探揭露地 层由老至新依次为奥陶系中统马家沟组O2m、峰 峰组O2f、石炭系中统本溪组C2b、石炭-二叠系 下统太原组C2-P1t、二叠系下统山西组P1s、下 石盒子组P1x、二叠系上石盒子组P2s、石千峰组 P2sh、三叠系下统刘家沟组T1l、和尚沟组T1h、 新近系上新统保德组、第四系，主要可采煤层为山 西组 2 号煤层和太原组的 8 号煤层、9 号煤层。 图 1 西山区块煤层构造纲要图 Fig.1 Coalbed structure outline map of Xishan block 2 煤储层含气性及其影响因素 2.1 煤层含气量 煤储层含气性是决定煤层开发潜力及产能的重 要参数， 煤储层压力和含气饱和度控制煤层含气量分 布，而储层压力直接决定煤层对甲烷的吸附能力[18]。 研究区山西组 2 号煤层的含气量相对较低， 平均含气 量 6.8 m3/t；太原组 8 号煤层平均含气量 8.4 m3/t，9 号煤层平均含气量 7.6 m3/t。研究区煤层气分布不均 匀， 中部和西南部的向斜轴部煤层埋藏较深， 上覆地 层厚度大， 对煤层气的生成和保存有利， 煤层含气量 最高，3 层煤的含气量最高都可以达到 15 m3/t 以上， 而在东部和北部， 由于煤层的埋藏深度较浅， 保存条 件较差，气体大量逸散导致含气量普遍很低图 2。 图 2 煤层含气量等值线图 Fig.2 Gas content contour map 2.2 煤层含气性影响因素 研究区主采煤层埋深范围在 200～900 m。 其中 8 号煤埋藏深度 350～900 m，平均 582.4 m，研究区由 东北向西南逐渐倾斜，其埋藏深度增加的趋势比较 ChaoXing 第 1 期 黄平等 西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征 77 明显，在盆地中部埋藏较深，四周较浅图 3。 图 3 8 号煤层埋深等值线图 Fig.3 Burial depth contour map of No. 8 coal 对研究区 44 口井的煤层埋深和含气量进行统 计分析，结果表明，3 层主力煤层的含气量均随着 埋深增加而增大，且服从自然对数函数关系图 4。 图 4 8 号煤层含气量与埋深关系 Fig.4 Relationship between gas content and burial depth of No.8 煤储层压力与煤层埋深也成正相关关系， 煤储 层压力随埋深的增加而变大。 西山矿区煤储层压力 相对较低，压力梯度为 0.56～0.65 MPa/hm，平均 0.62 MPa/hm[19]，处于欠压状态。3 层煤的平均含气 饱和度在 55～65，均处于欠饱和状态。 研究区煤层含气量分布受地质构造控制。西山 区块整体构造形态为北部和中部开阔、南部逐渐 收敛的一个倒梨形复合式向斜， 东部缓和西部陡峭， SN 向、 NEE 向和 NENNE 向构造构造成其构造格 架。S 型南北向狮子河马兰向斜贯穿整个区域的 中部，形成了东缓西陡的形态，狮子河马兰向斜 是控制煤区块的主向斜， 南端与北端两翼基本对称。 区块内断裂以 NEE 向为主， 主要发育在马兰向斜的 东翼，多为张性正断层，普遍分布间距远，以 2～3 条断层与若干派生断裂形成地垒或地堑构造。 构造运动形成的断裂对煤层气的保存作用有两 种逆断层或压性、压扭性走滑断层时，其断层面密 闭性好，且在断层面附近容易形成应力集中带，有利 于煤层气的吸附； 正断层的断层面往往表现为开放型， 密闭性较差，煤层气易通过断层面逸散运移，且正断 层断面压力低不利于煤层气的吸附，含气量低。区块 的西北部和东部边缘地带， 北东向张扭性正断层发育， 煤层气大量逸散，也是导致含气量较低的重要因素。 褶皱对煤层气的保存主要体现在构造形态对煤 层气的控制作用，向斜两翼倾角越小、张性断裂越不 发育或者发育逆断层，越有利于煤层气的保存。研究 区整体构造为一个复式向斜，整体较为平缓，南端与 北端两翼倾角 8～12，中部平缓，一般 5～8，煤层 气不易逸散。在向斜的轴部，埋深较大，由于储层压 力随着埋深的增加而增加，从两翼到轴部，随埋深的 增加储层压力逐渐增大，煤储层对甲烷的吸附能力也 逐渐增大，有利于煤层气保存。由于复式向斜中存在 多个背、向斜褶曲，对地层中水的流动有阻碍作用， 水中溶解的煤层气不易大量逸失[20]，所以在向斜轴 部的含气量一般较两翼大， 体现了向斜控气这一规律 图 5，从图中可以发现，在连续的皱褶构造中，含气 量大的区域基本都是向斜的轴部或者紧靠轴部位置 如 P12 孔含气量 14.2 m3/t，而在两翼或者断层发育 的地带含气量普遍较低如 431 孔含气量 2.23 m3/t。 图 5 西山煤田煤层地质剖面和 2 号煤层含气量关系 Fig.5 Relationship between coalbed geological section and gas content of No.2 in Xishan block 3 煤层甲烷碳同位素分布 西山区块内古交、屯兰、马兰等矿区的自然解吸 气 δ13C1值为-65.33‰～-40.7‰，平均-45.88‰[21]，与 沁水盆地南部的樊庄区块相比， 研究区 3 号煤层 δ13C1 值略偏轻，樊庄区块 3 号煤层 δ13C1值为-30.30‰～ -48.20‰，平均-35.37‰；15 号煤层 δ13C1值为 -27.62‰～-34.03‰，平均-30.94‰[14]。统计表明，本 区煤层甲烷碳同位素 δ13C1值与煤层埋深具较好的相 关性，随煤层埋深的增加 δ13C1有增重趋势图 6。 根据煤层甲烷碳同位素与埋深之间关系， 对研究 区 8 号煤层甲烷碳同位素进行了预测图 7，从图中 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 6 煤层甲烷碳同位素与埋深之间关系 Fig.6 Relationship between the coalbed methane carbon iso- tope and the burial depth 可以看出 8号煤层甲烷碳同位素 δ13C1值为-46.00‰～ -58.00‰，其分布特征表现为由东北向西南方向逐渐 变重。研究区的西南部和中部煤层 δ13C1值较重，一 般＞-46.00‰；北部和东部煤层 δ13C1值较轻，一般 ＜-46.00‰。其分布差异性主要受控于煤层气解吸- 扩散-运移效应和地下水动力作用等因素。 图 7 8 号煤层δ13C1分布等值线图据文献[21]，有改动 Fig.7 δ13C1 distribution contour map of No.8 coal 煤层中甲烷碳同位素的分布差异，是在地质历史 时期中煤层气解吸-扩散-运移所致。一方面是因为煤 层中 12CH 4会优先于 13CH 4解吸，解吸出来的甲烷通 过扩散运移-散失脱离煤层， 而 13CH 4会较多地留在煤 层中，使煤中的甲烷碳同位素变重。另一方面受控于 地下水动力作用的差异， 在煤层水动力条件强的地区， 水带走 13CH 4的频率较快，使 12CH 4累计效应增大， 甲烷碳同位素变轻的程度较大。所以在水动力强烈地 区，水带走的甲烷比较多，使煤层气含量也比较低； 相反水动力条件较弱的地区， 水带走甲烷的量比较小， 因而水带走 13CH 4的频率较小， 12CH 4累计效应较小， 甲烷碳同位素变轻的程度较小。由此可以看出，本区 在地质历史时期中由向斜两翼向轴部地下水动力条件 变弱，导致向斜轴部较翼部煤层甲烷碳同位素增重。 碳同位素分布与研究区地下水动力条件关系密 切，在北部水动力条件强，强水动力条件下，由于水 溶作用， 甲烷碳同位素分馏变轻， 而中部和南部水动 力条件弱，同位素偏重。总体上来说，δ13C1的分布 受控于煤的埋藏深度、 热演化条件及水动力条件， 由 于各个条件不同，δ13C1的分布也不一样，在研究区 的中南部， 甲烷的碳同位素最重， 而在区域的西北及 北部位置相对较轻， 反映出了其保存条件较差， 这对 煤层气富集区的勘查具有重要的指示作用。 煤层甲烷碳同位素是反应煤层气赋存条件的有 效参数，不同保存条件下的煤层 δ13C1有很大区别， 所以甲烷 δ13C1值可以反映煤层的含气量的大小。 通 过分析西山煤田屯兰、马兰、东曲 3 个矿区 8 号煤 层的 δ13C1和含气量数据，发现含气量与 δ13C1成正 相关性关系图 8，统计点数 N34。其关系为 y1.353 4x70.27 式中 x 为 δ13C1，y 为含气量干燥无灰基，m3/t。 图 8 8 号煤层δ13C1与含气量关系 Fig.8 Relationship between gas content of No.8 and δ13C1 煤层甲烷碳同位素与含气性之间的相关性，进 一步说明，控制煤储层含气性的因素与控制煤层甲 烷碳同位素的因素相同，影响煤层生-储-存等因素 也影响煤层含气性和煤层甲烷碳同位素 δ13C1分布。 4 结 论 a. 研究区 2 号煤层平均含气量 6.87 m3/t，8 号煤 层平均含气量 8.4 m3/t，9 号煤层平均含气量 7.6 m3/t， 在平面上均表现为从 NENW 逐渐增大的趋势， 含 气量最高的区域都集中在中部和西南部。煤储层压 力相对较低，储层压力梯度为 0.56～0.65 MPa/hm。 b. 煤层埋藏深度和地质构造是影响本区煤层 气含气量最主要的地质因素，煤层含气量与埋藏深 度之间呈现高度的正相关关系，在一定的范围内随 着埋深的增加含气量也相应增大。 c. 煤层甲烷碳同位素 δ13C1值为-65.33‰～-40.7‰， 平均-45.88‰， 研究区中部和西南部重而东部和北部较轻。 煤层甲烷碳同位素与含气量存在较好的正相关关系，主要 受控于煤层气解吸-扩散-运移效应和地下水动力作用等。 ChaoXing 第 1 期 黄平等 西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征 79 参考文献 [1] CHEN Y，TANG D Z，XU H，et al. 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