沁水盆地煤层气富集单元划分_徐刚.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.6 Dec. 2013 COALGFOl正阳Y coalbed methane enrichment; units classification; geological dynamical conditions 煤层气的富集受其生成、储集、运移和保存条 件的影响，在一定区域内，煤层气的富集在横向和 垂向上呈现分区分带特征I］。煤层气富集单元的划 分对于煤层气的战略选区和勘探目标有重要的指导 意义。但是，目前煤层气富集单元划分研究比较薄 弱，划分方案也比较混乱，导致煤层气勘探评价与 排采情况不完全符合，制约了当前煤层气的开发。 沁水盆地是我国目前煤层气勘探程度和研究程 度最高的盆地，许多研究者以资源评价为目的，从 资源的行政区划管理和开发角度考虑对沁水盆地内 的煤层气富集单元进行划分［2-4］。然而，这样的划分 思路和方法与煤层气的富集机制缺乏内在的有机联 收稿日期2012-09-14 系。作者认为，在研究区域内，煤层气因生、储、 保、运条件的差异所形成的在含气性和可采性等方 面具有相似特征的区带即为煤层气富集单元。因此， 本文从控制煤层气富集的地质动力条件入手，分析 地质动力条件下的煤层气富集特征，并对沁水盆地 煤层气富集单元进行划分。 1 沁水盆地煤层气地质条件 沁水盆地位于山西省东南部，盆地总面积约2.6 万kni2，煤炭资源量2.7xI011t，埋深小于2km的煤 层气地质资源量可达3.98102旷。沁水盆地是一个 在古生界基底上形成的λ近南北向的大型复式向斜 基金项目国家自然科学基金项目（51174157;51204134）；陕西省教育厅科研计划项目（2013JK.0863）；西安科技大学 博士启动基金资助项目（2012QDJ021）；西安科技大学培育基金项目（201143 作者简介徐刚（1981一），男，河南南阳人，博士，讲师，从事煤与瓦斯共采方面的教学和研究工作． ChaoXing 第6期徐刚等沁水盆地煤层气富集单元划分 23 盆地，在盆地边缘发育一些较大规模的断裂，内部以 次级裙皱为主。其中断裂以北东、北北东和北东东向 高角度正断层为主，集中分布于盆地的西北部、西南 部及东南部边缘；盆地东北部及腹部地带断裂稀少。 二叠系下统山西组（P1.）和石炭系上统太原组 C21）为沁水盆地的主要含煤地层，煤层气勘探开发 的主要目标煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤 层，其中又以3号煤层勘探开发程度较高。3号煤 的变质程度普遍较高，煤级均在肥煤以上，平面上 具有南北分区、东西分带的特点（图1）。盆地南北两 端受深部岩浆活动的影响，煤阶为无烟煤和贫煤；盆 地中部煤阶分布与埋深有关，轴部埋深最大，变质程 度最高，煤阶为无烟煤；由中心向东西两翼埋深变浅， 变质程度降低。3号煤层埋藏深度总体趋势是由盆地 的中心位置向四周变浅（图1），中心部位埋藏深度大 于2恼，但分布面积有限，在晋中断陷，煤层埋藏 深度一般大于2km，最深处可达5km以上。煤层埋 深变化在南北两端不大，在东西两翼变化较大。 图l沁水盆地3号煤层埋深等值线及煤阶分布［SJ Fig. I Buried depth and coal rank distribution of seam 3 in Qinshui basin 2 沁水盆地地质动力控制特征 2.1 构造控制 构造动力条件是控制煤层气富集的根本要素， 不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化，而 且控制着煤层气生成、聚集和产出过程的每一环节［句。 构造动力条件包括构造演化史及其古今构造应力场、 储层的埋藏历史及其埋深等气 2.1.1 构造演化控制特征 研究表明，沁水盆地构造演化史（表1）分为4个 阶段［8）。总体上来说，沁水盆地经历了埋深增加、 稳定波动和快速剥蚀的历史，具有相同的构造演化 特征，但是由于不同地区地层回返抬升程度和抬升 时间存在较大的差异，使得煤层气富集程度产生明 显差别。比如沁水南部晋城地区在新近纪末3号煤 层埋藏最浅时仍然可保持400～800m的埋深，后又 接受O～lOOm的沉积物，现今的含气量在22旷It; 而西部的霍山地区在古近纪末时，3号煤层埋藏最 浅，只有0-200m，后接受200-500m的新近系和 第四系沉积，现今的含气量只有6m3/t。因此，煤 系回返抬升程度、抬升时间早晚和长短直接决定了 现今煤层中含气量的大小。 2.1.2 构造对煤储层渗透率的影响 影响煤储层渗透率的因素很多，从构造的角度 主要包括3方面构造样式、构造曲率、最大主应 力差［10）。构造样式中，以向斜轴部最差，单斜带渗 透率次之，断层带和榴皱复合叠加带渗透率较好； 构造曲率以中等为好，过高或过低都不利于渗透率 的增加；对最大主应力差，有在一定深度范围内煤 储层原始渗透率随主应力差的增大而增大的现象， 而主应力的变化情况可以通过煤储层埋藏深度表 现出来，当煤储层埋藏深度超过临界值时，随着主 应力差的减少会出现渗透率急剧下降的现象。根据 孟召平对沁水盆地地应力与3号煤层埋藏深度的研 究［II）在650m以浅，煤储层地应力处于伸张带； 在650～IOOOm，地应力处于由伸张带转化为压缩带 的过渡带；在I000 m以深，煤储层地应力转化为压 表1沁水盆地3号媒层构造演化阶段划分i’l Table 1 Tectonic evolvement stage of seam 3 in Qinshui basin 地质时代构造运动期次古地热场特征阶段生气量／（m3C1逸散特征埋藏阶段特征 煤层形成一晚三叠世海西晚期一印支期正常 4。”70 微弱的扩散散失煤层埋深增大 早保罗世一中保罗世燕山早期正常50-70 扩散散失煤层埋深稳定／波动 晚保罗世一白里世燕山中一晚期异常高热130160 盖层突破和渗流散失煤层埋深显著减小 古近、新近纪一第四纪喜山期正常生气停止扩散散失煤层埋深减小 ChaoXing 24 煤田地质与勘探第41卷 缩带。通过对沁水盆地埋藏深度与渗透率的关系 统计后发现（图2）当埋藏深度超过650m时，渗 透率低于o.osx10-3m3；当埋藏深度超过I000 m 时，渗透率几乎为零。因此，从渗透率的角度来 评估煤层气开发条件可确定出埋藏深度的临界值 定为650m和I000 m。 101 亏10 i 0 10-r - 垂她年 -10- 10-J 300 400 500 600 700 800 900 I 000 煤层埋藏深度Im 图2沁水盆地煤储层渗透率与埋藏深度之间的关系 Fig. 2 The relationship between coal reservoir permeability and buried depth in Qinshui basin 2.2 热力场控制特征 热动力条件及其控制下的生气特征，是煤层气 富集或逸散的重要控制因素之一，沁水盆地煤层气 富集的古地热场具有“多期热源叠加”的特征［12）。沁 水盆地大部分地区以深成热变质作用为主，受二次 生娃作用的影响，不同地区煤的生短强度分异加剧 （图3）。古地热场控制煤层气富集的生短因素主要 包括3个方面二次生短作用发生的地质时期，二 次生短过程和生经阶段，生腔作用停止后煤储层的 埋藏历史［13）。根据上述因素，可将沁水盆地二次生 短特征与煤层气生成保存条件之间的关系分为3 种类型（表2）。盆地南北两端由于燕山中－晚期岩 浆活动使煤层受热温度达170～280℃，地温梯度普 遍超过6℃／km，煤的变质程度达到3号无烟煤阶 段，煤储层含气量也大幅度增加，并且煤层从未 暴露于逸散带中，现今的含气量达27旷It，为煤 层气富集区。 4 阳城 3 沁自草 、之p、 Jid幸 l憔汾n 汾西 。时 杭州 240 160 80 0 绝对年龄/Ma 图3沁水盆地南部晚古生代煤的热演化历史 Fig. 3 The thermal history of Late Paleozoic seams in the south of Qinshui basin 表2沁水盆地媒层气富集的古地热场控制因素评价 Table 2 Controlling factors of ancient geothermal field for coalbed methane enrichment in Qinshui basin 地区 二次生经作用特征 生经强度生经阶段 阳城一翼城强湿气，干气 临汾一洪洞较强湿气 安泽较强湿气 沁源一沁县较强湿气，干气 霍州哥哥无 2.3 水动力控制特征 足够的地下水流体势能形成较高的煤储层压 力，有利于煤层气的富集与保存，同时，水的不可 压缩性对裂隙起着支撑作用，能使煤储层保持较高 的渗透性［14-15］。因此，地下水动力条件在煤层气富 集成藏过程中发挥着重要作用。根据地下水由高向 低流动的动力学原理，在低水位区域能够形成“低 洼”的滞水中心［16），并具有较高的储层压力，形成煤 层气水动力封闭区。 从沁水盆地水位等直线图4可以看出，地下水 流向为由浅部盆缘到深部的盆内，径流的强弱总体 上沿盆缘由浅至深表现出分带性，在中深部，径流 条件变差或为滞流区。沁水盆地地下水系统主要有 娘子关泉地下水系统、辛安泉地下水系统、延河泉 煤层埋深800m 煤层气富集评价（相对） 中止阶段 以浅的时限/Ma 干气末期 。～10 较好 干气初期 。中等 干气早期 027 中等 干气中期。较好 湿气中期47 较差 地下水系统和晋祠泉地下水系统，每个系统都有其 独立的补一径一排条件，形成了若干个相对“低洼”的 滞水中心，这些滞水区及其边缘地带可为煤层气的 富集提供了有利的水文地质条件。 3 煤层气富集单元及特征 3.1 沁水盆地地质构造区划 沁水盆地现代构造格局总体趋势是南北分 区、东西分带，整体上、为一个东西两翼较陡而南 北两翼较缓的大型复式向斜，尽管总体上构造较 为简单，但内部的构造分异依然十分明显。根据 构造样式特征，将沁水盆地划分为4个地质构造 区划（图5）盆内平缓榴皱区、盆缘缓斜带、盆缘 陡裙带和晋中断陷盆地。其中，综合考虑构造样 ChaoXing 第6期徐刚等沁水盆地煤层气富集单元划分 25 式和渗透率因素，将3煤层埋深大于650m的区 域划为盆内平缓裙皱区，其他各个地质区划以盆 地边界或断层为限。 0 50km L__」一－」 图4沁水盆地山西组水位等值线图［I] Fig. 4 Water level contour of Shanxi ation in Qinshui basin I盆内平缓槽皱区 E盆缘缓斜带 E盆缘陡槽带 W晋中断陷盆地 1、2、3、4煤 治层气富集单元 0 50km L一－－」一_j 图5沁水盆地煤层气富集单元划分 Fig. 5 Coalbed methane enrichment unit classification 3.2 煤层气富集单元划分 煤层气的富集是构造、热、水等诸多宏观地质 动力条件综合作用的结果（11］，但是热动力条件和水 动力条件在很大程度上受到构造动力条件的控制， 并在不同时空层次上对构造动力条件的控制结果加 以影响和改造。因此，本文主要是在地质构造区划 的基础上对煤层气富集单元进行划分。 笔者认为，煤层气富集单元的边界可分为水动 力边界、风氧化带边界、断层边界和物性边界，其 中物性边界即渗透率边界。在对沁水盆地进行构造 区划的基础上，依据煤层气富集单元边界，对本区 煤层气富集单元进行划分，可将沁水盆地划分为9 个煤层气富集单元1-1、1-2、11-1、11-2、11-3,11-4、 III-1、III-2、IV-1）（图5）。在盆内平缓裙皱区，以物 性边界，即以埋深等直线1000 m为边界划分为2 个煤层气富集单元（1-L1-2）；在盆缘缓斜带，北翼 盆缘缓斜带以风氧化带边界划分为2个煤层气富集 单元（11-1、11-2），南翼盆缘缓斜带以晋获断裂边界 划分为2个煤层气富集单元（11-3、11-4）；东翼盆缘 陡裙带和西翼盆缘陡榴带各为一个煤层气富集单元 III-2、III-1）；晋中断陷盆地以断层边界为一个煤层 气富集单元（IV-1）。 3.3 煤层气富集单元特征 根据煤层气富集单元特征（表3），可以确定出煤 层气开发的有利区域。沁水盆地煤层气富集是构造 动力条件、热动力条件和水动力条件3方面综合作 用以及时空匹配的结果。因此，通过这3方面条件 的合理配置，并对可采性进行分析评价（17］，在本区 选出煤层气开发的有利区为阳城－晋城西部、寿阳 －阳泉；煤层气开发的较有利区为西翼斜坡沁源、东 翼斜坡璐安和中部安泽一带；其他地区目前暂不具 备煤层气开发的条件。 4结论 a.以沁水盆地形成的构造动力条件为基础，将 盆地划分为4个构造区带，分别是盆内平缓裙皱区、 盆缘缓斜带、盆缘陡榴带和晋中断陷盆地。 b.在对沁水盆地进行构造区划的基础上，结合 热动力条件、水动力条件以及煤层气富集单元边界， 将沁水盆地划分为9个煤层气富集单元，并对可采 性进行了分析和评价，得到2个煤层气开发有利区 和3个较有利区。 c.沁水盆地煤层气富集是构造动力条件、热 动力条件和水动力条件综合作用以及时空匹配的 结果，这3个条件的合理配置才能形成煤层气开 发的最有利区。目前开发的实际情况与分析结论 一致。 ChaoXing 26 煤田地质与勘探第41卷 表3沁水盆地媒层气富集单元特征及可采性 Table 3 Characteristics and possible recovery of different coalbed methane enrichment units 热动力水动力平均含气量平均渗透率 控制特征控制特征/m3-C1 /I0-3m3 榆社一带埋藏深，煤变质程度高，渗透性极差强深成变质滞流区16 极低 安泽北部埋藏适中，煤变质程度中等，渗透性较差强深成变质缓流区 太原埋藏浅，煤变质程度低，煤层曾经暴露于 弱深成变质交替区 西山煤田煤层气逸散带中，含气量低。 寿阳一阳泉水动力 埋藏适中，煤变质程度高，渗透性好。岩浆热变质 阳城一晋城封闭 晋城高平埋藏浅，煤变质程度中等，含气量低。弱深成变质交替区 沁源一带缓流区或 埋藏适中，煤变质程度中等，渗透性较好。深成变质 左权一和顺滞流区 地质构造煤层气 区划富集单元 I盆内平I -1 缓榴皱区I -2 地理位置构造动力控制特征 TI-I E盆缘缓 Il-2 斜带 Il-3 Il-4 E盆缘 ill-I 陡裙带 ill-2 N普中断 N-I 陷盆地 榆次一平遥埋藏深，煤变质程度高，渗透性差。强深成变质缓流区 14 0.05 6 0.02 12.52 0.24 16.74 0.85 5.6 8.3 0.15 8.26 0.1 14.5 百一差阳一差栩栩差－ Z一差 参考文献 [I］曹新款，朱炎铭，王道华，等郑庄区块煤层气赋存特征及控 气地质因素［巧．煤田地质与勘探，2011,391 16-19. 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