太原西山煤田古交區塊煤層氣成藏地質單因素分析

劉燕海 劉東娜,2 常鎖亮,2 陳 強,2 常澤光 鄒雨 程劍波

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

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★ 煤炭科技·地質與勘探 ★

太原西山煤田古交區塊煤層氣成藏地質單因素分析

劉燕海1劉東娜1,2常鎖亮1,2陳 強1,2常澤光1鄒雨1程劍波1

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

為了分析太原西山煤田古交區塊內影響煤層氣成藏的地質因素，本文從含煤巖系地層分析入手，討論了煤儲層頂底板巖性與厚度、煤層厚度、煤巖煤質、煤化程度、儲層埋深、區域構造熱事件以及地質構造與煤層氣成藏之間的關系。研究結果表明，煤層頂底板厚度與儲層氣含量不具有明顯的相關性；氣含量與煤儲層厚度呈正相關，與煤中灰分、揮發分和水分含量呈負相關。含煤巖系煤儲層至少經歷了三次生烴高峰，煤層熱演化是影響煤層氣生成量的主控因素；區內主體向斜和正斷層的斷裂構造是控氣的主要原因。研究區煤層氣成藏主要受控于煤化作用與構造特征，同時受煤儲層埋藏深度和煤層厚度影響，是多種因素影響下綜合作用的結果。

太原西山煤田 煤層氣成藏 相關性分析 地質因素

我國煤層氣資源儲量十分豐富，據統計，我國煤層氣資源儲量高達3～4萬億m3。近幾年，沁水盆地南部高階煤的煤層氣開發取得了很大的成功，鄂爾多斯盆地東緣低—中階煤的煤層氣研究也取得了重要進展。太原西山煤田與鄂爾多斯含煤盆地東緣相鄰，煤類以中—高變質程度的焦煤和瘦煤為主，煤層氣資源量可達820億m3，是我國重要的煤層氣潛在商業開發區之一。

煤層氣儲層的特征和氣含量受諸多地質因素制約。聚煤沉積環境和地層層序對煤儲層的厚度、連續性、滲透性和煤層氣賦存封堵性具有重要控制作用，煤層埋深—熱演化和構造改造作用對煤儲層生氣和儲氣皆有重要影響。本文以山西藍焰集團開采2#、8#、9#煤層的煤層氣為對象，利用現有煤田鉆井和煤層氣參數井資料及野外實測地層剖面資料為基礎，從地層層序、煤巖煤質、煤層埋深、構造熱事件及構造特征等方面研究入手，分析了研究區內影響煤層氣成藏的主控地質因素，旨在為進一步劃分區塊內的煤層氣封存單元及預測區塊尺度的煤層氣富集有利區并揭示煤層氣成藏規律提供理論依據。

1 地質背景

西山煤田位于華北克拉通中部，呂梁山脈中段東緣。古交區塊位于西山煤田西北部，區內地質構造形態主要以NW-SE向褶皺構造和NE-SW向斷裂構造為主，斷裂構造多為正斷層，如圖1所示，其中NW-SE向馬蘭向斜呈S型貫穿本區，古交斷層、屯蘭斷層和李家社斷層是研究區內主要的區域斷裂構造。

圖1 西山煤田古交區塊構造圖

自晚古生代石炭—二疊紀含煤巖系形成以后，西山煤田經歷了印支運動、燕山運動和喜山運動三次區域構造運動。印支運動時期，揚子板塊與華北板塊發生剪刀式碰撞拼合作用，本區隨華北克拉通整體隆升遭受剝蝕。燕山運動時期，華北克拉通受庫拉-太平洋板塊NW向俯沖的影響，呂梁山地區形成西部以基底巖系為核部的大型背斜隆起構造和東部以沉積蓋層變形為主的復式向斜構造。本區位于呂梁山復式向斜的東翼，同時受燕山期巖漿活動影響，煤層因巖漿熱作用影響變質程度較高，特別是狐偃山巖體附近煤層形成圍繞狐偃山的環帶狀煤級分布特征。喜山運動時期，本區在拉張環境下形成一系列正斷層。在印度板塊向歐亞大陸俯沖的背景下，本區經歷了強烈構造抬升作用和剝蝕作用形成現今的構造形態。

太原西山煤田主要含煤地層為上石炭統太原組(C2t)和下二疊統山西組(P1s)。太原組沉積于瀉湖-濱海、三角洲-潮坪環境，主要由砂巖、泥巖、砂泥巖、灰巖和煤層組成，地層厚度一般介于120～166 m，平均厚度為130 m，含主采煤層8#和9#煤層；山西組沉積于濱海三角洲平原-湖泊環境，主要由砂巖、泥巖、砂泥巖及煤層組成，地層厚度一般介于30～66 m，平均厚度為45 m，含主采煤層2#煤層。古交區塊2#、8#和9#煤層氣含量、埋藏深度、煤厚及工業分析參數均值見表1。

表1 2#、8#和9#煤層氣含量及相關參數平均值表

2 實驗部分

本次研究數據源于太原西山煤田古交區塊煤層氣參數井及部分煤層鉆孔井，包括東曲井田8口井、馬蘭井田14口井和屯蘭井田10口井，共32口井，數據結果均為平均值。按照GB212-2008煤的工業分析方法測定了灰分(Ad)、水分(Mad)和揮發分(Vdaf)等項目；根據GBT19559-2008 煤層氣含量測定方法現場解吸測試了2#、8#和9#煤層的瓦斯含量，按照參數井鉆孔設計，在煤層頂板、底板取芯各不少于2 m，煤層上、中、下部分各取一瓦斯樣解吸。采用數理統計方法將收集的鉆孔資料及樣品測試數據按照煤層和礦區分組進行氣含量單因素相關性分析。

3 生烴潛力

3.1 煤變質程度

煤儲層的煤巖組分和煤變質程度對煤層的吸附能力具有重要控制作用，煤巖組分類型和含量與煤層吸附能力相關，一般惰質組含量越高，吸附能力越弱；鏡質組含量越高，吸附能力越強。煤化程度不僅影響煤層生烴量和生烴類型，而且影響煤體內部結構和吸附能力。隨著煤化程度的增大，蘭氏體積增大，煤儲層對煤層氣的吸附能力增強。

古交區塊煤層主要以焦煤和瘦煤為主，2#、8#和9#煤層煤的鏡質組反射率均值分別為1.81%、1.83%和2.18%，煤巖顯微成分以鏡質組為主，其次為惰質組，殼質組含量很低。煤層鏡質組含量高且鏡質組反射率值較高，煤樣的等溫吸附實驗表明2#、8#和9#煤層的蘭氏體積均值分別為22.21 ml/g、24.81 ml/g、25.53 ml/g，表明古交區塊煤儲層的吸附能力較強，且隨著鏡質組反射率的增大，蘭氏體積有增大的趨勢。

古交區塊煤層氣含量均值以8#煤層最高，2#煤層最低，且均低于其相應的蘭氏體積，不具有隨蘭氏體積增大氣含量也增大的趨勢。按古交區塊主采煤層的變質程度，其煤層氣生成量應該高于其蘭氏體積量，但主采煤層空氣干燥基氣含量均值卻遠低于蘭氏體積，表明煤層氣在生成之后曾受其他因素影響，曾發生大量的逸散。

3.2 構造熱事件

煤層氣生成量受控于煤的變質程度，而煤變質程度受控于含煤盆地的沉降埋藏史和熱史。以往研究表明中—晚三疊世時期，鄂爾多斯原始含煤盆地煤系地層埋深達到3000～4000 m，作為鄂爾多斯三疊紀聚煤盆地的一部分，西山煤田含煤巖系主采煤層此時完成初級煤化作用。晚三疊世華北東部、北緣及南緣發生強烈的巖漿構造熱事件，鄂爾多斯盆地也發生了顯著的構造熱事件，受構造熱事件影響，西山煤田局部地區煤層在晚三疊世異常熱古地溫影響下煤級定型。燕山期晚侏羅世—早白堊世，華北克拉通發生了強烈的巖漿—構造熱事件，該時期內普遍存在古地溫異常，西山煤田石炭二疊系煤層煤化作用最終完成，局部地區受巖漿熱作用影響，鏡質組反射率可高達4.0%～5.0%。綜上所述，西山煤田煤儲層至少經歷了3次生烴高峰，表明西山煤田主采煤層均具有足夠的生烴潛能。

煤變質程度不僅影響煤層生氣量，而且隨著煤化作用的進行，煤層的物理和化學結構的變化以及煤層孔裂隙結構的改變造成煤層吸附能力增強。古交區塊主采煤層均具有較高的吸附能力，煤儲層蘭繆爾體積均大于22 ml/g，與其較高的煤變質程度和非埋深作用造成的異常古地溫密切相關。

4 影響煤層氣成藏的單因素分析

4.1 煤層及頂底板厚度與氣含量

煤層的頂底板巖性是影響儲層封閉性的直接因素。據鉆孔資料揭示，2#煤層直接底板以泥巖和砂質泥巖為主，少數鉆孔見細砂巖，厚度變化較大，一般為1～5 m；直接頂板以砂質泥巖為主，其次為泥巖，厚度一般為0.5～3 m；頂底板滲透性均差。8#煤層直接底板以砂質泥巖為主，其次為泥巖，厚度變化較大，一般為1～4 m；直接頂板以泥巖為主，其次為灰巖，局部為砂質泥巖，頂底板滲透性均差。9#煤層直接底板一般為砂質泥巖和泥巖，局部為細砂巖，厚度變化較大，一般為0.8～4 m；直接頂板為泥巖和砂質泥巖，個別鉆孔見細砂巖，厚度一般為0.5～2 m，頂底板滲透性均差。以上表明本區主采煤層的頂底板巖性多以泥質巖和砂質泥巖為主，煤儲層封閉性相對較好。

但數據分析顯示本區2#、8#和9#煤層氣含量與煤層頂板及底板厚度的相關系數分別為-0.074和0.10，不具有明顯的相關性。因此，本區煤儲層頂底板的巖性和厚度對煤層氣含量控制作用不明顯。2#煤層厚度一般介于0.9～4.2 m，平均厚度為2.3 m。8#煤層厚度一般介于1.3～4.6 m，平均厚度為3.3 m。9#煤層厚度一般介于0.7～4.7 m，平均厚度為2.0 m。煤層厚度與氣含量相關系數僅為0.261，相關性較弱，表明煤層厚度增加，煤層氣含量具有隨之略有增大的趨勢，如圖2所示。

圖2 古交區塊主采煤層氣含量與煤厚關系散點圖

4.2 煤巖煤質特征與氣含量

之前的研究表明煤中水分因占據煤層空隙結構從而使煤層吸附能力降低，且影響十分顯著；此外，隨著煤層灰分、揮發分含量的增加，煤儲層的吸附能力亦降低。

由表1可知，2#煤層灰分(Ad)產率在21.14%～25.95 %，均值為24.31 %；水分(Mad)含量均值為0.62%～0.79%，均值為0.68%；揮發分(Vdaf)產率為19.43%～22.70%，均值為20.88%。8#煤層灰分產率為15.70%～25.84%，均值為22.09 %；Mad含量為0.58%～0.83%，均值為0.69 %；揮發分Vdaf產率為17.58%～19.95%，均值為17.82%。9#煤層灰分Ad產率為20.11%～25.15%，均值為22.32%；Mad含量為0.61%～0.81%，均值為0.70 %；Vdaf產率為15.36%～19.47%，均值為17.67%。

古交區塊氣含量與水分、灰分、揮發分關系如圖3所示。由圖3可知，隨著揮發分、灰分和水分含量的增高，古交區塊煤儲層氣含量呈降低趨勢。

圖3 古交區塊氣含量與水分、灰分、揮發分關系散點圖

4.3 埋藏深度與氣含量

以往研究表明，隨著埋深增加，儲層壓力增大，在一定程度上煤層氣含量隨著煤層的埋深增加而增加。古交區塊煤儲層埋藏深度以馬蘭向斜核部埋深最大，埋深趨勢由北向南增加。本區2#、8#、9#煤層氣含量顯示出明顯的隨著埋深增加而增加的趨勢，如圖4所示，這與古交區塊埋深與氣含量關系的已知研究結果一致。

圖4 古交區塊主采煤層氣含量與埋深的關系散點圖

4.4 構造特征與氣含量

褶皺與斷裂構造對煤層氣儲層改造作用十分明顯，通過改變儲層的連續性、埋深、壓力和封閉性從而影響煤層氣運移和成藏。古交區塊煤儲層分布特征主體受馬蘭向斜構造控制，2#煤層氣含量以馬蘭向斜核部較周圍煤層較高，而北西部正斷層較發育的地區氣含量相對較低。原因在于區內張性斷裂發育，斷層附近儲層壓力降低，形成開放通道，不利于煤層氣的吸附儲集，形成低氣含量區。這表明古交區塊煤層儲氣成藏受到構造因素影響顯著，地質構造是控制古交區塊煤層氣成藏的一個重要因素。

5 結論

本文通過對古交區塊主采煤層煤層氣成藏地質影響因素分析，主要取得到以下幾點認識：

(1)西山煤田含煤巖系煤儲層至少經歷了3次生烴高峰，煤變質程度和以構造巖漿熱作用為主的煤變質演化過程使主采煤層具備較高生烴潛力的主要因素。

(2)主采煤層的頂底板封閉性相對較好，煤層頂底板厚度與儲層含氣量不具有明顯的相關性；含氣量與煤儲層厚度呈正相關；氣含量與灰分、水分和揮發分呈明顯負相關。

(3)馬蘭向斜和以正斷層性質為主的斷裂構造及煤層埋藏深度是控制古交區塊煤層氣含量的主要地質因素。

綜上所述，古交區塊煤層氣含量可能受多種地質因素控制，準確地分析采區范圍內影響氣含量的地質因素需要進一步進行含煤層氣系統和煤層氣封存單元劃分。

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(責任編輯 郭東芝)

Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield

Liu Yanhai1, Liu Dongna1,2, Chang Suoliang1,2, Chen Qiang1,2, Chang Zeguang1, Zou Yu1, Cheng Jianbo1

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2.Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

To analyze the geological influence factors of coalbed methane (CBM) reservoir forming in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield, the author discussed the relationships between the CBM reservoir forming and thickness and lithology of coal reservoir roof and floor, thickness of coal seam, constituents of coal, coal rank, burial depth of coal seam, regional structure thermalevent, geologic structure. The research results showed that there was no significant correlation between the thickness of roof and floor and CBM content of the reservoir; the CBM content was positively correlated with the thickness of coal reservoir, while was negatively correlated with the content of ash, volatiles and moisture content in coals. In addition, the coal seams had experienced at least three periods of hydrocarbon generation by thermal pyrolysis, and the thermal evolution was the main controlling factor in the CBM generation; syncline and normal fault in the area were the main reason of CBM control.The CBM reservoir forming in the Gujiao block was mainly influenced by coal coalification and tectonic characteristics, as well as many other integrated factors, such as the buried depth and thickness of coal seam.

Taiyuan Xishan coalfield, CBM reservoir forming, correlation analysis, geological factor

山西省煤基重點科技攻關項目——山西省煤層氣成藏模式與儲層評價(MQ2014-01)

劉燕海，劉東娜，常鎖亮等. 太原西山煤田古交區塊煤層氣成藏地質單因素分析[J]. 中國煤炭，2017,43(4)：38-42，47. Liu Yanhai, Liu Dongna, Chang Suoliang, et al. Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield[J]. China Coal, 2017,43(4):38-42，47.

P618.11

A

劉燕海(1992-)，男，內蒙古商都人，碩士研究生，主要從事煤層氣相關研究。