沁水盆地樊莊北部構造特征與煤層氣富集

郝曉鋒 任智劍 曹永春 羅 丹 范秀波

(中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 046000)

樊莊北部位于沁水盆地南緣，受多期次構造運動影響，區內出現多條南北延伸的斷裂與褶皺。3號煤、15號煤層之間與15號煤下伏地層中，沉積有太原組海陸過渡相灰巖與奧陶系海相灰巖，裂縫溝通了煤層與含水灰巖層，受地形高差影響，地下水不斷沖蝕地層，區內形成多條陷落柱，相鄰的生產井的產氣量各有不同。黃孝波等對沁水盆地煤層氣成藏主控因素進行分析，認為構造運動、水動力條件、煤層埋深是控制煤層氣成藏的主要地質因素，閆寶珍等認為鄭莊-潘莊-樊莊地區煤層氣富集模式是箕狀緩流型，屬于構造主控和水動力主控。通過前人的研究與區內條件分析，樊莊北部煤層氣富集與構造水文關系密切。

1 區域概況

沁水盆地東依太行山隆起，南接中條山隆起，西鄰呂梁山隆起，北靠五臺山隆起，整體形態為一大的復式向斜構造。研究區位于沁水盆地南部(圖1)，太原組、山西組地層總體寬緩，地層傾角平均8°左右，西北部低緩、平行褶皺普遍發育，軸向呈近南北和北北東向，褶皺的幅度相對較小，背斜幅度一般小于50m，延伸長度在5～10km，是呈典型的長軸線性褶皺；斷層相對不發育，斷距大于20m的斷層僅在西北部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈一組北東向-東西向正斷層組成的弧形斷裂帶，區內無巖漿活動，東南部發育有一定數量的陷落柱。

圖1 沁水盆地構造示意圖(左)

圖2 沁水盆地構造期次示意圖

樊莊北部發育石炭系太原組15號、二疊系山西組3號兩套煤層，發育穩定，煤層氣富集，煤層和暗色泥巖為主要烴源巖。區內共收集各類鉆井319口，制作了16口井合成記錄，標定了兩套煤層，利用解釋平臺進行2*2加密構造解釋，3號煤頂、15號煤頂能量強，信噪比高，皆為低頻、連續、穩定的波峰反射。

2 煤層構造特征

2.1 構造演化

工區構造發育經歷了多期改造，主要經歷了印支、燕山、喜山三期活動(圖2)，不同期次活動的主應力方向不同，從而造成同構造之間表現的構造特征也不同。東西向褶皺發育于印支期近南北的擠壓應力，北東向褶皺發育于燕山期北西向的擠壓應力，北西向褶皺發育于喜山期北東向的擠壓應力，但南北發育的北西向褶皺形成機制略有差異，北部北北西向褶皺呈雁列式展布，收斂于寺頭斷層，是寺頭斷層的伴生褶皺，而寺頭斷層是40km的走滑斷層。除寺頭斷層，其他斷層發育受褶皺控制，形成時間稍晚于褶皺。

2.2 煤層厚度預測

波形指示反演是在地震波形特征指導下對反射系數組合尋優的過程。與常規地質統計學反演相比，地震波形指示反演對井位分布無要求，適應性更廣，提高了橫向分辨率；采用了全局優化算法，反演確定性大大增強，能有效避免噪聲對反演結果的影響。

通過波形指示反演,得到了全區煤層分布圖，工區內3號煤層分布穩定，厚度變化不大，變化趨勢不明顯(圖3)。煤層厚度范圍6～9m，平均7m左右，預測結果與區內探井吻合度高，相對誤差小。15號中部及北部煤層發育較厚在4～6m；其他部分則煤層較薄2～4m，與區內探井吻合度相對較差，但趨勢相對準確(表1)。

圖3 任意線過井剖面厚度圖

表1 煤層厚度預測結果

圖4 陷落柱正演實驗

圖5 產氣量與井距離陷落柱關系(左)地下水水位等值線(右)

2.3 陷落柱特征

陷落柱在水平時間切片上表現為有規律地出現環形異常；在主要目的層的反射波振幅切片上，表現為反射能量明顯減弱的圓形，明顯反映出地震反射波能量的變化。由于陷落柱內坍塌物呈無序、雜亂無章的分布，其膠結程度不一，密度差異變化大，較大的陷落柱的地震響應在時間剖面上特征表現為反射波的中斷；而較小的陷落柱受陷落柱邊棱繞射不能完全偏移歸位的影響，仍然有繞射波殘余存在，但比正常標準反射能量弱。

通過模型正演陷落柱(圖4所示，陷落柱內縱波2000m/s，橫波速度1150m/s，密度2g/cm3，面元20*20m，道間距20m)可以看出反射特征：(1)20m的陷落柱，波形變化不大，但振幅存在明顯的減弱。(2)40m的陷落柱波形存在下彎現象，振幅減弱。在陷落柱上方存在亮點。因此，相對較大(40m以上)的陷落柱在地震剖面可以較好的識別，或者利用常規波形屬性就可以進行較好的預測；相對較小(20m)則需要借助振幅的屬性進行識別。

表2 評價井含氣量測試結果

從地下水位等值線(圖5)可以看出，區內東部及南部水動力較為活躍，向深部徑流過程中，強度逐漸減弱，并在低洼處和深部形成匯流滯留中心，對煤層氣保存有利。當巖溶水強徑流帶方向與斷層、褶曲走向斜交時，交叉部位就是陷落柱的發育帶，且具有成群分布規律。當巖溶水強徑流帶方向與斷層、褶曲走向相同時，沿斷層走向尤其是沿斷裂帶及褶皺走向，就是陷落柱的發育帶，且具有定向帶狀分布的規律。南帶由于水動力活躍，水洗嚴重，容易發生溶蝕，該種單個規模小，但是發育面積廣。北帶構造成因，由于兩期褶皺相疊加，則在相交位置，應力釋放，斷裂比較發育，雖然水動力弱，但溶蝕作用更加充分。因此形成的單個規模大。生產井氣量與陷落柱距離有較強的相關性，距離小于150m不利于排水降壓。

3 含氣性特征

對該地區評價井含氣量分析，看出東南片F66、F69井附近含氣性較差，高含氣區在北部呈現近南北向條帶分布。

縮小煤層構造圖色棒范圍最大最小值，突出3號煤層構造起伏變化后，發現A-B線東側有一條近南北向隆起，南部地層平緩，北部隆坳相間，陷落柱集中在東南周緣，北部受褶皺約束分散排列(圖6)。從含氣性結果看出，北部高含氣條帶多呈現北東向，極少數呈現北西向，說明了從燕山期至今，構造運動產生的褶皺斷裂控制了區內煤層氣富集。北東向褶皺發育于燕山期北西向的擠壓應力；北西向褶皺發育于喜山期北東方向擠壓應力，燕山晚期到喜山期形成的褶皺斷裂控制了煤層氣的聚集。

4 結論

(1)受多期構造活動作用，南北帶發育多期褶皺復合疊加帶。北帶由近東西向和北西向兩組褶皺疊加，南帶由北東向和北西向兩組褶皺疊加。

(2)褶皺與斷層在發育上具有較強的相關性，斷層(除寺頭斷層)的發育明顯受褶皺控制。地震剖面上斷層基本發育在褶皺的軸部或轉折端；在平面構造圖上斷層基本沿褶皺發育，走向與褶皺一致。北帶北北西向褶皺是寺頭走滑斷層的伴生構造。

(3)南北陷落柱發育差異可能受“構造控制單個規模，地下水控制總體數量”影響；南帶陷落柱發育，數量多，該區域水動力強，水洗嚴重，鄰井產氣低。

(4)從區內構造及水文地質角度分析，煤層氣開發布井優選東北片與西南片之間構造相對平緩、陷落柱發育較少位置。